Bioakustyka - Bioacoustics

W sonogramy z słowik szary ( luscinia luscinia ) i słowik rdzawy ( megarhynchos Luscinia ) śpiew pomagają odróżnić te dwa gatunki za pomocą głosu zdecydowanie.

Bioakustyka to interdyscyplinarna nauka, która łączy biologię i akustykę . Zwykle odnosi się do badania wytwarzania, rozpraszania i odbioru dźwięku u zwierząt (w tym ludzi ). Wiąże się to z neurofizjologicznymi i anatomicznymi podstawami wytwarzania i wykrywania dźwięków oraz relacji sygnałów akustycznych do ośrodka, w którym się rozchodzą. Odkrycia dostarczają wskazówek na temat ewolucji mechanizmów akustycznych, a co za tym idzie ewolucji zwierząt, które je wykorzystują.

W akustyce podwodnej i rybołówstwie terminem tym określa się również wpływ roślin i zwierząt na dźwięk rozchodzący się pod wodą, zwykle w odniesieniu do wykorzystania technologii sonarowej do szacowania biomasy . Badanie drgań przenoszonych przez podłoże wykorzystywane przez zwierzęta jest uważane przez niektórych za odrębną dziedzinę zwaną biotremologią .

Historia

Przez długi czas ludzie wykorzystywali odgłosy zwierząt do ich rozpoznawania i znajdowania. Bioakustyka jako dyscyplina naukowa została założona przez słoweńskiego biologa Ivana Regena, który zaczął systematycznie badać odgłosy owadów . W 1925 r. zagrał w duecie z owadem specjalnym urządzeniem stridulatorowym . Później umieścił świerszcza płci męskiej za mikrofonem, a świerszcze płci żeńskiej przed głośnikiem. Samice nie szły w kierunku samca, ale w stronę głośnika. Najważniejszym wkładem Regen w tę dziedzinę, oprócz uświadomienia sobie, że owady wykrywają również dźwięki w powietrzu, było odkrycie funkcji narządu bębenkowego .

Stosunkowo prymitywne urządzenia elektromechaniczne dostępne w tamtym czasie (takie jak gramofony ) pozwalały jedynie na zgrubną ocenę właściwości sygnału. Dokładniejsze pomiary były możliwe w drugiej połowie XX wieku dzięki postępowi w elektronice i wykorzystaniu urządzeń takich jak oscyloskopy i rejestratory cyfrowe.

Najnowsze osiągnięcia bioakustyki dotyczą relacji między zwierzętami i ich środowiskiem akustycznym oraz wpływu hałasu antropogenicznego . Techniki bioakustyczne zostały niedawno zaproponowane jako nieniszcząca metoda szacowania bioróżnorodności obszaru.

Metody

Hydrofon

Słuchanie jest nadal jedną z głównych metod stosowanych w badaniach bioakustycznych. Niewiele wiadomo na temat procesów neurofizjologicznych, które odgrywają rolę w wytwarzaniu, wykrywaniu i interpretacji dźwięków u zwierząt, więc zachowanie zwierząt i same sygnały są wykorzystywane do uzyskania wglądu w te procesy.

Sygnały akustyczne

Spektrogram (powyżej) i oscylogram (poniżej) zawołań humbaka

Doświadczony obserwator może wykorzystać odgłosy zwierząt do rozpoznania „śpiewającego” gatunku zwierzęcia , jego położenia i stanu w przyrodzie. Badanie odgłosów zwierząt obejmuje również rejestrację sygnału za pomocą elektronicznego sprzętu rejestrującego. Ze względu na szeroki zakres właściwości sygnału i mediów, przez które się rozchodzą, zamiast zwykłego mikrofonu może być wymagany specjalistyczny sprzęt , taki jak hydrofon (do dźwięków podwodnych), detektory ultradźwięków ( dźwięki o bardzo wysokiej częstotliwości ) lub infradźwięki (bardzo niskie częstotliwości dźwięków) lub wibrometr laserowy (sygnały wibracyjne przenoszone przez podłoże). Komputery służą do przechowywania i analizy zarejestrowanych dźwięków. Specjalistyczne oprogramowanie do edycji dźwięku służy do opisywania i sortowania sygnałów według ich natężenia , częstotliwości , czasu trwania i innych parametrów.

Zbiory dźwięków zwierząt, zarządzane przez muzea przyrodnicze i inne instytucje, są ważnym narzędziem systematycznego badania sygnałów. Opracowano wiele skutecznych zautomatyzowanych metod obejmujących przetwarzanie sygnałów, eksplorację danych i techniki uczenia maszynowego w celu wykrywania i klasyfikowania sygnałów bioakustycznych.

Wytwarzanie, wykrywanie i wykorzystywanie dźwięku u zwierząt

Naukowcy z dziedziny bioakustyki interesują się anatomią i neurofizjologią narządów zaangażowanych w wytwarzanie i wykrywanie dźwięków, w tym ich kształtem, pracą mięśni i aktywnością zaangażowanych sieci neuronowych . Szczególnie interesujące jest kodowanie sygnałów z potencjałami czynnościowymi w tych ostatnich.

Ale ponieważ metody stosowane w badaniach neurofizjologicznych są nadal dość złożone, a zrozumienie odpowiednich procesów niepełne, stosuje się również bardziej trywialne metody. Szczególnie przydatna jest obserwacja reakcji behawioralnych na sygnały akustyczne. Jedną z takich odpowiedzi jest fonotaksja – ruch kierunkowy w kierunku źródła sygnału. Obserwując reakcję na dobrze zdefiniowane sygnały w kontrolowanym środowisku, możemy uzyskać wgląd w funkcję sygnału, czułość aparatu słuchowego, zdolność filtrowania szumów itp.

Oszacowanie biomasy

Szacowanie biomasy to metoda wykrywania i oznaczania ilościowego ryb i innych organizmów morskich przy użyciu technologii sonarowej . Gdy impuls dźwiękowy przemieszcza się przez wodę, napotyka obiekty o innej gęstości niż otaczające go medium, takie jak ryby, które odbijają dźwięk z powrotem w kierunku źródła dźwięku. Echa te dostarczają informacji o wielkości, lokalizacji i liczebności ryb . Podstawowymi elementami funkcji sprzętowej naukowej echosondy jest przesyłanie dźwięku, odbieranie, filtrowanie i wzmacnianie, rejestrowanie i analizowanie echa. Chociaż istnieje wielu producentów dostępnych na rynku „ echosondy ”, analiza ilościowa wymaga wykonywania pomiarów za pomocą skalibrowanego sprzętu echosondy o wysokim stosunku sygnału do szumu .

Dźwięki zwierząt

Dźwięki używane przez zwierzęta, które wchodzą w zakres bioakustyki obejmują szeroki zakres częstotliwości i mediów, i często nie są „ dźwiękami ” w wąskim znaczeniu tego słowa (tj. fale kompresji, które rozchodzą się w powietrzu i są wykrywalne przez ludzkie ucho ) . Na przykład świerszcze katydidae komunikują się za pomocą dźwięków o częstotliwościach wyższych niż 100 kHz , daleko w zakresie ultradźwięków. Niższe, ale nadal w ultrasonografii, są dźwięki wykorzystywane przez nietoperze do echolokacji . Podzielony na segmenty robak morski Leocratides kimuraorum wydaje jeden z najgłośniejszych dźwięków trzaskających w oceanie na poziomie 157 dB, o częstotliwości 1-100 kHz, podobny do trzaskających krewetek . Po drugiej stronie widma częstotliwości znajdują się drgania o niskiej częstotliwości, często nie wykrywane przez narząd słuchu , ale przez inne, mniej wyspecjalizowane narządy zmysłów. Przykłady obejmują drgania podłoża wytwarzane przez słonie, których główna składowa częstotliwości wynosi około 15 Hz, oraz drgania podłoża o niskiej i średniej częstotliwości używane przez większość rzędów owadów . Wiele odgłosów zwierząt mieści się jednak w zakresie częstotliwości wykrywalnym przez ludzkie ucho, między 20 a 20 000 Hz. Mechanizmy wytwarzania i wykrywania dźwięku są tak samo różnorodne, jak same sygnały.

Dźwięki roślin

W serii artykułów w czasopismach naukowych opublikowanych w latach 2013-2016 dr Monica Gagliano z Uniwersytetu Australii Zachodniej rozszerzyła naukę o bioakustykę roślin .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki