回声定位如何让蝙蝠、海豚甚至人类通过声音导航

在没有光或视觉无法发挥作用的环境中，一些生物学会了通过声音生存。它们依靠叫声、咔哒声和叽叽喳喳声来绘制周围环境的地图或精确定位猎物。这种能力被称为回声定位，理解其工作原理的一个简单方法是破解这个词本身。

什么是回声定位？

想象一下回声定位物体。声音击中物体后反弹回来，传递目标所在位置或导航线索的信息。1944 年，哈佛大学动物学家唐纳德·格里芬在《科学》杂志上创造了“回声定位”一词，他描述了蝙蝠如何依靠声音“在洞穴的完全黑暗中飞行而不撞到墙壁或突出的钟乳石。”

在此后的几十年里，科学家已经发现许多其他动物会使用回声定位，也就是生物声纳。例如，至少有 16 种鸟类会使用回声定位，包括栖息在南美洲洞穴深处的金丝燕和夜行性油鸱。新罕布什尔大学的动物声学专家 Laura Kloepper 将这种共享能力称为趋同进化的一个例子，其中“两个不相关的物种会进化出相同的适应策略。”

回声定位是如何工作的？

为了在深水中寻找鱼群，或者在漆黑的夜晚避免撞船，鲸鱼和蝙蝠会发出高达 200 千赫兹的超声波。这远远超出了人类的听力范围（大多数成年人无法听到 17 千赫兹以上的音调）。

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为什么专业的回声定位器使用超声波？“高频声音具有非常精细的空间分辨率，”克洛普解释道。赫兹是每个声波之间距离的度量：赫兹越高，波越紧密，空气中能量振动捕捉到的细节越小。克洛普说，如果你在房间里进行回声定位，一个大的低频波可能只是从墙上反射回来，而高频声音的回声可以告诉你门口甚至门把手的位置。

如果你知道如何解读回声，你会发现它蕴含着丰富的信息。正如克洛普所解释的那样，当有这种能力的动物听到反射声时，它会根据它发出的叫声的“内化模板”来检查这种声音。将回声与信号进行比较可以得出目标的距离、目标可能行进的方向，甚至目标的物质构成。

超声波呼叫也为蝙蝠提供了另一种助力——它们依靠更高级别的频率来寻找配偶。许多被蝙蝠捕食的飞蛾都进化出了能适应这些频率的耳朵，以此作为生存手段。

哪些动物使用回声定位？

在会回声定位的动物中，蝙蝠和海豚等齿鲸是全明星。海豚能够探测 300 英尺以外的物体，甚至可以判断目标内是否有液体。蝙蝠的最大探测范围约为 12 英尺，但它们可以在穿过茂密的森林或巨大的蝙蝠群时感知物体。利用声音，这两种哺乳动物都能辨别出几分之一英寸的位置差异。其他动物也有自己的声纳版本，以适应其独特的特征和需求。

蝙蝠

化石表明，蝙蝠至少在 5200 万年前就已开始利用声音导航，这比人类存在的时间还要长。如今，这种哺乳动物群中有数百种能够使用回声定位，它们利用这种技术追捕蚊子、飞蛾和其他猎物。一些食虫蝙蝠非常擅长这种技能，它们可以在漆黑的夜晚发现躲在树叶上一动不动的虫子。作为回应，许多昆虫进化出了对蝙蝠声纳的防御能力——生物学家将这场斗争比作军备竞赛。月蛾长出长尾巴，可以充当反射诱饵，迷惑蝙蝠。其他会发出超声波信号的蛾子会发出超声波信号来干扰敌人的声纳。

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为了发出超声波，蝙蝠会震动喉部，也就是喉头。它与人类的声带工作原理没有太大区别，只是蝙蝠发出的声音频率要高得多。某些蝙蝠物种会从嘴里发出声音，而另一些蝙蝠物种则会从鼻子发出尖叫声，使用一种复杂的鼻腔结构，绰号为鼻叶。

鲸鱼

海豚、虎鲸和其他齿鲸使用回声定位的原因与蝙蝠相同：追捕美味的猎物并在黑暗中导航。但这些水生哺乳动物发射超声波的方式完全不同。鲸鱼头部内部，通常靠近其喷水孔，有唇状瓣膜。当鲸鱼将空气推过瓣膜时，附肢会振动，发出咔嗒声。“这就像你给气球充气，然后把气球里的空气全部放出来。它会发出pbbft 的声音，”Kloepper 说。

海豚头骨的曲线将噪音传入头部前方的脂肪结构，即所谓的“乳突”。这些脂肪结构又能有效地在海水中传输振动。波浪从猎物或其他物体上反弹回来，但鲸鱼并不依靠外耳来听到回声（它们的耳道被耳垢堵塞）。相反，振动通过它们的颌骨传导，声音通过充满脂肪的空腔接收，这些空腔非常薄，光线可以穿过它们。这些空腔靠近鲸鱼的内耳，内耳可以感知回声。这个过程可以揭示各种细节：鱼在哪里，它要去哪里，以及它游得有多快。

鼩鼱

鼩鼱的胡须很敏感，但视力很差。为了在探索森林和草地栖息地时补充感官，它们可能会使用一种粗略的回声定位，葡萄牙里斯本大学的哺乳动物学家索菲·冯·默滕称之为“回声定位”或“回声导航”。她说，这种能力可以“提示它们有障碍物正在靠近”，比如鼩鼱的叽叽喳喳声可以探测到倒下的树枝。它们像鸟一样的叫声很微弱，但人类可以听到。

鼩鼱回声导航的程度尚不完全清楚。在 2020 年的一项实验中，冯·默滕和一位同事发现，当鼩鼱被引入新环境时，这些小型哺乳动物会更频繁地叽叽喳喳。冯·默滕说，它们很可能通过这些叫声来感知陌生的地方，但另一种解释可能是，被圈养的动物感到压力。她认为这个假设不太有说服力，尽管她正在进行的研究也将测量鼩鼱的压力。

软毛树鼠

2021 年， 《科学》杂志的一项研究发现，四种软毛树鼠通过吱吱声进行回声定位。这些啮齿动物属于Typhlomys属，意为“盲鼠”，生活在中国和越南茂密的竹林中。通过研究这些动物的行为、解剖学和遗传学，研究人员得出结论，有“强有力的证据”表明，这些树鼠是新发现的“哺乳动物中的回声定位谱系”。

是否还有其他未被发现的生物会使用回声定位？“我认为很有可能，”克洛珀说。她补充说，很难判断除了哺乳动物和鸟类之外，哪些动物会表现出这种行为，因为“我们对许多隐秘物种的发声知之甚少。”

人类

与蝙蝠不同，人类并非生来就具有回声定位的本领——但我们仍然可以利用这种能力。格里芬在 1944 年发表的原始论文中讨论了回声定位的现象，例如船长聆听悬崖边船只的汽笛声，或者盲人顺着手杖的敲击声寻找方向。

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最著名的人类回声定位者可能是世界盲人通道组织主席丹尼尔·基什，他在 2020 年的一次《大众科学》采访中描述了他如何通过咂舌来导航。“发出声音和返回之间的时间延迟越长，”基什说，“物体距离越远。”基什已经教别人像他一样咂舌。类似的例子表明，人类的回声定位不需要特殊的大脑或异常良好的听力——这是一种后天习得的行为，经过大约 10 周的练习和训练就可以掌握。