生物声学

   生物声学是研究能发声和有听觉动物的发声机制、声信号特征、声接收、加工和识别,动物声通信与动物声纳系统,以及各种动物的声行为的生物物理学分支学科。

    生物声学是介于生物学和声学之间的一门边缘学科,它是生物学、声学、语言学、医学、化学等多学科相互渗透的产物。广义的生物声学还涉及生物组织的声学特征、声对生物组织的效应、生物媒质的超声性质、超声的生物效应及超声剂量学等方面内容,并在此基础上形成了超声生物物理学一个新的科学分支。

生物声学发展简史

    生物声学的萌芽早在人类的久远历史上就已留下了印迹。在公元前三千年的埃及古墓中,曾发现有猎人模仿鹈的叫声引诱飞鸟行猎的图案。在公元前六百年中国春秋时代的《诗经》中就有“雉之朝雒,尚求其雌”诗句,是说雄性野鸡清晨鸣叫是在寻求配偶。

    早期的文艺作品多对于虫鸣、鸟啾等动物音乐有生动的描述,其后人们又相继对昆虫、鸟类、两栖类、鱼类及哺乳动物的发声和听觉器官做了广泛的研究。

    但人们对动物声的实验研究开始甚晚,1938年美国科学家皮尔斯和格里芬证实,蝙蝠能发出人耳听不见的超声。其后随着声学、电子学与通讯技术的飞速发展,大大推动了人们对动物声通信方法的研究。1956年4月,在美国宾夕法尼亚州召开了世界上第一次生物声学学术讨论会,建立了生物声学国际委员会(ICBA),这次会议标志着生物声学的诞生。

    法国著名科学家比斯内尔尹1963年编辑了《动物的声学行为》一书,汇集了当时生物声学研究的主要成果,是生物声学发展的一个里程碑。此后,陆续举行过多种关于动物听觉与声通信的国际学术会议。

    随着科学技术的迅速发展,出现了录音机、语图仪和计算机,大大加强了对声音的录放和分析技术,使对动物声的研究进入了新的历史阶段。与此同时,由于声谱技术的扩展,特别是超声技术和超声医学的发展,使生物声学的内容大大超出了早期的正统研究范围,开始对超声在生物体系的各个层次上(生物大分子、细胞及生物组织)的传播和相互作用规律进行了大量的研究,使生物声学在更广泛的意义上与生命科学联系起来。

生物声学的基本内容

    动物之间的联系和交往是维系它们种群和群落结构,以及进行正常生活的必要手段。光、电、磁以及化学气味都可以作动物交往的媒介,然而声信息在动物交往中却占有特别重要的地位。它最大优点是传递距离远,且易于负载丰富多彩的感情。生物声学主要围绕动物声交往这个内容进行着一系列有关课题的研究。

    生物声学主要研究同一种群内动物声的识别和交往功能,不同种群的动物声的区别和隔离功能,以及动物声在种群和群落的形成和进化过程中的作用等;

    生物声学还研究动物的声发生和声接收器官,及其工作机制,即动物声交往的生理基础和它们与动物形态学的关系。许多动物的发声器官是声带,但有的却不是用声带产生动物声,如蚱蜢用后腿摩擦发声、蝉用腹下薄膜发声、鱼可用鳔发声、海豚主要靠鼻道发声等。

    同样,动物接受声波的听觉器官也各不相同。如蚱蜢微小的听觉器官生在腹部;纺织娘靠前脚上一个肉眼看不到的微型薄膜感受声波;蟑螂是用尾须接收声波;雄蚊头上两根触角上的刚毛则对雌蚊翅膀的扇动声特别敏感;许多飞蛾都有一种内藏式的“声呐系统”可以收听超声波;大多数鱼的听觉器官便是体侧的侧线,在这些侧线中含有听觉神经末梢以受纳声波;蛇的听觉极弱,主要通过腹部感受周围环境的动静等等。

    长期以来,人们出于在空间和水下探测中应用仿生学的强烈兴趣,对蝙蝠和海豚的超声定位系统给予了特殊的注意为了分析研究它们的发声信号,建立和发展了必要的理论模型和数学方法。

    蝙蝠用喉头发射超声,并用耳朵接收其反射回波,从而构成超声探测系统。发射的超声频率可高达10万赫(菊头蝙科)。实验表明,挖去双眼的蝙蝠借助其超声定位系统可探查到0.1毫米的金属丝障碍物,可在半秒内捕捉到三个飞行中的昆虫。

    海豚也有极强的超声定位本领,而且还发现海豚在相互交往时使用七种不同的发声并以长短不同的间歇相组合。科学家预言,一旦这些声信息破译后,就可通过电子技术实现人与海豚之间的对话。

    20世纪中期以来,人们使用兆赫级超声波对哺乳动物的组织和器官的超声性质(速度、衰减、吸收、声阻抗、散射等)做了大量研究,为现代医学超声工程奠定了基础。70年代以来,以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术取得了很快的发展。它通过实时显示人体内脏的瞬态特性,直接向人们提供有关脏器的生理或病理信息。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。

    作为生物物理学和分子生物学的组成部分,微观生物声学正在发展中。对各种氨基酸、寡肽、多肽、蛋白质及脱氧核糖核酸等生物大分子水溶液的超声弛豫吸收机制做了较深入的研究。在生物大分子构像变化、质子转移动力学及生物大分子与水分子间的相互作用等方面,也都取得了有价值的研究成果。

    声波作用于生物体对其产生某种影响称为声波的生物效应。大量试验表明,用一定频率和剂量的声波处理蔬菜、谷物、中草药及树木的种子常常可获得明显的增产效果。

    生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声,驱逐夜蛾,可提高玉米产量;控制海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量,利用电子发声器引诱鱼群定向聚集,可以提高捕鱼量;飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全;粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害等等。

    人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发,而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的;仿照水母耳做成的台风警报器可提前15小时准确地预报台风的方位和强度;仿照蝙蝠的声系统制成的声呐“眼镜”可以帮助盲人辨认出面前的电线杆、台阶以及草地中的羊肠小道。

    对哺乳动物组织超声传播和相互作用的深入研究,必然会找到描述组织生理特性的、更多的声学特征参量(如声速、声衰减、非线性参量等),建立和发展新的诊断设备,开拓定量超声诊断的途径。并可使超声医疗在更严格的科学基础上得到进一步发展。