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生物声学

来源:大科普网 | 时间:2013-06-22 | 关注度:181

生物声学的萌芽早在人类的久远历史上就已留下了印迹。在公元前三千年的埃及古墓中,曾发现有猎人模仿鹈的叫声引诱飞鸟行猎的图案。在公元前六百年中国春秋时代的《诗经》中就有“雉之朝雒,尚求其雌”诗句,是说雄性野鸡清晨鸣叫是在寻求配偶。
早期的文艺作品多对于虫鸣、鸟啾等动物音乐有生动的描述,其后人们又相继对昆虫、鸟类、两栖类、鱼类及哺乳动物的发声和听觉器官做了广泛的研究。
但人们对动物声的实验研究开始甚晚,1938年美国科学家皮尔斯和格里芬证实,蝙蝠能发出人耳听不见的超声。其后随着声学、电子学与通讯技术的飞速发展,大大推动了人们对动物声通信方法的研究。1956年4月,在美国宾夕法尼亚州召开了世界上第一次生物声学学术讨论会,建立了生物声学国际委员会(ICBA),这次会议标志着生物声学的诞生。
法国著名科学家比斯内尔尹1963年编辑了《动物的声学行为》一书,汇集了当时生物声学研究的主要成果,是生物声学发展的一个里程碑。此后,陆续举行过多种关于动物听觉与声通信的国际学术会议。
随着科学技术的迅速发展,出现了录音机、语图仪和计算机,大大加强了对声音的录放和分析技术,使对动物声的研究进入了新的历史阶段。与此同时,由于声谱技术的扩展,特别是超声技术和超声医学的发展,使生物声学的内容大大超出了早期的正统研究范围,开始对超声在生物体系的各个层次上(生物大分子、细胞及生物组织)的传播和相互作用规律进行了大量的研究,使生物声学在更广泛的意义上与生命科学联系起来。

基本内容

动物之间的联系和交往是维系它们种群和群落结构,以及进行正常生活的必要手段。光、电、磁以及化学气味都可以作动物交往的媒介,然而声信息在动物交往中却占有特别重要的地位。它最大优点是传递距离远,且易于负载丰富多彩的感情。生物声学主要围绕动物声交往这个内容进行着一系列有关课题的研究。

识别和交往功能

生物声学主要研究同一种群内动物声的识别和交往功能,不同种群的动物声的区别和隔离功能,以及动物声在种群和群落的形成和进化过程中的作用等;
生物声学还研究动物的声发生和声接收器官,及其工作机制,即动物声交往的生理基础和它们与动物形态学的关系。许多动物的发声器官是声带,但有的却不是用声带产生动物声,如蚱蜢用后腿摩擦发声、蝉用腹下薄膜发声、鱼可用鳔发声、海豚主要靠鼻道发声等。
同样,动物接受声波的听觉器官也各不相同。如蚱蜢微小的听觉器官生在腹部;纺织娘靠前脚上一个肉眼看不到的微型薄膜感受声波;蟑螂是用尾须接收声波;雄蚊头上两根触角上的刚毛则对雌蚊翅膀的扇动声特别敏感;许多飞蛾都有一种内藏式的“声呐系统”可以收听超声波;大多数鱼的听觉器官便是体侧的侧线,在这些侧线中含有听觉神经末梢以受纳声波;蛇的听觉极弱,主要通过腹部感受周围环境的动静等等。

理论模型和数学方法

长期以来,人们出于在空间和水下探测中应用仿生学的强烈兴趣,对蝙蝠和海豚的超声定位系统给予了特殊的注意为了分析研究它们的发声信号,建立和发展了必要的理论模型和数学方法。
蝙蝠用喉头发射超声,并用耳朵接收其反射回波,从而构成超声探测系统。发射的超声频率可高达10万赫(菊头蝙科)。实验表明,挖去双眼的蝙蝠借助其超声定位系统可探查到0.1毫米的金属丝障碍物,可在半秒内捕捉到三个飞行中的昆虫。
海豚也有极强的超声定位本领,而且还发现海豚在相互交往时使用七种不同的发声并以长短不同的间歇相组合。科学家预言,一旦这些声信息破译后,就可通过电子技术实现人与海豚之间的对话。

研究

研究能发声和有听觉动物的发声机理,声信号特征,声接收、加工和识别,动物声通信与动物声纳系统以及各种动物的声行为等的生物物理学分支学科。广义的生物声学还涉及生物组织的声学特征、声对生物组织的效应、超声诊断的理论与应用等内容。
有效的声通信系统必须具备下述条件:由发声动物所发出的声音信号具有种属专一性;声接收者对于种属专一的声信号能够检测,声信号的接收者还必须对发声者进行定位。确定声源位置,在不少动物的多种行为中起关键性作用。例如,吸引配偶、确定领地、捕捉食物、躲避捕猎者或障碍物、成对的维持、亲代与子代的联络以及生物的成群等。

昆虫的发声

昆虫是用声信号进行种内通信的第一批陆生动物。昆虫主要靠摩擦发声。直翅目与蝉科动物的发声为人们所熟知。果蝇也有一个发育良好的声通信系统。鳞翅目的蛾似乎没有或者只有很差的种内声通信,但它们具有十分有效的听系统来检测猎食蝙蝠的叫声。蟋蟀利用鞘翅的发声机制发声,其左右两只鞘翅均有发育良好的音锉,但多数情况下只使用右音锉。蟋蟀的鸣声通常是相当纯的律音,频率范围3~50千赫。鸣声可分为鸣叫声、攻击声和求配声。多数蝗虫利用股节?鞘翅摩擦发声。后肢股节的内侧表面的音锉,由一串距构成。音锉相对于前鞘翅上隆起的中径脉摩擦而发声。蝗虫耳就是第一腹节背板两侧孔内的鼓膜器。

脊椎动物的发声

有关脊椎动物的行为与生理学研究表明,不少鱼具有良好的水下听觉及频率识别能力。除少数鱼在繁殖期和开拓活动水域时能产生几种声音外,鱼不会发声。两栖动物的声行为比较普遍。例如雨蛙、蟾蜍等在性激素控制下,对雄性动物的鸣叫声表现出的正趋声行为。在爬行动物中,声通信与听觉对于群居交际活动作用似乎不大。不过,鳄鱼和夜壁虎能够靠声进行通信,它们的内耳的细微结构及听能力与鸟类相似。

鸟类的发声

鸟的发声既是一种重要行为,也是鸟类进化的指标。许多鸟发出的声信号,其模式是遗传固有并在个体发育史上靠耳来调节的。部分或全部地通过学习及模仿,完善其声发射的性能。鸟鸣所传递的信息,用于一般的种属鉴别,以诱发不同的行为,或者用于个体识别。鹑鸡类在孵育期的发声会影响孵化的速率。森林鹰利用发声作为捕捉食物的诱饵。许多鸣禽与鹦鹉能改变自己的鸣声,并借此鉴别同伴或近亲。按鸣声的生物意义,可分出:引唱的哨音、威胁声、攻击声、平定声、恐惧的尖叫声、幼雏声及交配声等等。鸟的听觉结构已相当发达。鸟类听觉对低频和中频敏感。如红腹灰雀对100赫~12.8千赫的声音都有反应,而对较高频率的声音其反应灵敏度大大下降。信鸽能检测到0.05~10赫的次声,它对次声的灵敏度比人强50分贝。有些鸟包括东亚雨燕和美洲的热带油鸟等,有能力在它们栖居的黑暗岩洞内利用回声定位。

蝙蝠的发声

蝙蝠视力较差,在黑暗中穿越复杂的环境,却仍能高速飞行。许多蝙幅依靠在空中拦截小昆虫为生。蝙蝠这种惊人的能力在于它在进化中形成了十分完善的回声定位系统(或声纳系统)。回声定位是生物适应黑暗环境的结果。利用自己发出叫声的回音来导航,测定目标距离及运动速度,了解目标的质地、发现障碍及寻觅食物等。蝙蝠发出的声信号,主要有3种类型:短喀嗒声、调频脉冲和常频脉冲,以及调频与常频脉冲的混合信号。在使用调频信号瞬时时,频率变化越迅速,由回音所提供的关于目标位置及表面性质的数据越精确。常频信号在蝙蝠叫声中不普遍。但它作为载频和标记频率,可检测出回音频率的微小变化。蝙蝠声频范围8~215千赫。每个脉冲的持续时间约2毫秒。声脉冲发射的速率与所需要处理的信息有关:蝙蝠在巡飞期间,每秒钟只发射几个脉冲;当遇到小的或快速移动的目标时,脉冲发射的速率每秒高达200以上。蝙蝠能够利用这些声音脉冲的回音,在百分之一秒内获得有关它想捕猎的、离它15厘米远处飞行的小动物的全部信息。蝙蝠的声脉冲是由喉部8微米厚的组织薄片作特异振动而产生的。当空气冲过薄膜时,引起振动,同时发出高达10×10<上脚标>-5~60×10<上脚标>-5牛顿/厘米<上脚标>2脉冲。蝙蝠的听觉还包括能运动的大耳翼,3块听小骨等。

海豚的发声

海豚能够利用脉冲式喀嗒声发射靠回声定位方法,从回声中“看”到目标的三维图像,十分细致地识别周围物体精确地导航。海豚在混浊水中及黑暗条件下能成功地捕食小鱼;人工训练的海豚能躲避开人为设置的金属杆障碍列阵;能以100%的精确度区别开两个直径分别为5和6.3厘米的钢球;如以0.22厘米厚的铜板为标准目标,海豚能区分开0.32厘米厚的铝板与0.64厘米厚的铜板。

应用

简介综述

20世纪中期以来,人们使用兆赫级超声波对哺乳动物的组织和器官的超声性质(速度、衰减、吸收、声阻抗、散射等)做了大量研究,为现代医学超声工程奠定了基础。70年代以来,以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术取得了很快的发展。它通过实时显示人体内脏的瞬态特性,直接向人们提供有关脏器的生理或病理信息。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。
作为生物物理学和分子生物学的组成部分,微观生物声学正在发展中。对各种氨基酸、寡肽、多肽、蛋白质及脱氧核糖核酸等生物大分子水溶液的超声弛豫吸收机制做了较深入的研究。在生物大分子构像变化、质子转移动力学及生物大分子与水分子间的相互作用等方面,也都取得了有价值的研究成果。
声波作用于生物体对其产生某种影响称为声波的生物效应。大量试验表明,用一定频率和剂量的声波处理蔬菜、谷物、中草药及树木的种子常常可获得明显的增产效果。
生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声,驱逐夜蛾,可提高玉米产量;控制海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量,利用电子发声器引诱鱼群定向聚集,可以提高捕鱼量;飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全;粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害等等。
人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发,而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的;仿照水母耳做成的台风警报器可提前15小时准确地预报台风的方位和强度;仿照蝙蝠的声系统制成的声呐“眼镜”可以帮助盲人辨认出面前的电线杆、台阶以及草地中的羊肠小道。

声纳

《新科学家》在一期周刊报道,美国海洋专家发现,海豚发出的友善的“咔嗒”声似乎是用来惊吓或迷惑捕食对象。佛罗里达大西洋大学的研究人员丹尼斯·赫青和夏威夷地球公司的肯·马滕说,他们首次为这一理论找到了录像依据,证明海豚是靠声纳来攻击并找到它们的捕获物。这两位学者的报告称,他们拍下了海豚追捕鲱鱼的过程。海豚在靠近鲱鱼时发出低沉的轰声,其频率足以破坏鲱鱼的声音感觉器官。声纳在海上捕鱼方面有着广泛的应用:最新的声纳技术和数字技术在渔探和显示领域的具体应用,是渔探领域近50年来的重大突破。它不但能根据海况和探测深度自动地高频率地调整输出功率、声波频率,还能自动地无数级地调整脉冲重复频率、接收带宽、接收增益、颜色增益等参数实现水下鱼情和海底状况真实再现,彩色画面稳定,水面附近不再有杂波,海底轮廓真实,水中鱼儿清晰可辨。使用先进的渔探声纳技术,不但能够发现鱼和鱼群,可以瞄准每一条鱼,而且由于该设备具有非凡的性能,它甚至可以当作声纳,用来探测搜索水下其它令你感兴趣的物体。

稻草人生物声学系统

从农业兴起开始,人类就一直在努力不懈地与其他入侵者作斗争,防止它们偷袭自己辛苦种植的农作物。在万圣节来临之际,我们一起来看看21世纪的“麦田守望者”——在经典南瓜头稻草人基础上打造的现代高科技稻草人吧.鸟类会给农民带来不少烦恼,更严重的是,乱飞的鸟雀会对准备起飞或降落的飞行员造成可大可小的威胁。为了帮助清除跑道障碍,英国开发了一款名为“创世纪(Ultima)”的稻草人生物声学系统,采用触摸屏平板监视、跟踪并最终吓走鸟类。该系统中包括了数个安装到车顶的扬声器,轻轻一按按钮,就可以发出各种刺耳的声音。此外,系统软件中拥有一个内置的鸟类物种指南,可以锁定那些常见的“危险分子”,同时可以通过GPS全球定位系统来追踪入侵鸟的方向,更准确的判断应该朝哪个方向发出“恐吓声音”。

意义

对哺乳动物组织超声传播和相互作用的深入研究,必然会找到描述组织生理特性的、更多的声学特征参量(如声速、声衰减、非线性参量等),建立和发展新的诊断设备,开拓定量超声诊断的途径。并可使超声医疗在更严格的科学基础上得到进一步发展。

生物声学与仿生技术

生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声,驱逐夜蛾,可提高玉米产量;控制海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量,利用电子发声器引诱鱼群定向聚集,可以提高捕鱼量;飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全;粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害等等。
次声波波长长,在大气中传播时不易衰减且极易衍射,故可传播很远,据此可探测遥远位置的自然灾害,提前预报。有趣的是,有些动物如水母对台风的次声波感觉灵敏,它们可在台风来临前的数小时潜入深海;仿照水母“耳”做成的台风警报器可提前15小时准确地预报台风的方位和强度。人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发,而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的。