Ich war gerade auf einer Wanderung, als ich dieses faszinierende Geräusch hörte, einen Chor von hohen, zirpenden Geräuschen. Neugierig, herauszufinden, was dieses Geräusch verursachte, verließ ich den Weg und folgte dem Zirpen durch ein Feld mit Schilf. Hier ist, was ich sah (und hörte).
Hmmm… Es gab nicht viel, was ich sehen konnte, obwohl ich eine Menge Aktivität hören konnte.
Ich versuchte, mich an eine einsame, schrille Stimme aus dem Chor anzuschleichen. Viele gescheiterte Versuche später waren meine Beine mit Kratzern übersät, weil ich im Schilf herumstolperte, aber schließlich gelang es mir, einen Blick auf die Kreatur zu erhaschen, die dieses Geräusch machte. Es war ein winziger brauner Frosch, klein genug, um auf einer Fingerspitze zu sitzen. Der Teich verwandelte sich in einen Chor dieser Frösche, die alle versuchten, sich gegenseitig beim Anlocken von Weibchen zu übertreffen.
Ich kam nahe genug heran, um das Geräusch aufzunehmen, das einer dieser kleinen Kerle machte, und bat Twitter, mir bei der Identifizierung des Frosches zu helfen. (Klicken Sie auf Play, um die Aufnahme zu hören).
https://twitter.com/aatishb/status/454036024159928320
Glücklicherweise, wachte ich am nächsten Morgen durch einen Tweet meiner Freundin, der Wissenschaftsautorin Sarah Keartes (Twitter, Website), auf, die meine Anfrage an ihre froschbegeisterten Kollegen bei EarthTouch weiterleitete. Sie konnten den Frosch als Northern Spring Peeper identifizieren, einen Frosch, dessen wiederkehrendes Piepsen den Beginn des Frühlings im Nordosten der USA markiert.
https://twitter.com/EarthTouch/status/454196593395130368
Der lateinische Name des Nördlichen Frühlingsguckers ist Pseudacris crucifer, was eher nach einem Comic-Bösewicht oder einem knallharten Rapper klingt als nach einem winzigen Frosch. Eine schnelle youtube-Suche überzeugte mich, dass dies tatsächlich unser Kerl war. Hier sehen Sie, wie das Männchen aussieht, wenn es diesen Ton von sich gibt.
Und hier ist ein näherer Blick.
/ Flickr (mit Erlaubnis verwendet)
Dieser riesige Beutel, den Sie sehen, ist ein Stimmsack, und er bläht sich auf, bis er fast so groß ist wie der Frosch. Es ist dieser akustische Resonator, der es diesem winzigen Frosch ermöglicht, ein so lautes und schrilles Zirpen von sich zu geben.
Zu Hause auf meinem Computer habe ich ein Sample des Froschquiekens aus meiner Aufnahme isoliert. Klicken Sie unten, um diesen Ton anzuhören und die Form des Audiosignals zu sehen. Im Wesentlichen ist dies ein Diagramm, das zeigt, wie Ihre Lautsprecher wackeln müssen, um das Quaken des Frosches wiederzugeben.
Der Ruf dieses Frosches war bemerkenswert konsistent. Er hatte jedes Mal fast genau die gleiche Tonhöhe und wurde in gleichmäßigen Abständen, etwa 40 bis 50 Mal pro Minute, genau getaktet. Toll.
Das Zirpen klang sehr schrill, aber hat es irgendwelche Obertöne, wie wenn ein Sänger eine Note trifft? Oder ist es ein reiner Ton, wie wenn man eine Stimmgabel anschlägt? Um das herauszufinden, habe ich das obige Diagramm als Frequenzdiagramm betrachtet. (Mathematisch ist dies als Fourier-Transformation bekannt, und ich habe hier mehr darüber geschrieben).
Wenn Sie diese Spektrogramme noch nicht gesehen haben, sind sie ein wenig schwierig zu lesen. Auf der vertikalen Achse befinden sich die verschiedenen Frequenzen (oder Tonhöhen) im Klang, und wie zuvor tickt die Zeit von links nach rechts. Stellen Sie sich dieses Diagramm so vor, als würde man das Zwitschern des Frosches in seine einzelnen Töne zerlegen – tiefe Töne unten und höhere Töne oben. Die heißeren Farben repräsentieren einen lauteren Ton, der von kühlen Blautönen über warme Rottöne bis hin zu ultraheißem Weiß reicht.
Sehen Sie, wie ein scharfer weißer Balken das Zwitschern durchschneidet? Das sagt uns, dass das Froschgezwitscher hauptsächlich aus einem sehr lauten Ton mit einer Tonhöhe von ca. 3000 Zyklen/Sekunde, also G7, besteht. Und es gibt auch einige leisere Obertöne – diese parallelen roten und rosa Balken.
Um dies zu bestätigen, erstellen wir ein Diagramm aller verschiedenen Frequenzen, die sich zu diesem Ton addieren. Dieses Diagramm ist wie ein Rezept für den Klang, das uns sagt, aus welchen Tönen er sich zusammensetzt (auf der horizontalen Achse) und in welcher Lautstärke (auf der vertikalen Achse).
Die Spitzenfrequenz aus dem obigen Diagramm beträgt 3144 Zyklen/Sekunde (oder G7), was mit dem übereinstimmt, was wir vorher gesehen haben. Wie passt das zu den wissenschaftlichen Daten über diesen Frosch?
In einer klassischen Arbeit aus dem Jahr 1985, Sexual Selection in the Spring Peeper, wurde die Tonhöhe der Rufe von 72 nördlichen Frühlingspiepern in einem Labor gemessen und festgestellt, dass die durchschnittliche Spitzenfrequenz 3061 Zyklen/Sekunde betrug. Das deckt sich ziemlich genau mit meinen Ergebnissen aus dem Feld. Klasse! Die Wissenschaft arbeitet, wie sie sollte.
Die gleiche Arbeit zeigt auch, dass die Weibchen des Nördlichen Frühlingspiepers die Männchen mit den lautesten Rufen bevorzugen, und auch die Männchen, die ihre Rufe am schnellsten wiederholen. Wenn es also zum Beispiel zwei Männchen gibt, von denen eines alle 1,2 Sekunden und das andere alle 0,9 Sekunden zirpt, dann würden die Weibchen in neun von zehn Fällen den schnelleren Zirpler wählen. Für die männlichen Frösche ist lautes und schnelles Zwitschern eine erfolgreiche Strategie.
Die Vorteile des Lautseins sind offensichtlich. Wenn Sie ein Frosch sind und lauter rufen können als Ihre Artgenossen, ist es wahrscheinlicher, dass Sie die Aufmerksamkeit der Weibchen bekommen. Aber warum bevorzugen die Froschweibchen die schnellsten Zwitscherer?
Das liegt daran, dass das Zwitschern für die Fitness des Froschmännchens wirbt. Die Frösche, die am schnellsten zwitschern, sind tendenziell schwerer und in besserer körperlicher Verfassung. Das liegt daran, dass das Zwitschern Energie kostet. Um schneller zu zwitschern, muss ein Frosch mehr Sauerstoff aufnehmen und mehr Energie verbrauchen. Die Frösche, die am schnellsten zwitschern, sind diejenigen mit der größten Ausdauer. Wie die schnellsten Langstreckenläufer sind sie in der Lage, einen hohen Energieverbrauch über eine lange Zeit aufrechtzuerhalten.
Was uns zu einem weiteren Rätsel führt. Genau das, was die männlichen Springpieper für die Weibchen attraktiv macht – ihre lauten, sich wiederholenden Rufe – würde sie auch für etwaige Raubtiere viel auffälliger machen. Wie schaffen sie es also, nicht gefressen zu werden?
/ Flickr (mit Erlaubnis verwendet)
Eine Möglichkeit, wie diese Frühlingsgucker Raubtiere vermeiden, ist, dass sie sehr früh im Frühling aus dem Winterschlaf erwachen. Aber es gibt ein Problem mit dieser Strategie. Der frühe Frühling bringt kalte Temperaturen mit sich, die oft unter den Gefrierpunkt fallen (was derzeit der Fall ist, während ich diese Zeilen schreibe). Die Frage läuft also auf Folgendes hinaus. Wie verhindert der Frosch, dass er selbst erfriert? Die Antwort auf diese Frage verblüfft mich total – der Frosch verhindert nicht, dass er friert. Stattdessen hat sich die Evolution einen Weg ausgedacht, wie der Frosch am Leben bleiben kann.
Wenn der Frosch im Frühjahr aus dem Winterschlaf erwacht, kann die Temperatur oft unter den Gefrierpunkt fallen. Wenn die Temperatur -2 oder -3 C beträgt, kann der Frosch überleben, weil das Wasser in seinem Inneren in einem unterkühlten Zustand bleibt – unter seinem Gefrierpunkt, aber noch nicht gefroren. Aber sobald die Temperatur noch tiefer sinkt, kann das Wasser im Inneren des Frosches nicht mehr unterkühlt bleiben und er beginnt zu gefrieren.
Für die meisten Tiere würde dies einen schnellen Tod bedeuten. Aber nicht für den Nördlichen Springspanner. Studien haben gezeigt, dass dieser Frosch bis zu einer Woche gefroren überleben kann. Der Frosch begibt sich in einen Zustand des Scheintods. Seine Atmung, sein Blutfluss und sein Herzschlag kommen zum Stillstand, und seine Gliedmaßen werden steif gefroren. Das Wasser unter seiner Haut gefriert, und der Inhalt seines Magens wird zu einer festen Eiskugel. Mehr als die Hälfte des Wassers in seinem Körper verwandelt sich in Eis. Dennoch kann er in diesem gefrorenen Zustand tagelang überleben, und wenn die Temperatur wieder ansteigt, taut der Frosch auf und hüpft schließlich wieder herum.
Wie also schafft er diesen unglaublichen Trick?
Hier ist ein Clip von David Attenborough, der diesen Trick bei einer anderen Art von gefrierresistenten Fröschen, dem Waldfrosch, erklärt, der eine ähnliche Strategie anwendet.
Gewöhnlich dehnt sich das Eis aus, wenn Zellen einfrieren, und führt dazu, dass die Zellen platzen und der Organismus stirbt. Aber dieser Frosch, zusammen mit einer Handvoll anderer nordamerikanischer Frösche, hat eine unglaubliche Strategie entwickelt, um sich vor Frostschäden zu schützen. Innerhalb von 5 Minuten, nachdem sich Eiskristalle im Inneren des Frosches gebildet haben, schaltet die Leber des Frosches in den Notfall-Rettungsmodus und beginnt, Glukose ins Blut abzugeben, die sich dann im gesamten Körper des Frosches verteilt. Dieser Zucker dient als „Kälteschutzmittel“ – ein biologisches Frostschutzmittel, das verhindert, dass sich Eiskristalle in den Zellen des Frosches bilden.
In dem Moment, in dem sich Eiskristalle im Inneren des Frosches bilden, tickt die Uhr. Es ist ein Wettlauf zwischen der Gefrierfront, die sich von außen auf den Frosch zubewegt, und der Glukose, die zur Rettung von innen nach außen gepumpt wird. Die Zuckerwerte sind daher in den Kernorganen des Frosches wie Leber, Herz, Nieren und Gehirn am höchsten, wo der Glukosespiegel bis auf das 50-fache ansteigt. Währenddessen erhalten die äußeren Gewebe wie Haut und Skelettmuskulatur weniger Glukose, weil sie bereits zu frieren begonnen haben. Die wirklich überraschende Tatsache dabei ist, dass der Zucker nicht im Blutkreislauf des Frosches war, bevor das Einfrieren begann. Er wurde von der Leber herausgepumpt, unmittelbar nachdem der Frosch zu frieren begann. Sobald der Frosch aufgetaut ist, wird die Glukose wieder in der Leber gespeichert, bereit zur Wiederverwendung.
Und diese unglaubliche Anpassung hilft, diese Frösche sicher zu halten. Diese gefrierresistenten Nördlichen Springfrösche können im Frühjahr früher auftauchen als ihre Fressfeinde und so viele Tage lang nach Herzenslust singen und brüten.
Großen Dank an Dave Huth für die Bereitstellung seiner hervorragenden Bilder unter der Creative Commons Lizenz. Schauen Sie sich seine Website und seinen Flickr-Stream an, beides großartige Ressourcen für Wissenschaftskommunikation und Biologie.
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Hier ist ein unglaubliches Video von Robert Krulwich über ein „frühlingshaftes Froschwunder“ – die Wiederauferstehung des frosttoleranten Waldfrosches.
Wollen Sie mehr über unterkühlte Dinge erfahren, von Pferden bis zum Universum? Schauen Sie sich diesen Radiolab-Podcast an.
Und hier ist ein netter Erklärer von Malcolm Campbell, der die Wissenschaft aufschlüsselt, wie Waldfrösche und Birken ähnliche Strategien entwickelt haben, um lebendig eingefroren zu überleben. Verblüffendes Zeug!