Mu-Fi-Mo – Multimedia-Fisch-Monitoring

Wie (fast?) alle einheimischen Fische kann man auch Europäische Welse täglich belauschen, wenn man sie in der Dämmerung und bei Dunkelheit im Gewässer findet. Foto: Uwe Mischke

Mu-Fi-Mo – Multimedia-Fisch-Monitoring

Autor: Uwe Mischke, Gesellschaft Naturforschender Freunde zu Berlin (gegr. 1773) an der FU Berlin

Summary: “Mu-Fi-Mo“ is a new project for analysing fish sounds with video and audio techniques. Originally, we had tested a method for evaluating underwater noise. European catfish proved their worth here to be analysed regularly in an outdoor basin at the Federal Environment Agency (UBA) with hydrophones and video cameras.

Subsequently, the study method was expanded with a Wi-Fi remote control, which now makes it suitable for simple outdoor live analysis with parallel video and audio documentation of the underwater world.

The influence of noise on fish behaviour and communication can thus be observed directly and the recordings analysed in more detail later. This simple method is now also suitable for basic research in the field of bioacoustics as well as questions about the „functioning“ of the organisms themselves, as well as their ecosystem (biodiversity research). In a video, simple analysis methods with „Mu-Fi-Mo“ are demonstrated in catfish (see above; or find it here https://www.youtube.com/watch?v=IvlCJaB6EgI). Further applications are outlined below.

Zusammenfassung: Mit „Mu-Fi-Mo“ wird ein neues Projekt zur Analyse von Fischlauten mit Video- und Audio-Techniken vorgestellt. Ursprünglich hatten wir eine Methode zur Bewertung von Unterwasserlärm erprobt. Europäische Welse bewährten sich hier, um sie regelmäßig in einem Freilandbecken beim Umweltbundesamt (UBA) mit Hydrophonen und Videokameras zu analysieren.

In der weiteren Folge ließ sich die Untersuchungsmethode durch eine Wi-Fi-Fernsteuerung erweitern, wodurch sie nun auch für eine einfache Freiland-Live-Analyse mit paralleler Video- und Audio-Dokumentation der Unterwasserwelt geeignet ist. Der Einfluss von Lärm auf das Verhalten und die Kommunikation von Fischen kann also direkt beobachtet und die Aufzeichnungen später genauer analysiert werden. Diese einfache Methode ist nun auch für die Grundlagenforschung im Bereich der Bioakustik sowie Fragen nach dem „Funktionieren“ der Organismen selbst, als auch ihres Ökosystems (Biodiversitätsforschung) geeignet. In einem Video (s.o.; zu finden unter https://www.youtube.com/watch?v=IvlCJaB6EgI) werden einfache Analyse-Methoden mit „Mu-Fi-Mo“ bei Welsen demonstriert.

Weitere Anwendungen werden weiter unten skizziert.

Laute, Sprachen, Lärm: Der vielleicht wichtigste Unterschied zwischen Menschen und Tieren sind unsere differenzierten Sprachen mit festen Lauten (linguistischer Semantik) und Grammatik. Hierdurch wird ein hochdifferenzierter Informationsaustausch möglich. Nach dem Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig sind weltweit zwischen 6500 und 7000 verschiedene Sprachen (ohne Dialekte) bekannt. Viele davon sind, wie biologische Arten, allerdings vom Aussterben bedroht. Ob auch Tiere eine Sprache besitzen, wird aktuell bei Säugetieren und Vögeln untersucht, ist aber nach wie vor noch unklar.

Unser menschliches Hörsystem ist sehr empfindlich und kann schon verschiedene Frequenzen bei geringen Lautstärken gut unterscheiden. Wird es zu laut, sprechen wir von Lärm. Starker Lärm kann leicht gesundheitsschädlich werden, so dass Gesetze zum Lärmschutz notwendig wurden und uns u.a. Lärmschutzwände an Autobahnen längst vertraut sind (s.u.). Für eine Untersuchung ob und in welcher Weise Lärm auch für Fische schädlich ist, bedarf es u.a. auch ein Verständnis für deren Kommunikation.

Obwohl im Meeresbereich und beim Schutz der Polargebiete bereits Schallschutzmaßnahmen im Zusammenhang mit Rammarbeiten durchgeführt bzw. diskutiert wurden, gibt es kaum konkrete Maßnahmen im Süßwasserbereich. Leider fehlen uns hier zwar noch geeignete Modelle und Grenzwerte. Aber vielleicht fehlt auch nur die Erkenntnis, dass hier ein großer Handlungsbedarf besteht, um den Einfluss etwa von Motorbooten, Jet-Skis, Pumpen und Rammen auf die Unterwasserfauna im Süßwasser messen, bewerten und ggf. regulieren zu können.

Welse als Modell: Welse sind mit weltweit rund 30 Familien innerhalb der Knochenfische eine artenreiche Großgruppe. Der Europäische Wels Silurus glanis wird vermutlich bis zu 3 Meter lang, Exemplare über 2,70 Meter wurden schon geangelt. Er ist damit der größte Knochenfisch bei uns der im Süßwasser lebt, „Ausflüge“ ins Brackwasser der Ostsee eingeschlossen, und mit einer Lebenserwartung von ca. 60 bis 80 Jahren auch ein ziemlich langlebiger (Abb. 1).

Abb. 1: Europäischer Wels im Quartier (Ebro-Flusssystem, Spanien), Foto: Uwe Mischke

Obwohl man als Taucher öfter auch einzelne Fische entdeckt, lässt sich nach 8-jähriger Freilandforschung feststellen, dass geschlechtsreife, große Welse in kleineren sozialen Gruppen von oft fünf bis über zehn Individuen leben.

Vermutlich sind fast alle der 35 000 bekannten Fischarten akustisch aktiv, die wenigen Arbeiten hierzu wurden oft beim Fortpflanzungsverhalten durchgeführt.

Das männliche Welse z.B. bei der Brutpflege nicht stumm sind, ist bereits seit Aristoteles bekannt. Vor einiger Zeit konnte nun gezeigt werden, dass unsere heimischen Welse auch regelmäßig in der Dämmerung und Nacht Laute von sich geben. Die in einem künstlichen Teich, einem Becken (s.u.), in Aquarien und immer wieder im Freiland aufgenommenen Lautäußerungen, sind mit Ton- und Video-Aufnahmen dokumentiert (Mischke unpubliziert).

Welse sind stark negativ phototaktisch und ortstreu. Da neben ihren regelmäßigen Lautäußerungen in der Dämmerung und Nacht auch ihre Haltung einfach ist, erscheinen sie insgesamt ein besonders geeignetes Objekt zur Erprobung von nicht-invasiven Multimedia-Unterwassertechniken wie „Mu-Fi-Mo“ zu sein.

Was bedeuten diese nächtlichen Lautäußerungen bei den meist in trüben Gewässern lebenden und bei geringer Helligkeit aktiven Welsen? Aufgrund ihrer sozialen Lebensweise erscheint eine Art akustischer Kommunikation naheliegend, da bereits Lautäußerungen mit und ohne Körperkontakt zu einem anderen Individuum schon mit Video- und Audio-Aufnahmen dokumentiert wurden. In einem Becken von 8 x 8 x 1,2 Metern werden die Laute von Welsen mit Unterwassermikrofonen (Hydrophone) und Kameras daher weiter untersucht. (Abb. 2).

Abb. 2: Welslaut: Wellenform (oben) und Frequenzen (Spektrogramm, unten). Dieser Laut ist etwas länger als 150 Millisekunden. Je heller die Farbe im Spektrogramm, desto höher ist die jeweilige Energie. Spannend ist, dass die Energie unter 20 Hz (Linie), also im Infraschallbereich, besonders hoch ist; kU: Relative Lautstärke (Ordinate, oben), kH: Frequenz (Ordinate unten), s: Zeit in Sekunden (oben und unten); Aufnahme: Uwe Mischke

Durch die gemeinsame Betreuung einer Masterarbeit an der TU-Berlin mit Dipl.-Ing. Herold (Technische Akustik, Prof. Sarradj) wollen wir die Ortung von Fischlauten mit MEMS-Mikrofon-Arrays erproben. Um Ort und Stärke einzelner Schallquellen zu bestimmen, können deren Signale mit mehreren Hydrophonen gleichzeitig aufgenommen und ihre Zeitverzögerungen mithilfe geeigneter Algorithmen (z.B. Beamforming) ausgewertet werden (Abb. 3).

Abb. 3: MEMS Hydrophon-Array. a) Signalverarbeitung mit q1, q2: Signalquellen (z.B. Fische), p1 -p4: MEMS-Hydrophone, Δτ: Zeitverzögerung Wegstrecke, Δt: Zeitverzögerung Signalverarbeitung; b) Array mit 16 MEMS; c) Beispiel-Modellierung mit Terzband um 307 Hz bei weißem Rauschen; Masterarbeit (Zwischenstand): Iolanthe Wittekind

Welse besitzen, wie andere Ostariophysi (mit 6500 ca. 2 Drittel aller Süßwasserarten), ähnlich unserem Mittelohr, -schallübertragende Knöchelchen als einen Teil des Hörorgans. Bei diesen Fischen wurden sie evolutiv aus den ersten Wirbeln gebildet und verbinden physisch die Schwimmblase mit dem Innenohr (Weberscher Apparat). Die großartigen anatomischen Untersuchungen des Hörens von Weber (publiziert 1820!) resultierten hauptsächlich aus Sektionen, die Weber dann u. a. beim Europäischen Wels in aufwendigen Rekonstruktionen grafisch wiedergab. In Kooperation mit Prof. Stefan Richter und Dr. Möller (Universität Rostock), Dr. Timo Moritz (Fachbereichsleiter Wissenschaft und Kurator für Fische am Deutschen Meeresmuseum, Stralsund) und dem Heidelberger Radiologen Priv. Doz. Dr. Sokiranski wollen wir durch anatomisch/morphologische Methoden, wie Aufhellpräparaten und der 3D-Rekonstrucktionen von CT-Aufnahmen, weitere Details beim Hören und der Lauterzeugung analysieren (Abb. 4, 5).

Abb. 4: Wels-Anatomie 1: Aufhellpräparat (total, lateral): Timo Moritz

Der Webersche Apparat verstärkt, wie wir heute wissen, die Hörempfindlichkeit und vergrößert die spektrale Empfindlichkeit.

Abb. 5: Wels-Anatomie 2. Links: Kopf – und Thorax- Skelett mit Schwimmblase (ventral), CT: Sokiranski; rechts: Kopf und Thorax (dorsal). Aufhellpräparat: Moritz

Andere Fischarten und Freilandtechnik: Mit Hilfe von „Mu-Fi-Mo“ wurden in letzter Zeit teilweise sehr unterschiedliche Laute von mehr als 10 Arten einheimischer Fische in Versuchsbecken und im Freiland mit Video und Audio-Aufnahmen dokumentiert. Zur Übertragung wird hier das Wi-Fi -Signal mit 2,4 GHz genutzt. Da Wi-Fi im Wasser stark absorbiert wird, war hierfür die Entwicklung einer speziellen Übertragungstechnik notwendig. Mit dieser Technik lässt sich in Aquarien, Versuchsbecken und im Freiland vom Ufer und Boot das Live-Bild sehen und sämtliche Steuerungsmöglichkeiten der Unterwasser-Kamera nutzen, die deren App bereitstellt.

Potentielle Anwendungen von „Mu-Fi-Mo“ in Stichworten: Durch Gruppen oder einzelnen „Mu-Fi-Mo-Einheiten, besonders in Verbindung mit Live-Streams, lassen sich einfach Überwachungs- und Analyse-Ergebnisse in folgenden Bereichen erzielen:

  • Bioakustik und Biodiversitätsforschung
  • Klimaveränderungen: Erfassung und Bewertung der Veränderungen in Tier-populationen und -arten (meist
    Fische, Amphibien aber auch Garnelen und andere Makro-Invertebraten);
  • Unterwasserlärmforschung: Es gibt Evidenzen, dass auch Fische unter Lärm leiden können.
  • Natur-und Artenschutz Überwachung gefährdeter und unerwünschter Arten (u.a. Schwarzmundgrundel in
    der Berliner Havel, Wanderfischen an Querverbauungen (FFH: Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie);
  • Nachhaltige und umweltverträgliche Wassernutzung (WRRL: Wasserrahmenrichtlinie)
  • Umwelterziehung

DanksagungMein Dank gilt besonders ehemaligen und aktuellen Mitarbeitern vom UBA (Abt. II.3): Dr. Ingrid Chorus, Dr. Hartmut Bartel, Lothar Beetz, Aki Sebastian Ruhl und Eduard Sandyk für die Hilfe bei der Nutzung von Speicherteich und Becken in der UBA-Außenstelle Schichauweg Berlin-Marienfelde. Ebenfalls danke ich Dr. Karl Frommolt (Kustos, Tierstimmenarchiv, Naturkundemuseum Berlin) für die Bereitstellung von vier empfindlichen Hydrophonen mit Vorverstärkern und Vierspurrekorder, M.A. Thomas Koch (Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, H-H-I) ebenfalls für die Bereitstellung eines Audio-Rekorders und Hydrophons sowie auch cand. M.A. Francisco Petrucci (UdK Berlin) für die Bereitstellung eines Audio-Rekorders, Herrn Puchmüller (Leiter, Fischereiamt Berlin) und seinen Mitarbeitern für die Bereitstellung von großen Fischtanks, sowie Steffen Zahn (Leiter Arbeitsbereich 2, Institut für Binnenfischerei in Potsdam-Sacrow) und Mirko Beutling (Fario e.V.) ebenfalls für die Aufnahmemöglichkeit in großen Fischtanks und Dipl.-Inf. Nikolas Brock für die Hilfe beim Banner-Bild.

Dr. Uwe Mischke
u_mischke [at] web.de
Gesellschaft Naturforschender Freunde zu Berlin (gegr. 1773)
Am Institut für Biologie/Zoologie der FU Berlin
Königin-Luise Str. 1-3, 14195 Berlin-Dahlem
http://www.gnf.berlin

Anmerkung: Die hier vorgestellte Forschung geschah nicht im Rahmen des BIBS-Projektes, sollte aber im Rahmen einer BIBS-BiPoLabs-Veranstaltung der Öffentlichkeit präsentiert werden, welche jedoch aus Pandemiegründen entfallen musste.