出品：科普中國
製作：趙龍輝 崔建國（中國科學院成都生物研究所）
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
在周星馳導演的電影《功夫》中，包租公包租婆用獅吼功與火雲邪神進行了經典對決。畫面中，獅吼功猶如迅雷疾瀉聲聞數里，具有震懾人心的威力。
無獨有偶，在噪聲大的溪流旁生活的蛙蛙們，也修得了“河東獅吼功”。
圖片來源：電影《功夫》截圖
大家都知道，環境會對人的發展造成影響。其實對於動物來說，也是這樣。
中科院成都生物研究所動物行為與仿生專案組研究發現，生活在噪音大的溪流中的蛙，鳴聲發生了適應性進化！
與棲息於安靜水環境（池塘、湖泊等）中的蛙相比，溪流蛙的聲音更簡單、聲音訊率更高，這有助於在噪音環境中進行交流。
左：靜水蛙代表物種高原林蛙的生活環境；右：溪流蛙代表物種小湍蛙的生活環境（圖片來源：作者提供）
為了適應環境 “蛙”的嗓門大了
聲音適應性假說（acoustic adaptation hypothesis）認為，動物的鳴聲訊號應該朝有利於在其所處環境中高效傳播的方向進化。儘管該假說已經被提出四十多年，但現有的研究主要集中在植被對動物鳴聲的影響上。
已有的研究表明，在封閉的森林中，頻率低且持續時間長的鳴聲可以傳播得更遠；而在開闊的森林中，重複率高且頻率變化明顯的鳴聲具有更優的傳播效率，所以這些特徵會在進化過程中受到選擇而不斷強化。目前，環境影響因素主要聚焦於植被，而噪聲、荒漠化等因素受到的關注較少。
噪音在環境中普遍存在。常見的噪音包括非生物噪音（風、雨、流水等引起的噪音）和生物噪音（相同物種和其他物種的合唱等）。動物在聲音交流的過程中，容易受到各種環境噪聲的干擾。
流水噪音 （圖片來源：Veer相簿）
然而，目前從噪聲角度開展的聲音適應性假說研究還十分有限。對於生活在流水環境附近的動物來說，水流噪音會給它們的聲音通訊帶來嚴重干擾，揭示流水噪音對動物鳴聲進化的影響，有助於填補該領域現有研究的不足。
“聽取蛙聲一片”也有規律：噪音大 頻率高
根據聲音適應性假說，大部分環境噪音頻率比較低，而頻率高的鳴聲容易躲避環境噪音的干擾，頻率特徵簡單的鳴聲有助於在噪音中維持資訊傳遞的完整性。
無尾類（蛙和蟾蜍）既可以在溪流、瀑布等噪聲大的環境中生活，也可以在池塘、湖泊等噪聲小的環境中生活，所以是研究噪音與鳴聲進化關係的理想模型。本研究以蛙科（Ranidae）和蟾蜍科（Bufonidae）物種為物件，檢驗動物鳴聲頻率是否沿聲音適應性假說預測的方向進化。
除了環境噪音之外，兩棲類的鳴叫聲還受體型大小、溫度和進化歷史的影響，作為干擾因素，它們給研究噪聲對動物鳴聲的影響帶來挑戰。本研究採集了105個物種的聲音訊率特徵，以及它們的體型、錄音時的溫度和分子序列資料。
根據12S、16S、CXCR4和RAG-1基因構建這些物種的系統發育關係後，將進化關係、環境溫度和體型大小均納入進行綜合分析。然後，比較噪聲大（流水環境）和噪聲小（靜水環境）環境中的兩棲類，鳴聲頻率特徵的差異。
小湍蛙 （拍攝者：趙龍輝）
研究結果表明，在噪音大的環境中，兩棲類的鳴叫聲向高頻率演化，聲音訊率在時間和空間上的變化更加簡單。相反，在噪音小的環境中，兩棲類的鳴聲頻率相對較低，聲音訊率在時間和空間上的變化相對複雜。
由於環境噪音主要集中在低頻率段，高頻的鳴聲有助於躲避流水乾擾。另外，減少頻率在時間和空間上的變化，有助於將鳴聲在噪音中傳播的更遠。因此，上述結果與聲音適應性假說的預測相符。
左：靜水蛙代表物種高原林蛙的鳴聲頻譜圖；右：溪流蛙代表物種小湍蛙的鳴聲頻譜圖（圖片來源：作者提供）
在研究之中，有哪些創新 面臨了什麼困難？
該研究整合系統學、行為學和生物聲學方法，在考慮多種影響因素的前提下，探究流水噪音對動物鳴聲特徵進化的影響，在研究形式和內容上均具有一定的創新。該研究涉及105個物種的資料，需要查閱大量文獻資料，並採用相同標準對每一個物種的資訊進行篩選，所以資料收集是面臨的最大困難。由於時間長、工作量大，需要有謹慎的態度和不急不躁的心態。
流水潺潺 蛙鳴進化，這對動物與環境的關係有何啟示？
人類活動導致環境中的噪音增多，噪音汙染已成為全球化的生態問題。
許多研究都發現，人為噪音不僅對人類的健康產生負面影響，還會降低動物的通訊效率，甚至影響它們的生存和繁殖。自然的流水噪音與人為噪音都以低頻率為主，而揭示流水噪音中動物鳴聲的適應和進化，有助於預測長期的人為噪音脅迫會如何塑造動物的鳴聲，這也將為動物的多樣性保護提供理論依據。
例如，對於那些鳴聲頻率受噪音干擾嚴重的重點物種，人類建設可以規避其生活的核心區域，以此保障物種的正常繁衍。
城市中生活的大棕鶇（Turdus fuscater）正遭受嚴重的噪音汙染 （圖片來源：Brumm and Zollinger, 2013）
當外界環境發生變化時，動物率先響應的是行為，開展動物行為研究有助於我們認識動物與環境的關係。另外，我們對大自然和人類自身存在天然的好奇心，對動物行為的研究不僅可以發現許多有趣的現象，還能讓我們時常從動物身上看到自身的影子。
對動物行為的深入研究，有時還可以激發我們的靈感，從仿生學角度創造出有價值的東西。
開展動物行為和仿生研究，是窺探生命的奧義，也是窺探我們自己；樂在其中，其樂無窮。
參考文獻：
[1] Zhao, L., Santos, J. C., Wang, J., Ran, J., Tang, Y., & Cui, J. (2021). Noise constrains the evolution of call frequency contours in flowing water frogs: a comparative analysis in two clades. Frontiers in zoology, 18(1), 1-10.
[2] Brumm, H., & Zollinger, S. A. (2013). Avian vocal production in noise. In Animal communication and noise (pp. 187-227). Springer, Berlin, Heidelberg.
