會回聲定位的不只是蝙蝠,人類也能學得這一技能?

作者 | 發布日期 2017 年 04 月 04 日 22:21 | 分類 生物科技 , 科技教育 follow us in feedly

有些動物視力不佳,最為我們熟知的就是蝙蝠。然而,最近科學家發現,蝙蝠也並不是回聲定位的唯一掌握者,有一種叫做豬尾鼠的齧齒動物也可以做到。進而科學家想要研究,是否人類也可以學習這一技能呢?如果可以,這將對視障者有巨大幫助,也可能顛覆目前的醫療技術。



豬尾鼠的生存之道

在越南的森林裡,每當夜幕降臨時,一個鬼鬼祟祟的小型齧齒動物在黑暗中出現並開始四處搜尋水果和種子。Typhlomys,又稱為軟毛樹鼠或豬尾鼠,長約 3 英吋,但是舞動著比身體還長的白色尾巴。牠在黑暗中移動速度極快,以至於在人類肉眼看來,只是夜間模糊的一點而已。

這之所以令人驚奇的原因是,其實豬尾鼠看不到任何東西。當科學家用顯微鏡觀察豬尾鼠的眼球時,他們發現其視覺系統簡直無用。研究人員這樣寫道:「不規則的視網膜褶皺破壞了影像投影的連續性,而鏡片與視網膜之間窄小的空間無法對事物進行對焦。更可惜的是,牠們還缺少接受影像的神經節細胞,神經節細胞往往決定了視覺系統的感光能力。豬尾鼠可以分辨亮光和黑暗,除此之外,毫無感知力。」

那麼豬尾鼠是是怎樣活下來的,進而避免成為捕食者的獵物呢?根據「動物學綜合報告」於去年 12 月發布的報告來看,這種長尾巴的小絨球有自己的獨門絕技:透過發出超音波然後經由反射波來判斷環境。這麼聽起來好像和其他夜間哺乳類動物並無差別,是的,豬尾鼠可能就是一種「過渡動物」,可做為理解蝙蝠進化研究中的關鍵參照。

豬尾鼠採用的回聲系統被長期認為只存在於蝙蝠、鯨魚這類動物當中(地鼠也曾被認為擁有這種技能,最新的研究無疑證明了這個觀點),也就是說,俄羅斯科學家把豬尾鼠囚禁起來,觀察到牠們發出的超音波後,相關的研究與猜測也隨之證實了。

俄羅斯 Severtsov 研究所的功能形態學家 Panyutina 說:「豬尾鼠發出的超音波頻率和蝙蝠出奇相似。」兩者的不同則表現在豬尾鼠發出的訊號十分模糊。牠們可以逃避人耳以及「蝙蝠收集器」的裝置,後者通常被用來偵聽蝙蝠的聲音。這也是可以理解的,因為儘管豬尾鼠的移動速度很快,但是相比在空中飛的蝙蝠,還是慢很多。且由於在地上穿行,周圍的座標物也近很多,所以不需要很強的超音波訊號。

發現具有如此超能力的齧齒動物讓科學家感到興奮,原因有很多。對初學者來說,這是齧齒類動物中的第一個。其次,大量的齧齒類動物沒有超音波定位能力依舊可以活得很好,這就提出了為什麼豬尾鼠會繼續進化的問題。但是最令人興奮的還是我們可以藉此研究蝙蝠進化的原因。

會用回聲定位的,並非只有蝙蝠

科學家一直在辯論具體的回聲系統起源時間。透過超音波定位的水果蝙蝠,證實了一些蝙蝠是在飛行後才獲得這個技能。其他科學家卻持相反的態度──小蝙蝠一開始透過聲波定位學習跳躍或滑行,在此之後才真正學會飛行。

然而現在的「先有聲波定位理論」有一個大問題,我們並沒有任何過渡動物紀錄,無論現存的還是化石。直到我們發現了豬尾鼠。

當然,辯論並沒有因此而停止。事實上,最近透過對蝙蝠耳骨的研究表明,水果蝙蝠從沒有透過聲波定位的能力,這是對於先飛行後定位的理論支援。然而另一項研究表明,一些水果蝙蝠可以透過拍動翅膀來進行聲波定位。這是蝙蝠特有的,並非所有動物都透過嘴巴發出聲波。

也許並非蝙蝠多麼特別。只是因為我們生活在回聲定位研究的黃金年代,單單去年年初到今天,就已經出版了一百多項關於「回聲定位」的研究。隨著對豬尾鼠研究的深入,我們發現要了解這個超級技能的起源與性質還有很多路要走。大膽想像一下,是否還有其他回聲定位的方式?是否有些我們從沒想到的定位方式?

例如去年秋季在 PLOS 生物學發表的一個報告,討論大棕色蝙蝠像小狗那樣搖頭並將耳朵尖捲曲的原因。約翰霍普金斯大學神經科學家 Melville 說:「我們正在討論毫秒、毫米級別的運動。」動物的動作可不是為了看起來可愛:蝙蝠頭部以及耳朵位置的每一次微小轉動都能縮小其「視野」範圍。透過更廣泛的聲學檢視,即使目標在其面前不規則運動,牠們仍可接收到準確的回聲。昆蟲經常這麼做,一旦牠們發現有蝙蝠逼近的時候,昆蟲會迅速跳動。

多虧了近些年的高解析相機,我們有機會觀察蝙蝠的行為。剛剛說的只是負責的回聲定位系統中一個小例子。這個超能力還有很多我們不曾了解的形式,與之而生的還有反回聲系統,比如飛蛾。當蝙蝠靠近時,飛蛾可以聽到,即使這兩種動物都沒有聽覺,所以飛蛾必須倚賴別的方式來打敗蝙蝠。色彩繽紛的飛蛾演化出一個漩渦形尾巴,可產生一個持續的弱回波訊號,這個訊號可破壞蝙蝠定位的精確度,使其錯過目標。另一方面,老虎蛾產生的超音波卻故意使自己暴露在蝙蝠的視野下。然而牠們發出訊號不是為了讓蝙蝠找到自己,而是說明自己並不好吃。(嘿,兄弟,別吃我,你不會喜歡我的味道的。)

還有一種飛蛾則是選擇對打。就像冰淇淋色的虎蛾,一種生活在亞利桑那沙漠的飛蛾。當蝙蝠靠近時,飛蛾會以每秒 4,500 次的速度發出超音波,覆寫周圍的環境,使蝙蝠無法發現牠們。

當然,海豚、鯨魚都有自己的技巧。水下回聲定位有些不同:聲浪傳得越遠帶來的好處越多,但是這並不意味牠們分不清近處的東西。事實上,海豚可以通過聲納分辨出玉米和 BB 彈間的差異。

人類也可以訓練自己回聲定位?

對 Wohlgemuth 來說,他希望我們更理解人類大腦運作的方式,對視障者來說,也許可以透過訓練自己,憑借回聲定位在複雜環境下導航。這其中的代表就是 Daniel Kish,他 13 個月大的時候就失明了,他因為擅長回聲而被別人視為蝙蝠俠。就像蝙蝠一樣,他透過舌頭擊打,有時拐杖的擊打將周圍的世界可視化。一項研究發現,當人類處理這些回聲波時,大腦使用的是與視力相同的區域,而不是聽覺區域的大腦。

與此同時,研究人員想知道還有多少種生物等待我們發現與研究。豬尾鼠還有一個表弟,馬拉巴多刺的睡鼠,同樣是因為視力不佳卻有優秀的夜間登山實力出名,但是牠有很大的眼睛。這被認為是豬尾鼠進化前的更初始樣貌。

我們只是粗淺了解回聲定位系統,並不知道一些動物已將其熟練運用,用來捕獵或是躲避被捕。科學家猜想,這些回聲定位的生物大腦內部的運作方式是否和人類有共性?我們需要做的,也許就是找到新的聆聽方式。

(本文由 36Kr 授權轉載;首圖來源:Flickr/Cliff Cooper CC BY 2.0)