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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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鱼儿在唱歌,你听见了吗?

2021-06-16 08:58:00

  不少人想当然地认为鱼是一种既聋又哑的生物,因为它们看上去没有耳朵,至少在脑袋上看不到有支棱在外的耳朵。其实鱼类不仅能听到声音,还能发出声音,有鱼类栖息的水下世界并非寂静无声,其喧嚣程度超乎人们的想象。

鱼儿

  超越人耳

  人们花了相当长的时间才逐渐认识到上述事实。这一方面是因为鱼类发出的声音通常无法穿越水面,而是被反弹回水底深处,令人们难以听到。另一方面,人类的耳朵并不擅长捕捉来自水中的声音。通常声波在空气中传播时会沿着耳道传向内耳,引发耳膜振动使我们听到声音;当我们的耳朵被水灌满时,耳膜受潮会影响声波振动,导致我们的听力受到抑制。

  此外,声音在空气中传播时,抵达人们左右耳的时间通常会略有差异,人脑可以据此判断声音的来源;声音在水中的传播速度比空气中快得多,几乎同时抵达人的左右耳,因此使人难以确定声源。

  人们戴水肺潜水时,往往会感觉陷入一团声音的迷雾之中,除了自己的呼吸声,基本上听不到任何其他声响。除非鱼类闹出的动静足够大、足够明显,比如一条大鱼呼啸着从你身边游过,否则你很难通过声音注意到它们。总而言之,想要深入了解喧嚣的水下世界,需要有专门的设备取代人类的耳朵来仔细聆听。

  水下监听

  古时候人们只知道少数几种鱼具备发声能力,因为它们在被捕获出水时会大叫不止。据古籍记载,鱼的叫声千奇百怪,有的类似布谷鸟的鸣叫,有的像猪发出的哼哼声,某些种类的鲨鱼会吱吱尖叫。《本草纲目》中曾描述,“石首鱼出水能鸣”,“每岁四月,来自海洋,绵亘数里,其声如雷”。

  长久以来,出海的人们总是会在茫茫大海上莫名其妙地听到各种怪声,比如呻吟声、砰砰的撞击声、类似锁链的叮当声等。许多人由此怀疑船上闹鬼。第二次世界大战时,这种来自海洋的喧嚣之声更是给美国海军对敌作战带来了大麻烦,令水下监听设备形同虚设。

  据当时从事监听工作的人描述,他们听到的水下噪声千奇百怪,包括嘟嘟声、呱呱声、砰砰声、口哨声、猫叫声,有的像煤块滚落下金属轨道的声音,有的像棍子划过木栅栏时发出的撞击声,等等。有时这种噪声甚至会大到掩盖了大型战舰开过的声音,给战时监听造成严重干扰。为了搞清楚这些噪声究竟来自何方、哪些水域以及哪些时段内噪声最大,一些学术机构在美国海军资助下,成立了专门的实验室开展相关研究。

  经过初步调查,科研人员发现水下噪声的产生一部分可归咎为海浪、风以及潮汐活动,但“元凶”还是各种海洋生物,其中鱼类的“贡献”尤为令人瞩目。它们闹出的动静有时甚至大到足以触发水下炸弹,而人们原本以为只有潜水艇发出的声响和震动才能引爆这些炸弹。相关信息的获得无疑为美国海军在对敌作战时具备更多优势打下了基础。

  第二次世界大战结束后,相关研究并未就此停歇。随着研究的深入,人们取得了更为丰硕的成果。科研人员开展工作时会携带一系列装备,包括防水麦克风、收发两用无线电、对讲机、电池与发电设备、可折叠水族箱、铝合金小船以及长达数百米的线缆等。依靠这些装备可以快速搭建起一个移动水下监听站,用以搜寻发声的生物。

  在长达数十年的时间里,科研人员记录和确认了大量水下发声生物,其中大部分为鱼类。利用水下听音设备,他们在河流、海湾等地建立起一个个长期监听站,收集来自水中的声音,并定期派遣科考船前往特定水域,将捕获的鱼类带回实验室,记录下它们的声音。

  通过声谱图分析,这些鱼发出的声音能以一种更加直观的可视化形式展现在人们面前。比如,一种青鳕鱼在被人用手抓住时会砰砰作响,它的声谱图显示为一片片重复的声音团块,就像是梳子从一摊颜料中划过时留下的痕迹。有一种鱼的声谱图呈现为两条清晰的直线,一条音高较高,一条音高较低,两者都是先持续4秒,然后重复2秒多。一种翻车鱼会发出急促的咕噜声,被抓住的时间越长,它就会叫得越频繁声越大。大石斑鱼被刺时就会发出巨大的隆隆声,其声谱图看上去像是用柔软的画笔绘就的一系列短促线条。这种体形庞大的鱼即便安静地待着也让人不省心,那张大嘴几乎能把水下听音器一口吞掉。

  研究人员发现,具备发声能力的鱼多达成百上千种。有些鱼可以通过叩击牙齿发出急促的声音,比如一种以珊瑚礁为家的咕噜鱼,以磨牙发出的咕噜声而得名;刺通过摩擦其少牙的颌骨,发出一种类似生锈铰链的声音;杜父鱼可利用肌肉的运动让自己啪啪作响……这样的例子不胜枚举。

鱼儿

  听声辨位

  以往,生物学家的研究主要集中于某一类鱼的发声与听声能力。近年来,越来越多的研究更加关注鱼群发出的集体大合唱。

  水面之下是一个精彩的声音世界。充斥其中的各种声音乍听起来似乎显得杂乱无章,毫无规律可循,然而事实远非如此。在澳大利亚西部水域,研究人员用一组防水麦克风记录下了每日黎明与黄昏时分,栖息于此的各种鱼发出的长达数小时的清晰的水中大合唱。它们由鱼群打斗、嬉戏、交配、进食以及呼朋唤友的声音交织而成。

  在新西兰北岛附近鱼类资源丰富的寒冷暗礁区,水下监听设备向人们展现了某些海洋生物栖息地所独有的环境声音特征。比如,通过仔细聆听可以发现,覆盖着海藻的暗礁区如果有海胆寄居其中,动静就会不同,因为当海胆的牙齿刮擦岩石时,海胆壳会像钟那样产生共鸣。

  在嘈杂的水下环境中,鱼类究竟是如何听音辨声的,还存在诸多谜团。为了能与同伴正常交流,它们可能需要努力排除外部杂音的干扰,就像在喧闹的聚会现场,人们如果要想进行私下交流,必须得格外专心才能听清楚彼此间的对话。

  环境中的各种嘈杂之声并非对鱼类全无用处。它们会仔细聆听并从中提取对自己有用的信息。在夜晚,声音对它们尤为重要。在热带浅海中生活着许多种鱼,它们整天游来游去。其中一些白天躲藏和休憩于珊瑚礁中或红树林的根部,随着夜幕降临,它们游向附近的海草草甸进食。多数鱼之所以趁着天黑行动,是不希望被危险的捕食者——那些依靠光进行捕猎的大型鱼类发现自己的行踪。

  同样道理,新出生的幼鱼通常会在开阔水域生活数天或数星期,以避开众多隐藏在暗礁中的饥饿捕食者。经过一段时间,当幼鱼的肌肉和鳍变得逐渐强壮,足以搏击海浪时,它们才会开启自己漫长的归家之旅。

  鱼类体内自带有一套定位系统,可引导它们在夜晚的黑暗中前行;到了白天,它们会依靠照射在水面上的阳光确定自己的方位。随着离家越来越近,幼鱼会精准地游向自己的自然栖息地。这时除了凭借嗅觉,听觉也很重要,周围环境发出的声响会像黑暗中的灯塔那样为它们指明前行的方向。

  对此,新西兰奥克兰大学的一支团队曾开展过专门的研究。研究人员搭建了一些一模一样的小型碎石堆用于模拟珊瑚礁环境,并将它们间隔放置在澳大利亚大堡礁附近的一处浅海水域。每一碎石堆上方均悬挂有水下扬声器,会播放事先录好的不同栖息地的环境声音。经过一夜后,研究人员对进入每一碎石堆内的鱼类进行了清点,结果发现,某些鱼类确实会被特定栖息地发出的声音所吸引。

  比如,少女鱼的幼鱼会径直游向模拟裙礁声音环境的碎石堆。裙礁通常是手枪虾出没的地方,周围经常充斥着手枪虾合拢巨螯时发出的一声声嘎嘣嘎嘣的脆响;鲷鱼的幼鱼则会被吸引到发出类似开阔环礁湖声音的碎石堆。与此形成鲜明对比的是,很少有鱼会游向一片死寂的碎石堆。

  虽然相关研究尚处于早期阶段,但是不难看出,鱼类不仅能分辨不同水域的环境声音,而且还能依靠听觉的指引游向自己想去的地方。

  和谐乐章

  近年来不断有研究发现,鱼类栖息地的声音环境并非杂乱无章的大杂烩。鱼群不会不分时间场合,没来由地胡乱吵吵,它们就像一支交响乐队内的不同乐器,各司其职,合作有序,共同巧妙地谱写出一曲和谐动听的水下乐章。

  由欧洲科学家组成的一支研究小组在印度洋的发现就很好地印证了这一点。这里离莫桑比克南部边境不远,紧靠海岸的地方有陡峭的峡谷蜿蜒伸向海底深处。研究人员在约100米深的一处水下洞穴内放置了小型录音设备。2个月后,他们取回设备,得以聆听到洞穴寄居者们发出的声音。

  在此之前,曾有一些南非生物学家乘坐微型潜水艇拜访过这片水域内的水下洞穴,并目睹成百上千种鱼栖息于此,其中就包括会发声的鲶鱼、鲷鱼以及蟾鱼。因此相关洞穴录音中出现大量鱼类发出的声音并不奇怪,令研究人员感到惊奇的是它们独特的发声模式。

  通过分析声谱图,他们发现,鱼儿们夜晚发声时能完美地做到互不干扰:每种声音的音高以及持续时间均不相同,有的低沉,有的高亢,有的短促,有的悠长,就像一幅声音拼图中的不同模块,彼此之间配合得天衣无缝。研究人员推测,这或许是因为在黑暗的夜晚,鱼儿们难以看见彼此,为了确保自己发出的呼唤不被淹没,能顺利地被同伴捕捉到,它们需要尽量避免声音之间出现重叠和冲突。

  在明亮的白天,鱼类发声时则没有那么多讲究。因为此时它们能看清彼此,可以配合各种肢体动作,比如摆动鱼鳍,来吸引对方的注意,就好像我们在嘈杂的环境中召唤朋友时会一边大叫一边招手那样。由此也可以看出,除了食物与栖息地以外,鱼群在声音领域也有各自的势力范围。这一点与鸟类、蛙类以及昆虫类动物有相似之处。

  噪声污染

  根据声音环境对陆地生态系统影响的研究,人类活动产生的噪声已对一些陆地动物的生存造成了严重干扰。比如,道路上来来往往的车流会使鸟类难以听清同伴发出的鸣叫,导致它们错失许多重要信息,尤其是在交配期。随着轮船运输、地震勘探、石油与天然气开采等人类海洋活动的增多,类似情况是否会在鱼类身上重演,现在还不好说,因为水下噪声污染研究目前大多聚焦于海洋哺乳动物,针对鱼类的研究非常稀少。或许有许多鱼正在日益嘈杂的水下世界挣扎求生。

本文来自《科学画报》

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