Eine Fledermaus, die lautlos durch die Nacht gleitet, kann eine Mücke in einem Bruchteil einer Sekunde aus der Luft schnappen – fast ohne ihre Augen zu benutzen. Diese erstaunliche Fähigkeit beruht auf der Echoortung, dem biologischen Sonarsystem, über das die meisten Fledermausarten verfügen. Indem sie Schallwellen aussenden und die zurückkehrenden Echos auswerten, erstellen sie eine erstaunlich detaillierte „Klangkarte" ihrer Umgebung.
Was ist Echoortung?
Echoortung ist der Vorgang, bei dem ein Lebewesen die Position, Entfernung und sogar Form von Objekten in seiner Umgebung bestimmt, indem es die von seinen eigenen Lauten erzeugten Echos abhört. Neben Fledermäusen nutzen auch Delfine, mehrere Zahnwalarten und sogar einige höhlenbewohnende Vogelarten diese Technik in unterschiedlichem Ausmaß. Bei Fledermäusen jedoch hat rund fünfzig Millionen Jahre Evolution das System zu einer außergewöhnlichen Präzision verfeinert: Manche Arten können im Flug einen Draht so dünn wie ein menschliches Haar erkennen und ihm ausweichen.
Das zugrundeliegende Prinzip ist überraschend einfach. Eine Fledermaus stößt einen Schallimpuls aus, oft in Frequenzen, die für das menschliche Ohr viel zu hoch sind (zwischen 20 Kilohertz und deutlich über 200 Kilohertz). Dieser Schall wird von allem, worauf er trifft – einem Blatt, einer Wand oder einem fliegenden Insekt – teilweise zurückgeworfen. Die Fledermaus nimmt dieses Echo wahr und errechnet aus der Laufzeit die Entfernung, aus Veränderungen von Lautstärke und Frequenz Größe, Beschaffenheit und Bewegungsrichtung des Objekts.
Wie erzeugen Fledermäuse ihre Laute?
Die meisten Fledermausarten erzeugen ihre Ultraschalllaute durch Anspannen der Kehlkopfmuskulatur und geben sie über das Maul ab. Andere Arten gehen einen anderen Weg: Die als Blattnasenfledermäuse bekannte Gruppe leitet ihre Rufe durch aufwendig gefaltete Nasenstrukturen, die den Schall zu einem schmalen Strahl bündeln und so eine präzisere Abtastung ermöglichen. Eine kuriose Ausnahme bilden manche Flughunde, die statt zu rufen mit den Flügeln klicken – was ihnen ein gröberes, aber immer noch funktionales räumliches Bewusstsein verschafft.
Die Auswertung des Echos: Ohr und Gehirn
Den Schall auszusenden ist nur die halbe Aufgabe – die eigentlich komplexe Arbeit findet bei der Auswertung des zurückkehrenden Echos statt. Die schneckenförmige Cochlea im Innenohr der Fledermaus ist über einen weiten Frequenzbereich empfindlich und besonders fein auf das schmale Frequenzband abgestimmt, in dem die Echos typischerweise zurückkehren. Das Gehirn verarbeitet gleichzeitig die Zeitverzögerung zwischen ausgesendetem Ruf und zurückkehrendem Echo, die Frequenzverschiebung sowie winzige zeitliche Unterschiede zwischen beiden Ohren und berechnet daraus nahezu augenblicklich die dreidimensionale Position der Beute. Dies ist ein extrem schneller Signalverarbeitungsvorgang, der sich hunderte Male pro Sekunde wiederholt.
Feinabstimmung gegen die Doppler-Verschiebung
Manche Arten, etwa Hufeisennasen, können die Tonhöhe ihrer Rufe in Echtzeit anpassen, um die durch den eigenen Flug und die Bewegung der Beute verursachte Doppler-Verschiebung auszugleichen. Diese Feinabstimmung hält das zurückkehrende Echo stets in dem schmalen Frequenzband, für das ihre Ohren am empfindlichsten sind, sodass die Fledermaus selbst den Flügelschlag eines Insekts vom Hintergrundrauschen unterscheiden kann. Dieser Mechanismus gilt als einer der präzisesten biologischen Signalverarbeitungsprozesse, die in der Natur bekannt sind.
Die „Buzz-Phase" der Jagd
Nähert sich eine Fledermaus ihrer Beute, ändert sie ihre Strategie. Aus der Distanz sendet sie nur wenige Impulse pro Sekunde aus; je näher sie dem Ziel kommt, desto stärker steigt diese Rate – auf über 160 Impulse pro Sekunde in der von Wissenschaftlern so genannten „Buzz-Phase". Diese dichte Folge von Impulsen ermöglicht es der Fledermaus, die plötzlichen Ausweichbewegungen ihrer Beute nahezu in Echtzeit zu verfolgen, und erhöht die Trefferquote in den letzten Sekunden des Angriffs erheblich.
Gegenstrategien: Der stille Widerstand der Beute
So wirkungsvoll die Echoortung auch ist, haben Beutetiere Methoden entwickelt, um sie zu unterlaufen. Manche Mottenarten haben einfache, aber funktionale Ohren entwickelt, die speziell auf Fledermausrufe abgestimmt sind und es ihnen erlauben, eine herannahende Gefahr frühzeitig zu erkennen und mit abrupten Ausweichmanövern zu entkommen. Manche Motten gehen noch weiter und erzeugen eigene Ultraschallklicks, die entweder das Sonar der Fledermaus stören oder als Warnsignal dienen, dass sie giftig und ungenießbar sind. Dieses Wechselspiel ist ein Lehrbuchbeispiel für die evolutionären Wettrüsten, die in der Natur häufig vorkommen.
Beitrag zu Wissenschaft und Technik
Diese Fähigkeit fasziniert nicht nur Biologen, sondern auch Ingenieure. Das Prinzip, aus reflektiertem Schall Entfernung und Position abzuleiten, liegt sowohl schiffsgestützten Sonarsystemen als auch der in der Medizin zur Untersuchung von Weichgewebe eingesetzten Ultraschallbildgebung zugrunde. Forscher untersuchen seit Jahren, wie Fledermäuse ihre Ziele selbst in lauten Umgebungen so präzise verfolgen können, und übertragen diese Erkenntnisse auf künstliche Signalverarbeitungsalgorithmen sowie auf die Reduzierung toter Winkel in der Navigation von Robotern. Dieses natürliche „Biosonar" gilt als eines der seltenen Beispiele dafür, wie Jahrmillionen der Evolution direkt als Bauplan für die Technik dienen können.
Ist Echoortung ausschließlich bei Fledermäusen zu finden?
Nein. Delfine und mehrere Zahnwalarten nutzen ein vergleichbares Sonarsystem, um in trübem oder dunklem Wasser Beute zu finden und sich zu orientieren; bei ihnen wird der Schall nicht über die Stirn, sondern über ein fetthaltiges Organ namens Melone gebündelt. Auch die sogenannte „menschliche Echoortung" ist wissenschaftlich dokumentiert: Manche blinde Menschen lernen, Objekte in ihrer Umgebung anhand der Echos von Zungenklicks wahrzunehmen. Bildgebende Studien zeigen, dass bei diesen Personen Gehirnregionen, die normalerweise dem Sehen zugeordnet sind, für die Verarbeitung der akustischen Echoinformationen umfunktioniert werden. Das zeigt, dass Echoortung keine exotische Fähigkeit einer einzelnen Art ist, sondern eine Lösung, zu der die Evolution immer wieder aufs Neue gefunden hat.