自然科普：為了聽清愛的呼喚，綠樹蛙自帶“降噪耳機”


一隻正在鳴唱的雄性綠樹蛙。圖片來源：Norman Lee
為了成功交配，許多雄性青蛙會聚集在一起，呼喚潛在的配偶。但這引發了一個重要的問題，每個在嘈雜的雞尾酒會上試圖聽清他人發言的人都很熟悉：雌性青蛙要如何才能從無關背景噪音，包括其他蛙類物種發出的聲音中，聽到並挑選潛在的同類配偶的鳴唱呢？
現在，在《當代生物學》（Current Biology）期刊發表的一項研究提出，雌蛙的這種能力是通過一係列肺的功能實現的。雌蛙的肺充氣時，能夠降低鼓膜對特定頻率的環境噪音的敏感性，讓它更容易專注聆聽潛在配偶的鳴唱。
“本質上，雌蛙的肺消除了鼓膜對噪音的響應，尤其是嘈雜的繁殖‘合唱’中的某些噪音，這其中包含了其他多個物種雄蛙的同時鳴唱。”研究的第一作者，美國聖奧拉夫學院（St. Olaf College）的Norman Lee表示。
研究者們解釋說，雌蛙的肺具備聲譜反差增強（spectral contrast enhancement）的功能。它們能使聲譜中某一個雄蛙的鳴唱從臨近頻率中的噪聲中凸顯出來。
“這種功能類似於一些助聽器和人工耳蝸中所使用的實現聲譜反差增強的信號處理算法，”研究資深作者、美國明尼蘇達大學（University of Minnesota）的Mark Bee表示，“在人類中，我們設計這種算法用來放大語音的頻率，或過濾語音之間存在的頻率，或同時實現這兩種功能。在蛙類中，肺似乎能減弱那些位於雄性求偶鳴唱頻率之間的頻率。我們相信，這種現象的物理本質與降噪耳機的工作原理類似。”
科學家早已認識到，在大多數蛙類中，鳴聲信號對繁殖極為關鍵。事實上，蛙類擁有一套傳遞聲音的獨特路徑，將聲音從它們充氣的肺經過聲門、口腔和咽鼓管，傳遞至充氣的中耳。但這個從肺部到耳部的聲音傳遞路徑的具體功能仍然是個謎。早期研究提出，蛙的肺可能有助於增加鼓膜振動幅度依賴於方向的變化，從而提升聽者定位求偶雄性位置的能力，但 Bee 的團隊發現並非如此。
進一步的數據分析提出了不同的解釋：盡管肺部充氣的狀態不影響方向性聽覺，它卻對提升鼓膜敏感性具有實質性影響。在肺部充氣時，鼓膜減少了對特定頻率範圍內聲音的振動響應。這引導他們提出了新的看法：肺部減弱了振動，從而消除了噪音。


一對正在交配的綠樹蛙。圖片來源：Norman Lee
環境中的噪音主要是同物種的求偶鳴唱中聲譜峰之間的頻段，研究利用激光振動計進行觀察，表明充氣的肺能夠選擇性地降低鼓膜對這個頻段的敏感性。他們還證實，雌蛙收聽同種雄性求偶鳴唱的能力不受到肺部充氣狀態的影響。也就是說，肺部狀態不會影響雌性所接受的目標“信號”，那麽“噪音”呢？
研究者們早已知曉，對於任何給定的蛙類物種，它們麵臨的最主要的噪音來源就是同時繁殖的其他物種在“合唱”中發出的求偶鳴唱。然而，對於與綠樹蛙分布區域重疊、並可能與它們“合唱”的蛙類物種和數目，甚至對於綠樹蛙的求偶鳴唱聲譜頻率本身，研究作者們都知之甚少。為此，他們向名為北美兩棲類監測項目（North American Amphibian Monitoring Program）的公民科學項目尋求了公開數據。基於這些數據的分析指出，綠樹蛙充氣的肺能夠讓它們更難以聽到其他物種的鳴唱，但不會影響它們聽取同類鳴唱的能力。
“不必說，一隻青蛙的肺就能消除鼓膜對不同種的蛙類產生的噪音的反應，我們認為這個結果太酷了！”Bee說。


圖片來源：pixabay
最終，他們建立了綠樹蛙內耳進行聲音處理的生理學模型，以檢測肺對鼓膜的影響如何轉換為對其同類鳴唱聲的穩定神經反應。他們認為它應該是這樣運作的：內耳通過某些方式，被“調頻”至對其同類鳴唱的頻率反應最敏銳的狀態。但這種調頻並不完美。作者們推測，肺在聽覺方麵的主要功能是銳化或改善這種調頻，即通過減少由其他物種鳴唱聲引起的神經反應，使內耳能夠對來自同一物種的鳴唱聲產生相對更強的神經反應。
研究者表示，這些結論表明進化能夠為已有的適應指派新的功能。在未來的工作中，他們希望進一步理解三種聲源（外源、對側耳內源和肺內源）彼此間在物理層麵的相互作用，這種作用決定了鼓膜的振動反應。他們也希望知道，降噪機製在蛙類中分布得有多廣泛。
翻譯：劉詩宇
審校：戚譯引
引進來源：Cell Press
引進鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2021-03/cp-tfh022521.php
本文來自：環球科學


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情