海洋中的智慧（二）：海豚的歌声

文/卡尔·齐默 译/靳 萌 编辑/吴冠宇

海洋中的智慧（二）：海豚的歌声

文/卡尔·齐默 译/靳 萌 编辑/吴冠宇

那些嗡嗡声、口哨声和嘭嘭声似乎是海豚之间用来交流的，而滴答声则是用来展现它们周围环境的。它们是从额隆体传出的一道声波，海豚把它们用来像手电筒一样在水里扫描。

在南非巴哈马群岛，海豚们在面对镜头时，似乎更爱表现、更欢腾，表现欲望极强。 摄影/barcroftmedia/CFP

如果想要判断诺里斯是对还是错，必须要能看见海豚头部在自然状态下的结构。没有这样的精确描述，没有人能确切地知道声音从哪里来又传到哪里去。

游泳需要有复杂的身体构造——整套的制冷器官、弹簧、鞘和杠杆。但相比海豚前额里如此奇怪和复杂的器官，它们身体的其余部位就像独轮车的构造一样简单易懂。海豚的头部里面隐藏着一种能通过声音了解海洋的能力。当达尔文研究出并宣称进化是如何产生复杂结构的时候，他所选用的例证是眼睛。这个小小的球体仅靠很多个不同部位——水晶体、瞳孔、视网膜、透明胶状物、肌肉、色素、血液、神经——一起工作就能把光线聚集成物象，让我们看见大千世界。但他很可能没有想到还有比眼睛更复杂、精巧和敏感的器官。如果达尔文现在再写他的著作的话，我想他会选择海豚的声纳定位系统作为例证。

这种传动系统的最佳向导是特德·克兰福德 (Ted Cranford)。从1984年开始，克兰福德在肯·诺里斯 (Ken Norris) 的引导下一直在研究鲸头颅的内部构造。肯·诺里斯是加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的退休教授和回声定位装置的专家。在1960年时，动物学家就知道齿类鲸会发出滴答声、嗡嗡声、口哨声和嘭嘭声，而且它们能够利用滴答声和回声探测周围的事物，就像蝙蝠一样。过去人们想当然地认为这种声音是发自齿类动物的喉咙。当一位解剖学家从一只死去的海豚嘴里割下它的舌头时，他发现这个舌头看起来就像一个肉质的情人节心结，而从舌头根部长出来的则是一个长柄，尽头处是个两片微笑着的嘴唇样的东西。这个就是海豚的喉咙。假设我们哺乳动物的喉咙是能发出声音的，而且海豚的喉咙是由18块肌肉控制的，那么大多数人就会认为齿类鲸的声音也是从喉咙发出来的。但在1960年，诺里斯通过指出海豚不能探测位于它颌下方的物体来驳斥这个普遍的判断。事实上，如果物体靠近海豚那有着平滑曲线的头部上方的1/4圆周处，海豚就能精确地确定物体的位置。诺里斯由此声称声音不可能是从海豚的喉咙发出来的——声音肯定是从它鼻腔的通道发出来的，而这个通道就位于从颅骨到呼吸孔这两点间的某处。

在后来的几年里，实验证明了诺里斯的观点是正确的，但克兰福德的研究却指出并非如此。克兰福德刚开始在圣克鲁斯做研究的时候，诺里斯建议他在电脑上重新构想海豚的头部结构。几十年来，解剖学家一直在对海豚进行解剖，尽管他们的工作极具重要性，但他们采取的手段还存在局限性。克兰福德说：“你能从解剖研究资料中得到的仅仅是那种典型的‘膝盖骨和大腿骨是连接在一起的’文字。”回声定位的设备——液囊、管子、脂肪块、骨头、软骨，它们的三维立体位置都有精确的安排，这不是仅仅割开海豚的头部就能了解的。如果想要判断诺里斯是对还是错，必须要能看见海豚头部在自然状态下的结构。没有这样的精确描述，没有人能确切地知道声音从哪里来又传到哪里去。克兰福德认为这项工程其实很简单——他只需要做艾力克·贾维克已经对肉鳍真掌鳍鱼做过的事情：拍下头部切片里每一层内部结构的轮廓。然后他就把照片扫描到电脑里面，并用电脑计算其头部里面的三维形状。

克兰福德得到了一只因为搁浅而死在加利福尼亚海岸的宽吻海豚的头部，并把它冷冻起来，计划用镶有钻石的金丝锯把它切割成成百上千个切片并逐一拍照。他花了1年的时间才筹够钱租到金丝锯并买下镶有钻石的特殊切割线。“能把海豚的头变得真正坚硬的唯一方法就是把它放到冷藏柜里。于是夏天的时候，我在海洋世界，把海豚的头装到了冷藏柜里。我在这里和贼鸥、企鹅一起工作，它们老在我的脚边跑来跑去，我就像身处北极一样。事情进展得并不尽人意。虽然那个海豚的头部组织已经冷冻了，但还是太软，它把金属丝上镶嵌的钻石都弄掉了。”

1个月之后，克兰福德放弃了冷藏柜，毫无疑问，他的计划以昂贵的代价而失败。但在他开始割锯之前，他做了一系列的电脑断层摄影扫描，或多或少地希望能捕捉到某些细节。他细细查看了这些摄影扫描，然后意识到自己完全低估了这个机器的能力：他能在扫描中看见海豚头部的骨骼、囊、脂肪、软骨以及肌肉，详尽得不可思议。他能够把切片图样放到电脑屏幕上，勾画出每一点和每一条弧线的略图，然后把它们变成一个电脑绘制的头部。结果好极了。因此他可以用电脑断层摄影扫描来研究其他齿类动物，包括侏儒抹香鲸、海港海豚，还有太平洋白侧豚。那些充满着凄凉的绝望和丧失钻石的沮丧日子终于过去了：克兰福德相信声音发自并传回海豚的头部，他终于能够引导人们沿着这条研究路线走下去。

通过猴唇传递的空气使得猴唇本身产生频率高达每秒成千上万次的振动，克兰福德觉得这就是海豚在水下发出声音的来源。

发声的过程是从喉咙开始的。喉咙就像一个泵，挤压到鼻腔通道，这个通道从海豚的咽部延伸到头盖骨的顶部。因为有骨头的腔壁不能弯曲，所以被挤压在腔内的气体压力就剧增。鼻腔通道从头盖骨开始时就像两条并排的肉质管道。一些空气流进从管子分出的一套囊体中，但大多数空气在管子的顶端被强烈地挤压。它们被薄薄的脂肪和软骨封闭起来，这种裸露和皱缩的结构使19世纪的解剖学家将它们命名为猴唇。海豚小心翼翼地用面部肌肉控制着猴唇，就能让捕捉到的空气从它们中间逃散出去，使得猴唇像吹喇叭的人的嘴唇那样振动。等到空气跑出猴唇之后，为了不让它再跑出呼吸孔变成废气，海豚会把呼吸孔保持紧紧地关闭，空气就只好改道流进鼻腔通道的囊体中。海豚再把空气挤出囊体，并通过鼻子挤压使得空气能再次被推回到猴唇之间。

然而发出声音的并不是空气本身。靠空气传播的振动在水里就没有用了：水的密度比空气大得多，所以靠空气传播的声音就会像光线遇到镜子一样反弹回来。但是在湿软的组织中产生的振动——尤其是在某些脂肪中——可以毫不费力地移动出组织并进入水里，因为这些物质在声学上极其相似。通过猴唇传递的空气使得猴唇本身产生频率高达每秒成千上万次的振动，克兰福德觉得这就是海豚在水下发出声音的来源。

长在唇内的脂肪体叫做背上囊，这个囊连接着一块很大的脂肪组织，这个组织使得海豚的前额鼓出来。鼓出来的地方叫额隆体，它的位置在海豚头骨凹陷处的上面。生物学家曾经认为这个额隆体是一种缓冲器，只能帮助海豚的身体获得更好的流线型外形，但现在则认为是能够改变信号路线的声透镜。“这些脂肪对新陈代谢系统是有害的，”克兰福德说，“换句话说，它们的作用不是储存能量，也不是起到类似作为流线型缓冲器这样微不足道的作用。如果是为了那些目的使用，它们就太大材小用了，那些功能靠结缔组织就能做到。”当它们发出声音的时候，齿类鲸可以用面部肌肉控制额隆体的形状，可能会改变声波的路线。

海豚头部的横截面。空气经过鼻腔通道使猴唇振动，这些振动经过额隆体传到水里。

要追踪到从猴唇经过额隆体传出海豚头部的声音仍然不是克兰福德等科学家力所能及的事情。有些声波往回传并弹离头骨，还有一些从鼻腔周围的许多气囊中反射开来——骨头和空气是两种完全不同的发射器。每一条鼻管都有自己的一副猴唇，海豚可以单独地利用它们。额隆体的脂肪是由许多不同长度的分子链组成的，每个分子链都能以自己的方式改变声音的特点。在整个额隆体里，这些脂肪上似乎分布着截然不同的表面状况，但没人知道它们的作用。所有的这些声波都会互相干扰，使一些地方的声波加强，另一些地方的声波减弱，而且不仅改变声音的声调还改变声音传播的方向。

它的作用就像一个音响管道，把声音输送到海豚的耳朵里，那里有浓密的毛细胞，比普通哺乳动物强6倍的声音就是从那里把信号传送到大脑的。

“人们如果要被训练成工程师或物理学家，那么他们不会考虑这个问题，”克兰福德说，“工程师或物理学家的训练要求他们提取出一个系统的简单成分，那样他们的研究工作就可以继续走很远了。但生物学家则要被训练将事物看成是一个复杂综合的整体。如果你试图解开一个部分微分方程式，把你能在海豚头部找到的所有条件放进去，结果你会看到一些地方是坚硬的界壁，一些地方是柔软的界壁，还有一些地方虽然柔软却具有很高的反射能力——就这样无止境地下去。就算是功能最强的电脑想要算清楚也是很困难的。”

鲸类学家现在所能做的最好工作是研究从海豚头部发出来的声音。那些嗡嗡声、口哨声和嘭嘭声似乎是海豚之间用来交流的，而滴答声则是用来展现它们周围环境的。它们是从额隆体传出的一道声波，海豚把它们用来像手电筒一样在水里扫描。就像一道光线中的光子一样，声波会从碰到的物体上反射回来。为了能有如此敏锐的听觉，海豚需要具有不同于陆地上的其他哺乳动物的身体构造。你可以断定一只鸟是在你的左边歌唱，那是因为靠空气传播的歌声不能穿透骨骼。声音通过你的左耳耳廓直接传到鼓膜，但是它要从其他物体上反弹开才能在你的头部里面取道到达你的右耳。这两个信号之间会有一点延时，这样你的大脑以此来判断出鸟在什么地方。但是当你在湖里游泳并听见有摩托艇在上方驶过的时候却不能断定它的位置。如果摩托艇在你的左方，那它的声音就通过水直接传到你的左耳。为了达到你的右耳，它不需要像在空气中时那样传遍你头部。因为一些水下的声音是可以穿透骨骼的，来自船的振动在你的头颅中仅仅通过短得多的路经就可以到达你的右耳，这样就混淆了你大脑的延时测量。

上：来自英国的声学工程师约翰·斯图尔特·里德（John Stuart Reid）这几年来都在研究一种强大的发明：把声音转换成图片的机器Cy m asc o p e。这个机器仅使用沙子、1个黄铜板和1个小提琴弓就能翻译海豚的叫声，然后得到一个可以转换成图片的代码模型，从而展现出来。约翰认为这个技术有点类似古埃及文字破解。因为他实际上是在破译海豚音“印”在沙子上的图形(声波)。 摄影/barcroftmedia/CFP下：这是一幅大西洋斑点海豚的声音图像。这些形似花朵的图片并不是用计算机制作出的图案，而是工程师用软件记录动物声谱后绘制的图形。51岁的马克·费舍尔（M a r k Fischer）是美国加州Aquasonic声学室的主人。这位声学工程师将各种动物声音转化为“微波”，然后利用声学软件为其着色，从而将这些美轮美奂的图片展现给世人。摄影/barcroftmedia/CFP

鲸类就可以免遭这种混淆，因为他们的耳朵和头骨是分离的。它们的耳朵依附在一块形状像葡萄的骨骼上面，就在下颌后面垂下来，仅在头骨的边缘处与一些韧带以及周围的一些空气和泡沫囊稍有连接。这样隔离的话，耳朵就不能收集经过鲸头部分散的声音。它们的下颌是空出来的，里面填充的是同额隆体的构成相同的脂肪，这就意味着外来的声音穿过脂肪比穿过骨骼更容易，可以传回邻接在下颌的耳朵里。它的作用就像一个音响管道，把声音输送到海豚的耳朵里，那里有浓密的毛细胞，比普通哺乳动物强6倍的声音就是从那里把信号传送到大脑的。