Введение
Изучение звука в биологическом контексте
Биоакустика – это междисциплинарная наука, объединяющая биологию и акустику. Как правило, она охватывает исследование процессов генерации, распространения и приема звука животными (включая человека). Это включает в себя изучение нейрофизиологических и анатомических основ генерации и обнаружения звука, а также взаимосвязь акустических сигналов со средой, в которой они распространяются. Полученные результаты позволяют понять эволюцию акустических механизмов и, как следствие, эволюцию животных, использующих эти механизмы. В подводной акустике и рыболовной акустике этот термин также используется для обозначения влияния растений и животных на распространение звука в воде, особенно в контексте применения гидролокации для оценки биомассы. Изучение вибраций, передающихся по субстрату и используемых животными, некоторыми учеными рассматривается как отдельная область науки, называемая биотремологией.
История
Долгое время люди использовали звуки животных для их распознавания и поиска. Биоакустика как научная дисциплина была основана словенским биологом Иваном Регеном, который начал систематически изучать звуки насекомых. В 1925 году он использовал специальное устройство для трещотки, чтобы сыграть в дуэте с насекомым. Позже он поместил самца сверчка за микрофон, а самок сверчков – перед громкоговорителем. Самки двигались не к самцу, а к громкоговорителю. Помимо осознания того, что насекомые также воспринимают звуки, распространяющиеся по воздуху, наиболее важным вкладом Регена в эту область стало открытие функции тимпанального органа. Относительно примитивные электромеханические устройства, доступные в то время (например, фонографы), позволяли лишь приблизительно оценивать свойства сигнала. Более точные измерения стали возможны во второй половине XX века благодаря развитию электроники и использованию таких приборов, как осциллографы и цифровые диктофоны. Новейшие достижения в биоакустике связаны с взаимосвязями между животными и их акустической средой, а также с влиянием антропогенного шума. Биоакустические методы недавно были предложены в качестве неразрушающего способа оценки биоразнообразия территории.
Важность
Поскольку человек считается визуальным существом, зрение является основным чувством восприятия расстояния, так как свет очень хорошо распространяется в наземной среде. Однако в подводной среде свет распространяется лишь на несколько десятков метров, поэтому он не является эффективным средством для изучения морской среды. С другой стороны, распространение звука в воде значительно лучше, что и побуждает океанографов использовать звук для подводной связи. Таким образом, становится очевидным, что морские животные хорошо видят, но больше полагаются на слух, в отличие от людей, которые хорошо слышат, но больше полагаются на зрение. Относительную важность слуха и зрения у животных можно оценить, сравнивая количество слуховых и зрительных нервов. Морских животных часто называют очень "вокальными". В период с 1950-х по 1960-е годы активно изучалось поведение дельфинов, использующих эхолокацию с помощью высокочастотных щелчков, а также другие звуки, издаваемые различными видами морских млекопитающих, что позволило идентифицировать звуки, характерные для разных видов в воде. Большинство исследований в области биоакустики финансируются военно-морскими исследовательскими организациями, поскольку биологические источники шума могут создавать помехи при военном использовании звука в море.
Методы
Слушание по-прежнему остается одним из основных методов, используемых в биоакустических исследованиях. Нейрофизиологические процессы, лежащие в основе генерации, обнаружения и интерпретации звуков у животных, изучены недостаточно, поэтому для понимания этих процессов анализируют поведение животных и сами звуковые сигналы.
Акустические сигналы
Опытный наблюдатель может использовать звуки животных для распознавания "поющего" вида, определения его местоположения и состояния в природе. Исследование звуков животных также включает в себя запись сигналов с помощью электронного оборудования. Ввиду широкого диапазона характеристик сигналов и сред, в которых они распространяются, вместо обычного микрофона может потребоваться специализированное оборудование, такое как гидрофон (для подводных звуков), детекторы ультразвука (сверхвысокочастотных звуков) или инфразвука (сверхнизкочастотных звуков), либо лазерный виброметр (для регистрации вибрационных сигналов, передающихся по субстрату). Компьютеры используются для хранения и анализа записанных звуков. Для описания и сортировки сигналов по интенсивности, частоте, длительности и другим параметрам применяется специализированное программное обеспечение для редактирования звука. Коллекции звуков животных, находящиеся в ведении музеев естественной истории и других учреждений, являются важным инструментом для систематического изучения сигналов. Для обнаружения и классификации биоакустических сигналов разработано множество эффективных автоматизированных методов, основанных на обработке сигналов, анализе данных, машинном обучении и технологиях искусственного интеллекта.
Производство, обнаружение и использование звука у животных
Ученые в области биоакустики интересуются анатомией и нейрофизиологией органов, участвующих в генерации и восприятии звука, включая их форму, работу мышц и активность вовлеченных нейронных сетей. Особый интерес представляет кодирование сигналов потенциалами действия в этих сетях. Однако, поскольку методы, используемые для нейрофизиологических исследований, все еще достаточно сложны, а понимание соответствующих процессов неполно, применяются и более простые методы. Особенно полезным является наблюдение за поведенческими реакциями на акустические сигналы. Одной из таких реакций является фонотаксис – направленное движение к источнику сигнала. Наблюдая за реакцией на четко определенные сигналы в контролируемых условиях, можно получить представление о функции сигнала, чувствительности слухового аппарата, способности к фильтрации шумов и т.д.
Оценка биомассы
Оценка биомассы – это метод обнаружения и количественного определения рыбы и других морских организмов с использованием технологии гидролокации. Звуки, используемые летучими мышами для эхолокации, находятся в более низком, но всё ещё ультразвуковом диапазоне. Сегментированный морской червь Leocratides kimuraorum производит один из самых громких щелкающих звуков в океане – 157 дБ, с частотами от 1 до 100 кГц, схожий со звуками щелкающих креветок. На другом конце частотного спектра находятся низкочастотные вибрации, которые часто не воспринимаются органами слуха, но обнаруживаются другими, менее специализированными сенсорными органами. Примерами служат вибрации почвы, создаваемые слонами, с основной частотной составляющей около 15 Гц, и низко- и среднечастотные вибрации, передающиеся по субстрату, используемые большинством отрядов насекомых. Однако многие звуки животных попадают в диапазон частот, воспринимаемый человеческим ухом – от 20 до 20 000 Гц. Механизмы производства и обнаружения звуков столь же разнообразны, как и сами сигналы.
Звуки растений
В серии научных статей, опубликованных между 2013 и 2016 годами, доктор Моника Гальяно из Университета Западной Австралии расширила область исследований, включив в нее биоакустику растений.