海洋深處的秘密：動物王國的最強音
站在海岸邊可能感受不到，但在海浪之下，海水翻滾，管弦樂聲不絶於耳。
聲波在水中的傳播速度遠遠超過其在空氣中的傳播速度：海水中的速度約為每秒1500米，而空氣中僅為每秒340米——快了足足四倍不止。 波濤之下，海水吞噬了陽光。 海平面以下僅200米處，就不可能進行光合作用了。到了1000米處，光線就止步不前了。 這就是深海——地球上最大、最暗無天日的棲息地。 越到海洋深處，陽光就越不重要，而聲音的地位則愈發凸顯了。 海豚和鯨魚這一類鯨目動物，都需要通過聲音來互相理解、定位巡航，甚至是統治一方領地。鯨目動物對聲音的依賴遠勝其他物種，也不足為奇。 猿類以其色覺聞名，人類也喜歡把自己歸為視覺生物，但那些昂貴的眼科設備對鯨目動物來說都是無用的。 相反，他們已經進化出一些地球上最與眾不同、最複雜、最獨一無二的發聲構造和習性。 鯨目動物能看到聲音，還能夠感受到聲音。 康奈爾大學神經生物學和行為學系的鯨類專家克拉克教授（Christopher Clark）說：「研究鯨類動物的發聲能力是為了探索生物進化的創造力。過去70年裏，人們一直致力於開發聲吶檢測設備，實際上是在學習鯨類習性的原理，試圖把這套它們沿用了數百萬年的東西化為己用，開發人類自己的聲吶設備。」 聲音在水中傳播速度更快，範圍更遠 聲波在水中的傳播速度遠遠超過其在空氣中的傳播速度：海水中的速度約為每秒1500米，而空氣中僅為每秒340米——快了四倍左右。 震動後形成的波，在通過介質（例如水或空氣）傳播後，就形成了聲音。液體中原子的密度大於氣體中的原子密度，所以聲音在海洋中傳播得更快。 為適應海底生活而進化 海豚和鯨魚的祖先從陸地遷移到海里，那時，為了適應新環境，它們的解剖學結構發生了巨大的變化：眼珠縮小，前肢進化成鰭狀肢，後腿則合併成鰭。由於不需要維持體溫，它們的體毛也消失了，取而代之的是，一層由脂肪膨脹而成的厚厚的鯨脂外殼，使鯨魚在世界上最冷的水域也能保持體溫恆定。 利用回聲定位的動物 - 包括我們人類 羅西特教授（Professor Rossiter）還研究一種捕食昆蟲的蝙蝠，可以像齒鯨一樣利用回聲定位：和海豚一樣，這些蝙蝠能在極短的時間內發射出一陣超聲波。通過回聲，它們能夠定位到獵物所在，隨後飛至獵物棲息地。 他說： 「完全可以理解，身處洞穴或深海這樣的黑暗環境中，生物是怎麼進化出回聲定位的—— 實際上，有許多盲人已經學會了如何利用回聲定位。即使是視覺正常的人，也能通過聽聲音來辨別出自己身處何處，是在一個大的會議廳裏，還是在一個擠滿人的小空間。蝙蝠保留了典型的哺乳動物的耳朵，鯨目動物的回聲定位系統則更加完善。」 聲音的演變 為了適應水下的聲學環境，海豚和鯨魚的聽覺器官進行了極大的演變。水的密度比空氣大，因此聲波進入鯨類耳朵後，幾乎不產生「聲阻抗」：即聲波以直線穿過海洋生物的頭部，而不是像陸地動物那樣，以一定的折射率進入耳朵。 聲波到達鯨魚頭骨後，由於其速度或功率不發生改變，雙耳之間會產生一種「聲波干涉」，這對它們定位聲源造成了一定干擾。 為了避免這種干擾，鯨目動物已經在耳朵裏進化出了一個空氣袋。 它們的中耳結構已經從頭骨內部移動到外部：鼓膜（耳鼓）和小骨（耳骨）被包裹在的巨大的球狀骨殼「鼓膜泡」內。 鯨魚鼓膜泡，並排放置的是鬥牛犬頭骨。 鯨類的聽覺系統如此獨到，也歸功於其他解剖結構：與人類不同，其錐形鼓膜伸入鼓膜泡中，不呈鼓狀，也不順著頭骨平行延伸至耳道口。克拉克教授說：「以鬚鯨為例，它們的鼓膜就像一面大旗在旗桿上晃動；而海豚的鼓膜則更像是一個音叉，更硬一點。」 齒鯨的拉丁學名叫作odontocetes，下顎能夠接收聲波，將其傳入耳中。 完美高音 這些因素結合到一起，加之鯨目動物進化而成的獨特器官，使得它們能夠以一種和地球上的其他動物都不同的方式，來感知聲音，利用聲音。人類的聲波頻率感知範圍是20赫茲（Hz）到20000赫茲，一隻寬吻海豚則能夠聽到頻率高達160000赫茲的聲音—— 遠超過了狗的感知範圍。寬吻海豚對我們聽不到的高音調非常敏感：它們的射頻在44000赫茲上下。 地球上的所有生物或多或少都會用到聲波，但齒鯨可以稱得上是動物王國裏數一數二的高音達人了。 低音能手 另一方面，低音領域的王冠非鬚鯨莫屬了—— 它們就是動物音樂屆的低音符號。齒鯨高聲鳴叫相互交流，有時發出更高的咔噠聲來鎖定獵物。而鬚鯨卻慣用低沉而持續，或呻吟或咆哮的聲音，互相歌唱。通常聲波頻率很低，無法被人耳捕捉到——例如藍鯨，聲波頻率可能只有14赫茲，人耳根本無法聽見。 低頻聲波的散射、失真和傳輸損失較少，因此往往能傳播更遠，所以鬚鯨可以在數千公里的巨大範圍內相互通信。 通過一種巧妙的策略，它們實現了遠距離通信：利用「深海聲道」，也叫SOFAR聲道（聲學定位測距聲道）來傳播聲頻。 根據海洋的物理特性，靠近海平面附近的聲波較少；但在表面以下，隨著水深和維度的變化，聲波的傳播速度會發生變化，在傳播時的傳輸損失也比較低。 歌聲綿延數英里 海水中鯨魚的歌聲在水平波段內能傳播至數千公里遠，人們把這種現象稱之為「聲波導」。20世紀40年代，冷戰時期的科學家們發現了這種深海聲道的存在，並且將之應用到了潛艇戰中，不過只是戰略性地監聽數千公里外的蘇聯潛艇。 鯨魚：遠距離交流專家 利用海洋不同深度具有的不同聲學特性來發送信號，以延伸傳播距離的，海軍不是第一人。早在海軍之前，鯨類就已經有一套自己的行為模式，能夠實現遠距離通信：舉個例子，長鬚鯨在海面的聲音傳播距離僅有250公里，但如果是通過深海聲道傳播，傳播距離最遠可超過6000公里。 克拉克教授解釋說：「鯨類靠近水面時，發出的呼叫經過海面和海洋大陸棚的折射後，迅速就會消散了。但是一旦進入深海領域，海水物理折射率低，聲能就牢牢地待在水裏，聲波也就能夠傳播得更遠、更快了。這也就是為什麼，我身處弗吉尼亞州，通過水中聽音器能夠聽到千里之外，有藍鯨在愛爾蘭的海岸邊歌唱。」 通過深海聲道，鬚鯨不僅能夠實現互相通信，還能巡航。由於聲波遇到障礙物會彈回，通過這種回聲定位，他們能在腦內畫好一張海地地圖。 他解釋道：「我追蹤過一群藍鯨，它們在海中山、島嶼和海底大陸架之間激流迴旋——不是漫無目的地亂遊，而是通過發出波長長達一個足球場的聲波，直接遊去聲音定位出來的地方。比起回聲定位，這種方式更像是『回聲測繪』或者『回聲測域』。」 「為了研究這些動物，我必須徹底重塑時間和空間觀念，因為聲波的傳播速度為一分鐘25000英里——假設250英里處有一沿海大陸架，那麼聲波到達要花上10分鐘，返回又要10分鐘。人類世界不存在等20分鐘就為了聽個響的。但是藍鯨等得下去，甚至還能繪製身處環境的聲學地圖。」 聲音最嘹亮的動物 動物王國裏，鯨須的聲音不僅能到達最遠處，這些深淵巨人們也能夠發出最為嘹亮的聲音：藍鯨的聲音可以達到180分貝，創下了世界紀錄——噴氣式飛機發出的聲音也不過如此了。 耗時最長的歌 鬚鯨還是動物界呼叫聲最長的記錄保持者，還創作出過若干著名的歌謠（一說是為了繁殖，尚未證實）。保持這個記錄的是鬚鯨中的座頭鯨：雄性座頭鯨一次唱歌可達數小時（不斷重唱同一首約10分鐘長度的歌曲）。一如人類的音樂一般，它們會重覆歌曲中的片段，反覆尖叫、咆哮和呻吟。每個片段可能長達30分鐘，最長的一首歌可能要唱上23小時。 座頭鯨還保持了一項記錄，鯨類中發行過最多黑膠唱片的要屬它們： 1979年，《國家地理》雜誌將《座頭鯨之歌》作為隨刊附贈，發行了1000萬份——10種語言版本共同發行。在座頭鯨身上，許多科學家看到了一種文化的形式：不同地區的鯨魚每年會吟唱不同的歌曲，所有雄性唱的都是同一首歌。《千里之歌》的作者、音樂學家羅森博格（David Rothenberg）稱，它們唱的是一首「國歌」 。 值得注意的是，座頭鯨群體會對歌曲進行改編—— 一周之內，所有雄性就又能夠做到同步尖叫、咆哮和呻吟了。 發現鯨魚之歌 我們知道，古代水手會聽到鯨魚穿過船體的聲音，他們不知道聽到的是什麼（傳說是美人魚的歌聲）。 20世紀50年代，科學家們才發現了鯨魚之歌，當時駐扎在百慕大的美國科學家們在監聽蘇聯潛艇的時候，意外捕獲了這些聲音。 此後15年，美國海軍一直沒有對外公布鯨魚之歌的事情。直到1967年，工程師沃特林頓（Frank Watlington）才將所有刻錄下來的鯨歌交給了佩恩（Roger Payne），佩恩是一名生物學家，專攻蝙蝠和貓頭鷹的聲音。沃特靈頓發現，發現鯨歌可以分成若干段落，能夠一遍遍完美地重覆。 在佩恩著手研究座頭鯨鯨歌時，他發現，每年雄性座頭鯨都會有一首新的鯨歌。1970年，佩恩和沃特靈頓將所有鯨歌整理成一個專輯，發行的《座頭鯨之歌》在一片爭議中開啟了一場環保運動。使成千上萬的人意識到，這些歌曲的演唱者竟是一種被人類大量屠殺了數百年的動物。於是爆發了大規模的抗議運動，以至於1972年的聯合國人類環境會議直接決定，10年內暫停全球範圍內的商業捕鯨活動——當時，10年的商業捕殺時間足以讓鯨魚滅亡。 無心插柳之間，軍事研究竟引發了物種啟蒙和保護運動。 海豚回聲定位系統在軍隊中的應用 要研究鯨魚和海豚的聲學能力，美國軍方自然有其他的借口。海豚、虎鯨和白鯨這類齒鯨，不僅能夠通過回聲定位來映射周遭環境，還能夠用它來定位獵物位置。通過震動頭頂鼻尖處的「聲唇」，海豚能夠通過其額隆（前額的圓形凸起）來調節聲波束， 用來瞄凖獵物。聲波撞到獵物後自動彈回，海豚接收到這一信號（大多通過下頜接收），不僅能定位到獵物位置，還能判斷出其尺寸。 海豚的回聲定位系統十分敏銳，甚至通過鰾的大小就能夠預判魚有多大。而白鯨回聲定位更為精密，在一塊遮擋物後都能判斷出物體形狀。遠超人類技術水平。 美國軍方認識到要通過海豚來學習水底聲學應用，這也不足為奇。來自美國、俄羅斯、伊朗和烏克蘭四個國家的軍事科學家都研究過海豚：其中一個國家學習了回聲定位，旨在設計出更好的潛艇和聲納探測器；有兩個國家馴化了海豚，使其能夠辨別附近的潛艇、檢測水下爆炸裝置所在、揭開不明物體的真實身份。 20世紀60年代，美國科學家開始利用海豚。越戰期間曾經訓練過一批海豚，不僅用於排雷工作，海豚還要負責把炸藥粘在敵人的船隻上，甚至還要將二氧化碳空心尖管刺入敵方蛙人體內。如今，美國軍方仍然保留了一支海豚特種部隊，目前位於聖地亞哥附近的洛馬角潛艇基地，每年在100多頭海豚上投資的軍費逾2000萬美元。 相比其它四感，海豚和鯨魚更加依賴聽覺，用以互相理解、定位巡航，甚至統治一方領地。 夏威夷海洋生物學研究所的歐教授（Professor Whitlow Ou）是海洋哺乳動物研究項目的榮譽研究員，他解釋說：「他們仍在海軍研究範圍之內，因為目前尚未找到替代品——海軍一早就想把海豚換下來了，但沒有付諸行動，因為我們沒有比海豚更好的聲吶了。我們不能百分百探測到埋在沙中的地雷，但是海豚不僅能找到地雷，還不會誤報，不會讓我們白白挖來一堆岩石。」 20世紀70年代，歐博士開始研究海豚回聲定位，當時他被海軍招募，成為一名電子工程師。他專門研究生物聲學，為軍隊開發新的設備。 在他的頭幾個項目裏，有一項研究了開闊水域中海豚能探測到小型球狀物體的最遠距離。 他發現，野生海豚發出的回聲定位，聲音比飼養的要大100倍（研究僅適用於海豚）。他說，海豚可以調整音量大小以適應環境——這也就解釋了為什麼被抓捕的海豚聲音小。歐博士說，這一發現可能太過「令人驚訝」了，甚至連他的第一篇論文都被打了回來，因為人們不相信動物還能調整自己的音量。 他說：「論文最終過審發表前，我只得把設備都嚴格檢查了個遍。」 此後，他與軍方的合作開始「走下坡路」。他說：「我希望我所做的研究都能公開發表 ——我不想有所保留。 [比起軍事技術]我更想對科學界有所貢獻。」 未解之謎 事實上，歐教授對海豚生物學的興趣遠遠超過軍事技術，他又花了四十年時間來研究鯨類回聲定位，這也令他獲得了鯨類聲學領域「教父」的美名。 「還有很多問題仍然沒有答案，」歐教授說。 「那麼遠的距離，海豚到底是怎麼分辨物體的？為什麼它們有這種能力？ 它們接收的信號是怎麼樣的？信號是怎麼處理的？」 去年，賓州州立大學材料研究院下設數學系的曹文武教授在《應用物理評論》（Physical Review Applied）雜誌上發過一項研究，描述海豚如何使用腦部的油性物質（一種「超級材料」）來發射出窄窄的一束束定向聲波。這種聲波區別於普通的聲波，在傳播時不會四散開來。 他說：「為什麼海豚這種小型動物能夠用小腦定位遠處的魚類，我們從這個點切入進行了研究——海豚的這種能力是教科書解釋不清的。通過肌肉運動，海豚能夠改變頭部形狀，從而改變聲波的角度——這在當時並不為人所知。 至於海豚如何接收聲波信號，我們至今還沒有弄清楚。我甚至還想知道它們是如何做到聲波成像的。」 「我們人類有兩隻眼睛，能夠三維成像。 但海豚如何利用它們的聲學結構系統，接受不同角度傳來的物體信息，這一點仍然是未知。有可能是用耳朵，也有可能是牙齒——現在還是個謎團。」 曹教授將繼續研究齒鯨回聲定位，因為包括這個問題在內的很多問題尚未解決。 誠如研究海豚回聲定位四十年的歐教授所說：「這些迷人的生物有著令人著迷的能力——動物學家也正因此而不斷前行。」 以上圖片皆出自George Karbus Photography / Getty，請訪問BBC Travel 閲讀英文原文。