噪声大的溪流旁 蛙蛙们修成了“河东狮吼功”

UFO爱好者

　　出品：科普中国
　　制作：赵龙辉 崔建国（中国科学院成都生物研究所）
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　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.
               
               

                           

                        
                        
                                
                                    噪声大的溪流旁 蛙蛙们修成了“河东狮吼功”
                                    
                                    
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                                        2021-09-08