自然科普:噪声大的溪流旁 蛙蛙们修成了“河东狮吼功”
发布时间:2021-09-15
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  在周星驰导演的电影《功夫》中,包租公包租婆用狮吼功与火云邪神进行了经典对决。画面中,狮吼功犹如迅雷疾泻声闻数里,具有震慑人心的威力。

  无独有偶,在噪声大的溪流旁生活的蛙蛙们,也修得了“河东狮吼功”。

  图片来源:电影《功夫》截图

  大家都知道,环境会对人的发展造成影响。其实对于动物来说,也是这样。

  中科院成都生物研究所动物行为与仿生项目组研究发现,生活在噪音大的溪流中的蛙,鸣声发生了适应性进化!

  与栖息于安静水环境(池塘、湖泊等)中的蛙相比,溪流蛙的声音更简单、声音频率更高,这有助于在噪音环境中进行交流。

  左:静水蛙代表物种高原林蛙的生活环境;右:溪流蛙代表物种小湍蛙的生活环境(图片来源:作者提供)

  为了适应环境 “蛙”的嗓门大了

  声音适应性假说(acoustic adaptation hypothesis)认为,动物的鸣声信号应该朝有利于在其所处环境中高效传播的方向进化。尽管该假说已经被提出四十多年,但现有的研究主要集中在植被对动物鸣声的影响上。

  已有的研究表明,在封闭的森林中,频率低且持续时间长的鸣声可以传播得更远;而在开阔的森林中,重复率高且频率变化明显的鸣声具有更优的传播效率,所以这些特征会在进化过程中受到选择而不断强化。目前,环境影响因素主要聚焦于植被,而噪声、荒漠化等因素受到的关注较少。

  噪音在环境中普遍存在。常见的噪音包括非生物噪音(风、雨、流水等引起的噪音)和生物噪音(相同物种和其他物种的合唱等)。动物在声音交流的过程中,容易受到各种环境噪声的干扰。

  流水噪音 (图片来源:Veer图库)

  然而,目前从噪声角度开展的声音适应性假说研究还十分有限。对于生活在流水环境附近的动物来说,水流噪音会给它们的声音通讯带来严重干扰,揭示流水噪音对动物鸣声进化的影响,有助于填补该领域现有研究的不足。

  “听取蛙声一片”也有规律:噪音大 频率高

  根据声音适应性假说,大部分环境噪音频率比较低,而频率高的鸣声容易躲避环境噪音的干扰,频率特征简单的鸣声有助于在噪音中维持信息传递的完整性。

  无尾类(蛙和蟾蜍)既可以在溪流、瀑布等噪声大的环境中生活,也可以在池塘、湖泊等噪声小的环境中生活,所以是研究噪音与鸣声进化关系的理想模型。本研究以蛙科(Ranidae)和蟾蜍科(Bufonidae)物种为对象,检验动物鸣声频率是否沿声音适应性假说预测的方向进化。

  除了环境噪音之外,两栖类的鸣叫声还受体型大小、温度和进化历史的影响,作为干扰因素,它们给研究噪声对动物鸣声的影响带来挑战。本研究采集了105个物种的声音频率特征,以及它们的体型、录音时的温度和分子序列数据。

  根据12S、16S、CXCR4和RAG-1基因构建这些物种的系统发育关系后,将进化关系、环境温度和体型大小均纳入进行综合分析。然后,比较噪声大(流水环境)和噪声小(静水环境)环境中的两栖类,鸣声频率特征的差异。

  小湍蛙 (拍摄者:赵龙辉)

  研究结果表明,在噪音大的环境中,两栖类的鸣叫声向高频率演化,声音频率在时间和空间上的变化更加简单。相反,在噪音小的环境中,两栖类的鸣声频率相对较低,声音频率在时间和空间上的变化相对复杂。

  由于环境噪音主要集中在低频率段,高频的鸣声有助于躲避流水干扰。另外,减少频率在时间和空间上的变化,有助于将鸣声在噪音中传播的更远。因此,上述结果与声音适应性假说的预测相符。

  

  左:静水蛙代表物种高原林蛙的鸣声音频(上)和频谱图(下);右:溪流蛙代表物种小湍蛙的鸣声音频(上)和频谱图(下)(图片来源:作者提供)

  在研究之中,有哪些创新 面临了什么困难?

  该研究整合系统学、行为学和生物声学方法,在考虑多种影响因素的前提下,探究流水噪音对动物鸣声特征进化的影响,在研究形式和内容上均具有一定的创新。该研究涉及105个物种的数据,需要查阅大量文献资料,并采用相同标准对每一个物种的信息进行筛选,所以数据收集是面临的最大困难。由于时间长、工作量大,需要有谨慎的态度和不急不躁的心态。

  流水潺潺 蛙鸣进化,这对动物与环境的关系有何启示?

  人类活动导致环境中的噪音增多,噪音污染已成为全球化的生态问题。

  许多研究都发现,人为噪音不仅对人类的健康产生负面影响,还会降低动物的通讯效率,甚至影响它们的生存和繁殖。自然的流水噪音与人为噪音都以低频率为主,而揭示流水噪音中动物鸣声的适应和进化,有助于预测长期的人为噪音胁迫会如何塑造动物的鸣声,这也将为动物的多样性保护提供理论依据。

  例如,对于那些鸣声频率受噪音干扰严重的重点物种,人类建设可以规避其生活的核心区域,以此保障物种的正常繁衍。

  城市中生活的大棕鸫(Turdus fuscater)正遭受严重的噪音污染

  (图片来源:Brumm and Zollinger, 2013)

  当外界环境发生变化时,动物率先响应的是行为,开展动物行为研究有助于我们认识动物与环境的关系。另外,我们对大自然和人类自身存在天然的好奇心,对动物行为的研究不仅可以发现许多有趣的现象,还能让我们时常从动物身上看到自身的影子。

  对动物行为的深入研究,有时还可以激发我们的灵感,从仿生学角度创造出有价值的东西。

  开展动物行为和仿生研究,是窥探生命的奥义,也是窥探我们自己;乐在其中,其乐无穷。

  参考文献:

  [1] Zhao, L., Santos, J. C., Wang, J., Ran, J., Tang, Y., & Cui, J. (2021). Noise constrains the evolution of call frequency contours in flowing water frogs: a comparative analysis in two clades. Frontiers in zoology, 18(1), 1-10.

  [2] Brumm, H., & Zollinger, S. A. (2013). Avian vocal production in noise. In Animal communication and noise (pp. 187-227). Springer, Berlin, Heidelberg.


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