星期二, 03 11月 2020 04:29

海豚——自带高精尖的水下导航系统

到超声波,我们可能会想到舰船使用声呐发现水雷和潜艇,或对海底的地形进行研究

军舰的声纳

军舰的声呐

 

或者也会想到现代的医生拿着一个小仪器扫过病人的身体后,显示屏上便会显示一些体内的黑白影像,帮助医生诊断病人的状况。现代科技还开发出盲人用回声定位系统来“看世界”的设备。1 

超声波诊断

超声波诊断

 

海豚身上有哪些尖端科技?让我们来一一细数。

 

 1. 运用音波的高手 

上述的高科技其实早就被某些动物用来进行导航和觅食了,如海豚、鲸和蝙蝠,这个特技被称为回声定位。但这些动物所用的系统要比军队和医院的设备复杂得多,也高效得多。例如今天的科学家还在研究海豚的超声波特技,希望通过破译海豚的声波算法来提高医疗诊断的效果。 

海豚声波

海豚声波

 

 2. 高效的超声波发生器 

发声器官

★ 发声器官

海豚是用肺呼吸的齿鲸类哺乳动物,它们主要生活在深海,每次呼吸都要游到海面,用头顶的气孔吸入新鲜的空气。

它们有非常复杂的超声波发生器,先用气流冲击由肌肉包裹的鼻腔,通过振动鼻腔组织及末端的“声唇”(俗称猴唇)产生声波,这些声波穿过头骨前部一块类似声波透镜的脂肪组织(额隆),被汇聚成锥形声束,射向前方。冲击声唇的空气流进入两个气囊,让宝贵的空气被回收利用,以延长海豚到水面呼吸的间隔时间。

这个超声波系统由多个功能独特、协调完美的器官组成,大部分超出了人类的听觉范围,称为超声波。 

器官结构图

器官结构图

 

人和海豚、蝙蝠的声波范围图

人和海豚、蝙蝠的声波范围图

 

 3. 奇妙的超声波接收器 

当超声波遇到目标物体后会反射回来,回声从海豚的鼻部进入下颌,传到耳骨转化为信号,再经听觉神经传入大脑,大脑进行分析后就可以判断目标的大小、形状、速度、距离。可以说海豚是靠声波用听觉来“看世界”的。

声波在水中的传播比在空气中快4.5倍,也能传得更远,用声波作为通讯信号实在是深海的绝佳设计,这套回声定位系统让海豚不仅能探测猎物、测绘海下地图,甚至还可以跟200公里以外的海豚交流!

 

4. 海豚的声呐系统的最新发现 

近期科学家发现,海豚的声呐系统比想象得高级得多。

首先,海豚有两个声唇,可以同时或独立工作,它们能发出两股波束。

就好比我们用两只眼睛观察事物,这不仅扩大了海豚的“视野”,而且能让海豚更好地判断景深和距离。(可以捂住一只眼睛看看手机和后面的墙体,再把手松开,感受一下距离变化)。 

海豚声呐系统对目标进行探测

海豚声呐系统对目标进行探测

 

第二,科学家最近发现两道声束存在微秒级的时间差,而且还是不同频率的,一个高频一个低频。高频声波虽然没有低频声波传得远,但能更准确地测定近处目标的细节。有报道称,海豚甚至可以通过声波探测密度来区分高尔夫球和乒乓球。2

第三,科学家之前一直以为海豚的声呐像车灯一样只能照正前方,但美国海军研究机构发现,宽吻海豚可以在不动头的情况下让声束向左右两侧偏转20°,但它们是怎么做到的还不完全清楚。3

用海洋生物学家拉莫斯(Marc Lammers)的话来说:“这种对声波的控制类似于我们头部不动而仅转动眼睛。

海豚凭借这套双频声波系统对高速运动物体的定位是非常准确的,甚至能在一群数以千计的鱼群中锁定一条美味的午餐,一直追不舍,甚至追着鱼儿跃出海面。 

海豚追群鱼图

海豚追群鱼图

 

 5.进化论的解释 

功能如此强大,设计如此精密的回声定位系统必须要同时拥有超声波发声、超声波接收和超声波分析等复杂系统才能起效,这已经对盲目随机的进化论形成了一大挑战。

而另一个问题是不仅海洋中的海豚和其他齿鲸类成员拥有,陆地上的蝙蝠也有。按进化论者的说法,海豚(齿鲸)和蝙蝠在数千万年前就独立进化了,所以不可能用一个拥有回声定位功能的共同祖先(同源)来解释。

于是进化论者说这个功能是由不同个体中的两百多个基因独立突变且发生大概相同的突变造成的4,似乎这两百多个基因在自行发生盲目的突变时,都商量好了要犯一样的错误,来形成相似的功能,而且还能分别适应在水下和空中的环境中使用。

这就好像苹果手机和安卓手机的APP在复制自身代码的过程中,各自都有特定的两百个片段都随机地复制出错了,而且每一处的错误都大概一致的,等出错完后,这两个应用软件不仅能产生前所未有的完美新功能,甚至还能在各自完全不同的系统中使用。 

海豚大笑

海豚大笑

 

这个说法被称为“趋同进化”,很多不能合理地想象进化关系的相似设计,都会被贴上“趋同进化”的标签,说它们因为有相似的需要,就朝着相同的目标进化了,这其实是与进化的随机、无导向的属性相矛盾的,只因进化论者不能接受这些生物是被智慧设计的,所以只能依靠“随机”来解释万物的来源。

海豚除了神奇的双频系统,还有许多其他令人羡慕的“特异功能”,比如它们能连续15天保持警觉清醒的状态,有的科学家认为它们两个脑半球可以轮流休息,如左半球睡觉时,右半球工作;拥有最佳的抗阻力流线设计,在水中游速极快,每小时可达50-70公里,陪海轮同游毫无难度。

海豚随船游泳

★ 海豚随船游泳

功能卓越、设计精妙的仪器一定源自一位智慧超群的工程师。集诸多特异功能于一身,令科学家研究学习、工程师模仿至今的海豚,更应该让我们赞叹造物主的伟大作为! 

成群结队的海豚

成群结队的海豚

 

【扩展阅读】

飞行:不可简化的复杂性 2019-5-31

蝙蝠的精妙定位系统——进化论的又一难题 2019-7-12 

长颈鹿:又一例不可简化的复杂性 2019-11-1  

森林医生的全套豪华啄木装备从何而来? 2020-9-4

 

参考资料与图片出处                                                   

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:这是科学家分析了2300个仅以单体出现在海豚、蝙蝠和其他哺乳动物的基因得出的结论。www.sciencemag.org/news/2013/09/bats-and-dolphins-evolved-echolocation-same-way, www.nature.com/articles/nature12511.

5. 插图、封面:网络图片。

 

 

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