Киты используют различные звуки для общения и ощущений. [1] Механизмы, используемые для производства звука, варьируются 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 органов чувств в воде. Зрение менее эффективно для морских млекопитающих из-за того, что частицы в океане рассеивают свет . Обоняние также ограничено, поскольку молекулы диффундируют в воде медленнее, чем в воздухе, что делает обоняние менее эффективным. Однако скорость звука в воде примерно в четыре раза выше, чем в атмосфере на уровне моря . Поскольку морские млекопитающие настолько зависят от слуха при общении и питании, экологи и кетологи обеспокоены тем, что им наносит вред повышенный окружающий шум в мировом океане, вызванный судами, гидролокаторами и морскими сейсмическими исследованиями . [2]
Слово «песня» используется для описания набора регулярных и предсказуемых звуков, издаваемых некоторыми видами китов, особенно горбатым китом . Это связано с музыкой или сравнивается с ней, а самцы горбатых китов описываются как «заядлые сочинители» песен, которые «поразительно похожи» на человеческие музыкальные традиции. [3] Было высказано предположение, что песни горбатых китов сообщают о приспособленности самцов самкам китов. [4]
Хотя считается, что сложные звуки горбатого кита (и некоторых синих китов) в основном используются при половом отборе , [5] существуют более простые звуки, создаваемые другими видами китов, которые имеют альтернативное применение и используются круглый год. . [ нужна цитата ] Наблюдатели за китами наблюдали, как киты-матери игривыми движениями поднимают своих детенышей на поверхность, издавая при этом шум, напоминающий воркование у людей. [6] Этот похожий на воркование шум, издаваемый китами, кажется, создан для того, чтобы расслабить детенышей [6] и является одним из нескольких различных повседневных звуков, которые, как известно, издают киты. В отличие от некоторых рыб, таких как акулы, у зубатых китов отсутствует обоняние, из-за чего они в значительной степени полагаются на эхолокацию как для охоты на добычу, так и для навигации по океану в темноте. [ нужна цитата ] Это требует, чтобы киты издавали шум круглый год, чтобы гарантировать, что они смогут обойти любые препятствия, с которыми они могут столкнуться, такие как затонувшие корабли или другие животные. [ нужна цитата ]
Также доказано, что киты — чрезвычайно социальные существа. Шумы, которые издаются 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 другое. 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 китовой песне был вызван исследователями Кэти и Роджером Пейн , а также Скоттом Маквеем после того, как эти песни были доведены до их сведения бермудцем по имени Фрэнк Уотлингтон, который работал на правительство США на станции ГНФАР, прослушивая российские подводные лодки с выключенными подводными гидрофонами . побережье острова. [9] The Paynes выпустили бестселлер «Песни горбатого кита» в 1970 году, и песни китов были быстро включены в человеческую музыку, среди прочего, певицей Джуди Коллинз , а также Джорджем Крамбом , Полом Уинтером и Дэвидом Ротенбергом .
Горбатый кит издает серию повторяющихся звуков разной частоты, 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 первоначально считалось, что цель песен — помочь в выборе партнера. [11] Однако не было найдено никаких доказательств, связывающих эти песни с репросексуальностью.
Песни имеют четкую иерархическую структуру. Базовые единицы песни (иногда называемые « нотами ») представляют собой одиночные непрерывные выбросы звука, которые длятся до нескольких секунд. Частота этих звуков варьируется от 20 Гц до более 24 кГц (типичный диапазон слуха человека составляет от 20 Гц до 20 кГц). Единицы могут иметь частотную модуляцию (т. е. высота звука может повышаться, понижаться или оставаться неизменной во время ноты) или модулироваться по амплитуде (становиться громче или тише). Однако регулировка полосы пропускания на спектрограмме песни обнаруживает по сути импульсную природу звуков FM.
Совокупность из четырех или шести единиц известна как подфраза , продолжающаяся примерно десять секунд (см. также фраза (музыка) ). [11] Совокупность двух подфраз является фразой. Кит обычно повторяет одну и ту же фразу снова и снова в течение двух-четырех минут. Это известно как тема. Коллекция тем известна как песня. [11] Песня кита будет длиться около 30 минут и будет повторяться снова и снова в течение часов или даже дней. [11] Эта иерархия звуков « русской куклы » предполагает синтаксическую структуру [12] , которая по своей сложности более человечна, чем другие формы общения животных, такие как пение птиц, которые имеют только линейную структуру. [13]
Все киты в определенной зоне поют практически одну и ту же песню в любой момент времени, и песня постоянно и медленно развивается с течением времени. [ нужна цитация ] Например, в течение месяца определенная единица, которая началась как подъем (увеличение частоты), может медленно выравниваться и становиться постоянной нотой. [11] Другое устройство может становиться все громче. Меняется и темп эволюции песни кита: в некоторые годы песня может меняться довольно быстро, тогда как в другие годы могут отмечаться незначительные вариации. [11]
Киты, населяющие одни и те же географические территории (которые могут достигать целых океанских бассейнов), как правило, поют схожие песни с небольшими вариациями. Киты из непересекающихся регионов поют совсем другие песни. [11]
По мере развития песни кажется, что старые шаблоны не возвращаются. [11] Анализ песен китов за 19 лет показал, что, хотя можно было заметить общие закономерности в песнях, одна и та же комбинация никогда не повторялась. [ нужна цитата ]
Горбатые киты также могут издавать отдельные звуки, которые не являются частью песни, особенно во время ритуалов ухаживания. [14] Наконец, горбатые издают третий класс звуков, называемый сигналом кормления. [ нужна цитация ] Это длинный звук (длительностью от 5 до 10 с) почти постоянной частоты. Горбатые обычно кормятся сообща, собираясь в группы, плавая под косяками рыбы и вместе прыгая вертикально сквозь рыбу и выпрыгивая из воды. Перед этими выпадами киты делают сигнал о кормлении. Точная цель звонка неизвестна.
Некоторые ученые предположили, что песни горбатых китов могут служить эхолокационной цели, [15] , но это вызвало разногласия. [16]
Также было обнаружено, что горбатые киты издают ряд других социальных звуков для общения, таких как «хрюканье», «стоны», «стук», «фырканье» и «лай». [17]
В 2009 году исследователи обнаружили, что с 1960-х годов тональная частота песни синего кита стала глубже. [18] Хотя с середины 20-го века шумовое загрязнение увеличило окружающий океанский шум более чем на 12 децибел, исследователь Марк Макдональд отметил, что можно было бы ожидать более высоких звуков, если бы киты напрягались, чтобы быть услышанными. [19]
Было замечено, что косатки издают стереотипные сигналы на большие расстояния и высокочастотно перемещаются на расстояния от 10–16 км (6,2–9,9 миль), а также крики на короткие расстояния, которые могут передаваться на расстояния от 5–9 км (3,1–5,6 миль). . Сообщается о звонках ближнего радиуса действия в периоды общения и отдыха, тогда как сигналы дальнего радиуса действия чаще всего передаются во время поиска пищи и кормления. [20]
Большинство других китов и дельфинов издают звуки разной степени сложности. Особый интерес представляет белуга («морская канарейка»), которая издает огромное разнообразие свистов, щелчков и пульсаций. [21] [22]
Ранее считалось, что большинство усатых китов издают звуки частотой около 15–20 герц . [23] Однако группа морских биологов под руководством Мэри Энн Дахер из Океанографического института Вудс-Хоул сообщила в журнале New Scientist в декабре 2004 года, что они в течение 12 лет отслеживали кита в северной части Тихого океана, который «пел» на 52 Гц . Ученые не смогли объяснить это явление. 52 Гц – очень низкий звук, он слышен человеческим ухом как низкий стонущий звук. [24] Не ожидалось, что этот кит будет новым видом, более того, этот кит показал, что известный в настоящее время вид потенциально имеет гораздо более широкий голосовой диапазон, чем считалось ранее. [23] В научном сообществе существуют разногласия относительно уникальности вокализации кита и того, является ли он представителем гибридного кита, такого как хорошо документированные гибриды синего и финвалового кита.
Человек производит звонкие звуки, пропуская воздух через гортань . В гортани, когда голосовые связки сближаются, проходящий воздух заставляет их попеременно закрываться и открываться, разделяя непрерывный поток воздуха на дискретные импульсы воздуха, которые воспринимаются как вибрация. [25] Эта вибрация дополнительно модифицируется органами речи в полости рта и носа , создавая звуки, которые используются в человеческой речи .
Звукообразование китообразных заметно отличается от этого механизма. Точный механизм различается у двух подотрядов китообразных: Odontoceti ( зубатые киты , включая дельфинов) и Mysticeti ( усатые киты , включая самых крупных китов, таких как синий кит ).
Зубатые киты производят быстрые серии высокочастотных щелчков, которые, как полагают, предназначены в первую очередь для эхолокации . Специализированные органы зубатых китов производят набор щелчков и жужжания на частотах от 0,2 до 150 кГц для получения звуковой информации об окружающей среде. Более низкие частоты используются для эхолокации на расстоянии, поскольку более короткие волны не распространяются под водой так же далеко, как более длинные. Более высокие частоты более эффективны на более коротких дистанциях и могут предоставить более подробную информацию о цели. Эхо щелчков передает не только расстояние до цели, но и размер, форму, скорость и вектор ее движения. Кроме того, эхолокация позволяет зубатым китам легко различать объекты, разные по материальному составу, даже если они визуально идентичны, по их разной плотности. Особи также, по-видимому, способны изолировать свои собственные эхо во время кормления стада без вмешательства со стороны эхолокации других членов стада. [26]
Свистки используются для общения. У телят в возрасте от четырех до шести месяцев появляются уникальные звуки, которые они используют чаще всего на протяжении всей своей жизни. Такие «подписные свистки» индивидуальны для конкретной особи и могут служить формой идентификации среди других зубатых китов. [26] Хотя большая стая дельфинов издает широкий спектр различных шумов, о значении этих звуков известно очень мало. Франкель цитирует одного исследователя, который говорит, что слушать стаю зубатых китов — все равно, что слушать группу детей на школьной площадке. [11]
Многочисленные звуки, которые издают зубатые киты, производятся путем прохождения воздуха через структуру в голове, называемую звуковыми губами . [27] Биологически структура гомологична верхней губе, расположенной в полости носа, но механически звуковые губы действуют аналогично человеческим голосовым «связкам » (голосовым складкам), которые у человека расположены в гортани . Когда воздух проходит через этот узкий проход, звуковые мембраны губ сжимаются, вызывая вибрацию окружающих тканей. Этими вибрациями, как и вибрациями в гортани человека, можно сознательно управлять с большой чувствительностью. [27] Вибрации проходят через ткани головы к дыне , которая формирует и направляет звук в звуковой луч, полезный для эхолокации. Каждый зубатый кит, за исключением кашалота, имеет два набора звуковых губ и, таким образом, способен издавать два звука независимо. [28] После прохождения звуковых губ воздух попадает в вестибулярный мешок . Оттуда воздух может быть возвращен обратно в нижнюю часть носового комплекса, где его можно снова использовать для создания звука, или выйти через дыхательное отверстие. [ нужна цитата ]
Французское название звуковых губ, museau desinge , буквально переводится как «морда обезьяны», которую предположительно напоминает структура звуковых губ у кашалотов. [29] Новый краниальный анализ с использованием компьютерной томографии, выполненной в 2004 году, показал, по крайней мере, в случае афалин , что воздух может поступать в носовой комплекс из легких, позволяя процессу создания звука продолжаться в течение длительного времени . до тех пор, пока дельфин может добавлять воздух из легких. [30]
Все вокализации кашалота основаны на щелчках, которые подразделяются на четыре типа: обычная эхолокация, скрипы, коды и медленные щелчки. [31] Наиболее характерными вокализациями являются коды, представляющие собой короткие ритмические последовательности щелчков, обычно насчитывающие 3–12 щелчков, по стереотипным рисункам. [32] [31] Они являются результатом обучения вокалу в стабильной социальной группе. [33] Некоторые коды выражают клановую идентичность и обозначают различные модели путешествий, добывания пищи, общения или избегания между кланами. [34] [35] Коды клановой идентичности, являясь «произвольными чертами, которые функционируют как надежные индикаторы принадлежности к культурной группе», выступают в качестве символических маркеров, которые модулируют взаимодействие между людьми. [36]
Однако индивидуальная идентичность вокализации кашалотов является постоянной научной проблемой. Необходимо различать сигналы и сигналы. 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 для обозначения индивидуальной идентичности, подобно характерным свисткам , которые дельфины-афалины используют в качестве индивидуальных ярлыков. [33] [36]
Mysticetes не имеют звукового строения губ. Вместо этого у них есть гортань, которая, по-видимому, играет роль в производстве звука, поскольку у нее есть гомологи голосовых связок (голосовых «связок») в U-образной складке, поддерживаемой черпаловидными хрящами. [37] Китам не нужно выдыхать, чтобы издавать звук, поскольку они захватывают воздух в гортанном мешке. Вполне вероятно, что они перерабатывают воздух из этого мешка обратно в легкие для следующей вокализации. [37] У них нет костных черепных синусов, но есть крыловидный воздушный мешок. Его роль в производстве звука неясна (возможно, резонанс?), но, скорее всего, он предназначен для слуха, поскольку, по-видимому, сохраняет воздушное пространство на глубине вокруг ушных косточек. [38]
В мире существует как минимум девять отдельных акустических популяций синих китов. [39] За последние 50 лет синие киты изменили манеру своего пения. Частота звонков постепенно снижается. Например, у австралийских карликовых синих китов средняя частота криков снижается примерно на 0,35 Гц/год. [40]
Модели миграции синих китов остаются неясными. Некоторые популяции, по-видимому, в некоторые годы обитают в местах обитания с круглогодичной высокой продуктивностью [41] , в то время как другие совершают длительные миграции к высокоширотным местам нагула, но масштабы миграций и компоненты популяций, которые их осуществляют, плохо известны. . [42]
Частота звуков усатого кита колеблется от 10 Гц до 31 кГц. [43] Список типичных уровней приведен в таблице ниже.
Исследователи используют гидрофоны (часто адаптированные из их первоначального военного использования для отслеживания подводных лодок), чтобы установить точное место происхождения китовых шумов. [ нужна цитата ] Их методы также позволяют им определять, как далеко через океан распространяется звук. [ нужна цитата ] Исследования доктора Кристофера Кларка из Корнелльского университета , проведенные с использованием военных данных, показали, что шумы китов распространяются на тысячи километров. [45] Эти данные не только предоставляют информацию о производстве песен, но и позволяют исследователям следить за миграционным путем китов на протяжении всего «певческого» (брачного) сезона. Важным открытием является то, что киты в процессе, называемом эффектом Ломбарда , корректируют свою песню, чтобы компенсировать фоновое шумовое загрязнение . [46]
Более того, есть свидетельства того, что голубые киты перестают издавать крики D в поисках пищи после активации среднечастотного сонара, даже несмотря на то, что диапазон частот сонара (1–8 кГц) намного превышает диапазон их звуков (25–100 Гц). [2]
Исследования показывают, что окружающий шум лодок удваивается с каждым десятилетием, [45] уменьшая диапазон, на котором можно услышать звуки китов. До появления крупномасштабного судоходства звуки китов могли распространяться с одной стороны океана на другую. [45] Экологи опасаются, что такая деятельность на лодке создает чрезмерный стресс для животных, а также затрудняет поиск партнера. [45]
За последнее десятилетие было разработано множество эффективных автоматизированных методов, таких как обработка сигналов, интеллектуальный анализ данных и методы машинного обучения, для обнаружения и классификации вокализаций китов. [47] [48]
Капитан китобойного промысла Вм. Х. Келли был первым человеком, который узнал, что это за пение китов, когда он находился на бриге « Элиза» в Японском море в 1881 году. [49] [50]
После того, как Уильям Э. Шевилл стал научным сотрудником по физической океанографии в Океанографическом институте Вудс-Хоул (WHOI) в Массачусетсе в 1943 году, его первая работа проводилась под эгидой ВМС США по исследованию эхолокации подводных лодок . [51] Как он позже написал в 1962 году: «Во время Второй мировой войны многие люди с обеих сторон слушали подводные звуки по военным причинам. Были слышны не только нужные звуки (издаваемые вражескими кораблями), но и ошеломляющее множество других. Большую часть из них приписывали животным, живущим в море, обычно как «рыбьи шумы»… Некоторые приписывали китам, отчасти правильно, но без определения вида китов, большинство военных слушателей не были биологами, да и вообще; случае, если в традиционной военно-морской гидролокационной комнате катастрофически не хватает окон». [52] Шевилл произвел первые записи звуков подводных китов и экстраполировал их цель на основе этих записей. Его новаторская работа привела к появлению более пятидесяти статей по фонации китов и, таким образом, послужила основой 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 отдела млекопитающих Гарвардского музея сравнительной зоологии (MCZ), часто писал эти документы вместе с ним [53] .
Исследование китов Уильямом Э. Шевиллом также в какой-то момент напомнило об операциях ВМС 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 Советы использовали низкочастотные сигналы для определения местонахождения американцев». подводные лодки, тогда как Билл показал, что они были произведены финвалами ( Balaenoptera physalus ), охотящимися за добычей». [53]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )