Meeresforschung untersucht, wie riesige Bartenwale winzige Organismen filtern

Wie filtern riesige, zahnlose Bartenwale Tausende Pfund winziger Garnelen heraus, nachdem sie Meerwasser geschluckt haben?

Shirel Kahane-Rapport, Postdoktorandin am Cal State Fullerton, befasst sich mit der Biomechanik dieser Filtrierer und wie sie mithilfe von Bartenplatten Nahrung wie Zooplankton und kleine Fische aus dem Meerwasser filtern. Die Antworten könnten zu besser konstruierten industriellen Filtersystemen führen.

Kahane-Rapport führt ihre Studie unter der Leitung von Misty Paig-Tran, außerordentlicher Professorin für Biowissenschaften, durch. Das FABB-Labor (Funktionelle Anatomie, Biomechanik und Biomaterialien) von Paig-Trans verwendet eine Mischung aus Anatomie und technischen Techniken, um biologische Fragen zur Leistung von Meerestieren zu beantworten.

„Bartenwale sind faszinierend. Aber es ist erstaunlich, wie wenig wir über einige der größten und charismatischsten Tiere auf dem Planeten wissen“, sagte Paig-Tran. „Die Untersuchung, wie große Tiere winzige Organismen filtern, gibt uns großartige Einblicke in den Bau besserer und effizienterer Filter für den menschlichen Gebrauch.“

Die leitende Forscherin Kahane-Rapport führt die Studie in Zusammenarbeit mit Forschern der Stanford University, wo sie im Juni 2021 ihren Doktortitel erwarb, und der University of Washington durch.

Ihre Forschung zielt darauf ab, herauszufinden, wie sich die Körpergröße auf die Biomechanik und die anatomischen Strukturen auswirkt, die an der Wasserströmung und dem Beutefang von fünf Arten von Walwalen, einer Familie der Bartenwale, beteiligt sind. Zu dieser besonderen Walfamilie gehören der Blauwal (der größte aller Wale und das größte Tier aller Zeiten), der Finnwal, der Buckelwal, der Grauwal und der Zwergwal.

Anfang Juli präsentierte Kahane-Rapport ihre Forschung auf der internationalen Konferenz der Society of Experimental Biology in Montpellier, Frankreich. Im August wird sie auf der Konferenz der Society of Marine Mammalogy in Palm Beach, Florida, einen Vortrag halten.

Sie erhielt kürzlich ein Postdoktorandenstipendium der National Science Foundation in Biologie, um ihre Forschung in den nächsten zwei Jahren am CSUF fortzusetzen. Zu ihrer Forschung gehört auch die Arbeit mit Paig-Tran an der Biomechanik anderer großer filterfressender Tiere wie Mantarochen.

Bartenwale haben ein keratinhaltiges Mundgewebe – das gleiche Protein wie der Fingernagel und die Haare eines Menschen – das in beidseitig symmetrischen Gestellen vom Gaumen des Walmauls herabhängt, erklärte Kahane-Rapport. Die größeren Keratinplatten befinden sich in der Nähe der Lippe und die kleineren Platten näher an der Zunge. Wenn der Wal große Mengen Meerwasser schluckt, entzieht oder filtert der haarartige Barten die Nahrung dem Wasser.

„Die Ränder der Bartenplatte fransen zu Haaren oder Fransen aus, die ineinandergreifen und eine dichte Matte bilden. Diese Matte lässt die enorme Wassermenge, die sie verschlingt, aus dem Mund und der erweiterten Kehle fließen und hält die gefangene Beute zurück“, fügte Kahane hinzu. Rapport, dessen Doktorarbeit sich auf große Filterwale konzentrierte. „Wir verstehen die Mechanismen dieses Prozesses nicht.“

Ihre Studie, die zur Veröffentlichung in einer von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift eingereicht wurde, untersuchte verschiedene Merkmale der Barten, wie etwa die Dicke, Länge und Größe der Keratinplatten sowie die Abstände zwischen den einzelnen Platten.

„Wir haben herausgefunden, dass diese Merkmale, die wir gemessen haben, zwischen den Arten sehr unterschiedlich waren. Das ist etwas, was man vielleicht erwarten würde, weil es sich um unterschiedliche Arten handelt, aber unsere Studie zeigt dies mit statistischen Beweisen“, sagte sie.

Für die Forscher besteht einer der komplizierteren Aspekte bei der Untersuchung der Bartenwalfiltration darin, zu verstehen, wie Wasser durch den Filter fließt.

„Wenn man einen Filter untersucht, berechnet man zunächst die Größe des Lochs – der sogenannten Pore –, durch das das Wasser fließt. Dann kann man das Volumen und die Geschwindigkeit des Wasserflusses durch den Filter bestimmen“, erklärte sie.

„Im Fall von Bartenwalen ist der Filter eine verfilzte Matte aus Borsten, die aus den Bartenplatten hervortreten. Diese Matte hat kein klares Muster, keine klare Struktur oder Pore, daher konnten Forscher das Volumen und die Geschwindigkeit dieses Filters nicht berechnen.“ "

Für ihre Studie erstellten die Forscher CT-Scans der Borstenmatte. Mithilfe spezieller CT-Software und einer Gleichung, die häufiger von industriellen Filteringenieuren verwendet wird, konnten sie dann alle kleinen Lücken berechnen, die zwischen den Borsten auftreten, und diese addieren, um eine ungefähre kumulative Porengröße zu ermitteln.

„Wir fanden heraus, dass die größeren Wale – die Blauwale und Finnwale – kleinere Porengrößen hatten als die kleineren Wale, wie die Buckelwale“, sagte Kahane-Rapport. „Als Ergebnis könnte unsere Forschung zur Entwicklung eines Filters führen, der zur Verbesserung aktueller künstlicher Filtersysteme verwendet werden kann, inspiriert von den effizient gefilterten, riesigen Wassermengen, die von diesen riesigen Arten verarbeitet werden.“

Diese Studie liefert Wissenschaftlern auch ein besseres Verständnis der Ernährungsmechanismen dieser ökologisch wichtigen Tiere. Darüber hinaus befasst sich ihre Arbeit mit den Risiken, denen Wale durch vom Menschen verursachte Bedrohungen wie Schadstoffe im Wasser, einschließlich Mikroplastik, ausgesetzt sind.

„Bartenwale sind ökologisch wichtige Tiere, und wenn wir sie besser verstehen, können wir nicht nur das Leben im Meer, sondern auch das menschliche Leben verbessern.“