生物聲學

生物聲學是研究能發聲和有聽覺動物的發聲機制、聲信號特征、聲接收、加工和識別，動物聲通信與動物聲納系統，以及各種動物的聲行為的生物物理學分支學科。

　　生物聲學是介于生物學和聲學之間的一門邊緣學科，它是生物學、聲學、語言學、醫學、化學等多學科相互滲透的產物。廣義的生物聲學還涉及生物組織的聲學特征、聲對生物組織的效應、生物媒質的超聲性質、超聲的生物效應及超聲劑量學等方面內容，并在此基礎上形成了超聲生物物理學一個新的科學分支。

生物聲學發展簡史

　　生物聲學的萌芽早在人類的久遠歷史上就已留下了印跡。在公元前三千年的埃及古墓中，曾發現有獵人模仿鵜的叫聲引誘飛鳥行獵的圖案。在公元前六百年中國春秋時代的《詩經》中就有“雉之朝雒，尚求其雌”詩句，是說雄性野雞清晨鳴叫是在尋求配偶。

　　早期的文藝作品多對于蟲鳴、鳥啾等動物音樂有生動的描述，其后人們又相繼對昆蟲、鳥類、兩棲類、魚類及哺乳動物的發聲和聽覺器官做了廣泛的研究。

　　但人們對動物聲的實驗研究開始甚晚，1938年美國科學家皮爾斯和格里芬證實，蝙蝠能發出人耳聽不見的超聲。其后隨著聲學、電子學與通訊技術的飛速發展，大大推動了人們對動物聲通信方法的研究。1956年4月，在美國賓夕法尼亞州召開了世界上第一次生物聲學學術討論會，建立了生物聲學國際委員會(ICBA)，這次會議標志著生物聲學的誕生。

　　法國著名科學家比斯內爾尹1963年編輯了《動物的聲學行為》一書，匯集了當時生物聲學研究的主要成果，是生物聲學發展的一個里程碑。此后，陸續舉行過多種關于動物聽覺與聲通信的國際學術會議。

　　隨著科學技術的迅速發展，出現了錄音機、語圖儀和計算機，大大加強了對聲音的錄放和分析技術，使對動物聲的研究進入了新的歷史階段。與此同時，由于聲譜技術的擴展，特別是超聲技術和超聲醫學的發展，使生物聲學的內容大大超出了早期的正統研究范圍，開始對超聲在生物體系的各個層次上(生物大分子、細胞及生物組織)的傳播和相互作用規律進行了大量的研究，使生物聲學在更廣泛的意義上與生命科學聯系起來。

生物聲學的基本內容

　　動物之間的聯系和交往是維系它們種群和群落結構，以及進行正常生活的必要手段。光、電、磁以及化學氣味都可以作動物交往的媒介，然而聲信息在動物交往中卻占有特別重要的地位。它最大優點是傳遞距離遠，且易于負載豐富多彩的感情。生物聲學主要圍繞動物聲交往這個內容進行著一系列有關課題的研究。

　　生物聲學主要研究同一種群內動物聲的識別和交往功能，不同種群的動物聲的區別和隔離功能，以及動物聲在種群和群落的形成和進化過程中的作用等；

　　生物聲學還研究動物的聲發生和聲接收器官，及其工作機制，即動物聲交往的生理基礎和它們與動物形態學的關系。許多動物的發聲器官是聲帶，但有的卻不是用聲帶產生動物聲，如蚱蜢用后腿摩擦發聲、蟬用腹下薄膜發聲、魚可用鰾發聲、海豚主要*鼻道發聲等。

　　同樣，動物接受聲波的聽覺器官也各不相同。如蚱蜢微小的聽覺器官生在腹部；紡織娘*前腳上一個肉眼看不到的微型薄膜感受聲波；蟑螂是用尾須接收聲波；雄蚊頭上兩根觸角上的剛毛則對雌蚊翅膀的扇動聲特別敏感；許多飛蛾都有一種內藏式的“聲吶系統”可以收聽超聲波；大多數魚的聽覺器官便是體側的側線，在這些側線中含有聽覺神經末梢以受納聲波；蛇的聽覺極弱，主要通過腹部感受周圍環境的動靜等等。

　　長期以來，人們出于在空間和水下探測中應用仿生學的強烈興趣，對蝙蝠和海豚的超聲定位系統給予了特殊的注意為了分析研究它們的發聲信號，建立和發展了必要的理論模型和數學方法。

　　蝙蝠用喉頭發射超聲，并用耳朵接收其反射回波，從而構成超聲探測系統。發射的超聲頻率可高達10萬赫(菊頭蝙科)。實驗表明，挖去雙眼的蝙蝠借助其超聲定位系統可探查到0.1毫米的金屬絲障礙物，可在半秒內捕捉到三個飛行中的昆蟲。

　　海豚也有極強的超聲定位本領，而且還發現海豚在相互交往時使用七種不同的發聲并以長短不同的間歇相組合。科學家預言，一旦這些聲信息破譯后，就可通過電子技術實現人與海豚之間的對話。

　　20世紀中期以來，人們使用兆赫級超聲波對哺乳動物的組織和器官的超聲性質(速度、衰減、吸收、聲阻抗、散射等)做了大量研究，為現代醫學超聲工程奠定了基礎。70年代以來，以B型超聲成像為代表的醫學超聲診斷技術取得了很快的發展。它通過實時顯示人體內臟的瞬態特性，直接向人們提供有關臟器的生理或病理信息。超聲診斷由于安全、簡單、經濟、信息量豐富而受到醫學界的特別賞識。

　　作為生物物理學和分子生物學的組成部分，微觀生物聲學正在發展中。對各種氨基酸、寡肽、多肽、蛋白質及脫氧核糖核酸等生物大分子水溶液的超聲弛豫吸收機制做了較深入的研究。在生物大分子構像變化、質子轉移動力學及生物大分子與水分子間的相互作用等方面，也都取得了有價值的研究成果。

　　聲波作用于生物體對其產生某種影響稱為聲波的生物效應。大量試驗表明，用一定頻率和劑量的聲波處理蔬菜、谷物、中草藥及樹木的種子常常可獲得明顯的增產效果。

　　生物聲學與人類生活和生產活動息息相關。播放模擬蝙蝠叫聲，驅逐夜蛾，可提高玉米產量；控制海洋生物聲場可以判斷魚群的位置、種類及數量，利用電子發聲器引誘魚群定向聚集，可以提高捕魚量；飛機場安裝驅鳥器會大大改善飛機的飛行安全；糧倉內安裝驅鼠器可使糧食免受鼠害等等。

　　人們往往成功地利用地震前動物的異常表現來預報地震的爆發，而這些動物的異常反應很可能是由地下巖石劇烈活動時發出的次聲引起的；仿照水母耳做成的臺風警報器可提前15小時準確地預報臺風的方位和強度；仿照蝙蝠的聲系統制成的聲吶“眼鏡”可以幫助盲人辨認出面前的電線桿、臺階以及草地中的羊腸小道。

　　對哺乳動物組織超聲傳播和相互作用的深入研究，必然會找到描述組織生理特性的、更多的聲學特征參量(如聲速、聲衰減、非線性參量等)，建立和發展新的診斷設備，開拓定量超聲診斷的途徑。并可使超聲醫療在更嚴格的科學基礎上得到進一步發展。