Киты используют различные звуки для общения и ощущений. [1] Механизмы, используемые для создания звука, различаются от одного семейства китообразных к другому. Морские млекопитающие , включая китов, дельфинов и морских свиней , гораздо больше зависят от звука, чем наземные млекопитающие, из-за ограниченной эффективности других чувств в воде. Зрение менее эффективно для морских млекопитающих из-за того, как частицы в океане рассеивают свет . Обоняние также ограничено, поскольку молекулы медленнее диффундируют в воде, чем в воздухе, что делает обоняние менее эффективным. Однако скорость звука в воде примерно в четыре раза больше, чем в атмосфере на уровне моря . Поскольку морские млекопитающие так зависят от слуха для общения и питания, экологи и цетологи обеспокоены тем, что им наносит вред возросший окружающий шум в мировых океанах, вызванный судами, гидролокаторами и морскими сейсмическими исследованиями . [2]
Слово «песня» используется для описания шаблона регулярных и предсказуемых звуков, издаваемых некоторыми видами китов, в частности горбатым китом . Это включено в музыку или сравнивается с ней, и самцы горбатых китов были описаны как «заядлые композиторы» песен, которые «поразительно похожи» на человеческие музыкальные традиции». [3] Было высказано предположение, что песни горбатых китов сообщают самкам китов о физической форме самцов. [4]
В то время как считается, что сложные звуки горбатого кита (и некоторых синих китов) в основном используются при половом отборе , [5] существуют более простые звуки, которые издаются другими видами китов, которые имеют альтернативное применение и используются круглый год. [ требуется цитата ] Наблюдатели за китами наблюдали, как матери-киты поднимают своих детенышей к поверхности в игривом движении, издавая при этом звук, напоминающий воркование у людей. [6] Этот похожий на воркование звук, издаваемый китами, кажется, предназначен для расслабления их детенышей [6] и является одним из нескольких отчетливых повседневных звуков, которые, как известно, издают киты. В отличие от некоторых рыб, таких как акулы, у зубатых китов отсутствует обоняние, что заставляет их в значительной степени полагаться на эхолокацию, как для охоты на добычу, так и для навигации в океане в темноте. [ требуется цитата ] Это требует, чтобы киты производили шум круглый год, чтобы гарантировать, что они могут обходить любые препятствия, с которыми они могут столкнуться, такие как затонувшие корабли или другие животные. [ требуется цитата ]
Также было доказано, что киты — чрезвычайно социальные существа. Шумы, которые они издают в течение всего года (основные звуки — свист, щелчки и импульсные крики), используются для общения с другими членами их стаи. [7] Каждый звук, который издает кит, может означать что-то свое. Щелкающие звуки, которые издают киты, используются для навигации. [7]
Вопрос о том, поют ли киты иногда исключительно ради эстетического удовольствия, личного удовлетворения или «ради искусства», некоторые считают « непроверяемым вопросом ». [8]
Интерес к песням китов возник у исследователей Кэти и Роджера Пэйн , а также Скотта Маквея после того, как эти песни были представлены их вниманию жителем Бермудских островов по имени Фрэнк Уотлингтон, который работал на правительство США на станции SOFAR, прослушивая русские подводные лодки с помощью подводных гидрофонов у берегов острова. [9] В 1970 году Пэйны выпустили бестселлер Songs of the Humpback Whale , и песни китов быстро были включены в человеческую музыку, среди прочих, певицей Джуди Коллинз , а также Джорджем Крамбом , Полом Винтером и Дэвидом Ротенбергом .
Горбатый кит издает серию повторяющихся звуков на разных частотах, известных как китовая песня. Морской биолог Филип Клэпхэм описывает эту песню как «вероятно, самую сложную в животном мире». [10]
Самцы горбатых китов часто издают эти звуки во время брачного сезона, поэтому изначально считалось, что цель песен — помочь в выборе партнера. [11] Однако не было найдено никаких доказательств, которые связывали бы эти песни с репродуктивной сексуальностью.
Песни следуют четкой иерархической структуре. Базовые единицы песни (иногда свободно называемые « нотами ») представляют собой отдельные непрерывные выбросы звука, которые длятся до нескольких секунд. Эти звуки различаются по частоте от 20 Гц до 24 кГц (типичный диапазон человеческого слуха составляет от 20 Гц до 20 кГц). Единицы могут быть частотно-модулированными (то есть высота звука может повышаться, понижаться или оставаться неизменной в течение ноты) или амплитудно-модулированными (становиться громче или тише). Однако настройка полосы пропускания на спектрограмме представления песни показывает по существу импульсную природу FM-звуков.
Набор из четырех или шести единиц известен как подфраза , длящаяся, возможно, десять секунд (см. также фраза (музыка) ). [11] Набор из двух подфраз является фразой. Кит обычно повторяет одну и ту же фразу снова и снова в течение двух-четырех минут. Это известно как тема. Набор тем известен как песня. [11] Песня кита будет длиться до 30 или около того минут и будет повторяться снова и снова в течение часов или даже дней. [11] Эта « матрешечная » иерархия звуков предполагает синтаксическую структуру [12] , которая более человечна по своей сложности, чем другие формы общения животных, такие как пение птиц, которые имеют только линейную структуру. [13]
Все киты в районе поют практически одну и ту же песню в любой момент времени, и песня постоянно и медленно развивается с течением времени. [ требуется цитата ] Например, в течение месяца определенная единица, которая началась как подъем (увеличение частоты), может медленно сглаживаться, чтобы стать постоянной нотой. [11] Другая единица может становиться все громче. Темп эволюции песни кита также меняется — в некоторые годы песня может меняться довольно быстро, тогда как в другие годы может быть зафиксировано мало изменений. [11]
Киты, занимающие одни и те же географические области (которые могут быть такими большими, как целые океанические бассейны), как правило, поют похожие песни, с небольшими вариациями. Киты из непересекающихся регионов поют совершенно разные песни. [11]
По мере развития песни старые закономерности, по-видимому, не возвращаются к прошлому. [11] Анализ 19-летних песен китов показал, что хотя общие закономерности в песне можно было заметить, одна и та же комбинация никогда не повторялась. [ необходима цитата ]
Горбатые киты также могут издавать отдельные звуки, которые не являются частью песни, особенно во время ритуалов ухаживания. [14] Наконец, горбатые киты издают третий класс звуков, называемых криками кормления. [ требуется ссылка ] Это длинный звук (длительностью от 5 до 10 секунд) почти постоянной частоты. Горбатые киты обычно кормятся сообща, собираясь в группы, проплывая под косяками рыб и все вместе выпрыгивая вертикально через рыбу и из воды. Перед этими выпадами киты издают крик кормления. Точная цель крика неизвестна.
Некоторые ученые предположили, что песни горбатых китов могут служить эхолокационной цели [15] , но это вызвало разногласия. [16]
Было также обнаружено, что горбатые киты издают ряд других социальных звуков для общения, таких как «хрюканье», «стоны», «стуки», «хрюканье» и «лай». [17]
В 2009 году исследователи обнаружили, что пение синего кита стало глубже по своей тональной частоте с 1960-х годов. [18] Хотя шумовое загрязнение увеличило окружающий шум океана более чем на 12 децибел с середины 20-го века, исследователь Марк Макдональд указал, что можно было бы ожидать более высоких тонов, если бы киты напрягались, чтобы их услышали. [19]
Косатки, как было замечено, производят длинные звуки, которые стереотипны и высокочастотны и могут распространяться на расстояние от 10 до 16 км (6,2–9,9 миль), а также короткие звуки, которые могут распространяться на расстояние от 5 до 9 км (3,1–5,6 миль). Короткие звуки сообщаются во время социальных периодов и периодов отдыха, тогда как длинные звуки чаще сообщаются во время поиска пищи и кормления. [20]
Большинство других китов и дельфинов издают звуки различной степени сложности. Особый интерес представляет белуга («морская канарейка»), которая издает огромное количество свистов, щелчков и импульсов. [21] [22]
Ранее считалось, что большинство усатых китов издают звуки на частоте около 15–20 герц . [23] Однако группа морских биологов под руководством Мэри Энн Дахер из Океанографического института Вудс-Хоул в декабре 2004 года сообщила в New Scientist , что они в течение 12 лет отслеживали кита в северной части Тихого океана, который «пел» на частоте 52 Гц . Ученые не смогли объяснить это явление. 52 Гц — это очень низкий звук, он слышен человеческим ухом как низкий стонущий звук. [24] Не ожидалось, что этот кит будет новым видом, более того, этот кит указал на то, что в настоящее время известный вид потенциально имеет гораздо более широкий вокальный диапазон, чем считалось ранее. [23] В научном сообществе существуют разногласия относительно уникальности вокализации кита и того, является ли он членом гибридного кита, такого как хорошо документированные гибриды синего и финвалового китов.
Люди производят звонкие звуки, пропуская воздух через гортань . Внутри гортани, когда голосовые связки сближаются, проходящий воздух заставляет их попеременно закрываться и открываться, разделяя непрерывный поток воздуха на отдельные импульсы воздуха, которые слышны как вибрация. [25] Эта вибрация далее модифицируется речевыми органами в ротовой и носовой полостях, создавая звуки, которые используются в человеческой речи .
Производство звуков китообразными заметно отличается от этого механизма. Точный механизм отличается в двух подотрядах китообразных: Odontoceti ( зубатые киты , включая дельфинов) и Mysticeti ( усатые киты , включая самых крупных китов, таких как синий кит ).
Зубатые киты производят быстрые всплески высокочастотных щелчков, которые, как полагают, в первую очередь предназначены для эхолокации . Специализированные органы зубатых китов производят наборы щелчков и жужжания на частотах от 0,2 до 150 кГц для получения звуковой информации об окружающей среде. Более низкие частоты используются для дистанционной эхолокации, поскольку более короткие волны не распространяются так далеко, как более длинные волны под водой. Более высокие частоты более эффективны на более коротких расстояниях и могут раскрыть более подробную информацию о цели. Эхо от щелчков передает не только расстояние до цели, но и размер, форму, скорость и вектор ее движения. Кроме того, эхолокация позволяет зубатым китам легко различать разницу между объектами, которые различаются по материальному составу, даже если визуально идентичны, по их разной плотности. Особи также, по-видимому, способны изолировать свои собственные эхо во время кормления стаи без помех от эхолокаций других членов стаи. [26]
Свистки используются для общения. Четырех-шестимесячные телята вырабатывают уникальные звуки, которые они используют чаще всего на протяжении всей своей жизни. Такие «свистки-подписи» являются отличительными для особи и могут служить формой идентификации среди других зубатых китов. [26] Хотя большая стая дельфинов будет производить широкий спектр различных шумов, очень мало известно о значении этого звука. Франкель цитирует одного исследователя, который говорит, что слушать стаю зубатых китов — это как слушать группу детей на школьной игровой площадке. [11]
Множественные звуки, которые издают зубатые киты, производятся путем пропускания воздуха через структуру в голове, называемую фоническими губами . [27] Биологически структура гомологична верхней губе, расположенной в носовой полости, но механически фонические губы действуют аналогично человеческим голосовым «связкам » (голосовым складкам), которые у людей расположены в гортани . Когда воздух проходит через этот узкий проход, фонические губные мембраны всасываются вместе, заставляя окружающие ткани вибрировать. Эти вибрации, как и вибрации в человеческой гортани, можно сознательно контролировать с большой чувствительностью. [27] Вибрации проходят через ткань головы к дыне , которая формирует и направляет звук в звуковой луч, полезный для эхолокации. Каждый зубатый кит, за исключением кашалота, имеет два набора фонических губ и, таким образом, способен издавать два звука независимо. [28] Как только воздух проходит через фонические губы, он попадает в вестибулярный мешок . Оттуда воздух может быть возвращен обратно в нижнюю часть носового комплекса, готовый к повторному использованию для создания звука, или выведен наружу через дыхало. [ необходима цитата ]
Французское название звуковых губ, museau de singe , буквально переводится как «обезьянья морда», которую, как предполагается, структура звуковых губ напоминает у кашалотов. [ 29] Новый краниальный анализ с использованием компьютерной аксиальной и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии в 2004 году показал, по крайней мере в случае дельфинов-афалин , что воздух может подаваться в носовой комплекс из легких, позволяя процессу создания звука продолжаться до тех пор, пока дельфин может добавлять воздух из легких. [30]
Все вокализации кашалотов основаны на щелчках, которые описываются четырьмя типами: обычная эхолокация, скрипы, кода и медленные щелчки. [31] Наиболее отличительными вокализациями являются кода, которые представляют собой короткие ритмичные последовательности щелчков, в основном насчитывающие 3–12 щелчков, в стереотипных шаблонах. [32] [31] Они являются результатом вокального обучения в рамках стабильной социальной группы. [33] Некоторые кода выражают клановую идентичность и обозначают различные модели перемещения, добычи пищи и социализации или избегания среди кланов. [34] [35] Как «произвольные черты, которые функционируют как надежные индикаторы членства в культурной группе», кода клановой идентичности действуют как символические маркеры, которые модулируют взаимодействия между особями. [36]
Однако индивидуальная идентичность в вокализациях кашалотов является продолжающейся научной проблемой. Необходимо провести различие между сигналами и подсказками. Человеческие акустические инструменты могут различать отдельных китов, анализируя микрохарактеристики их вокализации, и киты, вероятно, могут делать то же самое. Это не доказывает, что киты намеренно используют некоторые вокализации, чтобы сигнализировать об индивидуальной идентичности таким образом, как свистящие свисты , которые дельфины-афалина используют в качестве индивидуальных меток. [33] [36]
У усатых китов нет фонической структуры губ. Вместо этого у них есть гортань, которая, по-видимому, играет роль в образовании звука, поскольку у нее есть голосовые связки (голосовые «связки»), гомологи в U-образной складке, поддерживаемой черпаловидными хрящами. [37] Китам не нужно выдыхать, чтобы произвести звук, так как они захватывают воздух в гортанный мешок. Вероятно, что они перерабатывают воздух из этого мешка обратно в легкие для следующей вокализации. [37] У них нет костных черепных пазух, но есть крыловидный воздушный мешок. Его роль в образовании звука неясна (возможно, резонанс?), но, скорее всего, он нужен для слуха, поскольку он, по-видимому, сохраняет воздушное пространство на глубине вокруг слуховых косточек. [38]
В мире существует по крайней мере девять отдельных акустических популяций синих китов. [39] За последние 50 лет синие киты изменили способ своего пения. Крики постепенно становятся все более низкими по частоте. Например, австралийские карликовые синие киты снижают среднюю частоту своих криков примерно на 0,35 Гц/год. [40]
Модели миграции синих китов остаются неясными. Некоторые популяции, по-видимому, обитают в местах обитания с круглогодичной высокой продуктивностью в некоторые годы, [41] в то время как другие совершают длительные миграции в высокоширотные места кормления, но масштабы миграций и компоненты популяций, которые их совершают, плохо известны. [42]
Частота звуков усатых китов колеблется от 10 Гц до 31 кГц. [43] Список типичных уровней показан в таблице ниже.
Исследователи используют гидрофоны (часто адаптированные из их первоначального военного использования для отслеживания подводных лодок), чтобы установить точное местоположение источника шумов китов. [ требуется цитата ] Их методы также позволяют им определять, как далеко через океан распространяется звук. [ требуется цитата ] Исследования доктора Кристофера Кларка из Корнелльского университета, проведенные с использованием военных данных, показали, что шумы китов распространяются на тысячи километров. [45] Помимо предоставления информации о производстве песен, эти данные позволяют исследователям отслеживать миграционный путь китов в течение всего сезона «пения» (спаривания). Важным открытием является то, что киты в процессе, называемом эффектом Ломбарда , корректируют свою песню, чтобы компенсировать фоновое шумовое загрязнение . [46]
Более того, есть данные, что синие киты прекращают издавать звуки D, связанные с поиском пищи, как только активируется среднечастотный сонар, даже несмотря на то, что диапазон частот сонара (1–8 кГц) намного превышает диапазон их звукоизвлечения (25–100 Гц). [2]
Исследования показывают, что окружающий шум от лодок удваивается с каждым десятилетием, [45] уменьшая диапазон, на котором можно услышать звуки китов. До появления крупномасштабного судоходства звуки китов могли перемещаться с одной стороны океана на другую. [45] Экологи опасаются, что такая активность лодок оказывает чрезмерный стресс на животных, а также затрудняет поиск партнера. [45]
За последнее десятилетие было разработано много эффективных автоматизированных методов, таких как обработка сигналов, интеллектуальный анализ данных и методы машинного обучения, для обнаружения и классификации вокализации китов. [47] [48]
Капитан китобойного промысла Уильям Х. Келли был первым человеком, который, как известно, распознал пение китов, находясь на бриге «Элиза» в Японском море в 1881 году . [49] [50]
После того, как Уильям Э. Шевилл стал ассоциированным членом по физической океанографии в Океанографическом институте Вудс-Хоул (WHOI) в Массачусетсе в 1943 году, его первой работой под эгидой ВМС США было исследование эхолокации подводных лодок . [51] Как он позже писал в 1962 году: «Во время Второй мировой войны многие люди с обеих сторон слушали подводные звуки в военных целях. Были слышны не только желаемые звуки (издаваемые вражескими кораблями), но и ошеломляющее разнообразие других. Большинство из них были приписаны животным, живущим в море, обычно как «рыбьи шумы»… Некоторые были приписаны китам, отчасти правильно, но без определения вида кита; большинство военных слушателей не были биологами, и в любом случае в традиционной военно-морской гидроакустической комнате катастрофически не хватает окон». [52] Шевилл сделал первые записи подводных звуков китов и экстраполировал их назначение из этих записей. Его новаторская работа привела к появлению более пятидесяти статей о фонации китов и, таким образом, обеспечила основу для «буквально сотен научных исследований, проведенных другими исследователями с 1960-х годов до наших дней». [51] Однако стоит отметить, что его жена Барбара Лоуренс, куратор млекопитающих в Гарвардском музее сравнительной зоологии (MCZ), часто писала эти документы вместе с ним. [53]
Изучение китов Уильямом Э. Шевиллом также в какой-то момент отсылало к военно-морским операциям США, которые впервые направили его на этот путь. Как отметило после его смерти Общество библиографии естественной истории, «Билл помог разрядить напряженный момент между США и Советским Союзом во время холодной войны . Американские военные подозревали, что низкочастотные импульсы использовались Советами для обнаружения американских подводных лодок, тогда как Билл показал, что их производили финвалы ( Balaenoptera physalus ), охотящиеся на добычу». [53]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )