08_Bat vs moth

蝙蝠与蛾子的生死较量:搜寻与毁灭vs逃跑与求生

在我们的听觉范围之外,大千世界正在上演着精彩故事。每个夜晚,在我们静静入眠时,蝙蝠和飞蛾正在进行生死较量。它们在超声波竞技场交锋。蝙蝠用于捕食的信号与飞蛾用于逃生的信号频率相同。

作者:PAMELA RIVERA-PARRA
理科硕士
国立职业技术学校
生物系
厄瓜多尔基多

在我们的听觉范围之外,大千世界正在上演着精彩故事。每个夜晚,在我们静静入眠时,蝙蝠和飞蛾正在进行生死较量。它们在超声波竞技场交锋。蝙蝠用于捕食的信号与飞蛾用于逃生的信号频率相同。

捕食昆虫的蝙蝠用超声波寻找猎物:它们发出频率18至高于150kHz的声波(人类的听觉范围最高20kHz),以回声来判定猎物的位置和种类。蝙蝠分析回声中的振幅变化,来确定昆虫的位置。昆虫在飞行中的翅膀振动,会引起回声振幅改变。每当昆虫扇动翅膀时,都将自己的位置信息泄露给猎食者。

从进化生物学的角度来看,飞蛾与蝙蝠进行着一场进化军备竞赛。为防御蝙蝠的猎食,飞蛾进化出鼓膜器官,可听到蝙蝠的超声波信号,并做出逃跑行为或超声波回应。我们的团队对分析飞蛾应对蝙蝠超声波信号的行为十分感兴趣。

08_Bat vs moth为吸引和捕捉飞蛾,我们采用了最新飞蛾捕捉昆虫学设备:一张白纸和黑光灯。将蝙蝠-飞蛾的关系带入实验室
我们的研究在厄瓜多尔热带雨林进行,那里同一片地区能有110种蝙蝠和几百种飞蛾。为研究蝙蝠与飞蛾的关系,我们需购买和配备各种话筒和超声波扬声器。由于实验涉及重放和记录回声,我们必须在无混响的环境中进行部分分析,在高混响环境中进行另一些分析。

我们每年都前往野外,搭建飞行隧道,开始夜幕中的工作。捕捉到飞蛾后,正式的工作就开始了。我们将飞蛾放置在飞行隧道内以限制其飞行路线,当它们回应蝙蝠发来的超声波时,可进行高速摄影。飞行隧道连接有超声波话筒,可记录飞蛾的回声,也即蝙蝠收到的信号。

08_Bat vs moth飞蛾翅膀的鳞片特写 照片由Vladimir Carvajal提供 为获得准确数据,我们需要设计和搭建小型混响室,来进行飞蛾翅膀的实验。我们在之前的基础上(2011年Zeng等人;2017年 Ntelezos等人)设计混响室。他们使用 Cox 和 D’Antonio改良的原始根扩散器。这些扩散器根据我们要处理的声音频率,由同样宽度和不同深度的井组成。

声音分析工作始终要强调噪音问题
超声波很难分析;我们甚至没有意识到,口袋里叮当作响的钥匙,开灯用的运动探测器,甚至灯具本身都会发出超声波。因此,为保证工作环境中无噪音,我们必须搭建消音室,再将混响室放置在消音室中。室中室的设计还可绝缘,因为当地的电线并未全部做绝缘处理。

隐秘的求生之路
我们发现,当飞蛾接收到蝙蝠的超声波讯息时,出现声波惊吓反应:它们改变身体与翅膀的位置,暂停飞行。这个动作减少了回声中的振幅波动。片刻之间,飞蛾就能躲过猎食蝙蝠的超声波侦查。

有趣的是,在进一步分析视频后,我们注意到飞蛾出现这种回应时,也同时转动翅膀。这种行为引发两个问题:飞蛾为什么转动翅膀,翅膀是否有助于减少声音振幅改变?

我们用不同种类的飞蛾做实验并分析实验结果。目前我们发现,事实上飞蛾的翅膀可吸收超声波,主频率的振幅降低程度视品种而有差异。我们还研究翅膀的解剖结构;在显微镜下观察到的翅膀结构和鳞片令人震惊——它们类似于消音室使用的声学泡沫。这也许是飞蛾进化出的避免被蝙蝠探测的策略的一部分,对飞蛾而言,更重要的是避免被蝙蝠吃掉。

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建造实用的、适用于超声波的15x10x10厘米混响室是个巨大的挑战。


原始根扩散器
可用于抵消回声的扩散器。由于它们能反射不同方向的声波,形成扩散场,可在不损耗声音能量的前提下阻止回声,因此用处很大。

实验室使用的原始根扩散器由一系列宽度相同、深度不同的井组成,根据目标频率的原始根数列理论设计。


测量室
混响室使用两种扩散器:由半球体和玻璃组成的传统扩散器,以及改良的原始根扩散器。室内还装有超声波话筒和两个超声波扬声器。Carlos Ramos毕业于美洲大学基多分校,担任声学工程师,负责编写产生信号的代码,并确保技术声学元件顺利运行。


这一研究结果也为研究飞蛾翅膀吸收超声波的特性打开了令人振奋的新线索。我们继续研究翅膀鳞片对吸收超声波起到重要作用的假设。


Slow motion clip of greater horseshoe bat catching moth in flight