Nieuwe luide wereld

We vinden het niet meer dan normaal dat praktisch de hele planeet bevolkt wordt door dierengeluiden: het beklijvende lied van walvissen diep in de zee, de chaotische symfonie van vogels, kikkers en insecten in het woud, en natuurlijk het rumoer van de mens en zijn technologische creaties in de stad. Toch werd tot niet zo lang geleden de stilte op aarde alleen doorbroken door het geluid van wind, regen en golven.

In mijn werk als paleontoloog probeer ik te begrijpen hoe uitgestorven dieren leefden – hoe ze bewogen, wat ze aten, welke geluiden ze maakten. Ik word ook als consultant ingeschakeld bij tentoonstellingen, televisie, film en games, om het ontwerp en de animatie van allerlei wezens goed te krijgen.

Een van de vragen die ik het vaakst krijg bij zulke projecten is wat voor geluid zo’n beest moet maken. Of iemand nu een lang uitgestorven pterosaurus moet reconstrueren voor een academisch onderzoek of een monster moet ontwerpen voor de volgende blockbuster, hoe die klinkt is bepalend om die lang vervlogen of denkbeeldige werelden tot leven te brengen.

Recente inzichten in de evolutie van dierengeluiden werpen een nieuw licht op hoe onze huidige klanklandschappen zijn ontstaan. Fossielen onthullen wanneer geluidsproducerende (en -herkennende) structuren hun intrede deden bij de voorouders van moderne dieren. En door vernuftige reconstructies zijn wetenschappers er zelfs in geslaagd een aantal oeroude geluiden te laten weerklinken. We hebben nog niet alles op een rijtje, maar we kunnen wel beginnen in elkaar te puzzelen hoe er een eind kwam aan de rust op aarde.

Uit fossiele vondsten blijkt dat het leven op aarde 3,7 miljard jaar geleden begon. Maar die eerste organismen – microbes bijvoorbeeld, en niet veel later ook dieren met een zacht lichaam, die veel gemeen hadden met kwallen – gaven geen kik. Pas met de cambrische explosie, het ontstaan van een grote soortenrijkdom zo’n 541 tot 485 miljoen jaar geleden, maakten dieren hun eerste eenvoudige geluiden, bij de voortbeweging en de jacht.

Maar zelfs toen werd de stilte onder water, waar die wezens leefden, waarschijnlijk alleen doorbroken wanneer een geleedpotige door het zand schoot of een koppotige een schelp brak. Aan land bleef het nog steeds stil. Meer dan 200 miljoen jaar gingen voorbij voor de lucht zich vulde met het gezoem van insecten, dat een wereld in klank inluidde.

Het oudst bekende vermeende insect leefde 408 miljoen jaar geleden, en was waarschijnlijk geluidloos en doof. Wetenschappers weten niet precies wanneer insecten voor het eerst geluid maakten of hoorden, maar we weten wel dat het minstens 250 miljoen jaar geleden moet zijn geweest, in het late perm.

Bij een fossiel van een sabelsprinkhaan uit die periode is de kenmerkende geluidsproducerende anatomie van die groep te zien. Ook de oudste fossielen die zijn gevonden van verwanten van de cicade dateren van die tijd. Die insecten maken een uitzonderlijk luid klakkend lawaai door razendsnel hun tymbalen, een soort trommelorganen, aan te spannen en weer te lossen.

Die oeroude geluidsproducerende structuren zijn in sommige insectenfossielen zo goed bewaard gebleven dat onderzoekers het lied kunnen reconstrueren dat die wezens al die tijd geleden lieten weerklinken. In 2011 berekende Jun-Jie Gu, nu verbonden aan Sichuan Agricultural University in China, dat een bepaalde oeroude sabelsprinkhaan klikte en klakte op een relatief lage frequentie van 6,4 kilohertz.

Het moet die eerste zoemende insecten heel wat voordelen opgeleverd hebben dat ze geluid konden maken en horen. Ze konden over lange afstanden communiceren, hoorden roofvijanden naderen, en lokten misschien zelfs prooidieren door het geluid van hun paringspartner na te bootsen. Geluid bood ook een nieuwe manier om een partner aan te trekken. Zo ontstond een nieuw soort biologische strijd: de evolutie van de luidste.

Rond dezelfde tijd dat insecten begonnen te zoemen en te tsjirpen, sloegen ook de gewervelden wellicht in beperkte mate aan het experimenteren met geluid. Vandaag hebben alle amfibieën, reptielen en zoogdieren een strottenhoofd of larynx, bovenin de luchtwegen. We kunnen dus afleiden dat ze die van hun laatste gedeelde voorouder hebben geërfd. Dat zou betekenen dat de larynx bijna zo oud is als de gewervelde landdieren zelf, en al zo’n 300 miljoen jaar meegaat.

Toch duurde het wellicht miljoenen jaren voor al die dieren echt hun eigen stem gevonden hadden. We weten nog maar weinig over de begindagen van de klankproductie bij gewervelden. Dat komt onder meer doordat het strottenhoofd uit kraakbeen is opgebouwd, dat de tand des tijds niet goed doorstaat.

Wat we wel weten is dat gewervelde dieren vanaf zowat 230 miljoen jaar geleden, tijdens het mesozoïcum, een heel scala van vocale vaardigheden ontwikkelden. Het werd echt een luide nieuwe wereld. Zo verscheen de kikker ten tonele, met zijn rijke kwaakrepertoire, en ook de eerste zoogdieren, die hun kenmerkende gepiep, gegrom en gesis waarschijnlijk al vroeg ontwikkelden.

We hebben nog niet veel rechtstreeks bewijs van hoe ze die geluiden maakten, maar fossielen vertellen ons wel iets over hun oren. Bij zoogdieren zijn de oren uniek, met drie piepkleine botjes in het middenoor, waarvan er twee afgeleid zijn van het botweefsel dat bij de meeste andere gewervelden de kaak vormt.

Die bijzondere oren kunnen erg goed horen op hoge frequentie, wat de zoogdieren kan hebben geholpen om zoemende insectenprooien te vangen. Ze konden misschien ook zelf geluiden op hoge frequenties produceren, waardoor ze met elkaar konden communiceren zonder dat de meeste andere dieren dat in de gaten hadden.

Een van de grootste akoestische talenten in het mesozoïcum was de dinosaurus. In 1981 maakte David Weishampel een van de eerste reconstructies van de vocalisatie van een dierenfossiel: dat van de parasaurolophus, een herbivoor met een eendenbek. Het dier had een enorme holle kam op zijn kop die verbonden was met zijn luchtwegen. Een uitstekende klankkast, zo toonde Weishampel aan.

Hij hield rekening met de grootte en de vorm van die kam, en slaagde erin het geluidsrepertoire van de parasaurolophus bij benadering te reproduceren. (Zijn ‘toeter’, zo noemt Weishampel het apparaat waar hij dat geluid uit perste.)

Dankzij steeds gesofisticeerdere digitale technieken kunnen we heel wat specimens aan een geluidsanalyse onderwerpen. Sinds 2008 maken Larry Witmer en zijn team aan Ohio University gebruik van CAT-scans en vloeistofmechanische modellen om de klankproductie bij verschillende soorten dinosauriërs te analyseren. Ze hebben ontdekt dat de schedels vaak bestonden uit een complex geheel van kamers. Die ruimtes moeten ook de luchtstroom in heel wat bochten hebben gedwongen. De luchtstroom hielp de lichaamstemperatuur te regelen, maar misschien hielp hij de dieren ook om te toeteren, te loeien of te trompetteren.

De reconstructie van het geluid van dinosauriërs speelt al decennialang een onmisbare rol in de filmwereld. De kreten die weerklinken in films zoals Jurassic Park laten een onuitwisbare indruk na. Toch hadden carnivore dinosauriërs zoals de Tyrannosaurus rex misschien meer weg van vogels dan van zoogdieren, werpen Julia Clarke (University of Texas) en haar collega’s op. De schrikwekkende tyrannosaurus was dus misschien geen bruller, maar een toeteraar.

Met dat ‘toeteren’ wordt een geluid bedoeld dat grootdeels door de neus wordt voortgebracht, op basis van trillingen diep in de borstkas. Uitvergroot op maat van een tyrannosaurus wordt dat een kanjer van een basbariton-oorlogstrompet. Het beest zou zich kunnen hebben laten horen met de kracht van de complete sectie koperblazers van een symfonieorkest alvorens zich in de strijd te werpen om je met zijn 2 meter grote kaken tot schroot te malen.

Sommige dinosaurussen waren wellicht net iets minder luidruchtig dan ze vaak voorgesteld worden. In de originele Jurassic Park-film trompettert de brachiosaurus, de langnek van de dinosaurussen, als een olifant. Toch was hij in werkelijkheid waarschijnlijk zo goed als stemloos. Het was hem misschien nog net gelukt om wat te sissen.

Bij alle tetrapoden, de groep van de eerste gewervelde landdieren en hun afstammelingen, worden de primaire vocalisaties in het strottenhoofd hoofdzakelijk aangestuurd door de recurrente laryngale zenuw. Die volgt een bizar traject: hij loopt langs de nek omlaag, cirkelt om grote bloedvaten in de borst heen, en loopt dan de nek weer omhoog tot aan het strottenhoofd. Door die omweg moeten stemsignalen ongeveer twee keer de lengte van de nek afleggen.

Voor dieren met een korte nek, zoals de mens, is de vertraging door die afstand verwaarloosbaar. Maar voor een langnek van dinoformaat kan het wel tellen.

Bij complexe vocalisaties zoals toeteren of trompetteren had de brachiosaurus de snelle beweging van de stembanden onmogelijk onder controle kunnen houden. Dus kijk je nog eens naar Jurassic Park, beeld je dan maar in dat de hadrosaurus toetert, de tyrannosaurus trompettert en de brachiosaurus sist.

Naar alle waarschijnlijkheid waren veel dinosaurussen indrukwekkende vocalisten. Maar één groep bouwde een wel heel erg verfijnd klankenarsenaal op. Leden van die groep zijn nog steeds in ons midden: de vogels. De vroegste exemplaren zijn geïdentificeerd uit fossiele vondsten van zo’n 150 miljoen jaar oud, maar hun unieke vocale vaardigheden zijn misschien pas later gegroeid.

Vogels hebben een verkleind strottenhoofd, en een bijzondere vocale structuur, de syrinx. Die neemt hun stembeheersing zo goed als volledig voor zijn rekening. In tegenstelling tot de larynx, die bovenin de luchtwegen ligt, bevindt de syrinx zich onderin, daar waar de luchtpijp vertakt naar de longen.

Die positie biedt een aantal voordelen. Een van de belangrijkste is in 2019 beschreven door Tobias Riede (Midwestern University) en zijn collega’s: de resonantie is een pak efficiënter. De syrinx produceert meer geluid tegen dezelfde energetische kost. Een ander voordeel is dat de luchtstromen van de linker en de rechter long verschillend kunnen worden ingezet. Zangvogels zijn daar bijzonder bedreven in. Ze slagen erin klanken gelijktijdig of los van elkaar te produceren. In sommige gevallen zijn links en rechts gespecialiseerd in verschillende frequenties, waardoor de vogel interne duetten kan zingen. De heremietlijster blinkt daarin uit.

Hoe de syrinx is ontstaan, daar weten we het fijne nog niet van. De oudste syrinx die van een vogel is gevonden, komt uit een specimen van de uitgestorven vogel Vegavis, die Clark en haar collega’s in 2016 beschreven. Vegavis leefde aan het eind van het krijt, 66 tot 69 miljoen jaar geleden. Zijn syrinx was al redelijk ver gespecialiseerd, met een vergrote resonantiekamer en een asymmetrie die wijst op tweezijdige klankproductie.

Een primitievere versie van het stemorgaan is misschien al vroeger ontstaan. Opvallend genoeg had de andere gewervelde vlieger van het mesozoïcum, de pterosaurus, geen syrinx. Wat Hollywood ons dus ook mag wijsmaken, de pterosaurus klonk niet als een vogel. Waarschijnlijk had hij klankgewijs meer weg van andere reptielen, en heeft hij gegromd, gesist, geklikt of zelfs met zijn bek geklepperd. Als zo’n gigant met een schedel van 2,5 meter aan het klepperen sloeg, moet dat oorverdovend zijn geweest voor wie te dicht in de buurt was.

Met het aanbreken van het cenozoïcum, 66 miljoen jaar geleden, ontstond een compleet nieuwe manier om de wereld akoestisch te beleven: echolocatie. Vleermuizen en walvissen maakten hun opwachting, en ontwikkelden het vermogen om te zien door middel van klank.

Echolocatie vergt nochtans een ingenieuze anatomie. Je moet een geluidsstraal produceren, die de gewenste richting uit sturen, luisteren naar echo’s, en die echo’s verwerken om te bepalen hoe ver, snel en groot het object is dat de geluidsstraal terugkaatst. Het is een fantastisch instrument om in een donkere hemel of in troebel water te navigeren en te jagen.

Het kleinste object dat met echolocatie te zien is, is de helft zo groot als de golflengte van de geluidsstraal. Dat is ook zo bij licht, maar geluidsgolven zijn veel langer dan lichtgolven. Om een fatsoenlijk beeld te krijgen van de omgeving of om minuscule insecten te zien, moet je geluid produceren in erg hoge frequenties, met een korte golflengte.

De echolocatiegeluiden die vleermuizen maken, met de larynx en de tong, gaan veel hoger dan wat wij kunnen horen. De limiet van het menselijke gehoor ligt op ongeveer 20.000 hertz, terwijl de roep van vleermuizen gaat van zowat 15.000 tot een duizelingwekkende 160.000 hertz. We horen ze alleen op de laagste frequenties, als hoge piepjes, maar voor de vleermuizen zelf klinkt het als een basbaritonstem.

Aan de hand van de ooranatomie van vleermuisfossielen weten we min of meer wanneer vleermuizen voor het eerst aan echolocatie deden. Om de echo van ultrasoon geluid te kunnen horen, hebben vleermuizen relatief gezien gigantische binnenoren nodig. De hoofdstructuur van het gehoor in de schedel is de cochlea, het slakkenhuis. Die van jouw beide oren zouden passen op een stuk van 1 eurocent. Mochten ze naar verhouding even groot zijn als bij een vleermuis, dan zou elk slakkenhuis zo groot zijn als een golfbal.

De 50 miljoen jaar oude Icaronycteris index, die in het Amerikaanse noordwesten is gevonden, is een van de oudste vleermuizen die we kennen, en die had al schedeleigenschappen die bij moderne vleermuizen instaan voor ultrasone echolocatie.

De evolutie van echolocatie bij vleermuizen was een ecologische mijlpaal: gewervelden konden nu in het pikdonker op insecten jagen, in volle vlucht. Na 240 miljoen jaar waren insecten nergens meer veilig. Dankzij die innovatie is het de vleermuizen voor de wind gegaan: vandaag is ongeveer een op de vier zoogdiersoorten een vleermuis. Sommige navigeren en jagen op zicht, maar de meeste doen aan echolocatie.

Echolocatie werkt goed in de lucht, maar het water is in sommige opzichten zelfs nog beter geschikt om met geluidsweerkaatsing te bepalen waar objecten zich bevinden. Geluid verplaatst zich in water met veel minder signaalverlies per eenheid afstand. Aquatische echolocatie heeft met andere woorden een groter bereik.

Op hoge frequentie reikt geluid in dezelfde omgeving altijd minder ver dan op lage frequentie, maar in het water vinden sommige dolfijnen met echolocatie objecten tot maar liefst 200 meter ver. Vleermuizen raken niet verder dan 50 tot 100 meter voor grote objecten, en voor de kleine insecten waar ze op jagen is hun bereik nog veel beperkter.

Zeedolfijnen zoals de welbekende tuimelaar werpen met echolocatie een ‘eerste blik’ in de verte in donker of troebel water. Rivierdolfijnen zoals die in de Amazone vertrouwen nog meer op echolocatie. Ze hebben kleinere ogen, en zien dus lang niet zo scherp als andere walvisachtigen, maar in het gitzwarte water zie je sowieso geen hand voor ogen. Die dolfijnen lijken zwaar te vertrouwen op echolocatie om te navigeren en voedsel te vinden.

Mariene zoogdieren hebben trouwens nog meer geluidrecords op hun conto. Als het er niet om zou draaien echo’s te horen maar om simpelweg geluid te produceren dat zo ver mogelijk reikt, dan doe je dat het best met geluid van lage frequentie. Grote zoogdieren die in het water leven, hebben in dat spelletje een voetje voor.

Het hoeft dan ook niet te verbazen wie de kampioen is van de geluidsafstand: de reusachtige baleinwalvis. Met een strottenhoofd van meer dan een halve meter lang en een roep zo laag dat wij hem niet kunnen horen, zingen sommige van die walvissen liederen die honderden of mogelijk duizenden kilometers ver gedragen worden. Vleermuizen en walvissen alleen al maken de wereld dus nog lawaaieriger dan wij mensen doorhebben.

Zowat 66 miljoen jaar nadat de eerste zoogdierklanken de wereld begonnen te vullen, brak een nieuw geluidshoofdstuk aan: de evolutie van de mensentaal. De anatomische vereisten voor taal, zoals een flexibel strottenhoofd en een vernuftig samenspel van larynx en tong, lijken terug te gaan op de begindagen van het geslacht Homo.

Voorouders van de mens hanteerden misschien al 2,8 miljoen jaar geleden een zekere vorm van spraak. Precies wanneer en bij welke soort taal ontstond, blijft het voorwerp van debat. Taal is niet louter het gevolg van een anatomie die spraak mogelijk maakt, maar ook van het vermogen tot symbolisch denken. De meeste computermodellen wijzen naar Homo erectus, die zo’n 1,8 miljoen jaar geleden op het toneel verscheen, als de eerste menselijke voorouder die symbolen gebruikte.

Maar een volledig uitgebouwd menselijk taalsysteem, met een grammatica en een syntaxis, is misschien wel uniek voor onze soort. Dat zou betekenen dat de wortels ervan in de laatste paar honderdduizend jaar liggen.

Onze taalbeheersing op zich is al behoorlijk indrukwekkend, maar de mens is ook uniek omdat hij in staat is taal aan te leren, door te geven, en vast te leggen. Wetenschappers hebben sommige andere primaten met succes aangeleerd om gebarentaal te gebruiken, maar geen van die opgeleide mensapen heeft die taal ooit aan soortgenoten geleerd.

Soms kregen ze daartoe wel de gelegenheid. Zo was er een chimpansee in het centrum voor mensapen van Duke University. Toen die herenigd werd met zijn troep, probeerde hij de gebarentaal die hij geleerd had te gebruiken om met de anderen te communiceren. Na een week vruchteloos proberen vonden zijn verzorgers hem in zijn eentje in een hoekje van het verblijf. Toen ze hem in gebarentaal vroegen waarom hij niet bij de andere chimpansees was, antwoordde hij: ‘Omdat het insecten zijn.’

De taal die wij mensen ontwikkeld hebben, is een sterk staaltje evolutie met een bijzonder grote impact. De vorming van onze sociale groepen, maatschappijen en beschavingen is erop gestoeld. Dankzij taal kunnen we samenwerken om allerlei dingen uit te vinden, van landbouw tot spaceshuttles – technologieën die op hun beurt bijdragen tot de klanklandschappen van vandaag.

We hebben misschien niet het eerste geluid gemaakt, en ook niet het luidste of het mooiste. Maar in zekere zin is het geluid van de mens wel het geluid dat de wereld het ingrijpendst heeft veranderd.