[科普中國]-噪聲大的溪流旁 蛙蛙們修成了“河?xùn)|獅吼功”

在周星馳導(dǎo)演的電影《功夫》中，包租公包租婆用獅吼功與火云邪神進(jìn)行了經(jīng)典對決。畫面中，獅吼功猶如迅雷疾瀉聲聞數(shù)里，具有震懾人心的威力。

無獨有偶，在噪聲大的溪流旁生活的蛙蛙們，也修得了“河?xùn)|獅吼功”。

圖片來源：電影《功夫》截圖

大家都知道，環(huán)境會對人的發(fā)展造成影響。其實對于動物來說，也是這樣。

中科院成都生物研究所動物行為與仿生項目組研究發(fā)現(xiàn)，生活在噪音大的溪流中的蛙，鳴聲發(fā)生了適應(yīng)性進(jìn)化！

與棲息于安靜水環(huán)境（池塘、湖泊等）中的蛙相比，溪流蛙的聲音更簡單、聲音頻率更高，這有助于在噪音環(huán)境中進(jìn)行交流。

左：靜水蛙代表物種高原林蛙的生活環(huán)境；右：溪流蛙代表物種小湍蛙的生活環(huán)境（圖片來源：作者提供）

為了適應(yīng)環(huán)境 “蛙”的嗓門大了

聲音適應(yīng)性假說（acoustic adaptation hypothesis）認(rèn)為，動物的鳴聲信號應(yīng)該朝有利于在其所處環(huán)境中高效傳播的方向進(jìn)化。盡管該假說已經(jīng)被提出四十多年，但現(xiàn)有的研究主要集中在植被對動物鳴聲的影響上。

已有的研究表明，在封閉的森林中，頻率低且持續(xù)時間長的鳴聲可以傳播得更遠(yuǎn)；而在開闊的森林中，重復(fù)率高且頻率變化明顯的鳴聲具有更優(yōu)的傳播效率，所以這些特征會在進(jìn)化過程中受到選擇而不斷強(qiáng)化。目前，環(huán)境影響因素主要聚焦于植被，而噪聲、荒漠化等因素受到的關(guān)注較少。

噪音在環(huán)境中普遍存在。常見的噪音包括非生物噪音（風(fēng)、雨、流水等引起的噪音）和生物噪音（相同物種和其他物種的合唱等）。動物在聲音交流的過程中，容易受到各種環(huán)境噪聲的干擾。

流水噪音 （圖片來源：Veer圖庫）

然而，目前從噪聲角度開展的聲音適應(yīng)性假說研究還十分有限。對于生活在流水環(huán)境附近的動物來說，水流噪音會給它們的聲音通訊帶來嚴(yán)重干擾，揭示流水噪音對動物鳴聲進(jìn)化的影響，有助于填補(bǔ)該領(lǐng)域現(xiàn)有研究的不足。

“聽取蛙聲一片”也有規(guī)律：噪音大 頻率高

根據(jù)聲音適應(yīng)性假說，大部分環(huán)境噪音頻率比較低，而頻率高的鳴聲容易躲避環(huán)境噪音的干擾，頻率特征簡單的鳴聲有助于在噪音中維持信息傳遞的完整性。

無尾類（蛙和蟾蜍）既可以在溪流、瀑布等噪聲大的環(huán)境中生活，也可以在池塘、湖泊等噪聲小的環(huán)境中生活，所以是研究噪音與鳴聲進(jìn)化關(guān)系的理想模型。本研究以蛙科（Ranidae）和蟾蜍科（Bufonidae）物種為對象，檢驗動物鳴聲頻率是否沿聲音適應(yīng)性假說預(yù)測的方向進(jìn)化。

除了環(huán)境噪音之外，兩棲類的鳴叫聲還受體型大小、溫度和進(jìn)化歷史的影響，作為干擾因素，它們給研究噪聲對動物鳴聲的影響帶來挑戰(zhàn)。本研究采集了105個物種的聲音頻率特征，以及它們的體型、錄音時的溫度和分子序列數(shù)據(jù)。

根據(jù)12S、16S、CXCR4和RAG-1基因構(gòu)建這些物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系后，將進(jìn)化關(guān)系、環(huán)境溫度和體型大小均納入進(jìn)行綜合分析。然后，比較噪聲大（流水環(huán)境）和噪聲小（靜水環(huán)境）環(huán)境中的兩棲類，鳴聲頻率特征的差異。

小湍蛙 （拍攝者：趙龍輝）

**研究結(jié)果表明，在噪音大的環(huán)境中，兩棲類的鳴叫聲向高頻率演化，聲音頻率在時間和空間上的變化更加簡單。**相反，在噪音小的環(huán)境中，兩棲類的鳴聲頻率相對較低，聲音頻率在時間和空間上的變化相對復(fù)雜。

由于環(huán)境噪音主要集中在低頻率段，高頻的鳴聲有助于躲避流水干擾。另外，減少頻率在時間和空間上的變化，有助于將鳴聲在噪音中傳播的更遠(yuǎn)。因此，上述結(jié)果與聲音適應(yīng)性假說的預(yù)測相符。

左：靜水蛙代表物種高原林蛙的鳴聲音頻（上）和頻譜圖（下）；右：溪流蛙代表物種小湍蛙的鳴聲音頻（上）和頻譜圖（下）（圖片來源：作者提供）

在研究之中，有哪些創(chuàng)新 面臨了什么困難？

該研究整合系統(tǒng)學(xué)、行為學(xué)和生物聲學(xué)方法，在考慮多種影響因素的前提下，探究流水噪音對動物鳴聲特征進(jìn)化的影響，在研究形式和內(nèi)容上均具有一定的創(chuàng)新。該研究涉及105個物種的數(shù)據(jù)，需要查閱大量文獻(xiàn)資料，并采用相同標(biāo)準(zhǔn)對每一個物種的信息進(jìn)行篩選，所以數(shù)據(jù)收集是面臨的最大困難。由于時間長、工作量大，需要有謹(jǐn)慎的態(tài)度和不急不躁的心態(tài)。

流水潺潺 蛙鳴進(jìn)化，這對動物與環(huán)境的關(guān)系有何啟示？

人類活動導(dǎo)致環(huán)境中的噪音增多，噪音污染已成為全球化的生態(tài)問題。

**許多研究都發(fā)現(xiàn)，人為噪音不僅對人類的健康產(chǎn)生負(fù)面影響，還會降低動物的通訊效率，甚至影響它們的生存和繁殖。**自然的流水噪音與人為噪音都以低頻率為主，而揭示流水噪音中動物鳴聲的適應(yīng)和進(jìn)化，有助于預(yù)測長期的人為噪音脅迫會如何塑造動物的鳴聲，這也將為動物的多樣性保護(hù)提供理論依據(jù)。

例如，對于那些鳴聲頻率受噪音干擾嚴(yán)重的重點物種，人類建設(shè)可以規(guī)避其生活的核心區(qū)域，以此保障物種的正常繁衍。

城市中生活的大棕鶇（Turdus fuscater）正遭受嚴(yán)重的噪音污染

（圖片來源：Brumm and Zollinger, 2013）

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，動物率先響應(yīng)的是行為，開展動物行為研究有助于我們認(rèn)識動物與環(huán)境的關(guān)系。另外，我們對大自然和人類自身存在天然的好奇心，對動物行為的研究不僅可以發(fā)現(xiàn)許多有趣的現(xiàn)象，還能讓我們時常從動物身上看到自身的影子。

對動物行為的深入研究，有時還可以激發(fā)我們的靈感，從仿生學(xué)角度創(chuàng)造出有價值的東西。

開展動物行為和仿生研究，是窺探生命的奧義，也是窺探我們自己；樂在其中，其樂無窮。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zhao, L., Santos, J. C., Wang, J., Ran, J., Tang, Y., & Cui, J. (2021). Noise constrains the evolution of call frequency contours in flowing water frogs: a comparative analysis in two clades. Frontiers in zoology, 18(1), 1-10.

[2] Brumm, H., & Zollinger, S. A. (2013). Avian vocal production in noise. In Animal communication and noise (pp. 187-227). Springer, Berlin, Heidelberg.