海洋中的智慧（二）：海豚的歌聲

文/卡爾·齊默 譯/靳 萌 編輯/吳冠宇

海洋中的智慧（二）：海豚的歌聲

文/卡爾·齊默 譯/靳 萌 編輯/吳冠宇

那些嗡嗡聲、口哨聲和嘭嘭聲似乎是海豚之間用來交流的，而滴答聲則是用來展現(xiàn)它們周圍環(huán)境的。它們是從額隆體傳出的一道聲波，海豚把它們用來像手電筒一樣在水里掃描。

在南非巴哈馬群島，海豚們在面對鏡頭時(shí)，似乎更愛表現(xiàn)、更歡騰，表現(xiàn)欲望極強(qiáng)。 攝影/barcroftmedia/CFP

如果想要判斷諾里斯是對還是錯(cuò)，必須要能看見海豚頭部在自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。沒有這樣的精確描述，沒有人能確切地知道聲音從哪里來又傳到哪里去。

游泳需要有復(fù)雜的身體構(gòu)造——整套的制冷器官、彈簧、鞘和杠桿。但相比海豚前額里如此奇怪和復(fù)雜的器官，它們身體的其余部位就像獨(dú)輪車的構(gòu)造一樣簡單易懂。海豚的頭部里面隱藏著一種能通過聲音了解海洋的能力。當(dāng)達(dá)爾文研究出并宣稱進(jìn)化是如何產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的時(shí)候，他所選用的例證是眼睛。這個(gè)小小的球體僅靠很多個(gè)不同部位——水晶體、瞳孔、視網(wǎng)膜、透明膠狀物、肌肉、色素、血液、神經(jīng)——一起工作就能把光線聚集成物象，讓我們看見大千世界。但他很可能沒有想到還有比眼睛更復(fù)雜、精巧和敏感的器官。如果達(dá)爾文現(xiàn)在再寫他的著作的話，我想他會選擇海豚的聲納定位系統(tǒng)作為例證。

這種傳動系統(tǒng)的最佳向?qū)翘氐隆た颂m福德 (Ted Cranford)。從1984年開始，克蘭福德在肯·諾里斯 (Ken Norris) 的引導(dǎo)下一直在研究鯨頭顱的內(nèi)部構(gòu)造。肯·諾里斯是加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校的退休教授和回聲定位裝置的專家。在1960年時(shí)，動物學(xué)家就知道齒類鯨會發(fā)出滴答聲、嗡嗡聲、口哨聲和嘭嘭聲，而且它們能夠利用滴答聲和回聲探測周圍的事物，就像蝙蝠一樣。過去人們想當(dāng)然地認(rèn)為這種聲音是發(fā)自齒類動物的喉嚨。當(dāng)一位解剖學(xué)家從一只死去的海豚嘴里割下它的舌頭時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)舌頭看起來就像一個(gè)肉質(zhì)的情人節(jié)心結(jié)，而從舌頭根部長出來的則是一個(gè)長柄，盡頭處是個(gè)兩片微笑著的嘴唇樣的東西。這個(gè)就是海豚的喉嚨。假設(shè)我們哺乳動物的喉嚨是能發(fā)出聲音的，而且海豚的喉嚨是由18塊肌肉控制的，那么大多數(shù)人就會認(rèn)為齒類鯨的聲音也是從喉嚨發(fā)出來的。但在1960年，諾里斯通過指出海豚不能探測位于它頜下方的物體來駁斥這個(gè)普遍的判斷。事實(shí)上，如果物體靠近海豚那有著平滑曲線的頭部上方的1/4圓周處，海豚就能精確地確定物體的位置。諾里斯由此聲稱聲音不可能是從海豚的喉嚨發(fā)出來的——聲音肯定是從它鼻腔的通道發(fā)出來的，而這個(gè)通道就位于從顱骨到呼吸孔這兩點(diǎn)間的某處。

在后來的幾年里，實(shí)驗(yàn)證明了諾里斯的觀點(diǎn)是正確的，但克蘭福德的研究卻指出并非如此?？颂m福德剛開始在圣克魯斯做研究的時(shí)候，諾里斯建議他在電腦上重新構(gòu)想海豚的頭部結(jié)構(gòu)。幾十年來，解剖學(xué)家一直在對海豚進(jìn)行解剖，盡管他們的工作極具重要性，但他們采取的手段還存在局限性?？颂m福德說：“你能從解剖研究資料中得到的僅僅是那種典型的‘膝蓋骨和大腿骨是連接在一起的’文字。”回聲定位的設(shè)備——液囊、管子、脂肪塊、骨頭、軟骨，它們的三維立體位置都有精確的安排，這不是僅僅割開海豚的頭部就能了解的。如果想要判斷諾里斯是對還是錯(cuò)，必須要能看見海豚頭部在自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。沒有這樣的精確描述，沒有人能確切地知道聲音從哪里來又傳到哪里去。克蘭福德認(rèn)為這項(xiàng)工程其實(shí)很簡單——他只需要做艾力克·賈維克已經(jīng)對肉鰭真掌鰭魚做過的事情：拍下頭部切片里每一層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輪廓。然后他就把照片掃描到電腦里面，并用電腦計(jì)算其頭部里面的三維形狀。

克蘭福德得到了一只因?yàn)閿R淺而死在加利福尼亞海岸的寬吻海豚的頭部，并把它冷凍起來，計(jì)劃用鑲有鉆石的金絲鋸把它切割成成百上千個(gè)切片并逐一拍照。他花了1年的時(shí)間才籌夠錢租到金絲鋸并買下鑲有鉆石的特殊切割線。“能把海豚的頭變得真正堅(jiān)硬的唯一方法就是把它放到冷藏柜里。于是夏天的時(shí)候，我在海洋世界，把海豚的頭裝到了冷藏柜里。我在這里和賊鷗、企鵝一起工作，它們老在我的腳邊跑來跑去，我就像身處北極一樣。事情進(jìn)展得并不盡人意。雖然那個(gè)海豚的頭部組織已經(jīng)冷凍了，但還是太軟，它把金屬絲上鑲嵌的鉆石都弄掉了。”

1個(gè)月之后，克蘭福德放棄了冷藏柜，毫無疑問，他的計(jì)劃以昂貴的代價(jià)而失敗。但在他開始割鋸之前，他做了一系列的電腦斷層攝影掃描，或多或少地希望能捕捉到某些細(xì)節(jié)。他細(xì)細(xì)查看了這些攝影掃描，然后意識到自己完全低估了這個(gè)機(jī)器的能力：他能在掃描中看見海豚頭部的骨骼、囊、脂肪、軟骨以及肌肉，詳盡得不可思議。他能夠把切片圖樣放到電腦屏幕上，勾畫出每一點(diǎn)和每一條弧線的略圖，然后把它們變成一個(gè)電腦繪制的頭部。結(jié)果好極了。因此他可以用電腦斷層攝影掃描來研究其他齒類動物，包括侏儒抹香鯨、海港海豚，還有太平洋白側(cè)豚。那些充滿著凄涼的絕望和喪失鉆石的沮喪日子終于過去了：克蘭福德相信聲音發(fā)自并傳回海豚的頭部，他終于能夠引導(dǎo)人們沿著這條研究路線走下去。

通過猴唇傳遞的空氣使得猴唇本身產(chǎn)生頻率高達(dá)每秒成千上萬次的振動，克蘭福德覺得這就是海豚在水下發(fā)出聲音的來源。

發(fā)聲的過程是從喉嚨開始的。喉嚨就像一個(gè)泵，擠壓到鼻腔通道，這個(gè)通道從海豚的咽部延伸到頭蓋骨的頂部。因?yàn)橛泄穷^的腔壁不能彎曲，所以被擠壓在腔內(nèi)的氣體壓力就劇增。鼻腔通道從頭蓋骨開始時(shí)就像兩條并排的肉質(zhì)管道。一些空氣流進(jìn)從管子分出的一套囊體中，但大多數(shù)空氣在管子的頂端被強(qiáng)烈地?cái)D壓。它們被薄薄的脂肪和軟骨封閉起來，這種裸露和皺縮的結(jié)構(gòu)使19世紀(jì)的解剖學(xué)家將它們命名為猴唇。海豚小心翼翼地用面部肌肉控制著猴唇，就能讓捕捉到的空氣從它們中間逃散出去，使得猴唇像吹喇叭的人的嘴唇那樣振動。等到空氣跑出猴唇之后，為了不讓它再跑出呼吸孔變成廢氣，海豚會把呼吸孔保持緊緊地關(guān)閉，空氣就只好改道流進(jìn)鼻腔通道的囊體中。海豚再把空氣擠出囊體，并通過鼻子擠壓使得空氣能再次被推回到猴唇之間。

然而發(fā)出聲音的并不是空氣本身?？靠諝鈧鞑サ恼駝釉谒锞蜎]有用了：水的密度比空氣大得多，所以靠空氣傳播的聲音就會像光線遇到鏡子一樣反彈回來。但是在濕軟的組織中產(chǎn)生的振動——尤其是在某些脂肪中——可以毫不費(fèi)力地移動出組織并進(jìn)入水里，因?yàn)檫@些物質(zhì)在聲學(xué)上極其相似。通過猴唇傳遞的空氣使得猴唇本身產(chǎn)生頻率高達(dá)每秒成千上萬次的振動，克蘭福德覺得這就是海豚在水下發(fā)出聲音的來源。

長在唇內(nèi)的脂肪體叫做背上囊，這個(gè)囊連接著一塊很大的脂肪組織，這個(gè)組織使得海豚的前額鼓出來。鼓出來的地方叫額隆體，它的位置在海豚頭骨凹陷處的上面。生物學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為這個(gè)額隆體是一種緩沖器，只能幫助海豚的身體獲得更好的流線型外形，但現(xiàn)在則認(rèn)為是能夠改變信號路線的聲透鏡?！斑@些脂肪對新陳代謝系統(tǒng)是有害的，”克蘭福德說，“換句話說，它們的作用不是儲存能量，也不是起到類似作為流線型緩沖器這樣微不足道的作用。如果是為了那些目的使用，它們就太大材小用了，那些功能靠結(jié)締組織就能做到?！碑?dāng)它們發(fā)出聲音的時(shí)候，齒類鯨可以用面部肌肉控制額隆體的形狀，可能會改變聲波的路線。

海豚頭部的橫截面?？諝饨?jīng)過鼻腔通道使猴唇振動，這些振動經(jīng)過額隆體傳到水里。

要追蹤到從猴唇經(jīng)過額隆體傳出海豚頭部的聲音仍然不是克蘭福德等科學(xué)家力所能及的事情。有些聲波往回傳并彈離頭骨，還有一些從鼻腔周圍的許多氣囊中反射開來——骨頭和空氣是兩種完全不同的發(fā)射器。每一條鼻管都有自己的一副猴唇，海豚可以單獨(dú)地利用它們。額隆體的脂肪是由許多不同長度的分子鏈組成的，每個(gè)分子鏈都能以自己的方式改變聲音的特點(diǎn)。在整個(gè)額隆體里，這些脂肪上似乎分布著截然不同的表面狀況，但沒人知道它們的作用。所有的這些聲波都會互相干擾，使一些地方的聲波加強(qiáng)，另一些地方的聲波減弱，而且不僅改變聲音的聲調(diào)還改變聲音傳播的方向。

它的作用就像一個(gè)音響管道，把聲音輸送到海豚的耳朵里，那里有濃密的毛細(xì)胞，比普通哺乳動物強(qiáng)6倍的聲音就是從那里把信號傳送到大腦的。

“人們?nèi)绻挥?xùn)練成工程師或物理學(xué)家，那么他們不會考慮這個(gè)問題，”克蘭福德說，“工程師或物理學(xué)家的訓(xùn)練要求他們提取出一個(gè)系統(tǒng)的簡單成分，那樣他們的研究工作就可以繼續(xù)走很遠(yuǎn)了。但生物學(xué)家則要被訓(xùn)練將事物看成是一個(gè)復(fù)雜綜合的整體。如果你試圖解開一個(gè)部分微分方程式，把你能在海豚頭部找到的所有條件放進(jìn)去，結(jié)果你會看到一些地方是堅(jiān)硬的界壁，一些地方是柔軟的界壁，還有一些地方雖然柔軟卻具有很高的反射能力——就這樣無止境地下去。就算是功能最強(qiáng)的電腦想要算清楚也是很困難的。”

鯨類學(xué)家現(xiàn)在所能做的最好工作是研究從海豚頭部發(fā)出來的聲音。那些嗡嗡聲、口哨聲和嘭嘭聲似乎是海豚之間用來交流的，而滴答聲則是用來展現(xiàn)它們周圍環(huán)境的。它們是從額隆體傳出的一道聲波，海豚把它們用來像手電筒一樣在水里掃描。就像一道光線中的光子一樣，聲波會從碰到的物體上反射回來。為了能有如此敏銳的聽覺，海豚需要具有不同于陸地上的其他哺乳動物的身體構(gòu)造。你可以斷定一只鳥是在你的左邊歌唱，那是因?yàn)榭靠諝鈧鞑サ母杪暡荒艽┩腹趋?。聲音通過你的左耳耳廓直接傳到鼓膜，但是它要從其他物體上反彈開才能在你的頭部里面取道到達(dá)你的右耳。這兩個(gè)信號之間會有一點(diǎn)延時(shí)，這樣你的大腦以此來判斷出鳥在什么地方。但是當(dāng)你在湖里游泳并聽見有摩托艇在上方駛過的時(shí)候卻不能斷定它的位置。如果摩托艇在你的左方，那它的聲音就通過水直接傳到你的左耳。為了達(dá)到你的右耳，它不需要像在空氣中時(shí)那樣傳遍你頭部。因?yàn)橐恍┧碌穆曇羰强梢源┩腹趋赖?，來自船的振動在你的頭顱中僅僅通過短得多的路經(jīng)就可以到達(dá)你的右耳，這樣就混淆了你大腦的延時(shí)測量。

上：來自英國的聲學(xué)工程師約翰·斯圖爾特·里德（John Stuart Reid）這幾年來都在研究一種強(qiáng)大的發(fā)明：把聲音轉(zhuǎn)換成圖片的機(jī)器Cy m asc o p e。這個(gè)機(jī)器僅使用沙子、1個(gè)黃銅板和1個(gè)小提琴弓就能翻譯海豚的叫聲，然后得到一個(gè)可以轉(zhuǎn)換成圖片的代碼模型，從而展現(xiàn)出來。約翰認(rèn)為這個(gè)技術(shù)有點(diǎn)類似古埃及文字破解。因?yàn)樗麑?shí)際上是在破譯海豚音“印”在沙子上的圖形(聲波)。 攝影/barcroftmedia/CFP下：這是一幅大西洋斑點(diǎn)海豚的聲音圖像。這些形似花朵的圖片并不是用計(jì)算機(jī)制作出的圖案，而是工程師用軟件記錄動物聲譜后繪制的圖形。51歲的馬克·費(fèi)舍爾（M a r k Fischer）是美國加州Aquasonic聲學(xué)室的主人。這位聲學(xué)工程師將各種動物聲音轉(zhuǎn)化為“微波”，然后利用聲學(xué)軟件為其著色，從而將這些美輪美奐的圖片展現(xiàn)給世人。攝影/barcroftmedia/CFP

鯨類就可以免遭這種混淆，因?yàn)樗麄兊亩浜皖^骨是分離的。它們的耳朵依附在一塊形狀像葡萄的骨骼上面，就在下頜后面垂下來，僅在頭骨的邊緣處與一些韌帶以及周圍的一些空氣和泡沫囊稍有連接。這樣隔離的話，耳朵就不能收集經(jīng)過鯨頭部分散的聲音。它們的下頜是空出來的，里面填充的是同額隆體的構(gòu)成相同的脂肪，這就意味著外來的聲音穿過脂肪比穿過骨骼更容易，可以傳回鄰接在下頜的耳朵里。它的作用就像一個(gè)音響管道，把聲音輸送到海豚的耳朵里，那里有濃密的毛細(xì)胞，比普通哺乳動物強(qiáng)6倍的聲音就是從那里把信號傳送到大腦的。