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当小蝙蝠大声呼叫时,回声定位是昂贵的

利用超声波范围的叫声,小蝙蝠能够在黑暗中定位自己,并追踪小昆虫。更响亮的叫声传得更远,提高了蝙蝠探测猎物的能力。

长期以来,人们一直认为回声定位对飞行中的能量消耗贡献不大,因为飞行个体只是将它们的叫声与翅膀的拍动结合起来。柏林莱布尼茨动物园和野生动物研究所(Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research, leibnz - izw)的科学家们现在已经证明,高强度的回声定位呼叫绝非免费的,而且会大大增加能量消耗。因此,蝙蝠必须在能量消耗和有效回声定位之间找到平衡,并经济地使用后者。

对许多动物来说,发声是生存的必要条件。动物们用它们的叫声、吼声、嘶哑声、唧唧声或歌声来吸引潜在的交配伙伴、击退竞争者或定位猎物。这些声音可能会震耳欲聋。例如,一头野牛的吼声高达127分贝(dB),一些鸟类能达到132分贝,海狮甚至能达到137分贝!作为对比:110dB声压级相当于100米外喷气发动机的声音。尽管体型很小,但蝙蝠的声压可以达到137分贝,是世界上声音最大的动物之一。但是由于它们的高频,这些声音对人的耳朵来说是听不到的。

原则上,产生较高的声压级与较高的能量消耗有关。如果蝙蝠在寻找猎物时想要增加回声定位的距离,它就必须提高声音,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,蝙蝠可以在不消耗额外能量的情况下提高叫声的声压级。这是因为它们会同步腹壁的收缩,而腹壁的收缩是产生声音所必需的,同时也会同步大而活跃的飞行肌肉的收缩来产生回声定位的声音。根据传统观点,翅膀拍击产生的压力足以支持产生非常响亮的回声定位。因此,不管蝙蝠的叫声是轻是响,它们飞行时的能量消耗都应该大致相同。

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在证明事实并非如此。在他们的实验中,他们让Nathusius的pipistrelle bats (Pipistrellus nathusii)在受控条件下在风洞中自由飞行。研究人员使用扩音器在隧道内制造了巨大的背景噪音。这促使蝙蝠用更强烈的回声定位声音来掩盖噪音。在在风洞中飞行之前,动物们已经接受了含有13c标记的碳酸氢钠的等渗溶液,在呼吸时以二氧化碳的形式呼出,这是代谢率的代表。根据飞行前后呼吸空气的同位素组成,科学家们确定了这些动物在隧道中飞行时的能量消耗。

这项研究的联合第一作者、莱布尼兹-伊兹瓦的科学家香农·库里说:“当蝙蝠在只有风洞噪音的情况下飞行时,回声定位强度平均为113分贝。”“但在109dB的背景噪音中飞行时,蝙蝠的回声定位强度平均增加到128 dB。”由于声压级是对数级的,当风洞中有高背景噪音时,蝙蝠的叫声实际上要大30倍!

这对能量消耗有显著影响。当蝙蝠把声音放大15分贝时,代谢能量增加0.12瓦。如果一只蝙蝠要在典型的夜间觅食飞行中保持这种高声压水平,它就必须额外捕捉0.5克的昆虫,以弥补额外的能量消耗,或者说它们自身体重的1 / 4。对于体重只有7克的动物来说,这是一个巨大的数目。

“我们的研究表明,仅靠蝙蝠的腹壁运动和飞行肌肉收缩,不足以发出非常响亮的叫声,”莱布尼兹-伊兹瓦进化生态学系主任克里斯蒂安·福格特解释说。“因此,我们认为回声定位的强度越大,就会有更多的肌肉活跃起来,以支持声音的产生。”这显然要耗费大量的能源——尤其是超过130分贝。蝙蝠在寻找猎物时不能随意增加强度,因此也就不能增加它的叫声范围。相反,它必须经济地使用大声呼叫,并在相关的能量消耗和回声定位效率之间找到一个好的折中方案。”

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