解讀動(dòng)物“說話”之謎

生活中，處處有鳥鳴犬吠，但我們并不曾真正思考過這些動(dòng)物怎樣交流。面對(duì)嘈雜的生活環(huán)境，動(dòng)物怎樣應(yīng)對(duì)，怎樣有效地實(shí)現(xiàn)聲通訊？中國科學(xué)院生物物理研究所沈鈞賢帶我們走進(jìn)了動(dòng)物的聲音世界。

中美合作動(dòng)物“說話”的兩次重大發(fā)現(xiàn)

2008年5月8日，國際著名期刊英國《自然》（Nature）雜志發(fā)表了沈鈞賢等關(guān)于凹耳蛙聲通訊研究取得最新成果的新聞稿。6月12日，《自然》正式全文發(fā)表了這篇論文，沈鈞賢為第一作者及通訊作者，合作者中有來自美國的聽覺神經(jīng)科學(xué)家馮士弘（Albert S. Feng）、加州大學(xué)洛杉磯分校Peter M. Narins等。這是中美科學(xué)家在生物物理學(xué)與神經(jīng)科學(xué)交叉項(xiàng)目中取得的又一重要成果。

這樣一篇高質(zhì)量論文到底解釋了什么呢？凹耳蛙又是怎樣通過聲音實(shí)現(xiàn)交流的呢？

求偶聲在蛙繁殖中起關(guān)鍵作用。在求偶期間，雄蛙叫聲通常占主導(dǎo)，以顯示它們精力充沛，而雌蛙則較為被動(dòng)，偶爾產(chǎn)生弱的回答聲，或輕擊聲音。雖然雌蛙具備顯著發(fā)育良好的發(fā)聲系統(tǒng)，但在以雄蛙為主的通訊系統(tǒng)中雌蛙是否產(chǎn)生叫聲，至今尚不清楚。

為了弄清楚這個(gè)問題，沈鈞賢和同事在安靜、黑暗的實(shí)驗(yàn)室里，用超聲傳聲器記錄了雌蛙罕有的叫聲。他們發(fā)現(xiàn)，即將排卵之前，雌蛙發(fā)出短促而高頻的聲信號(hào)，明顯不同于雄蛙的“廣告聲”。然后，他們回放雌蛙叫聲來檢測雄蛙的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)雄蛙不僅增加了叫聲活動(dòng)，并趨近聲源?！靶弁芤宦牭酱仆芙新?，經(jīng)常調(diào)準(zhǔn)朝向，以非凡的精確度長距離地跳向聲源?！?/p>

結(jié)論就是凹耳蛙可能進(jìn)化了這種高頻超聲系統(tǒng)，成為在嘈雜的棲息地進(jìn)行明確通訊的一種方法，是對(duì)急流噪聲環(huán)境的一種適應(yīng)。

其實(shí)，這已經(jīng)是《自然》第2次發(fā)表沈鈞賢的論文。2006年3月16日， 《自然》上就發(fā)表過沈鈞賢、馮士弘和Peter M. Narins等合作的研究成果《蛙進(jìn)化超聲通訊》。該論文證實(shí)凹耳蛙是第一個(gè)能夠像蝙蝠那樣利用人類聽不見的超高頻聲音通訊的非哺乳動(dòng)物物種。從生物進(jìn)化來看，齒鯨目與蝙蝠等動(dòng)物可以產(chǎn)生并檢測出超聲，用于種內(nèi)通訊或者回聲定位，而兩棲類動(dòng)物是完全獨(dú)立的另一條進(jìn)化途徑。

這篇文章還指出，凹耳蛙具有超聲通訊的能力，可能是適應(yīng)喧鬧環(huán)境、發(fā)聲及聽覺系統(tǒng)“協(xié)同進(jìn)化”的結(jié)果。

膽大心細(xì)的實(shí)驗(yàn)歷程

沈鈞賢是中國科技大學(xué)生物物理系著名的“才子”， 1964年本科畢業(yè)之后，全班同學(xué)中也只有這位才子考上了研究生，師從當(dāng)時(shí)中國科學(xué)院植物研究所所長、植物生理學(xué)家湯佩松先生。

多年來，沈鈞賢長期從事動(dòng)物聲通訊與聽覺機(jī)理研究，應(yīng)用生物聲學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)與神經(jīng)解剖學(xué)相結(jié)合等技術(shù)，以螽斯、小鼠、蝙蝠和蛙為對(duì)象，探索聲通訊行為基本特征及其神經(jīng)機(jī)制，取得了系統(tǒng)的、創(chuàng)造性的學(xué)術(shù)成就，對(duì)生物聲學(xué)和聽覺機(jī)理等領(lǐng)域有重要影響。

但成就的取得并不僅依靠天分，還需鍥而不舍地刻苦努力。據(jù)沈鈞賢的學(xué)生余祖林介紹，“發(fā)表在《自然》這兩篇論文的實(shí)驗(yàn)主要是在黃山桃花溪開展的，沈鈞賢老師幾乎天天都要和愛人在深夜里捕捉凹耳雌蛙?！?/p>

“每天從半夜12點(diǎn)到天亮之前是凹耳雌蛙最活躍的時(shí)候，那個(gè)時(shí)候最容易觀測到它們的聲行為?！?沈鈞賢非常興奮地說。

其實(shí)，黃山桃花溪布滿奇形怪狀的石頭，在那里尋找凹耳蛙也是一件非常危險(xiǎn)的事情。為了尋找它們，沈鈞賢就曾沿著巨石頭梁上摔了下去，全身傷得很厲害，鮮血直流。

談到這件事，沈鈞賢的愛人徐智敏說，“當(dāng)時(shí)，我嚇得尖叫，拼命地喊人來救他。可是，當(dāng)時(shí)深夜幾乎200米之內(nèi)只有我們兩個(gè)人?！睂?duì)老伴的關(guān)心溢于言表?，F(xiàn)在，徐智敏仍然和沈鈞賢在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作，實(shí)驗(yàn)室里的很多事情，重要的、瑣碎的，都是在徐智敏的幫助下完成的。

聽到愛人的描述，沈鈞賢笑呵呵地說：“當(dāng)時(shí)學(xué)生所在的位置離我很遠(yuǎn)，我自己能爬起來。雖然受了點(diǎn)傷，但這不算什么?！?/p>

實(shí)驗(yàn)合作者馮士弘表示，沈鈞賢作研究非常細(xì)心，別人做不到的事情他能做到。當(dāng)美國科學(xué)家獨(dú)自進(jìn)行凹耳蛙聲分析研究的時(shí)候也曾經(jīng)給《自然》提交過論文，但被拒絕。中美雙方合作，特別是沈鈞賢超人的細(xì)心和付出，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究才會(huì)取得這么大的成績。

“他最新發(fā)表的論文，《自然》評(píng)審專家沒提出任何修改意見，基本上原文不動(dòng)地發(fā)表了?！?徐智敏驕傲地表示。

早在1998年，沈鈞賢就與愛人徐智敏在《動(dòng)物行為》（Animal Behaviour）上發(fā)表了關(guān)于“鋪道蟻捷徑返巢”的論文，ScienceNow（權(quán)威網(wǎng)絡(luò)期刊）發(fā)表評(píng)論表示“發(fā)現(xiàn)這種導(dǎo)航系統(tǒng)是令人吃驚的。以前科學(xué)界一直認(rèn)為，在社會(huì)復(fù)雜性與個(gè)體學(xué)習(xí)能力之間存在反比關(guān)系：復(fù)雜社會(huì)性螞蟻只能完成簡單任務(wù)，故不必進(jìn)化更多腦功能”。

2007年，沈鈞賢的“蛙高頻聲通訊的生物物理基礎(chǔ)”項(xiàng)目獲得了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助。未來的4年，沈鈞賢研究員將和愛人一起繼續(xù)在黃山和北京實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行這項(xiàng)研究。

仿生耳與東西方人的數(shù)字認(rèn)知

沈鈞賢等的研究告訴我們，凹耳蛙的叫聲延伸到超聲范圍，有超聲通訊能力，并能夠在嘈雜的環(huán)境中進(jìn)行明確通訊。這項(xiàng)基礎(chǔ)性研究，不僅對(duì)了解動(dòng)物聲通訊進(jìn)化有重要科學(xué)意義，且在“強(qiáng)噪聲背景中如何彼此傾聽”及“新型助聽裝置設(shè)計(jì)”方面有借鑒意義。

人工電子耳蝸，即仿生耳，是在高度耳聾的人的內(nèi)耳植入電極，聲信號(hào)由語音處理器處理后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，受電信號(hào)刺激的內(nèi)耳產(chǎn)生神經(jīng)脈沖，上傳到大腦的聽覺皮層。這項(xiàng)技術(shù)可以使高度耳聾的人獲得聽力并學(xué)會(huì)說話，是目前先進(jìn)的助聽裝置。

中國人自己創(chuàng)制人工電子耳蝸，不僅可以打破“洋電耳”一統(tǒng)天下的壟斷，更可能以其低廉的價(jià)格，使更多的耳聾患者重返有聲世界。在對(duì)聽覺功能多年研究的基礎(chǔ)上，沈鈞賢與臨床醫(yī)生合作對(duì)仿生中耳進(jìn)行評(píng)估，所獲成果已發(fā)表在Ear and Hearing上。

沈鈞賢還參與了另一項(xiàng)中美兩國科學(xué)家的合作項(xiàng)目，探索“東西方人怎樣認(rèn)知數(shù)字”的科學(xué)問題。研究人員發(fā)現(xiàn)東西方人對(duì)數(shù)字存在不同的神經(jīng)編碼方式。原因是可能受到語言獲得期間視覺閱讀經(jīng)驗(yàn)的影響，而且其他文化因素如數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)策略和教育體系也會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響。這一發(fā)現(xiàn)支持一個(gè)令人驚訝的結(jié)論——文化能塑造大腦的某些行為。之前曾有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)美國學(xué)生學(xué)習(xí)中文后，所謂的“中文”腦區(qū)得到強(qiáng)化，智力有所提高。這項(xiàng)研究成果于2006年在《美國國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表。

靈敏動(dòng)物與地震預(yù)報(bào)研究：曾經(jīng)的輝煌

今年5月12日14時(shí)28分，四川汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震，全國人民都為之震驚。地震能否被預(yù)測再次被熱議，震前動(dòng)物行為異常的研究也再次被關(guān)注。采訪中沈鈞賢也回憶起當(dāng)年剛剛開始工作時(shí)曾參與的震前動(dòng)物行為異常研究。

上世紀(jì)六七十年代，國內(nèi)地震不斷，邢臺(tái)、唐山地震給國人帶來了巨大的傷痛。社會(huì)各界都希望從自己專業(yè)的角度去分析解讀地震前兆現(xiàn)象，沈鈞賢也從他熟悉的專業(yè)走進(jìn)了一個(gè)陌生的領(lǐng)域——地震預(yù)報(bào)。那個(gè)年月，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室及震區(qū)，不斷做著不同動(dòng)物對(duì)若干地震前兆因素的敏感性實(shí)驗(yàn)。例如，他們用100只鴿子，把其中一半鴿子小腿上與機(jī)械感受小體相連的神經(jīng)切斷，之后一起拿到新疆（地震災(zāi)害頻發(fā)區(qū)）去做試驗(yàn)。在一次地震前，正常的鴿子有驚飛反應(yīng)，而神經(jīng)被切斷了的鴿子都沒驚飛走，這表明鴿子在地震前可能有所感覺。

1978年，美國國內(nèi)地質(zhì)調(diào)查部發(fā)行的《地震信息通報(bào)》（Earthquake Information Bulletin）就發(fā)表了沈鈞賢關(guān)于動(dòng)物異常與地震預(yù)報(bào)的文章，使中國的研究成果得到美國的關(guān)注。

那段期間，沈鈞賢在動(dòng)物與地震研究方面也取得了一系列的成果。1985年，“1976年松潘、平武7.2級(jí)地震中短期預(yù)報(bào)”被評(píng)為國家地震局科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)；1976年，沈鈞賢參與了四川動(dòng)物行為異常調(diào)研與分析；1978年，沈鈞賢參與主持的“臨震前動(dòng)物行為反應(yīng)的調(diào)研”獲中國科學(xué)院重大科技成果獎(jiǎng)；1985年他執(zhí)筆撰寫的著作《動(dòng)物與地震》獲國家地震科普作品二等獎(jiǎng)。1980年，沈鈞賢以編劇、科學(xué)顧問的身份參與了影片“動(dòng)物與地震”的拍攝，對(duì)普及地震知識(shí)有著重要意義。

可惜的是，近20年來，中國不少學(xué)術(shù)研究單位就再?zèng)]有對(duì)動(dòng)物行為與地震前兆之間有何聯(lián)系展開過深入的研究。雖然已不再作此方面的研究，沈鈞賢特別希望國家能夠繼續(xù)支持這項(xiàng)研究，從而使國內(nèi)中斷十幾年之久的研究得以延續(xù)。