Чем киты издают звуки
О чем поют киты? Французский исследователь — об изучении «языка» китов и дельфинов
Однажды специалист по биоакустике и машинному обучению из Тулонского университета Эрве Глотен попробовал послушать «безмолвие океана». Океан оказался совсем не безмолвным, море было еще «шумнее», а от трескотни обитателей рек было просто некуда деваться. Эта тема так увлекла исследователя, что он основал международный исследовательский проект SABIOD (Scaled Acoustic BIODiversity platform). Уже 15 лет Эрве и его команда исследуют голоса подводных обитателей и стараются понять, как они живут, на какие темы общаются, а еще — как на их мир влияет человек.
Кошки-мышки на глубине
Для морских обитателей звук – это и способ общения, и средство ориентации в пространстве. Они находят дорогу, анализируя отражение звука от разных предметов. Так же они находят других животных – и своих сородичей, и добычу, говорит Эрве Глотен.
Эхолокация у дельфинов: так дельфины ориентируются в пространстве с помощью звуков. Записано командой Эрве Глотена в национальном парке Пор-Кро (Port-Cros — Лазурный берег, Франция)
— Подводная охота похожа на игру в кошки-мышки. Задача кашалотов и других охотников – понять, где находится добыча, и не выдать при этом своего местоположения. Как правило, у добычи просто не хватает времени, чтобы сориентироваться. Но она пытается перехватить звуковой сигнал, который посылает кит. Можно сказать, добыча становится подводным хакером – перехватывает информацию, которая ей не предназначается. Это ее единственный шанс на спасение.
О чем поют киты?
По характеру звуков ученые могут определить, что делают обитатели глубин: охотятся, общаются, ищут себе пару или ухаживают за детенышами. Ученые могут идентифицировать каждого животного и понять, с кем оно общается и что делает. Это новое научное направление – «этоакустика» (ethoacoustics), то есть изучение поведения животного по звукам, которые оно издает.
Команда профессора Глотена составляет словари «китовьего» языка. Они уже выделили около 70 разных видов звуков, которые киты издают в разных ситуациях. Неудивительно, что позывные меняются в зависимости от вида, но даже в пределах одного вида бывают разные «диалекты». Например, чилийские кашалоты звучат не совсем так, как средиземноморские, но всегда можно понять, что это именно кашалот, уверяет исследователь.
Команда SABIOD предполагает, что при помощи звуков кашалоты даже могут «трогать» друг друга. Спектр звуков, которые они издают и улавливают, гораздо шире, чем у человека. Кашалоты, живущие в одной группе, посылают друг другу очень сильные и низкочастотные звуки, которые проникают в их ткани. Для человека это неприятно (или, по крайней мере, непривычно), а вот кашалоты таким образом выражают друг другу теплые чувства.
Зеркало в чаще
Эрве Глотен и его коллеги записывают звуки самых разных обитателей фауны — от насекомых до огромных синих китов. Но подводные обитатели остаются любимыми «исполнителями» профессора.
— В основном китообразных исследовали визуально – снимали под водой или наблюдали, как они выходят на поверхность. А мы полагаемся на тот инструмент, который они сами используют – на звук.
Для записи исследователи используют особую акустическую систему «Ясон» (Jason), которую они разработали сами. Перед началом эксперимента ее настраивают, чтобы записывались звуки определенной частоты – так можно узнать о жизни определенного вида, например, кашалотов или амазонских дельфинов. У прибора есть еще ряд специальных приспособлений, таких как несколько разнесенных в пространстве микрофонов, которые дают объемную «картинку», и большой жесткий диск («Ясон» может работать автономно в разных режимах до 2 лет, хотя обычно запись ведется 3 месяца).
— Гидрофон должен стать частью пейзажа для животных. Когда мы только опускаем «Ясон», многие животные с ним сначала знакомятся и играют. Особенно дельфины.
Представьте, что вы идете с факелом по лесу, а где-то между деревьями спрятано зеркало. Оно отражает свет вашего факела – конечно, это привлечет ваше внимание. Для дельфина гидрофон – это то же зеркало, только отражает оно не свет, а звук. Первые минут двадцать гидрофон становится центром притяжения, дельфины плавают вокруг него, могут попробовать на вкус, но редко ломают. И когда они удостоверятся, что это не животное, они оставляют гидрофон в покое.
Впрочем, добавляет Эрве, бывали случаи, когда такие игры выходили боком для оборудования. Однажды исследование в джунглях пришлось приостановить, потому что тапир съел микрофон, а в другой раз дельфин напал на гидрофон и превратил всю умную начинку в кашу.
Слишком много шума
Несмотря на такую активную жизнь подводных обитателей, океан – спокойное место, в отличие от рек.
— Один из наших текущих проектов связан с изучением жизни речных дельфинов и других обитателей Амазонки. Там мы получаем терабайты звуковых записей за неделю. Чтобы собрать такой же объем в Средиземном море, нужно около 3 месяцев.
Тишина очень важна для активной жизни китообразных. Но сегодня по-настоящему тихих морей становится все меньше – в основном из-за развития водного транспорта.
Представьте себе, что вы постоянно находитесь в ночном клубе с громкой музыкой – в таких условиях сложно поговорить по душам. К тому же посторонние шумы (например, звук моторной лодки или ветряка) мешает китообразным ориентироваться и охотиться.
— Удивительно, но в Средиземном море все еще есть большие киты и дельфины. Хотя раньше им тут было лучше. В Атлантическом океане у берегов Франции китообразные в принципе не водятся – там слишком мелко. Но на других животных там сильно действует и трафик морских судов, и генераторы ветряной энергии, которые расположены в воде. Они очень пугают местную фауну, так как создают инфразвуки, которые отлично распространяются по воде.
Самые хорошие условия для китообразных я наблюдал в Арктических и Антарктических водах. Когда я впервые начал слушать в том месте, где должны были обитать горбатые киты, которых мы тогда исследовали, я подумал, что с системой что-то не так. Не было слышно ничего, никакого постороннего шума. Потом внезапно я услышал щелчки китов и понял, что с системой все в порядке.
На фото: Эрве Глотен (слева)
Компромисс
Чтобы сохранить китообразных в таких «густонаселенных» морях, как Средиземное, исследования Эрве очень важны. Все животные обитают на определенной территории и пользуются более или менее одинаковыми маршрутами. Одна из идей профессора состоит в изменении курсов больших судов, чтобы те не сталкивались с китами.
Ограничение скорости для моторных лодок на законодательном уровне тоже помогло бы сохранить комфортную среду обитания для китообразных Средиземного моря.
Звуки вокруг нас
Когда звук записан, начинается самое интересное – обработка больших данных. И это не только составление «словарей». Благодаря «объемному» звуку ученые могут создать трехмерную модель того подводного участка, который они исследовали, и реконструировать те траектории, по которым двигались животные.
Систему записи и анализа звука, разработанную учеными, можно применять не только для изучения скрытого от глаз мира. В городской жизни она тоже может пригодиться. Тот же принцип можно использовать, чтобы составлять карту движения машин в городе, отслеживать движение дронов в небе или предотвращать столкновения птиц с самолетами над аэродромами.
СОДЕРЖАНИЕ
Производство звука
Звукоизвлечение китообразных заметно отличается от этого механизма. Точный механизм различается у двух основных подотряд китообразных: Odontoceti ( зубатые киты, включая дельфинов) и Mysticeti ( усатые киты, включая самых крупных китов, таких как синий кит ).
Киты-одонтоцеты
Киты-мистициты
У усатых китов (формально называемых mysticetes) губная структура губ отсутствует. Вместо этого у них есть гортань, которая, кажется, играет роль в производстве звука, но в ней отсутствуют голосовые связки, и ученые остаются неуверенными в точном механизме. Однако этот процесс не может быть полностью аналогичен человеческому, потому что китам не нужно выдыхать, чтобы издавать звук. Вполне вероятно, что для этой цели они рециркулируют воздух вокруг тела. Черепные пазухи также могут использоваться для создания звуков, но, опять же, исследователи в настоящее время не знают, как это сделать.
Вокальная пластичность и акустическое поведение
В мире существует как минимум девять отдельных акустических популяций синих китов. За последние 50 лет синие киты изменили свой стиль пения. Частота звонков становится все меньше. Например, у австралийских карликовых синих китов средняя частота криков снижается примерно на 0,35 Гц в год.
Характер миграции синих китов остается неясным. Некоторые популяции, по-видимому, проживают в местообитаниях с круглогодичной высокой продуктивностью в некоторые годы, в то время как другие совершают длительные миграции в высокоширотные районы нагула, но масштабы миграций и компоненты популяций, которые их совершают, плохо известны.
Уровни звука
Частота звуков усатого кита колеблется от 10 Гц до 31 кГц. Список типичных уровней представлен в таблице ниже.
Назначение звуков, создаваемых китами
Некоторые считают, что вопрос о том, поют ли киты исключительно для эстетического удовольствия, личного удовлетворения или «ради искусства», является «неопровержимым вопросом».
Песня горбатого кита
Киты, населяющие одни и те же географические районы (которые могут достигать размеров целых бассейнов океана), как правило, поют похожие песни, только с небольшими вариациями. Киты из непересекающихся регионов поют совершенно разные песни.
По мере развития песни кажется, что старые паттерны не пересматриваются. Анализ песен китов за 19 лет показал, что, хотя общие закономерности в песнях можно было обнаружить, такая же комбинация никогда не повторялась.
Горбатые киты также могут издавать отдельные звуки, которые не являются частью песни, особенно во время ритуалов ухаживания. Наконец, горбатые животные издают третий класс звуков, называемый призывом о кормлении. Это длинный звук (длительностью от 5 до 10 с) почти постоянной частоты. Горбатые обычно кормятся сообща, собираясь группами, плавая под косяками рыб и все вместе прыгая вертикально сквозь рыбу и вылезая из воды. Перед этими выпадами киты делают крик о кормлении. Точная цель звонка неизвестна.
Некоторые ученые предположили, что песни горбатых китов могут служить эхолокационной цели, но это вызывает разногласия.
Другие звуки китов
Было также обнаружено, что горбатые киты издают ряд других социальных звуков для общения, таких как «кряхтение», «стоны», «тупик», «фырканье» и «лай».
В 2009 году исследователи обнаружили, что тональная частота пения синего кита становится все глубже с 1960-х годов. В то время как шумовое загрязнение увеличило окружающий шум океана более чем на 12 децибел с середины 20-го века, исследователь Марк Макдональд указал, что можно было бы ожидать более высоких тонов, если бы киты старались быть услышанными.
Большинство других китов и дельфинов издают звуки разной степени сложности. Особый интерес представляет Beluga («морская канарейка»), которая издает огромное количество свистов, щелчков и пульсаций.
Действительно ли киты поют?
Жизнь в океане отличается от жизни на суше. Нырните под воду и попытайтесь понюхать апельсин или увидеть что-нибудь дальше, чем в метре от себя. Животные, обитающие в воде, должны были развить особые способы восприятия мира, отличные от зрения и обоняния. Одним из таких способов стал звук. У китов целый набор звуков, которыми они пользуются одновременно для коммуникации и поиска пути в темных глубинах. Но лишь определенные виды китов «поют».
Киты делятся на две группы в зависимости от способа питания: зубатые киты и усатые киты.
Зубатые киты более агрессивны. К ним относятся кашалоты, дельфины и косатки. Эти киты питаются, как тигры в джунглях, охотясь и преследуя добычу (от маленьких рыбешек до осьминогов и морских львов). Все пойманное они заглатывают целиком.
Внешне «более воспитанные» усатые киты питаются, плавая по воде с открытым ртом и засасывая вместе с водой мелкие растения и животных. Они фильтруют воду с планктонными моллюсками ракообразными и мелкими рыбками через специальные роговые пластинки. Их в верхней челюсти от 360 до 800, длиной они от 20 до 450 см и называются китовым усом. Внутренний край и вершина каждой пластины расщеплены на тонкие и длинные щетинки, образующие подобие густого сита. К усатым китам относятся огромные голубые киты и поющие горбатые киты.
Море имеет темный цвет даже днем, а многие зубатые киты путешествуют и охотятся ночью. Как они это делают? Подобно тому, как и летучая мышь, летающая глубокой ночью, некоторые киты издают звуки и улавливают затем их эхо. Звуки эти похожи на щелчки или свист. Когда звуковая волна встречает преграду на пути, например скалу или рыбу, она отражается обратно.
Обычные уши под водой помочь не могут. Звуковые волны — это вибрация воздуха, которая заставляет двигаться барабанную перепонку. А волна, распространяющаяся в воде, заставляет вибрировать весь череп. Поэтому, когда киты в далекие-далекие времена вернулись в океан, их теперь уже бесполезные ушные проходы сузились до размеров игольного ушка. Однако барабанные перепонки у китов есть, только звук к ним идет совсем по другому маршруту, проходя от челюстной кости или лба через слой жира до барабанных перепонок.
Кроме щелчков челюстями (которые напоминают дверной скрип), зубатые киты используют для общения свист и трели. (Белуха, которая относится к зубатым китам, выдает такое количество трелей, что ее называют морской канарейкой.) Киты также издают звуки, ударяя хвостовым плавником (двумя пластинами хвоста). У некоторых китов эти звуки получаются такими громкими, что напоминают звук отбойного молотка.
Усатые киты щелкают, чирикают и свистят, как и зубатые. Но они также издают низкочастотные стоны. Горбатые киты издают подобные звуки все время преследования добычи, причем они могут превратиться в «песню» и длиться более часа. Ученые называют это «песнями», поскольку у них есть ритм, структура и повторяющиеся фразы (как припевы или рефрены), а «поют» только горбатые киты.
Ученые, записавшие и проанализировавшие эти «песни», говорят, что если бы их разложить по звукам и сделать из этих звуков язык, то в некоторые «песнях» содержалось бы информации не меньше чем в небольшой книжке. Одни звуки слишком низкие для человеческого уха, поэтому мы их не слышим, другие нужно проигрывать в очень медленно темпе, чтобы мы их разобрали. Сама «песня» одинаковая у китов из различных уголков океана, но количество фраз для каждой особи индивидуально. Киты меняют свои «песни» в зависимости от сезона. Никто не знает, почему киты поют и что означают их «песни». Выдвигаются предположения, что «песни» помогают мужским особям устанавливать границы своих владений или же являются частью брачного ритуала. Но это всего лишь человеческие трактовки мира китов, который мы, возможно, совсем не понимаем.
На повышенных тонах: история самого одинокого кита на свете
Языковой барьер
Основная частота криков всех усатых китов, обитающих в северной части Тихого океана, находится на границе слышимости человека, между 10 и 20 Гц. Но есть один кит, который издает звуки на частоте 52 Гц. Непривычная высота голоса, как полагают многие исследователи, привела к тому, что все время животное проводит в одиночестве. За годы наблюдений его крики никогда не смешивались с криками других китов.
Первая встреча
Кита по имени 52 Гц первый раз услышали в 1989 году. Его гол ос был записан гидрофонами ВМФ США, расставленными в Тихом океане во время холодной войны для того, чтобы предупреждать появление подводных лодок противника. Через три года военные разрешили океанологам пользоваться своей техникой, и с тех пор наблюдение за китом ведется постоянно.
Песня
Имя 52 Гц кит получил благодаря основной частоте своих криков. Помимо частоты, его позывы отличаются от криков других китов ритмом и структурой.
Биография
С момента обнаружения песни 52 Гц слышат каждый год — последний раз это случилось прошлой зимой. Следовательно, ему по меньшей мере 23 года. За это время, по мнению некоторых исследователей, голос его огрубел, то есть из подростка он превратился во взрослого. Сколько он проживет, неизвестно, но усатые киты, как считается, живут по много десятков лет.
Маршруты
Ученые могут нарисовать на карте маршруты передвижений млекопитающего за много лет, хотя никто никогда его не видел. 52 Гц путешествует по северной части Тихого океана, проходя за зимние месяцы — когда его слышно — по несколько тысяч километров. Передвигается он обычно со скоростью меньше, чем 4 км/час, но почти без остановок. Его пути пролегают на глубоководье в сотнях километров от берега.
Общение
Песня кита состоит из серий криков, длящихся по несколько секунд. Бросив позыв, 52 Гц молчит несколько минут, а затем начинает снова. В некоторые дни он кричит с незначительными перерывами по 20 часов подряд. Услышать его можно зимой — с декабря по февраль, в остальное время про него ничего не известно.
Исследователи
Первым биографом 52 Гц был биолог Уильям Уоткинс, один из первых людей, начавших записывать голоса китов и дельфинов. Его интерес к языкам распространялся не только на животных: он знал несколько западноафриканских языков, а диссертацию по биологии китов защищал в Токио на японском.
Киты находят конспецификов (представителей своего вида) в первую очередь на слух. Свет в воде распространяется хуже, чем в воздухе, а звуки — в четыре раза быстрее, позволяя слышать друг друга за много километров. Усатые киты издают звуки громкостью более 150 децибел — человек физически не в состоянии переносить такой уровень шума. Крики синих китов можно записать на чувствительный гидрофон с расстояния в сотни километров.
Родня
В северной части Тихого океана встречаются три вида китов: голубой кит, горбатый кит и финвал, и все они родственны между собой. К какому виду принадлежит 52 Гц — неизвестно. Может быть, он гибрид двух видов китов, а может быть — хотя это куда менее вероятно, — он последний представитель какого-то еще, незнакомого вида.
Социальные сети
В Twitter есть пользователь 52Hurts (Боль-52) который подписывается Одиноким китом (Lonely whale). Его записи посвящены жизни в море, одиночеству, отчаянию и планктону, застрявшему во рту между пластинами.
Концерт
В 2011 году французский художник Лорис Грео устроил концерт в северо-западной части Тихого океана на глубине 4000 метров под водой. Он транслировал в толще воды запись музыки и снимал на камеру свечение местной фауны, вызванное звуковой волной.
Песни китов похожи на джаз
Новый метод звукового анализа показал, что голоса китов похожи на джазовые композиции, а классические симфонии – на звуки грозы.
Звуки, издаваемые китами и дельфинами, часто называют китовыми песнями, при этом считается, что китообразные так разговаривают друг с другом – особенно те, у которых особенно сложная социальная жизнь. То же самое, кстати, говорят и про джаз, в котором музыканты как бы ведут между собой сложный музыкальный диалог. Но действительно ли джаз и китовые песни можно назвать разговором?
Исследователи из Университета Калифорнии в Мерседе утверждают, что можно. Они разработали специальный метод для анализа и сравнения звуков человеческой речи, музыки и сложных голосовых сигналов животных, таких как пение птиц и пение китов.
Метод основан на том, что и в речи, и в музыке, и в песнях животных есть несколько уровней организации. Любой человеческий язык, например, состоит из индивидуальных звуков, соответствующих буквам, и эти звуки комбинируются в слоги, которые, в свою очередь комбинируются в слова, фразы и так далее. Получается иерархия, которую мы улавливаем интуитивно. В музыкальных композициях тоже есть иерархическая структура. Однако до сих пор не было способа, который бы позволил сравнить структуру музыкальной композиции со структурой речи, также как не было способа узнать, свойственна ли иерархическая структура звукам, издаваемым животными.
С помощью нового метода в аудиозаписи можно выделить кластеры звуковой энергии первого уровня иерархии, затем – второго (кластеры кластеров) и так далее. Таким образом удалось сравнить структуру более 200 аудиозаписей, среди которых была человеческая речь на шести языках, произведения классической музыки, хиты поп-музыки, голоса китов и различных птиц и даже звуки грозы.
Исследователи выявили практически идентичную звуковую структуру у всех шести языков, но удалось ли тут и впрямь найти нечто очень фундаментальное, пока неясно: для анализа брали выступления с конференции TED (TED Talks), которые выдержаны в одном стиле и одинаково выстроены.
Любопытные результаты получили касательно «языков» животных. Песни касаток по структуре оказались аналогичны человеческой речи и джазовым партиям, но при том они не были похожи на пение птиц и на звуки, издаваемые другими, менее социальными китами. В то же время песни горбатых китов оказались устроены очень схоже с пением соловья и пёстрого американского дрозда. Видимо, это связано с тем, что все три вида животных – «певцы-одиночки», и сложных социальных структур у них нет.
Ещё одно интересное открытие, связанное с новым методом – интригующее сходство в структуре классических симфоний и звуков грозы. Оказалось, и симфонии, и грозы развиваются во времени по степенным законам, очень напоминающим степенной закон розового шума. Известно, что розовый шум широко распространен в природе. По одной из гипотез динамика его степенного закона такова, что в акустическом сигнале соблюдается баланс между предсказуемостью и неожиданностью, и такой баланс нравится нам с эстетической точки зрения. Тогда получается, что в люди в музыкальном творчестве стараются среди прочего следовать структурным законам, которые слышатся в звуках грозы. Другая гипотеза состоит в том, что степенные законы отражают определенные свойства сложных систем и что связи в нейронных сетях тоже устроены иерархически в соответствии со степенными законами. А раз мозг устроен по степенным законам – то, что он порождает, включая и музыку, может быть тоже устроено по аналогичным законам.
Полностью результаты экспериментов опубликованы в Journal of The Royal Society Interface. Правда, от каких-либо интерпретаций исследователи пока по возможности уклоняются. Чтобы интерпретировать, здесь нужно больше исследований – в которых, впрочем, недостатка не будет, ведь теперь у нас в руках есть такой прекрасный метод, позволяющий сравнивать музыку, звуки речи и звуки животных.. Кстати, изначально его разрабатывали для того, чтобы изучать человеческие разговоры, и использовали его в работе уже несколько лет. Руководитель научной группы Кристофер Келло (Christopher T. Kello) вообще специализируется на человеческой речи и особое внимание уделяет обработке лингвистической информации мозгом. Идея применить метод столь необычным образом пришла Келло во время творческого отпуска в Университете Монпелье во Франции, где он работал с будущими участниками нового проекта.