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Feb. 17 2021

回音定位是大自然內建的聲納,它背後的原理超酷!

  • 在加拿大不列顛哥倫比亞省附近海域,北露脊海豚就在水面下游泳。回音定位在海裡是一種很合理的策略,聲音在海水中傳播的速度比在空氣中快五倍。PHOTOGRAPH BY PAUL NICKLEN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

    在加拿大不列顛哥倫比亞省附近海域,北露脊海豚就在水面下游泳。回音定位在海裡是一種很合理的策略,聲音在海水中傳播的速度比在空氣中快五倍。PHOTOGRAPH BY PAUL NICKLEN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

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從白鯨到蝙蝠甚至到人類,許多動物都會發出從物體回彈的聲音來協助導航與捕獵。

回音定位是自然界的聲納系統,當動物發出從物體回彈的聲波,傳回的回音會提供關於該物體距離及尺寸的資訊,此時回音定位就發生了。

超過1000種動物會使用回音定位,包括大多數蝙蝠、所有齒鯨,以及小型哺乳類。許多是夜行動物、穴居動物及海生動物,牠們在少光或無光的環境裡仰賴回音定位來覓食。動物有好幾種進行回音定位的方法,從振動喉部到拍動翅膀都涵蓋在內。

約翰霍普金斯大學心理學與腦部研究學系的博士後研究員凱特.艾倫(Kate Allen)在電子郵件中表示,夜行性的油鴟及某些金絲燕──有些油鴟及金絲燕在黑暗的洞穴環境中捕獵──「會以鳴管發出短促的叫聲,鳴管就是鳥類的發聲器官」。

有些人也能透過彈舌來進行回音定位,只有其他幾種動物具有同樣行為,包括馬島蝟(一種類似鼩鼱且來自馬達加斯加的動物)及越南侏儒睡鼠(牠們實際上看不見東西)。

蝙蝠信號

蝙蝠是回音定位的標誌性動物,牠們利用與生俱來的聲納,在夜晚追逐迅速飛行的獵物。

艾倫說,包括體型嬌小的道氏鼠耳蝠在內的大多數蝙蝠都會收縮喉部肌肉,來發出超過人類聽覺範圍的聲音──這種聲音就等同於人類的吼叫。

不同物種的蝙蝠叫聲有很大差異,使牠們能區分附近的同種與其他蝙蝠。牠們的叫聲也會根據特定環境及獵物類型而有所不同:歐洲蝙蝠會在有蛾的地方「輕聲細語」,避免被蛾偵測到。

在加拿大不列顛哥倫比亞省附近海域,北露脊海豚就在水面下游泳。回音定位在海裡是一種很合理的策略,聲音在海水中傳播的速度比在空氣中快五倍。PHOTOGRAPH BY PAUL NICKLEN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

在加拿大不列顛哥倫比亞省附近海域,北露脊海豚就在水面下游泳。回音定位在海裡是一種很合理的策略,聲音在海水中傳播的速度比在空氣中快五倍。PHOTOGRAPH BY PAUL NICKLEN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

不過,有些蛾已經演化出獨有的防衛機制來抵禦能使用回音定位的蝙蝠。虎蛾會收縮胸部兩側的鳴膜器官來發出叫聲,這會堵塞蝙蝠的聲納,阻止捕食者靠近。

身為回音定位專家,有些蝙蝠能鎖定小至0.18毫米的物體,大約是一根人類頭髮的寬度。因為昆蟲一直在移動,所以蝙蝠必須持續發聲,有時每秒會發出190次叫聲。即使是如此難以捕捉的獵物,這些捕食者依然能在每個夜晚吃掉總量為自己體重一半的昆蟲。

葉鼻蝠會透過碩大且精巧摺疊的鼻子來發出回音定位的叫聲,這有助於集中回彈的聲音。有些蝙蝠也能迅速改變耳朵形狀來準確接收傳進來的信號。

近期一項研究發現,有些果蝠甚至會透過拍動翅膀來製造回音定位的聲音,例如南亞長舌果蝠。

海洋聲波

回音定位在海裡是一種很合理的策略,聲音在海水中傳播的速度比在空氣中快五倍。

海豚與包含白鯨在內的其他齒鯨會透過一種稱為背側黏液囊(dorsal bursae)的特異器官來發出回音定位的叫聲,這個器官坐落在頭部頂端,接近氣孔。

華盛頓大學應用物理實驗室的資深海洋學家李伍鎔(Wu-Jung Lee)說,這個區域有一塊脂肪沉積物稱為額隆,它會減少海豚身體與水之間對聲波的阻抗,使聲音更清晰。

另一塊脂肪沉積物是從鯨魚的下顎往上延伸到耳朵,能使從魚或烏賊等獵物那裡返回的回音更清楚。

港灣鼠海豚是虎鯨很喜愛的獵物之一,牠們會發出非常快速、高頻率且捕食者聽不見的回音定位叫聲,讓牠們能維持潛藏的狀態。

李伍鎔補充說,大多數海洋哺乳類的回音定位叫聲都高到人類無法聽到,但抹香鯨、虎鯨及某些海豚物種除外。

以聲音導航

除了捕獵或自衛之外,有些動物也會在穿越棲地時利用回音定位確認方向。

舉例來說,美洲廣泛分布的大棕蝠會利用牠們的聲納,在吵雜的環境中迂迴穿行,比如充斥其他動物叫聲的森林。

李伍鎔說,亞馬遜河豚也可能使用回音定位來繞過樹枝及其他因季節性洪水造成的障礙。

大多數使用回音定位的人都是盲人或視障者,他們會用這項技巧來進行他們的日常活動。有些人會彈舌或敲擊拐杖等物品來發聲,然後透過回音確認方向。對使用回音定位的人進行的腦部掃描顯示,這個過程中會用到大腦處理視覺的部分。

艾倫說,「大腦不喜歡未開發的房地產」,所以對於不需要回音定位的人而言,「維持回音定位所需的代謝太昂貴了」。

儘管如此,人類的適應力依然很優異,而且研究顯示,只要有耐心,我們就能教會自己使用回音定位。

 

延伸閱讀:天賦滿滿!解密蝙蝠搜尋晚餐的超強「竊聽」技能 / 吸血蝠的交友方式與我們驚人的類似

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