海洋深处的秘密：动物王国的最强音

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站在海岸边可能感受不到，但在海浪之下，海水翻滚，管弦乐声不绝于耳。

波涛之下，海水吞噬了阳光。 海平面以下仅200米处，就不可能进行光合作用了。到了1000米处，光线就止步不前了。 这就是深海——地球上最大、最暗无天日的栖息地。

越到海洋深处，阳光就越不重要，而声音的地位则愈发凸显了。

海豚和鲸鱼这一类鲸目动物，都需要通过声音来互相理解、定位巡航，甚至是统治一方领地。鲸目动物对声音的依赖远胜其他物种，也不足为奇。

猿类以其色觉闻名，人类也喜欢把自己归为视觉生物，但那些昂贵的眼科设备对鲸目动物来说都是无用的。 相反，他们已经进化出一些地球上最与众不同、最复杂、最独一无二的发声构造和习性。 鲸目动物能看到声音，还能够感受到声音。

康奈尔大学神经生物学和行为学系的鲸类专家克拉克教授（Christopher Clark）说：“研究鲸类动物的发声能力是为了探索生物进化的创造力。过去70年里，人们一直致力于开发声呐检测设备，实际上是在学习鲸类习性的原理，试图把这套它们沿用了数百万年的东西化为己用，开发人类自己的声呐设备。”

声波在水中的传播速度远远超过其在空气中的传播速度：海水中的速度约为每秒1500米，而空气中仅为每秒340米——快了四倍左右。 震动后形成的波，在通过介质（例如水或空气）传播后，就形成了声音。液体中原子的密度大于气体中的原子密度，所以声音在海洋中传播得更快。

海豚和鲸鱼的祖先从陆地迁移到海里，那时，为了适应新环境，它们的解剖学结构发生了巨大的变化：眼珠缩小，前肢进化成鳍状肢，后腿则合并成鳍。由于不需要维持体温，它们的体毛也消失了，取而代之的是，一层由脂肪膨胀而成的厚厚的鲸脂外壳，使鲸鱼在世界上最冷的水域也能保持体温恒定。

罗西特教授（Professor Rossiter）还研究一种捕食昆虫的蝙蝠，可以像齿鲸一样利用回声定位：和海豚一样，这些蝙蝠能在极短的时间内发射出一阵超声波。通过回声，它们能够定位到猎物所在，随后飞至猎物栖息地。

他说： “完全可以理解，身处洞穴或深海这样的黑暗环境中，生物是怎么进化出回声定位的—— 实际上，有许多盲人已经学会了如何利用回声定位。即使是视觉正常的人，也能通过听声音来辨别出自己身处何处，是在一个大的会议厅里，还是在一个挤满人的小空间。蝙蝠保留了典型的哺乳动物的耳朵，鲸目动物的回声定位系统则更加完善。”

为了适应水下的声学环境，海豚和鲸鱼的听觉器官进行了极大的演变。水的密度比空气大，因此声波进入鲸类耳朵后，几乎不产生“声阻抗”：即声波以直线穿过海洋生物的头部，而不是像陆地动物那样，以一定的折射率进入耳朵。 声波到达鲸鱼头骨后，由于其速度或功率不发生改变，双耳之间会产生一种“声波干涉”，这对它们定位声源造成了一定干扰。

为了避免这种干扰，鲸目动物已经在耳朵里进化出了一个空气袋。 它们的中耳结构已经从头骨内部移动到外部：鼓膜（耳鼓）和小骨（耳骨）被包裹在的巨大的球状骨壳“鼓膜泡”内。

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鲸类的听觉系统如此独到，也归功于其他解剖结构：与人类不同，其锥形鼓膜伸入鼓膜泡中，不呈鼓状，也不顺着头骨平行延伸至耳道口。克拉克教授说：“以须鲸为例，它们的鼓膜就像一面大旗在旗杆上晃动；而海豚的鼓膜则更像是一个音叉，更硬一点。”

齿鲸的拉丁学名叫作odontocetes，下颚能够接收声波，将其传入耳中。

这些因素结合到一起，加之鲸目动物进化而成的独特器官，使得它们能够以一种和地球上的其他动物都不同的方式，来感知声音，利用声音。人类的声波频率感知范围是20赫兹（Hz）到20000赫兹，一只宽吻海豚则能够听到频率高达160000赫兹的声音—— 远超过了狗的感知范围。宽吻海豚对我们听不到的高音调非常敏感：它们的射频在44000赫兹上下。 地球上的所有生物或多或少都会用到声波，但齿鲸可以称得上是动物王国里数一数二的高音达人了。

另一方面，低音领域的王冠非须鲸莫属了—— 它们就是动物音乐届的低音符号。齿鲸高声鸣叫相互交流，有时发出更高的咔哒声来锁定猎物。而须鲸却惯用低沉而持续，或呻吟或咆哮的声音，互相歌唱。通常声波频率很低，无法被人耳捕捉到——例如蓝鲸，声波频率可能只有14赫兹，人耳根本无法听见。

低频声波的散射、失真和传输损失较少，因此往往能传播更远，所以须鲸可以在数千公里的巨大范围内相互通信。

通过一种巧妙的策略，它们实现了远距离通信：利用“深海声道”，也叫SOFAR声道（声学定位测距声道）来传播声频。 根据海洋的物理特性，靠近海平面附近的声波较少；但在表面以下，随着水深和维度的变化，声波的传播速度会发生变化，在传播时的传输损失也比较低。

海水中鲸鱼的歌声在水平波段内能传播至数千公里远，人们把这种现象称之为“声波导”。20世纪40年代，冷战时期的科学家们发现了这种深海声道的存在，并且将之应用到了潜艇战中，不过只是战略性地监听数千公里外的苏联潜艇。

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利用海洋不同深度具有的不同声学特性来发送信号，以延伸传播距离的，海军不是第一人。早在海军之前，鲸类就已经有一套自己的行为模式，能够实现远距离通信：举个例子，长须鲸在海面的声音传播距离仅有250公里，但如果是通过深海声道传播，传播距离最远可超过6000公里。

克拉克教授解释说：“鲸类靠近水面时，发出的呼叫经过海面和海洋大陆棚的折射后，迅速就会消散了。但是一旦进入深海领域，海水物理折射率低，声能就牢牢地待在水里，声波也就能够传播得更远、更快了。这也就是为什么，我身处弗吉尼亚州，通过水中听音器能够听到千里之外，有蓝鲸在爱尔兰的海岸边歌唱。”

通过深海声道，须鲸不仅能够实现互相通信，还能巡航。由于声波遇到障碍物会弹回，通过这种回声定位，他们能在脑内画好一张海地地图。

他解释道：“我追踪过一群蓝鲸，它们在海中山、岛屿和海底大陆架之间激流回旋——不是漫无目的地乱游，而是通过发出波长长达一个足球场的声波，直接游去声音定位出来的地方。比起回声定位，这种方式更像是‘回声测绘’或者‘回声测域’。”

“为了研究这些动物，我必须彻底重塑时间和空间观念，因为声波的传播速度为一分钟25000英里——假设250英里处有一沿海大陆架，那么声波到达要花上10分钟，返回又要10分钟。人类世界不存在等20分钟就为了听个响的。但是蓝鲸等得下去，甚至还能绘制身处环境的声学地图。”

动物王国里，鲸须的声音不仅能到达最远处，这些深渊巨人们也能够发出最为嘹亮的声音：蓝鲸的声音可以达到180分贝，创下了世界纪录——喷气式飞机发出的声音也不过如此了。

须鲸还是动物界呼叫声最长的记录保持者，还创作出过若干著名的歌谣（一说是为了繁殖，尚未证实）。保持这个记录的是须鲸中的座头鲸：雄性座头鲸一次唱歌可达数小时（不断重唱同一首约10分钟长度的歌曲）。一如人类的音乐一般，它们会重复歌曲中的片段，反复尖叫、咆哮和呻吟。每个片段可能长达30分钟，最长的一首歌可能要唱上23小时。

座头鲸还保持了一项记录，鲸类中发行过最多黑胶唱片的要属它们： 1979年，《国家地理》杂志将《座头鲸之歌》作为随刊附赠，发行了1000万份——10种语言版本共同发行。在座头鲸身上，许多科学家看到了一种文化的形式：不同地区的鲸鱼每年会吟唱不同的歌曲，所有雄性唱的都是同一首歌。《千里之歌》的作者、音乐学家罗森博格（David Rothenberg）称，它们唱的是一首“国歌” 。 值得注意的是，座头鲸群体会对歌曲进行改编—— 一周之内，所有雄性就又能够做到同步尖叫、咆哮和呻吟了。

我们知道，古代水手会听到鲸鱼穿过船体的声音，他们不知道听到的是什么（传說是美人鱼的歌声）。 20世纪50年代，科学家们才发现了鲸鱼之歌，当时驻扎在百慕大的美国科学家们在监听苏联潜艇的时候，意外捕获了这些声音。

此后15年，美国海军一直没有对外公布鲸鱼之歌的事情。直到1967年，工程师沃特林顿（Frank Watlington）才将所有刻录下来的鲸歌交给了佩恩（Roger Payne），佩恩是一名生物学家，专攻蝙蝠和猫头鹰的声音。沃特灵顿发现，发现鲸歌可以分成若干段落，能够一遍遍完美地重复。

在佩恩着手研究座头鲸鲸歌时，他发现，每年雄性座头鲸都会有一首新的鲸歌。1970年，佩恩和沃特灵顿将所有鲸歌整理成一个专辑，发行的《座头鲸之歌》在一片争议中开启了一场环保运动。使成千上万的人意识到，这些歌曲的演唱者竟是一种被人类大量屠杀了数百年的动物。于是爆发了大规模的抗议运动，以至于1972年的联合国人类环境会议直接决定，10年内暂停全球范围内的商业捕鲸活动——当时，10年的商业捕杀时间足以让鲸鱼灭亡。

无心插柳之间，军事研究竟引发了物种启蒙和保护运动。

海豚回声定位系统在军队中的应用

要研究鲸鱼和海豚的声学能力，美国军方自然有其他的借口。海豚、虎鲸和白鲸这类齿鲸，不仅能够通过回声定位来映射周遭环境，还能够用它来定位猎物位置。通过震动头顶鼻尖处的“声唇”，海豚能够通过其额隆（前额的圆形凸起）来调节声波束， 用来瞄准猎物。声波撞到猎物后自动弹回，海豚接收到这一信号（大多通过下颌接收），不仅能定位到猎物位置，还能判断出其尺寸。

海豚的回声定位系统十分敏锐，甚至通过鳔的大小就能够预判鱼有多大。而白鲸回声定位更为精密，在一块遮挡物后都能判断出物体形状。远超人类技术水平。

美国军方认识到要通过海豚来学习水底声学应用，这也不足为奇。来自美国、俄罗斯、伊朗和乌克兰四个国家的军事科学家都研究过海豚：其中一个国家学习了回声定位，旨在设计出更好的潜艇和声纳探测器；有两个国家驯化了海豚，使其能够辨别附近的潜艇、检测水下爆炸装置所在、揭开不明物体的真实身份。

20世纪60年代，美国科学家开始利用海豚。越战期间曾经训练过一批海豚，不仅用于排雷工作，海豚还要负责把炸药粘在敌人的船只上，甚至还要将二氧化碳空心尖管刺入敌方蛙人体内。如今，美国军方仍然保留了一支海豚特种部队，目前位于圣地亚哥附近的洛马角潜艇基地，每年在100多头海豚上投资的军费逾2000万美元。

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夏威夷海洋生物学研究所的欧教授（Professor Whitlow Ou）是海洋哺乳动物研究项目的荣誉研究员，他解释说：“他们仍在海军研究范围之内，因为目前尚未找到替代品——海军一早就想把海豚换下来了，但没有付诸行动，因为我们没有比海豚更好的声呐了。我们不能百分百探测到埋在沙中的地雷，但是海豚不仅能找到地雷，还不会误报，不会让我们白白挖来一堆岩石。”

20世纪70年代，欧博士开始研究海豚回声定位，当时他被海军招募，成为一名电子工程师。他专门研究生物声学，为军队开发新的设备。 在他的头几个项目里，有一项研究了开阔水域中海豚能探测到小型球状物体的最远距离。

他发现，野生海豚发出的回声定位，声音比饲养的要大100倍（研究仅适用于海豚）。他说，海豚可以调整音量大小以适应环境——这也就解释了为什么被抓捕的海豚声音小。欧博士说，这一发现可能太过“令人惊讶”了，甚至连他的第一篇论文都被打了回来，因为人们不相信动物还能调整自己的音量。

他说：“论文最终过审发表前，我只得把设备都严格检查了个遍。”

此后，他与军方的合作开始“走下坡路”。他说：“我希望我所做的研究都能公开发表 ——我不想有所保留。 [比起军事技术]我更想对科学界有所贡献。”

事实上，欧教授对海豚生物学的兴趣远远超过军事技术，他又花了四十年时间来研究鲸类回声定位，这也令他获得了鲸类声学领域“教父”的美名。

“还有很多问题仍然没有答案，”欧教授说。 “那么远的距离，海豚到底是怎么分辨物体的？为什么它们有这种能力？ 它们接收的信号是怎么样的？信号是怎么处理的？”

去年，宾州州立大学材料研究院下设数学系的曹文武教授在《应用物理评论》（Physical Review Applied）杂志上发过一项研究，描述海豚如何使用脑部的油性物质（一种“超级材料”）来发射出窄窄的一束束定向声波。这种声波区别于普通的声波，在传播时不会四散开来。

他说：“为什么海豚这种小型动物能够用小脑定位远处的鱼类，我们从这个点切入进行了研究——海豚的这种能力是教科书解释不清的。通过肌肉运动，海豚能够改变头部形状，从而改变声波的角度——这在当时并不为人所知。 至于海豚如何接收声波信号，我们至今还没有弄清楚。我甚至还想知道它们是如何做到声波成像的。”

“我们人类有两只眼睛，能够三维成像。 但海豚如何利用它们的声学结构系统，接受不同角度传来的物体信息，这一点仍然是未知。有可能是用耳朵，也有可能是牙齿——现在还是个谜团。”

曹教授将继续研究齿鲸回声定位，因为包括这个问题在内的很多问题尚未解决。 诚如研究海豚回声定位四十年的欧教授所说：“这些迷人的生物有着令人着迷的能力——动物学家也正因此而不断前行。”

以上图片皆出自George Karbus Photography / Getty，请访问BBC Travel 阅读英文原文。