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科學家探祕深海中鯨魚的神祕歌聲
在深海中巨型哺乳動物鯨魚在看不見的水域中游泳並用神祕的歌聲找到彼此。雖然海軍最早在1960年代就知道鯨魚的歌聲而且水手們早就通過船體聽到了它們令人毛骨悚然的叫聲﹐但直到此前﹐鯨魚如何唱歌仍然是一個謎。
類人猿等陸地哺乳動物的視力經過微調具有鮮豔的色彩敏感度。人類生活在由視覺交流驅動的文明中。對於鯨魚這種深海的大型哺乳動物來說﹐情況並非如此﹐它們珠狀的眼睛在聲音世界中處於次要地位。在水下聲音的傳播速度幾乎是陸地上的五倍。聲音本質上是粒子形成的振動﹐形成在空氣或水中傳播的波﹐耳朵將其轉化為聲音。水中粒子的密度相對較高﹐這意味著它們彼此接觸更緊密﹐因此將振動從一個傳遞到另一個的傳播距離更短﹐因此聲波傳播得更快。海洋哺乳動物的生存正是利用了這個看不見的領域。
鯨魚已經適應了這種特殊的環境﹐利用聲音在海浪下「看到」和交流。自從海軍在1967年為我們提供了第一張鯨魚歌聲的唱片以來﹐科學家們已經瞭解了鯨魚是如何聽到這種聲音的﹕「它們的耳朵專門配備了一個氣囊。」然而﹐鯨魚是如何發出迷人的歌聲的仍然是一個謎。海軍繼續研究這種獨特的能力並試圖將其用於開發聲納技術。
最近﹐一項新的研究檢查了擱淺後死亡的鯨魚的喉嚨。研究人員建立了計算模型﹐揭示了其聲音解剖學背後的奧祕。鬚鯨是地球上最大的哺乳動物﹐其中包括座頭鯨﹑藍鯨和灰鯨。進行這項研究的研究小組發表在著名的《自然》雜誌上﹐由南丹麥大學生物學系的科恩‧埃勒曼斯(Coen Elemans)和維也納大學行為與認知生物學系的特庫姆塞‧菲池(Tecumseh Fitch)領導。
通過檢查座頭鯨解剖的喉部﹐他們發現該器官在某些方面與陸地哺乳動物的器官相似。鬚鯨的喉部保留了其作為海底發聲器官的關鍵作用。然而﹐兩者之間存在著明顯的差異。研究人員揭示了負責鯨魚歌聲的機制該機制由幾個部分組成﹕
鯨魚有一個細長的U形裝置﹐稱為杓狀器官。由兩個水平方向的軟骨組成﹐其目的是改變哺乳動物聲帶的位置。依靠在杓狀肌的頂部的是一個纖維狀的「墊子」。在鯨魚中﹐這可以在呼吸姿勢下使用﹐將空氣吹過它們的氣孔或發聲位置引起振動﹐使鯨魚唱歌。
在發聲位置來自肺部的空氣被捕獲在喉部氣囊中。研究人員假設﹐鯨魚在唱歌過程中可以循環使用空氣。同樣值得注意的是鯨魚具有陸地哺乳動物所沒有的特徵﹕一組「神祕」的鼻塞和口腔塞﹐可以保護氣道免受水的侵害。這種機制中「墊子」和U形杓狀肌相遇的區域是振動的來源﹐鯨魚由此發出歌聲。歌聲由鯨魚的爆炸性肺提供動力﹐當處於發聲位置時﹐墊子中會發生由空氣動力學引起的振動。
進一步測試後研究人員能夠將這部分解剖結構產生的聲頻與座頭鯨的聲音頻率相匹配。這種匹配是通過構建喉部的計算模型來實現的﹐該模型能夠成功模擬這種空氣動力振動和隨後的聲音的影響。「我們的模型準確地預測了我們的實驗結果﹐我們也可以計算出我們在實驗室中無法測量的聲學特徵﹐例如頻率範圍」﹐來自羅切斯特理工學院(the Rochester Institute of Technology)的研究人員說。
他們計算機生成的預測與座頭鯨的自然發聲(歌唱)非常吻合。「1970年﹐羅傑‧佩恩(Roger Payne)和凱蒂‧佩恩(Katy Payne)錄製了第一張座頭鯨歌聲的原聲唱片﹐引起了人類的深刻共鳴﹐開啟了海洋生物聲學領域的蓬勃發展﹐並引發了全球對海洋保護工作的興趣」﹐埃勒曼斯先生說﹐「這些錄音在政治上非常重要﹐所以它們被載在旅行者號太空任務上。」。
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