Усатые киты — крупнейшие животные, когда-либо обитавшие на нашей планете, и как высшие хищники играют жизненно важную роль в морских экосистемах. Чтобы общаться на огромных расстояниях и находить друг друга, они производят звуки, которые распространяются в мутных и темных водах океанов.

Новое исследование возглавили профессор Коэн Элеманс с факультета биологии Университета Южной Дании и профессор Текумсе Фитч с факультета поведенческой и когнитивной биологии Венского университета в Австрии.

"Зубатые и усатые киты произошли от наземных млекопитающих, у которых гортань выполняла две функции: защиту дыхательных путей и производство звука. Однако их переход к водной жизни потребовал изменений, чтобы предотвратить удушье под водой", — говорит Текумсе Фитч.

Исследование показывает, что усатые киты, тем не менее, все еще могут издавать звуки, но для этого у них развились новые структуры — существующие только у этих животных. Например, крошечные черпаловидные хрящи в гортани, которые у людей меняют положение голосовых связок, у китов сильно изменились.

"Они превратились в длинные цилиндры, сросшиеся у основания, и образующие большую U-образную жесткую структуру, которая простирается почти на всю длину гортани", — говорит Элеманс.

"Вероятно, это нужно для того, чтобы обеспечить жесткость открытых дыхательных путей, когда им приходится вдыхать и выдыхать огромные объемы воздуха во время взрывного поверхностного дыхания", — добавляет Фитч.

"Мы обнаружили, что эта U-образная структура давит на большую жировую подушку на внутренней стороне гортани. Когда киты выталкивают воздух из легких через эту подушку, она начинает вибрировать, и это порождает очень низкочастотные подводные звуки", — объясняет Элеманс.

Трудности изучения

Люди столетиями охотятся на китов, что привело к тому, что теперь эти животные находятся на грани исчезновения. В то же время, по словам эксперта по китам из Университета Южной Дании и соавтора исследования Магнуса Уолберга, много усилий приложено и для их изучения.

"Когда они выбрасываются на берег — это уникальная и редкая возможность узнать об этих удивительных животных, но даже в этом случае очень сложно изучать физиологию, потому что ткани очень быстро разлагаются. Известно, что киты взрываются на пляже", — добавляет Уолберг.

Благодаря датской и шотландской Сети морских млекопитающих исследователи получили возможность быстро извлечь гортани сейвала, малого полосатика и горбатого кита для тщательного исследования в лаборатории. "Наши эксперименты впервые показали, как киты издают очень низкочастотные звуки", — говорит Элеманс.

Чтобы понять, как мышечная активность может изменить вокализации, исследователи построили вычислительную модель всей гортани кита. "Она включает в себя точные трехмерные формы гортани и ее мышц, что позволило смоделировать, например, как частота контролируется посредством мышечной модуляции", — говорят Цянь Сюэ и Сюдун Чжэн, профессора кафедры машиностроения Рочестерского технологического института и соавторы исследования.

Человеческий шум мешает

Однако обнаруженные анатомические особенности, которые позволяют китам успешно общаться в океанах, также накладывают непреодолимые физиологические ограничения. Объединив эксперименты и модели, исследователи предоставили первые доказательства того, что усатые киты не способны избежать антропогенного шума, поскольку он маскирует их голоса и тем самым ограничивает диапазон общения.

"Первые акустические записи песен горбатых китов, сделанные Роджером и Кэти Пейн в 1970 году, нашли глубокий отклик у человечества, положили начало процветающей области морской биоакустики и вызвали глобальный интерес к усилиям по сохранению морской среды, — говорит Коэн Элеманс. — Они были настолько важны, что попали на борт космических кораблей "Вояджер", — продолжает он.

Роджер и Кэти Пейн заставили нас осознать, насколько тихим было море до того, как люди начали широко использовать винтовые корабли и непрерывно работающие корабельные генераторы. Именно в этих тихих водах эволюционировали киты.

"По сравнению с семидесятыми годами наши океаны сейчас еще более наполнены антропогенным шумом от морских путей, буровых работ и сейсмических орудий. Нам нужны строгие правила в отношении таких звуков, потому от этого зависит общение китов. Теперь мы показываем, что, несмотря на их удивительную физиологию, они буквально не могут избежать шума, который люди производят в океанах", — говорит Элеманс.

Исследование опубликовано в Nature.