海洋深处的秘密:动物王国的最强音

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Image caption 声波在水中的传播速度远远超过其在空气中的传播速度:海水中的速度约为每秒1500米,而空气中仅为每秒340米——快了足足四倍不止。

站在海岸边可能感受不到,但在海浪之下,海水翻滚,管弦乐声不绝于耳。

波涛之下,海水吞噬了阳光。 海平面以下仅200米处,就不可能进行光合作用了。到了1000米处,光线就止步不前了。 这就是深海——地球上最大、最暗无天日的栖息地。

越到海洋深处,阳光就越不重要,而声音的地位则愈发凸显了。

海豚和鲸鱼这一类鲸目动物,都需要通过声音来互相理解、定位巡航,甚至是统治一方领地。鲸目动物对声音的依赖远胜其他物种,也不足为奇。

猿类以其色觉闻名,人类也喜欢把自己归为视觉生物,但那些昂贵的眼科设备对鲸目动物来说都是无用的。 相反,他们已经进化出一些地球上最与众不同、最复杂、最独一无二的发声构造和习性。 鲸目动物能看到声音,还能够感受到声音。

康奈尔大学神经生物学和行为学系的鲸类专家克拉克教授(Christopher Clark)说:“研究鲸类动物的发声能力是为了探索生物进化的创造力。过去70年里,人们一直致力于开发声呐检测设备,实际上是在学习鲸类习性的原理,试图把这套它们沿用了数百万年的东西化为己用,开发人类自己的声呐设备。”

声音在水中传播速度更快,范围更远

声波在水中的传播速度远远超过其在空气中的传播速度:海水中的速度约为每秒1500米,而空气中仅为每秒340米——快了四倍左右。 震动后形成的波,在通过介质(例如水或空气)传播后,就形成了声音。液体中原子的密度大于气体中的原子密度,所以声音在海洋中传播得更快。

为适应海底生活而进化

海豚和鲸鱼的祖先从陆地迁移到海里,那时,为了适应新环境,它们的解剖学结构发生了巨大的变化:眼珠缩小,前肢进化成鳍状肢,后腿则合并成鳍。由于不需要维持体温,它们的体毛也消失了,取而代之的是,一层由脂肪膨胀而成的厚厚的鲸脂外壳,使鲸鱼在世界上最冷的水域也能保持体温恒定。

利用回声定位的动物 - 包括我们人类

罗西特教授(Professor Rossiter)还研究一种捕食昆虫的蝙蝠,可以像齿鲸一样利用回声定位:和海豚一样,这些蝙蝠能在极短的时间内发射出一阵超声波。通过回声,它们能够定位到猎物所在,随后飞至猎物栖息地。

他说: “完全可以理解,身处洞穴或深海这样的黑暗环境中,生物是怎么进化出回声定位的—— 实际上,有许多盲人已经学会了如何利用回声定位。即使是视觉正常的人,也能通过听声音来辨别出自己身处何处,是在一个大的会议厅里,还是在一个挤满人的小空间。蝙蝠保留了典型的哺乳动物的耳朵,鲸目动物的回声定位系统则更加完善。”

声音的演变

为了适应水下的声学环境,海豚和鲸鱼的听觉器官进行了极大的演变。水的密度比空气大,因此声波进入鲸类耳朵后,几乎不产生“声阻抗”:即声波以直线穿过海洋生物的头部,而不是像陆地动物那样,以一定的折射率进入耳朵。 声波到达鲸鱼头骨后,由于其速度或功率不发生改变,双耳之间会产生一种“声波干涉”,这对它们定位声源造成了一定干扰。

为了避免这种干扰,鲸目动物已经在耳朵里进化出了一个空气袋。 它们的中耳结构已经从头骨内部移动到外部:鼓膜(耳鼓)和小骨(耳骨)被包裹在的巨大的球状骨壳“鼓膜泡”内。

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Image caption 鲸鱼鼓膜泡,并排放置的是斗牛犬头骨。

鲸类的听觉系统如此独到,也归功于其他解剖结构:与人类不同,其锥形鼓膜伸入鼓膜泡中,不呈鼓状,也不顺着头骨平行延伸至耳道口。克拉克教授说:“以须鲸为例,它们的鼓膜就像一面大旗在旗杆上晃动;而海豚的鼓膜则更像是一个音叉,更硬一点。”

齿鲸的拉丁学名叫作odontocetes,下颚能够接收声波,将其传入耳中。

完美高音

这些因素结合到一起,加之鲸目动物进化而成的独特器官,使得它们能够以一种和地球上的其他动物都不同的方式,来感知声音,利用声音。人类的声波频率感知范围是20赫兹(Hz)到20000赫兹,一只宽吻海豚则能够听到频率高达160000赫兹的声音—— 远超过了狗的感知范围。宽吻海豚对我们听不到的高音调非常敏感:它们的射频在44000赫兹上下。 地球上的所有生物或多或少都会用到声波,但齿鲸可以称得上是动物王国里数一数二的高音达人了。

低音能手

另一方面,低音领域的王冠非须鲸莫属了—— 它们就是动物音乐届的低音符号。齿鲸高声鸣叫相互交流,有时发出更高的咔哒声来锁定猎物。而须鲸却惯用低沉而持续,或呻吟或咆哮的声音,互相歌唱。通常声波频率很低,无法被人耳捕捉到——例如蓝鲸,声波频率可能只有14赫兹,人耳根本无法听见。

低频声波的散射、失真和传输损失较少,因此往往能传播更远,所以须鲸可以在数千公里的巨大范围内相互通信。

通过一种巧妙的策略,它们实现了远距离通信:利用“深海声道”,也叫SOFAR声道(声学定位测距声道)来传播声频。 根据海洋的物理特性,靠近海平面附近的声波较少;但在表面以下,随着水深和维度的变化,声波的传播速度会发生变化,在传播时的传输损失也比较低。

歌声绵延数英里

海水中鲸鱼的歌声在水平波段内能传播至数千公里远,人们把这种现象称之为“声波导”。20世纪40年代,冷战时期的科学家们发现了这种深海声道的存在,并且将之应用到了潜艇战中,不过只是战略性地监听数千公里外的苏联潜艇。

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鲸鱼:远距离交流专家

利用海洋不同深度具有的不同声学特性来发送信号,以延伸传播距离的,海军不是第一人。早在海军之前,鲸类就已经有一套自己的行为模式,能够实现远距离通信:举个例子,长须鲸在海面的声音传播距离仅有250公里,但如果是通过深海声道传播,传播距离最远可超过6000公里。

克拉克教授解释说:“鲸类靠近水面时,发出的呼叫经过海面和海洋大陆棚的折射后,迅速就会消散了。但是一旦进入深海领域,海水物理折射率低,声能就牢牢地待在水里,声波也就能够传播得更远、更快了。这也就是为什么,我身处弗吉尼亚州,通过水中听音器能够听到千里之外,有蓝鲸在爱尔兰的海岸边歌唱。”

通过深海声道,须鲸不仅能够实现互相通信,还能巡航。由于声波遇到障碍物会弹回,通过这种回声定位,他们能在脑内画好一张海地地图。

他解释道:“我追踪过一群蓝鲸,它们在海中山、岛屿和海底大陆架之间激流回旋——不是漫无目的地乱游,而是通过发出波长长达一个足球场的声波,直接游去声音定位出来的地方。比起回声定位,这种方式更像是‘回声测绘’或者‘回声测域’。”

“为了研究这些动物,我必须彻底重塑时间和空间观念,因为声波的传播速度为一分钟25000英里——假设250英里处有一沿海大陆架,那么声波到达要花上10分钟,返回又要10分钟。人类世界不存在等20分钟就为了听个响的。但是蓝鲸等得下去,甚至还能绘制身处环境的声学地图。”

声音最嘹亮的动物

动物王国里,鲸须的声音不仅能到达最远处,这些深渊巨人们也能够发出最为嘹亮的声音:蓝鲸的声音可以达到180分贝,创下了世界纪录——喷气式飞机发出的声音也不过如此了。

耗时最长的歌

须鲸还是动物界呼叫声最长的记录保持者,还创作出过若干著名的歌谣(一说是为了繁殖,尚未证实)。保持这个记录的是须鲸中的座头鲸:雄性座头鲸一次唱歌可达数小时(不断重唱同一首约10分钟长度的歌曲)。一如人类的音乐一般,它们会重复歌曲中的片段,反复尖叫、咆哮和呻吟。每个片段可能长达30分钟,最长的一首歌可能要唱上23小时。

座头鲸还保持了一项记录,鲸类中发行过最多黑胶唱片的要属它们: 1979年,《国家地理》杂志将《座头鲸之歌》作为随刊附赠,发行了1000万份——10种语言版本共同发行。在座头鲸身上,许多科学家看到了一种文化的形式:不同地区的鲸鱼每年会吟唱不同的歌曲,所有雄性唱的都是同一首歌。《千里之歌》的作者、音乐学家罗森博格(David Rothenberg)称,它们唱的是一首“国歌” 。 值得注意的是,座头鲸群体会对歌曲进行改编—— 一周之内,所有雄性就又能够做到同步尖叫、咆哮和呻吟了。

发现鲸鱼之歌

我们知道,古代水手会听到鲸鱼穿过船体的声音,他们不知道听到的是什么(传說是美人鱼的歌声)。 20世纪50年代,科学家们才发现了鲸鱼之歌,当时驻扎在百慕大的美国科学家们在监听苏联潜艇的时候,意外捕获了这些声音。

此后15年,美国海军一直没有对外公布鲸鱼之歌的事情。直到1967年,工程师沃特林顿(Frank Watlington)才将所有刻录下来的鲸歌交给了佩恩(Roger Payne),佩恩是一名生物学家,专攻蝙蝠和猫头鹰的声音。沃特灵顿发现,发现鲸歌可以分成若干段落,能够一遍遍完美地重复。

在佩恩着手研究座头鲸鲸歌时,他发现,每年雄性座头鲸都会有一首新的鲸歌。1970年,佩恩和沃特灵顿将所有鲸歌整理成一个专辑,发行的《座头鲸之歌》在一片争议中开启了一场环保运动。使成千上万的人意识到,这些歌曲的演唱者竟是一种被人类大量屠杀了数百年的动物。于是爆发了大规模的抗议运动,以至于1972年的联合国人类环境会议直接决定,10年内暂停全球范围内的商业捕鲸活动——当时,10年的商业捕杀时间足以让鲸鱼灭亡。

无心插柳之间,军事研究竟引发了物种启蒙和保护运动。

海豚回声定位系统在军队中的应用

要研究鲸鱼和海豚的声学能力,美国军方自然有其他的借口。海豚、虎鲸和白鲸这类齿鲸,不仅能够通过回声定位来映射周遭环境,还能够用它来定位猎物位置。通过震动头顶鼻尖处的“声唇”,海豚能够通过其额隆(前额的圆形凸起)来调节声波束, 用来瞄准猎物。声波撞到猎物后自动弹回,海豚接收到这一信号(大多通过下颌接收),不仅能定位到猎物位置,还能判断出其尺寸。

海豚的回声定位系统十分敏锐,甚至通过鳔的大小就能够预判鱼有多大。而白鲸回声定位更为精密,在一块遮挡物后都能判断出物体形状。远超人类技术水平。

美国军方认识到要通过海豚来学习水底声学应用,这也不足为奇。来自美国、俄罗斯、伊朗和乌克兰四个国家的军事科学家都研究过海豚:其中一个国家学习了回声定位,旨在设计出更好的潜艇和声纳探测器;有两个国家驯化了海豚,使其能够辨别附近的潜艇、检测水下爆炸装置所在、揭开不明物体的真实身份。

20世纪60年代,美国科学家开始利用海豚。越战期间曾经训练过一批海豚,不仅用于排雷工作,海豚还要负责把炸药粘在敌人的船只上,甚至还要将二氧化碳空心尖管刺入敌方蛙人体内。如今,美国军方仍然保留了一支海豚特种部队,目前位于圣地亚哥附近的洛马角潜艇基地,每年在100多头海豚上投资的军费逾2000万美元。

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Image caption 相比其它四感,海豚和鲸鱼更加依赖听觉,用以互相理解、定位巡航,甚至统治一方领地。

夏威夷海洋生物学研究所的欧教授(Professor Whitlow Ou)是海洋哺乳动物研究项目的荣誉研究员,他解释说:“他们仍在海军研究范围之内,因为目前尚未找到替代品——海军一早就想把海豚换下来了,但没有付诸行动,因为我们没有比海豚更好的声呐了。我们不能百分百探测到埋在沙中的地雷,但是海豚不仅能找到地雷,还不会误报,不会让我们白白挖来一堆岩石。”

20世纪70年代,欧博士开始研究海豚回声定位,当时他被海军招募,成为一名电子工程师。他专门研究生物声学,为军队开发新的设备。 在他的头几个项目里,有一项研究了开阔水域中海豚能探测到小型球状物体的最远距离。

他发现,野生海豚发出的回声定位,声音比饲养的要大100倍(研究仅适用于海豚)。他说,海豚可以调整音量大小以适应环境——这也就解释了为什么被抓捕的海豚声音小。欧博士说,这一发现可能太过“令人惊讶”了,甚至连他的第一篇论文都被打了回来,因为人们不相信动物还能调整自己的音量。

他说:“论文最终过审发表前,我只得把设备都严格检查了个遍。”

此后,他与军方的合作开始“走下坡路”。他说:“我希望我所做的研究都能公开发表 ——我不想有所保留。 [比起军事技术]我更想对科学界有所贡献。”

未解之谜

事实上,欧教授对海豚生物学的兴趣远远超过军事技术,他又花了四十年时间来研究鲸类回声定位,这也令他获得了鲸类声学领域“教父”的美名。

“还有很多问题仍然没有答案,”欧教授说。 “那么远的距离,海豚到底是怎么分辨物体的?为什么它们有这种能力? 它们接收的信号是怎么样的?信号是怎么处理的?”

去年,宾州州立大学材料研究院下设数学系的曹文武教授在《应用物理评论》(Physical Review Applied)杂志上发过一项研究,描述海豚如何使用脑部的油性物质(一种“超级材料”)来发射出窄窄的一束束定向声波。这种声波区别于普通的声波,在传播时不会四散开来。

他说:“为什么海豚这种小型动物能够用小脑定位远处的鱼类,我们从这个点切入进行了研究——海豚的这种能力是教科书解释不清的。通过肌肉运动,海豚能够改变头部形状,从而改变声波的角度——这在当时并不为人所知。 至于海豚如何接收声波信号,我们至今还没有弄清楚。我甚至还想知道它们是如何做到声波成像的。”

“我们人类有两只眼睛,能够三维成像。 但海豚如何利用它们的声学结构系统,接受不同角度传来的物体信息,这一点仍然是未知。有可能是用耳朵,也有可能是牙齿——现在还是个谜团。”

曹教授将继续研究齿鲸回声定位,因为包括这个问题在内的很多问题尚未解决。 诚如研究海豚回声定位四十年的欧教授所说:“这些迷人的生物有着令人着迷的能力——动物学家也正因此而不断前行。”

以上图片皆出自George Karbus Photography / Getty请访问BBC Travel 阅读英文原文

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