动物的听觉世界


文章出自:博物 2008年第09期作者: 张劲硕 

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蝙蝠能够收发超声波早已不是什么新鲜事了,但是蝙蝠选择超声波的理由,竟然是和吃饭密切相关;大象的耳朵之大可谓诸多动物之最,然而它们却能够听到频率极低的声音;蜘蛛的耳朵长在腿上也就罢了,一只蜘蛛竟然生有很多个耳朵如果听觉是认知世界的基本手段之一,那么在动物们听来,这个世界与人类熟悉的世界,非但不尽相同,而且大有奥妙。

《说文》曰:“听,聆也。”人类对于“听”的解释,如同“恒等于”一般的废话。陆游诗曰“夜阑卧听风吹雨”,辛弃疾则是“听取蛙声一片”,诸葛亮谏言主张“开张圣听”,李商隐则颇具意境地写下了“留得枯荷听雨声”听觉之于人类,一方面可以用来感知身边的事物,另一方面,也可用于相互交流,但这些或美妙或悠远,或令人心旷神怡,或使人感极而悲的声音,能够被“听”到,一定要依赖世间最为高端的听觉器官耳朵。

纵然人类耳朵的结构再精巧,对于声音的理解与描绘再出神入化,想把万籁尽收入耳朵中,却也无法实现人类在正常情况下,可以听到的声音频率为16~27000Hz(一般认为的范围为20~20000Hz),不在这个范围内的声音,我们就无法感受到。如果说,你所能听到的声音范围,就是你所能感觉到的世界,那么除却人类以外的动物们,所聆听到的世界,则与人类不尽相同。


超声波收发器

我们会唱海豚音
海豚可谓超声波歌唱家,发出的“海豚音”名副其实。当然人类的耳朵是无法探测到海豚所发出的高频声音,所谓的“海豚音”也不过是对于“音频极高”的歌声的形容而已,但对于海豚本身而言,高频声音是为了探测体型小巧、活动灵活的鱼类所必需的—为了吃饱肚子。此外,高频音也是海豚交流情感的语言。

人们把歌唱中的高频声音称为“海豚音”,其实海豚能够听到的声音远远高出人类的接收范围属于鲸类的海豚,可谓使用超声波和回声定位技术最高超的动物类群之一,而它们的声音也被认为可能具有相互交流的含义。但较为低等的刺猬,也可有效利用超声波,可见选择什么样的声音频率,与动物本身的体形大小、进化程度关系不大,而与生存环境和行为、习性关系密切。最为经典和知名的例子,还是来自于夜空中的超声波“雷达”蝙蝠。

夏天,一个万籁俱寂的夜晚在我们的感觉中,那的确是一个毫无声响的世界,人们已进入梦乡,汽车的喧嚣已散去,鸣虫不再歌唱。然而,夜空中却穿梭着许多暗色的、敏捷的小精灵,它们或疾飞,或俯冲,或急转弯,它们不是在夜空舞蹈,而是为了填饱肚子在忙碌着。它们的世界其实十分吵闹,只不过我们的耳朵无法去体察。

大多数的蝙蝠都在使用一套缜密的“回声定位”技术,通过分析自身发射的声波的回声,来建立其周围环境的“声音-图像系统”,并判断自身所处的位置。用听力代替了视力,在漆黑的夜空捕猎,这是自然界中进化最成功的动物类群之一了。

蝙蝠可以接听的声波频率在1000~120000Hz,上限远远超过人类所能收听的范围。而蝙蝠之所以选择超声波,存在着多种理由:首先,自然界中很少有其他声音具有这样高的频率,所以来自其他声源的干扰极小,有利于蝙蝠正确分辨;其次,超声波在空气中传播一段距离会很快衰减,这样既可避免不同蝙蝠之间的回声定位系统相互干扰,也有利于接近猎物,趋避天敌;当然,选择超声波最为重要的原因,还在于蝙蝠的猎物本身。

超声波频率极高,但波长很短,利用回声定位系统来寻找猎物,最佳声波就是波长与目标的长度近似蝙蝠捕食小昆虫,因此需要短波长、高频率的超声波。甚至有研究表明,不同种类的蝙蝠,所能听到的超声波频率、波长也略有不同:体积大的蝙蝠可以捕食到更大的昆虫,所应用的超声波波长更长、频率略低;而自身体积小的蝙蝠只能捕食相对较小的猎物,所以收发的超声波波长更短、频率更高。

蝙蝠,伪雷达?
提到超声波,人们总会想到蝙蝠,继而将之比喻为夜空中的雷达。但是从工作原理来讲,蝙蝠和雷达还是具有本质区别的:尽管二者都是发出信号,根据信号的返回情况作出判断,但是蝙蝠发出的是声波(机械波),而雷达发出的是电磁波。供图/全景

以食物来决定回声定位系统的声音频率,也就解释了为什么海豚等鲸类动物虽然体积较大,却也选择波长短、频率高的超声波它们捕食体积较小的水生动物,这与食虫类的刺猬和可谓异曲同工。同样为了生存,蝙蝠的猎物中,夜蛾也可以听到超声波,用以躲避蝙蝠的袭击。


重低音歌唱家

当然利用回声定位,并非是超声波的专利比如人类的军用雷达,尽管我们常见到这样的介绍,雷达的发明是基于蝙蝠超声波和回声定位的仿生学结果,但实际上雷达出现的时候,人类对于蝙蝠是否使用超声波还几乎一无所知。雷达利用电磁波,而蝙蝠则是利用了声波(机械波),二者虽然工作原理相似,但物理学的概念不同,只能说人类的智慧与蝙蝠的进化,异曲同工,殊途同归。

动物中利用回声定位的高手中,也有摒弃超声波不用的例子反其道而行之,利用低频率的声波进行回声定位,最著名的是洞穴栖居的鸟类,比如生活在我国南方、东南亚和澳大利亚的金丝燕。金丝燕利用回声来确定环境,最佳频率在800~5000Hz之间,和蝙蝠比,它们的声音已经相当低沉了。低频率的声波不易衰减,用于探测周围的大环境、定位巢穴所在恰好适宜,而当有充足光线的时候,金丝燕就不再利用回声定位,而依靠视觉去捕捉食物。

全能鸽子
鸽子非但能听到人耳所能感受的全部声音,而且从次声波到超声波,都在鸽子的收听范围之内。在人类感觉寂静的空间里,或许鸽子能听到更多的风吹草动,倘若评选一个全能的耳朵,则冠军非鸽子莫属。供图/全景

名副其实的“重低音歌唱家”所发出和听到的声音,可以低于人类所能听到的声音频率极限使用“次声波”通讯的动物,最为神奇的当属大象。1986年,3位美国康奈尔大学的研究者发现,亚洲象能够发出并感知次声波,那些声波的频率为14~24Hz;此后,非洲象也被证明可以聆听次声波。作为一种社会性动物,不同家族的象群之间,可以利用次声波来进行远距离联络持续性强的次声波可以传递到10公里以外的地方,在夜间甚至可以传递更远。人类已经可以利用次声波技术侦测到地球内部的声音,用以判断地壳运动状况,或许有一天当人类能够实现与大象的交流时,可以请大象出马,利用次声波来判断什么地方将会发生地震。

大象低音炮
可以发出和收听到次声波,对于大象之间相互传递信号大有裨益:次声波衰减较慢,因此可以传递到更远的地方;大象不需要如蝙蝠一样精密探测小体积的食物所在,所以超声波对于大象而言也就没有多大意义了。供图/全景

非典型性耳朵

都说蝙蝠长得像老鼠,但其耳朵大小却是同等体积老鼠的几倍,甚至十几倍。大象则毫无疑问,耳朵大得出奇无论是人类,还是接收超声波或者次声波的动物,作为听觉器官,耳朵似乎不可或缺。然而有些动物天生就是没有耳朵的样子,它们甚至不是耳朵的外形退化,而是听觉器官相当与众不同。

我们用“风吹草动”来形容微小的变动,而能够感觉到“风吹草动”的人,则被看作敏感或者机警。人类对于“风吹草动”的声音,是用耳朵捕捉,而蜘蛛虽然也是“听”到这些动静,但“听”的器官却是用腿没有耳朵的蜘蛛,依靠腿上的“听毛”来聆听周围的动静。蜘蛛主要依靠嗅觉和触觉来感知外界信息,听觉可以算作是触觉的一部分;蜘蛛的感觉器官就是全身附着的触毛,用来感受外界的刺激,特别是在腿部,有许多听毛和嗅毛,毛内有许多神经末梢,可以将感知的声音等机械波传给中枢神经,以达到“听”的目的。如果说蜘蛛的耳朵就是“听毛”,那么一只蜘蛛就拥有无数个耳朵。

蝗虫的简易耳朵
蝗虫倒确实拥有耳朵,只不过这耳朵略显简易。在蝗虫的第一腹节的两侧,各有一个半圆形的鼓膜,可以用来感知声音—这两个鼓膜的作用,大概相当于人类的耳膜,只不过其他的辅助器官蝗虫并不拥有。可以假设一下,倘若蝗虫的腰腹上,长着两个耳廓,蹦来蹦去的时候,和杂草树枝充分摩擦,想必是个麻烦事儿。

如果把“听”理解为生物对外部机械波振动的感应的话,那么无数低等的无脊椎动物都有各自稀奇古怪的“耳朵”了。蟋蟀的前腿可以感受声波的震荡,尾须上的听毛是一种触觉器,能感受声波刺激;中华稻蝗的第一腹节的两侧各有一个半圆形的鼓膜,可以感知外部声音;软体动物乌贼的头部有一对平衡囊,囊内充满液体,其中有一个耳石,也可算是乌贼的耳朵总而言之,低等动物往往神经系统不甚发达,无论是所谓的“耳朵”还是听觉神经,形态和结构都较为简单形态典型、结构齐全、功能完备的耳朵,依旧属于较为高级的动物们所专有。

满腿都是“耳朵”
与其说蜘蛛拥有听觉,不如说它们拥有代替听觉的触觉更为妥当。蜘蛛依靠腿上的“听毛”来聆听周围的动静,声波被“听毛”感知,反馈到神经中枢,以达到“听”的效果。

超声波鸽哨

鸽子几乎可以算是人类身边常见的动物之中,能够听到声音频率范围最宽的种类了—它们可听到频率在0.1~120000Hz之间的声音,无论是次声波还是超声波,都能为鸽子所感知。超声波鸽哨(又名鸽笛)正是基于鸽子能听到超声波的原理,加以条件反射式的训练,使鸽子服从于鸽哨的召唤,当它们在广场或房屋上空飞翔时,只要主人吹响鸽哨,鸽群就会应超声而归巢。

驱猫仪·驱狗仪

我们身边的宠物,可以听到比我们更多的外界声响,狗可听到的声音频率在15~50000Hz,猫则在50~60000Hz。在欧美国家的私人花园里,由于流浪猫的造访致使园中植物遭受损失,因此一些花园主人会安置专门的“驱猫仪”—这种仪器能够发射超声波,人类无法听到,但却可以令猫感到不舒服,于是猫会对安装驱猫仪的花园敬而远之。同样利用超声波原理,也有专为害怕狗的人而设计的驱狗仪。

责任编辑 / 王辰