会回声定位的不只是蝙蝠,人类也能习得这一技能? | 早期实验室

神译局 · 2017-03-31
科学家猜想,这些回声定位的生物其大脑内部的运作方式是否和人类有共性?

编者按:有些动物视力不佳,最为我们熟知的就是蝙蝠。然而,最近科学家发现,蝙蝠也并不是回声定位的唯一掌握者,有一种叫做猪尾鼠的锯齿动物也可以做到。进而科学家想要研究,是否人类也可以学习这一技能呢?如果可以的话,这必将对盲人有巨大帮助,也可能颠覆目前的医疗技术。本文作者 Jason Bittel进行了详细介绍。

猪尾鼠的生存之道

在越南的森林里,每当夜幕降临之时,一个鬼鬼祟祟的小型锯齿动物在黑暗中出现并开始四处寻找水果和种子。Typhlomys,又称为软毛树鼠或是猪尾鼠。长约三英寸,但是舞动着比其身体还长的白色尾巴。它在黑暗中移动速度极快以至于在人类肉眼看来,它只是夜间模糊的一点而已。

这之所以令人惊奇的原因是,其实猪尾鼠是看不到任何东西的。当科学家用显微镜观察猪尾鼠的眼球 时,他们发现其视觉系统简直无用。研究人员这样写道:“不规则的视网膜褶皱破坏了图像投影的连续性,而镜片与视网膜之间窄小的空间无法对事物进行对焦。更可惜的是它们还缺少接受图像的神经节细胞,神经节细胞往往决定了视觉系统的感光能力。猪尾鼠可以分辨亮光和黑暗,除此之外,毫无感知力。”

那么猪尾鼠是是怎样活下来的,从而避免成为捕食者的猎物呢?根据“动物学综合报告”于去年12月发布的报告来看,这种长尾巴的小绒球有自己的独门绝技:通过发出超声波然后通过反射波来判断其环境。这么听起来好像和其他夜间哺乳类动物并无差别,是的,猪尾鼠可能就是一种“过渡动物”,可作为理解蝙蝠进化研究中的关键参考。

猪尾鼠采用的回声系统被长期认为只存在于蝙蝠、鲸鱼这类动物当中。(地鼠曾也被认为拥有这种技能,最新的研究无疑证明了这个观点。)也就是说,俄罗斯科学家把猪尾鼠囚禁起来并观察到了它们发出的超声波后,相关的研究与猜测也被随之证实了。

俄罗斯Severtsov研究所的功能形态学家Panyutina说:“猪尾鼠发出的超声波频率和蝙蝠出奇的相似”。而两者的不同则表现在猪尾鼠发出的信号十分的模糊。它们可以逃避人耳以及“蝙蝠收集器”的设备,后者通常被用来收听蝙蝠的声音。这也是可以理解的,因为尽管猪尾鼠的移动速度很快,但是相比于在空中飞的蝙蝠,它还是要慢很多。而且由于在地上穿行,周围的坐标物也要近很多,所以不需要很强的超声波信号。

发现具有如此超能力的锯齿动物让科学家感到兴奋,原因有很多。对于初学者来说,这是锯齿类动物中的第一个。其次,大量的锯齿类动物没有超声波定位能力依旧可以活的很好,这就提出了为什么猪尾鼠会继续进化的问题。但是最令人兴奋的还是我们可以借此研究蝙蝠进化的原因。

会用回声定位的,并非只有蝙蝠

科学家一直在辩论具体的回声系统起源时间。通过超声波定位的水果蝙蝠表明了一些蝙蝠是在飞行之后才获得了这个技能的。而其他科学家却持相反的态度—小蝙蝠一开始通过声波定位学习跳跃或者滑行,在此之后才真正学会了飞行。

 然而现在的“先有声波定位理论”有一个大问题,我们并没有任何的过渡动物记录,无论是现存的还是化石。直到我们发现了猪尾鼠。

当然,辩论并没有因此而停止。事实上,最近通过对蝙蝠耳骨的研究表明,水果蝙蝠从没有通过声波定位的能力,这是对于先会飞行后会定位的理论支持。然而另一项研究表明,一些水果蝙蝠是可以通过拍动翅膀来进行声波定位的。这是蝙蝠特有的,并非所有动物都通过嘴巴来发出声波。

也许并非蝙蝠多么特别。只是因为我们生活在回声定位研究的黄金年代,单单去年年初到今天,就已经出版了100多项关于“回声定位”的研究。随着对于猪尾鼠研究的深入,我们发现我们还有很多东西需要去了解这个超级技能的起源与性质。大胆想象一下,是否还有其他回声定位的方式呢?是否有些我们从没想到过的定位方式呢?

例如去年秋季在PLOS生物学发布的一个报告,讨论了大棕色蝙蝠像小狗那样摇头并将耳朵尖卷曲的原因。约翰霍普金斯大学神经科学家Melville说到:“我们正在讨论毫秒,毫米级别的运动”。动物的动作可不是为了看起来可爱:蝙蝠头部以及耳朵位置的每一次微小的转动都能够缩小其“视野”范围。通过更广泛的声学视图,即使目标在其面前不规则的运动,它们仍可以接收到准确的回声。昆虫经常这么做,一旦它们发现有蝙蝠逼近它们的时候,昆虫会选择迅速跳动。

多亏了近些年的高分辨相机,我们可以有机会去观察蝙蝠的行为。刚刚说的只是其负责的回声定位系统中的一个小例子。这个超能力还有很多我们不曾了解的形式。与之而生的还有反回声系统。比如蛾子。当蝙蝠靠近的时候,蛾子是可以听到的,即使这两种动物都没有听觉,所以蛾子必须倚仗别的方式来挫败蝙蝠。色彩缤纷的飞蛾演化出了一个漩涡的尾巴,可以产生一个持续的弱回波信号,这个信号可以破坏蝙蝠定位的精确度,使其错过目标。另一方面,老虎蛾产生的超声波却故意使得它们暴露在蝙蝠的视野当中。然而它们发出的信号不是为了让蝙蝠找到它们,而是说明它并不好吃。(嘿,兄弟,别吃我,你不会喜欢我的味道的。)

 还有一种飞蛾则是选择对攻。就像冰淇淋色的虎蛾,一种生活在亚利桑那沙漠的飞蛾。当蝙蝠靠近时,飞蛾会以每秒4500次的速度发出超声波,覆盖周围的环境,使得蝙蝠无法发现它们。

当然,海豚,鲸鱼,都有自己的技巧。水下回声定位有些不同:声浪传的越远给水下哺乳动物带来的好处越多,但是这并不意味着它们分不清近处的东西。事实上,海豚可以通过声呐分辨出玉米和BB丸之间的差异。

人类也可以训练自己回声定位?

对于Wohlgemuth来说,他希望我们可以更好地理解人类大脑运作的方式,对于盲人来说,也许也可以通过训练自己,凭借回声定位来在复杂环境下进行导航。这其中的代表就是Daniel Kish,他13个月大的时候就失明了,他因为擅长回声而被别人成为蝙蝠侠。就像蝙蝠一样,他通过舌头击打,有时通过拐杖的击打来将周围的世界可视化。一项研究发现,当人类处理这些回波的时候,大脑使用的是与视力相同的区域,而不是听觉区域的大脑。

与此同时,研究人员正想知道还有多少种生物等待着我们需发现与研究。猪尾鼠还有一个表弟,马拉巴多刺的睡鼠,同样是因为视力不佳却有优秀的夜间登山实力而出名,但是它有很大的眼睛。这被认为是猪尾鼠进化前的更原始的样子。

我们只是粗浅了解回声定位系统,并不知道一些动物已经将其熟练运用,用来捕猎或是躲避被捕。科学家猜想,这些回声定位的生物其大脑内部的运作方式是否和人类有共性?我们需要做的也许就是,找到新的聆听方式。


翻译来自:虫洞翻翻  译者:安泰   编辑:郝鹏程


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