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当小蝙蝠大声呼唤时 回声定位的成本很高

  • 科学
  • 2020-07-14 09:20:19
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调用超声波范围可使小型蝙蝠在黑暗中定向并追踪微小的昆虫。大声叫声走得更远,提高了蝙蝠发现猎物的能力。

长期以来,人们一直认为回声定位对飞行中的能量消耗没有太大贡献,因为人们只是将自己的声音与翅膀的拍打结合在一起。柏林的莱布尼兹动物园和野生动物研究所(Leibniz-IZW)的科学家们现已表明,高强度回声定位呼叫绝不是免费的,并且在能源消耗方面做出了巨大贡献。因此,蝙蝠必须在能量消耗和有效回声定位之间找到平衡,并在经济上使用后者。

对于许多动物来说,发声对于生存至关重要。动物通过它们的呼唤,咆哮,嘶哑,chi或歌曲来吸引潜在的交配伙伴,击退竞争对手或寻找猎物。这些声音可能令人震耳欲聋。例如,野牛的咆哮声高达127分贝(dB),有些鸟类达到132 dB,海狮甚至达到137 dB!为了进行比较:一个声110分贝的压力水平相当于喷气发动机百米的声音了。尽管蝙蝠体型较小,但在世界上最响亮的动物中,蝙蝠的声压级仍可达到137 dB。但是由于它们的高频,人耳听不到这些声音。

原则上,产生较高的声压级与较高的能量成本相关联。如果寻找猎物的蝙蝠想要增加其回声定位行进的距离,它必须发出更大的声响,这将消耗更多的能量。到目前为止,科学家们普遍认为,至少在飞行中,蝙蝠可以提高其呼声的声压级,而无需增加能量消耗。这是因为它们使产生声音所必需的腹壁收缩与活跃的大块飞行肌肉的收缩同步,从而产生回声定位信号。根据传统观点,机翼节拍产生的压力足以支撑非常响亮的回声定位。因此,飞行蝙蝠的能量消耗应大致保持不变,

来自德国莱布尼茨动物园和野生动物研究所(Leibniz-IZW)和以色列特拉维夫大学的一组科学家现已证明并非如此。在他们的实验中,他们允许Nathusius的pipistrelle蝙蝠(Pipistrellus nathusii)在受控条件下在风洞中自由飞行。研究人员使用扬声器在隧道内部产生了巨大的背景噪音。这鼓励蝙蝠用更强烈的回声定位声淹没噪音。在风洞中飞行之前,这些动物已经接受了13C标记的碳酸氢钠的等渗溶液,该溶液在呼吸过程中以二氧化碳的形式呼出,是代谢率的代表。通过飞行前后呼吸空气的同位素组成,科学家们确定了动物在隧道中飞行时的能量消耗。

莱布尼兹-IZW科学家,研究的第一作者香农·库里说:“当蝙蝠只在风洞中发出噪音的情况下飞行时,回声定位强度平均为113 dB。”“但是当在109dB的背景噪声中飞行时,蝙蝠将其回声定位强度提高到平均128dB。”由于声压级遵循对数刻度,蝙蝠电话实际上是30倍(!)响亮时,有在高背景噪声风洞。

这对能源消耗有重大影响。当蝙蝠将声音调高15 dB时,新陈代谢的功率增加了0.12瓦。如果蝙蝠在整个典型的夜间觅食飞行中保持这种高声压水平,则它必须捕获约0.5克额外的昆虫猎物以补偿增加的能量消耗,即其自身体重的四分之一。对于仅重七克的动物来说,这是一笔巨款。

“我们的研究表明,在蝙蝠中,仅靠腹壁运动与飞行中的肌肉收缩耦合不足以发出很大的声音,”莱布尼兹-伊兹维尔(Leibniz-IZW)进化生态学系主任克里斯蒂安·沃伊格特(Christian Voigt)解释说。“因此,我们认为,通过更强的回声定位,必须使更多的肌肉活跃起来以支持声音的产生。这显然会消耗大量能量,尤其是在130 dB以上。寻找猎物的蝙蝠无法随意增加强度,因此相反,它必须经济地使用大声呼叫,并在相关的能量消耗之间找到一个很好的折衷方案和回声定位的效率。”

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