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海豚——自帶高精尖的水下導(dǎo)航系統(tǒng)

說(shuō)到超聲波,我們可能會(huì)想到艦船使用聲吶發(fā)現(xiàn)水雷和潛艇,或?qū)5椎牡匦芜M(jìn)行研究。


軍艦的聲吶


或者也會(huì)想到現(xiàn)代的醫(yī)生拿著一個(gè)小儀器掃過(guò)病人的身體后,顯示屏上便會(huì)顯示一些體內(nèi)的黑白影像,幫助醫(yī)生診斷病人的狀況?,F(xiàn)代科技還開(kāi)發(fā)出盲人用回聲定位系統(tǒng)來(lái)“看世界”的設(shè)備。1


超聲波診斷


海豚身上有哪些尖端科技?讓我們來(lái)一一細(xì)數(shù)。


上述的高科技其實(shí)早就被某些動(dòng)物用來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航和覓食了,如海豚、鯨和蝙蝠,這個(gè)特技被稱(chēng)為回聲定位。但這些動(dòng)物所用的系統(tǒng)要比軍隊(duì)和醫(yī)院的設(shè)備復(fù)雜得多,也高效得多。例如今天的科學(xué)家還在研究海豚的超聲波特技,希望通過(guò)破譯海豚的聲波算法來(lái)提高醫(yī)療診斷的效果。


海豚聲波



★ 發(fā)聲器官

海豚是用肺呼吸的齒鯨類(lèi)哺乳動(dòng)物,它們主要生活在深海,每次呼吸都要游到海面,用頭頂?shù)臍饪孜胄迈r的空氣。

它們有非常復(fù)雜的超聲波發(fā)生器,先用氣流沖擊由肌肉包裹的鼻腔,通過(guò)振動(dòng)鼻腔組織及末端的“聲唇”(俗稱(chēng)猴唇)產(chǎn)生聲波,這些聲波穿過(guò)頭骨前部一塊類(lèi)似聲波透鏡的脂肪組織(額隆),被匯聚成錐形聲束,射向前方。沖擊聲唇的空氣流進(jìn)入兩個(gè)氣囊,讓寶貴的空氣被回收利用,以延長(zhǎng)海豚到水面呼吸的間隔時(shí)間。

這個(gè)超聲波系統(tǒng)由多個(gè)功能獨(dú)特、協(xié)調(diào)完美的器官組成,大部分超出了人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)范圍,稱(chēng)為超聲波。


器官結(jié)構(gòu)圖



人和海豚、蝙蝠的聲波范圍圖



當(dāng)超聲波遇到目標(biāo)物體后會(huì)反射回來(lái),回聲從海豚的鼻部進(jìn)入下頜,傳到耳骨轉(zhuǎn)化為信號(hào),再經(jīng)聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)傳入大腦,大腦進(jìn)行分析后就可以判斷目標(biāo)的大小、形狀、速度、距離??梢哉f(shuō)海豚是靠聲波用聽(tīng)覺(jué)來(lái)“看世界”的。

聲波在水中的傳播比在空氣中快4.5倍,也能傳得更遠(yuǎn),用聲波作為通訊信號(hào)實(shí)在是深海的絕佳設(shè)計(jì),這套回聲定位系統(tǒng)讓海豚不僅能探測(cè)獵物、測(cè)繪海下地圖,甚至還可以跟200公里以外的海豚交流!


近期科學(xué)家發(fā)現(xiàn),海豚的聲吶系統(tǒng)比想象得高級(jí)得多。

首先,海豚有兩個(gè)聲唇,可以同時(shí)或獨(dú)立工作,它們能發(fā)出兩股波束。

就好比我們用兩只眼睛觀察事物,這不僅擴(kuò)大了海豚的“視野”,而且能讓海豚更好地判斷景深和距離。(可以捂住一只眼睛看看手機(jī)和后面的墻體,再把手松開(kāi),感受一下距離變化)。


海豚聲吶系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)


第二,科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)兩道聲束存在微秒級(jí)的時(shí)間差,而且還是不同頻率的,一個(gè)高頻一個(gè)低頻。高頻聲波雖然沒(méi)有低頻聲波傳得遠(yuǎn),但能更準(zhǔn)確地測(cè)定近處目標(biāo)的細(xì)節(jié)。有報(bào)道稱(chēng),海豚甚至可以通過(guò)聲波探測(cè)密度來(lái)區(qū)分高爾夫球和乒乓球。2

第三,科學(xué)家之前一直以為海豚的聲吶像車(chē)燈一樣只能照正前方,但美國(guó)海軍研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn),寬吻海豚可以在不動(dòng)頭的情況下讓聲束向左右兩側(cè)偏轉(zhuǎn)20°,但它們是怎么做到的還不完全清楚。3

用海洋生物學(xué)家拉莫斯(Marc Lammers的話(huà)來(lái)說(shuō):“這種對(duì)聲波的控制類(lèi)似于我們頭部不動(dòng)而僅轉(zhuǎn)動(dòng)眼睛。

海豚憑借這套雙頻聲波系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的定位是非常準(zhǔn)確的,甚至能在一群數(shù)以千計(jì)的魚(yú)群中鎖定一條美味的午餐,一直追不舍,甚至追著魚(yú)兒躍出海面。


海豚追群魚(yú)圖



功能如此強(qiáng)大,設(shè)計(jì)如此精密的回聲定位系統(tǒng)必須要同時(shí)擁有超聲波發(fā)聲、超聲波接收和超聲波分析等復(fù)雜系統(tǒng)才能起效,這已經(jīng)對(duì)盲目隨機(jī)的進(jìn)化論形成了一大挑戰(zhàn)。

而另一個(gè)問(wèn)題是不僅海洋中的海豚和其他齒鯨類(lèi)成員擁有,陸地上的蝙蝠也有。按進(jìn)化論者的說(shuō)法,海豚(齒鯨)和蝙蝠在數(shù)千萬(wàn)年前就獨(dú)立進(jìn)化了,所以不可能用一個(gè)擁有回聲定位功能的共同祖先(同源)來(lái)解釋。

于是進(jìn)化論者說(shuō)這個(gè)功能是由不同個(gè)體中的兩百多個(gè)基因獨(dú)立突變且發(fā)生大概相同的突變?cè)斐傻?sup>4,似乎這兩百多個(gè)基因在自行發(fā)生盲目的突變時(shí),都商量好了要犯一樣的錯(cuò)誤,來(lái)形成相似的功能,而且還能分別適應(yīng)在水下和空中的環(huán)境中使用。

這就好像蘋(píng)果手機(jī)和安卓手機(jī)的APP在復(fù)制自身代碼的過(guò)程中,各自都有特定的兩百個(gè)片段都隨機(jī)地復(fù)制出錯(cuò)了,而且每一處的錯(cuò)誤都大概一致的,等出錯(cuò)完后,這兩個(gè)應(yīng)用軟件不僅能產(chǎn)生前所未有的完美新功能,甚至還能在各自完全不同的系統(tǒng)中使用。


海豚大笑


這個(gè)說(shuō)法被稱(chēng)為“趨同進(jìn)化”,很多不能合理地想象進(jìn)化關(guān)系的相似設(shè)計(jì),都會(huì)被貼上“趨同進(jìn)化”的標(biāo)簽,說(shuō)它們因?yàn)橛邢嗨频男枰?,就朝著相同的目?biāo)進(jìn)化了,這其實(shí)是與進(jìn)化的隨機(jī)、無(wú)導(dǎo)向的屬性相矛盾的,只因進(jìn)化論者不能接受這些生物是被智慧設(shè)計(jì)的,所以只能依靠“隨機(jī)”來(lái)解釋萬(wàn)物的來(lái)源。

海豚除了神奇的雙頻系統(tǒng),還有許多其他令人羨慕的“特異功能”,比如它們能連續(xù)15天保持警覺(jué)清醒的狀態(tài),有的科學(xué)家認(rèn)為它們兩個(gè)腦半球可以輪流休息,如左半球睡覺(jué)時(shí),右半球工作;擁有最佳的抗阻力流線(xiàn)設(shè)計(jì),在水中游速極快,每小時(shí)可達(dá)50-70公里,陪海輪同游毫無(wú)難度。

★ 海豚隨船游泳

功能卓越、設(shè)計(jì)精妙的儀器一定源自一位智慧超群的工程師。集諸多特異功能于一身,令科學(xué)家研究學(xué)習(xí)、工程師模仿至今的海豚,更應(yīng)該讓我們贊嘆造物主的偉大作為!


成群結(jié)隊(duì)的海豚


參考資料與圖片出處


1. Lund University. 'Dolphin algorithm could lead to better medical ultrasounds.' ScienceDaily. ScienceDaily, 31 May 2018. www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180531102742.htm

2. www.pbs.org/wnet/nature/the-dolphin-defender-dolphins-and-sounds/807/

3. www.sciencemag.org/news/2009/03/how-dolphins-steer-their-sonar, 20200916

4. 注:這是科學(xué)家分析了2300個(gè)僅以單體出現(xiàn)在海豚、蝙蝠和其他哺乳動(dòng)物的基因得出的結(jié)論。www.sciencemag.org/news/2013/09/bats-and-dolphins-evolved-echolocation-same-way, www.nature.com/articles/nature12511

5. 插圖、封面:網(wǎng)絡(luò)圖片。

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