Биоакустика — это междисциплинарная наука , которая объединяет биологию и акустику . Обычно она относится к исследованию производства, распространения и приема звука у животных (включая людей ). [1] Это включает в себя нейрофизиологические и анатомические основы производства и обнаружения звука, а также связь акустических сигналов со средой , через которую они распространяются. Результаты дают подсказки об эволюции акустических механизмов, а из этого — об эволюции животных, которые их используют.
В подводной акустике и акустике рыболовства этот термин также используется для обозначения влияния растений и животных на звук, распространяющийся под водой, обычно в связи с использованием гидролокационной технологии для оценки биомассы . [2] [3] Изучение колебаний субстрата, используемых животными, некоторые считают отдельной областью, называемой биотремологией . [4]
Люди долгое время 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 стридуляционное устройство, чтобы играть в дуэте с насекомым. Позже он поместил самца сверчка за микрофон, а самок — перед громкоговорителем. Самки двигались не к самцу, а к громкоговорителю. [5] Самым важным вкладом Регена в эту область, помимо понимания того, что насекомые также улавливают воздушные звуки, было открытие функции тимпанального органа . [6]
Сравнительно грубые электромеханические устройства, доступные в то время (например, фонографы ), позволяли только грубо оценивать свойства сигнала. Более точные измерения стали возможны во второй половине 20-го века благодаря достижениям в области электроники и использованию таких устройств, как осциллографы и цифровые записывающие устройства.
Последние достижения в области биоакустики касаются взаимоотношений между животными и их акустической средой, а также влияния антропогенного шума . Биоакустические методы были недавно предложены в качестве неразрушающего метода оценки биоразнообразия области. [7]
В наземной среде животные часто используют свет для определения расстояния, поскольку свет хорошо распространяется по воздуху. Подводный солнечный свет достигает только глубины в десятки метров. Однако звук легко распространяется по воде и на значительные расстояния. Многие морские животные хорошо видят, но используют слух для общения, а также для определения расстояния и местоположения. Оценить относительную важность слуха по сравнению со зрением у животных можно, сравнив количество слуховых и зрительных нервов .
С 1950-х по 1960-е годы исследования эхолокационного поведения дельфинов с использованием высокочастотных щелчков показали, что многие виды морских млекопитающих издают звуки, которые можно использовать для обнаружения и идентификации видов под водой. Многие исследования в области биоакустики финансировались военно-морскими исследовательскими организациями, поскольку биологические источники звука могут мешать военному использованию под водой. [8]
Слушание по-прежнему остается одним из основных методов, используемых в биоакустических исследованиях. Мало что известно о нейрофизиологических процессах, которые играют роль в производстве, обнаружении и интерпретации звуков у животных, поэтому поведение животных и сами сигналы используются для получения информации об этих процессах.
Опытный наблюдатель может использовать звуки животных для распознавания «поющего» вида животных , его местоположения и состояния в природе. Исследование звуков животных также включает запись сигналов с помощью электронного записывающего оборудования. Из-за широкого спектра свойств сигналов и сред, через которые они распространяются, вместо обычного микрофона может потребоваться специализированное оборудование , такое как гидрофон (для подводных звуков), детекторы ультразвука (очень высокочастотные звуки ) или инфразвука (очень низкочастотные звуки) или лазерный виброметр (колебательные сигналы, передаваемые по субстрату). Для хранения и анализа записанных звуков используются компьютеры . Специализированное программное обеспечение для редактирования звука используется для описания и сортировки сигналов по их интенсивности , частоте , длительности и другим параметрам.
Коллекции звуков животных, которыми управляют музеи естественной истории и другие учреждения, являются важным инструментом для систематического исследования сигналов. Было разработано много эффективных автоматизированных методов, включающих обработку сигналов, интеллектуальный анализ данных, машинное обучение и методы искусственного интеллекта [9] , чтобы обнаружить и классифицировать биоакустические сигналы. [10]
Ученые в области биоакустики интересуются анатомией и нейрофизиологией органов , участвующих в производстве и обнаружении звука, включая их форму, работу мышц и активность задействованных нейронных сетей . Особый интерес представляет кодирование сигналов с помощью потенциалов действия в последней.
Но поскольку методы, используемые для нейрофизиологических исследований, все еще довольно сложны, а понимание соответствующих процессов неполное, используются и более тривиальные методы. Особенно полезным является наблюдение за поведенческими реакциями на акустические сигналы. Одной из таких реакций является фонотаксис — направленное движение к источнику сигнала. Наблюдая реакцию на четко определенные сигналы в контролируемой среде, мы можем получить представление о функции сигнала, чувствительности слухового аппарата, способности фильтровать шум и т. д.
Оценка биомассы — это метод обнаружения и количественной оценки рыб и других морских организмов с использованием технологии сонара . [3] Когда звуковой импульс проходит через воду, он сталкивается с объектами, плотность которых отличается от плотности окружающей среды, такими как рыба, которая отражает звук обратно к источнику звука. Эти эхосигналы предоставляют информацию о размере рыбы, ее местоположении и численности . Основными компонентами аппаратной функции научного эхолота являются передача звука, прием, фильтрация и усиление, запись и анализ эхосигналов. Хотя существует множество производителей коммерчески доступных «рыболокаторов», количественный анализ требует, чтобы измерения проводились с помощью калиброванного оборудования эхолота, имеющего высокое отношение сигнал/шум .
.jpg/1280px-Hanenkraaiwedstrijd_(cropped2).jpg)
Звуки, используемые животными, которые попадают в сферу биоакустики, включают широкий диапазон частот и сред, и часто не являются « звуком » в узком смысле этого слова (т. е. волнами сжатия , которые распространяются по воздуху и улавливаются человеческим ухом ). Например, кузнечики-кузнечики общаются с помощью звуков с частотами выше 100 кГц , далеко в ультразвуковом диапазоне. [11] Более низкие, но все еще в ультразвуковом диапазоне, звуки, используемые летучими мышами для эхолокации . Сегментированный морской червь Leocratides kimuraorum производит один из самых громких хлопающих звуков в океане на уровне 157 дБ, частоты 1–100 кГц, похожий на звуки щелкающих креветок . [12] [13] На другой стороне частотного спектра находятся низкочастотные вибрации, часто не обнаруживаемые органами слуха , но с помощью других, менее специализированных органов чувств. Примерами служат колебания почвы, производимые слонами , основная частотная составляющая которых составляет около 15 Гц, а также низко- и среднечастотные колебания субстрата, используемые большинством отрядов насекомых . [14] Однако многие звуки животных попадают в диапазон частот, воспринимаемый человеческим ухом, от 20 до 20 000 Гц. [15] Механизмы производства и обнаружения звуков столь же разнообразны, как и сами сигналы.
В серии статей в научных журналах, опубликованных в период с 2013 по 2016 год, Моника Гальяно из Университета Западной Австралии расширила сферу науки, включив в нее биоакустику растений . [16]
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )