Кіріспе

Биоакустика – биология мен акустиканы біріктіретін салааралық ғылым. Көбінесе ол жануарларда (адамдарды қоса алғанда) дыбыс тудыру, таралу және қабылдануын зерттеуді қамтиды. Бұл дыбыс тудыру мен анықтаудың нейрофизиологиялық және анатомиялық негіздерін, сондай-ақ акустикалық сигналдардың олар таралатын ортамен байланысын зерттейді. Алынған нәтижелер акустикалық механизмдердің эволюциясы және оларды пайдаланатын жануарлардың эволюциясы туралы ақпарат береді. Су асты акустикасы және балық шаруашылығы акустикасында бұл термин су астындағы дыбыстың таралуына өсімдіктер мен жануарлардың тигізетін әсерін білдіреді, әдетте биомассаны бағалау үшін сонар технологиясын қолданумен байланысты. Жануарлар пайдаланатын субстрат арқылы берілетін дірілдерді зерттеуді кейбір мамандар биотремология деп аталатын жекелеген сала деп санайды.

Тарих

Адамдар жануарларды тану және табу үшін ұзақ жылдар бойы жануарлардың дыбыстарын пайдаланып келген. Биоакустика ғылыми саласы ретінде словен биологы Иван Реген тарапынан құрылды, ол жәндіктердің дыбыстарын жүйелі түрде зерттеуді бастады. 1925 жылы ол арнайы стридуляциялық құрылғыны қолданып, жәндікпен дуэт орындады. Кейіннен ол еркек сүңгірткени микрофон артына, ал әйел сүңгірткелерді динамик алдына орналастырды. Әйелдер еркекке емес, динамикке қарай қозғалды. Регеннің осы салаға қосқан ең маңызды үлесі – жәндіктердің ауа арқылы тарайтын дыбыстарды да сезінетінін анықтауынан басқа, құлақ мүшесінің (tympanal organ) қызметін ашу болды. Сол кезде қол жетімді қарапайым электромеханикалық құрылғылар (мысалы, фонографтар) сигналдың қасиеттерін ошар бағалауға ғана мүмкіндік берді. Электрониканың дамуы және осциллографтар мен цифрлық жазғыштар сияқты құрылғыларды пайдалану арқасында 20-ғасырдың екінші жартысында дәл өлшемдер жасау мүмкін болды. Биоакустикадағы соңғы жетістіктер жануарлар мен олардың дыбыстық ортасы арасындағы байланыс және антропогендік шудың әсеріне қатысты. Биоакустикалық техникалар аймақтың биоәртүрлілігін бағалау үшін бұрынғысынша зақым келтірмейтін әдіс ретінде жақында ұсынылды.

Маңыздылық

Адамдар көру арқылы әлемді қабылдайтындықтан, көру қашықтықты сезінудің басты құралы болып табылады, себебі жарық құрлықтағы ортада өте жақсы таралады. Ал су астында жарық тек бірнеше ондаған метрге ғана жетеді, сондықтан теңізді зерттеу үшін жарық тиімді емес. Керісінше, су астындағы дыбыс жақсы таралады, осы себепті океанографтар су асты байланысы үшін дыбысты пайдалануды жөн көреді. Сондықтан, теңіз жануарлары жақсы көреді, бірақ естуға көбірек мән береді, ал адамдар жақсы естиді, бірақ көруге баса назар аударады. Жануарларда есту мен көрудің маңыздылығын салыстыру үшін есту және көру нервтерінің санын қарастыру жеткілікті. Теңіз жануарлары дауыстап сөйлейтін жануарлар ретінде белгілі. 1950-1960 жылдар аралығында дельфиндердің жоғары жиілікті дыбыстарды қолдана отырып, эхолокациялық әрекеттерін зерттеулер қарқынды жүргізілді, сондай-ақ басқа теңіз сүтқоректілерінің шығаратын әртүрлі дыбыстарымен байланысты зерттеулер де жасалды, нәтижесінде су астындағы түрлі түрлерге тән дыбыстар анықталды. Биоакустика саласындағы көптеген зерттеулер әскери-теңіз зерттеу ұйымдарымен қаржыландырылды, себебі теңіздегі биологиялық шу көздері дыбыстың әскери мақсатта қолданылуына кедергі келтіруі мүмкін.

Әдістер

Тыңдау әлі де биоакустикалық зерттеулердегі басты әдістердің бірі болып табылады. Жануарларда дыбыстарды жасау, анықтау және түсіндіруге қатысатын нейрофизиологиялық процестер туралы көп мәлімет жоқ, сондықтан осы процестерді түсіну үшін жануарлардың мінез-құлқы мен дыбыстық сигналдар зерттеледі.

Акустикалық сигналдар

Тәжірибелі бақылаушы жануарлардың дыбыстарын пайдаланып, "әндетіп" жүрген жануар түрін, оның табиғаттағы орналасқан жерін және жағдайын анықтай алады. Жануарлардың дыбыстарын зерттеуге электрондық жазу құралдарымен сигналдарды жазу да кіреді. Сигналдың кең ауқымды қасиеттері мен таралатын орталарына байланысты, әдеттегі микрофонның орнына арнайы құралдар қажет болуы мүмкін, мысалы, гидрофон (су астындағы дыбыстар үшін), ультрадыбыс (өте жоғары жиілікті дыбыстар) немесе инфрадыбыс (өте төмен жиілікті дыбыстар) детекторы, немесе лазерлік виброметр (қатты дененің дірілдеу сигналдары). Компьютерлер жазылған дыбыстарды сақтау және талдау үшін қолданылады. Дауысты өңдеуге арналған мамандандырылған бағдарламалық қамтамасы сигналдарды қарқындылығы, жиілігі, ұзақтығы және басқа да параметрлері бойынша сипаттау және сұрыптау үшін пайдаланылады. Табиғат тарихы музейлері мен басқа да мекемелерде сақталатын жануарлардың дыбыс жинақтары сигналдарды жүйелі зерттеу үшін маңызды құрал болып табылады. Биоакустикалық сигналдарды анықтау және жіктеу үшін сигналды өңдеу, деректерді табу, машиналық оқыту және жасанды интеллектіні қолданатын көптеген тиімді автоматтандырылған әдістер әзірленді.

Дыбыс шығару, анықтау және жануарларда қолдану

Биоакустика саласындағы ғалымдар дыбыс тудыру және қабылдауға қатысты мүшелердің анатомиясы мен нейрофизиологиясы, соның ішінде олардың пішіні, бұлшық ет әрекеті және нейрондық желілердің қызметіне қызығушылық танытады. Ұңғыл желілердегі әрекет потенциалдары арқылы сигналдарды кодтауға ерекше мән беріледі. Алайда, нейрофизиологиялық зерттеулерде қолданылатын әдістер әлі де күрделі және тиісті процестерді түсіну толық емес болғандықтан, одан қарапайым әдістер де қолданылады. Акустикалық сигналдарға жауап ретіндегі мінез-құлықты бақылау ерекше пайдалы. Мұндай жауаптардың бірі – фонотаксис, яғни сигнал көзіне бағытталған қозғалыс. Бақыланатын жағдайда анықталған сигналдарға реакцияны бақылау арқылы сигналдың функциясы, есту аппаратының сезімталдығы, шуды сүзу қабілеті және т.б. туралы білуге болады.

Биомассаны бағалау

Биомассаны бағалау – бұл сонар технологиясын қолдана отырып балықтар мен басқа теңіз организмдерін анықтау және оларды сандық тұрғыдан өлшеу әдісі. Одан төменгі, бірақ ультрадыбыс диапазонындағы дыбыстарды жарыстап ұшу үшін жартастар пайдаланады. Сегменттелген теңіз құрты Leocratides kimuraorum мұхиттың ең күрделі дыбыстарының бірін – 157 дБ деңгейінде, 1–100 кГц жиілікте шығарады, бұл шағын шамамен соққылайтын дауысқа ұқсас. Жиілік спектрінің екінші жағында төмен жиілікті дірілдер бар, оларды есту мүшелерімен байқау қиын, бірақ басқа, арнайыланбаған сезім мүшелерімен байқауға болады. Мысалдарға негізгі жиілік компоненті шамамен 15 Гц болатын пілдердің тудыратын жер дірілдері және көптеген жәндіктер тобында қолданылатын төменгі және орта жиілікті жер бетіндегі дірілдер жатады. Дегенмен, көптеген жануарлардың дыбыстары адам құлағымен естілетін 20 мен 20 000 Гц аралығындағы жиілік диапазонына түседі. Дыбыс тудыру және анықтау механизмдері сигналдардың өзі сияқты әртүрлі.

Өсімдіктер дыбыстары

2013 және 2016 жылдар аралығында жарияланған ғылыми журналдардағы бірнеше мақаласында Батыс Австралия университетінің докторы Моника Гаглиано ғылым саласын өсімдіктердің биоакустикасын қамтуға дейін дамытты.