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青蛙肺部能充当“降噪耳机”

日期: 2021-06-01
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为了成功交配,许多雄蛙会坐在一起,向潜在配偶发出叫声。这时,问题就出现了——每个试图在人声鼎沸的鸡尾酒会上听清别人说话的人都会遇到:一只雌蛙是如何在背景噪音(包括其他蛙类的声音)中听到并找到自己的如意郎君呢?现在,研究人员可能找到了答案。
3月5日,一篇发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Current Biology(《当代生物学》)上的报告显示,青蛙能做到这一点要归功于它们的肺部。当肺部膨胀时,青蛙鼓膜在特定的频率范围内降低了对环境噪音的敏感性,从而更容易关注配偶的叫声。
青蛙肺部能充当“降噪耳机”
 
“从本质上讲,肺消除了鼓膜对噪音的反应,特别是对一些不在调上的‘繁殖大合唱’中所遇到的噪音。”论文主要作者、明尼苏达大学圣奥拉夫学院的Norman Lee说。
 
研究人员解释说,青蛙肺部所做的事情被称为“声谱对比度增强”。这是因为,与相邻频率的噪声相比,它使雄性声谱的频率尤为突出。
 
“这类似于某些助听器和耳蜗植入物中用于增强声谱对比度的信号处理算法。”明尼苏达大学双城校区的资深作者Mark Bee说,“人类设计这种算法,用来放大或提升语音的频率,减弱或过滤语音之间的频率,或两者兼而有之。青蛙的肺部似乎会减弱雄性交配叫声之间的频率。我们认为,这种现象发生的物理机制与降噪耳机的工作原理类似。”
 
科学家们早就知道,声音信号是大多数青蛙繁殖的关键。事实上,青蛙拥有一种独特的发声途径,可以将声音从充满空气的肺部通过声门、口腔和咽鼓管传到充满空气的中耳。但这种从肺到耳朵的声音传递的精确运行过程一直是个谜。早期研究表明,青蛙肺部可能在增强鼓膜振动的方向性上发挥了作用,从而提高雌蛙定位“呼唤配偶”的雄蛙的能力。但Bee团队发现事实并非如此。
 
研究人员对数据进一步分析提出了一种截然不同的解释:青蛙肺的膨胀状态不仅对听力定向毫无影响,反倒对鼓膜的敏感性有重大影响。肺部充气后,鼓膜对特定频率范围内声音的反应就会减少。这让他们产生了一个新想法:肺可以抑制振动,从而消除噪音。
 
确实,研究人员使用激光振动测量仪研究表明,充气肺的共振选择性地降低了鼓膜对同种青蛙求偶叫声中出现的两个声谱峰值之间频率的敏感度。研究证实,无论雌蛙肺胀得多厉害,它都能听见同类雄蛙的声音。因此,肺对雌蛙感兴趣的“信号”照单全收,但是对“噪音”呢?
 
他们已经知道,任何一种蛙类的主要噪音来源是同一时间“求偶”的其他蛙类的叫声。但是他们不知道有多少或哪些蛙类物种会在其地盘上与绿树蛙“大合唱”,更不知道它们的声谱如何。为了找到答案,研究人员使用了一个名为“北美两栖动物监测计划”的公众科学项目的公开数据。他们对这些数据的分析表明,绿树蛙充气的肺部会让它们难以听到其他蛙类的叫声,却能听到同伴的叫声。
 
“毋庸置疑,我们认为这个结果——蛙肺部可以消除鼓膜对其他蛙类发出的噪音的反应——非常酷!”Bee说。
 
最后,研究人员建立了一个绿树蛙内耳处理声音的生理模型,以检查肺部对鼓膜的影响如何转化为对同伴叫声的更强有力的神经反应。他们认为工作原理是这样的:内耳在某种程度上是“调谐”的,以便对物种自身叫声的频率做出最佳响应。但这种调谐并非完美。作者认为,肺部在听觉方面的一个主要功能是加强或改善这种调谐,通过减少由其他蛙类叫声引起的神经反应,让内耳对同类蛙的叫声产生相对更强的神经反应。
 
青蛙肺部能充当“降噪耳机”
研究人员说,这些发现证明了进化的力量,即利用已有适应性来适应新的功能。在未来的工作中,他们希望进一步了解决定鼓膜振动响应的三种声源(外部声源、内部声源和肺部声源)之间的物理相互作用。他们还想进一步了解青蛙的噪音消除有多普遍。
 
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This work was supported by the U.S. National Science Foundation.
 
Current Biology, 作者Lee 等: 'Lung Mediated Auditory Contrast Enhancement Improves the Signal-to-Noise Ratio for Communication in Frogs'
文章URL :https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00113-5 
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2021.01.048 
 
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请联系: jo.xing@cell.com 获取原文PDF 


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