聲生態學及其啟示

施郁

聲音是我們每個人都熟悉的東西。聲學是物理學中的一個傳統領域，研究聲音的物理性質，比如振動如何產生聲波，聲波如何在媒介中傳播，聲波的頻率、強度、速度，等等。

然而，我們對于聲音的感知，或者推而廣之，動物對于聲音的感知，還有超出以上性質的很多問題。有一個有趣的問題：“在一個沒有人的地方，有沒有聲音？”簡單來說，這里的“聲音”可以有兩種含義。一個含義是客觀的聲音本身，即媒介的振動。物理學中有很多這種問題，比如材料的聲學性質，聲波的量子化，乃至早期宇宙中的聲波。而且很多是超出人耳的感知范圍的。在這個意義上，聲音當然不依賴于人的存在。

但是“聲音”還有另一個含義，就是人或者動物對于聲音的感知，這當然不僅依賴于聲音的客觀性質，也依賴于人或者動物的存在。在這個意義上研究聲音，就需要新的概念和新的理論。比如，我們熟悉的分貝是聲音強度的一個衡量。首先用聲壓代表聲音強度，它與參考值的比值的對數，再乘以20，就得到分貝。這里選擇20微帕斯卡作為參考值，是參考了人類對聲音感知的閾值下限。但是動物（包括人）對于不同頻率的感知能力是不一樣的，因此研究人員提出頻率加權函數這個概念。對于不同的動物，采取不同的加權方法。這樣就可以刻畫不同生物感知的聲環境，研究很多相關的問題，比如噪聲導致聽覺功能退化，不同動物的聽覺能力的比較，聽覺能力隨著生物進化的變化，等等。

這就是一門叫做聲生態學（acoustic ecology）的交叉學科。它與較傳統的生物聲學、生理聲學的關注點又有所不同。

我們知道，聲音是信息的一種載體。聲生態學也從這個角度進行研究，比如動物如何通過發出聲音向同伴傳遞信息，包括求偶、尋食、警示等等。 反過來，動物也從其他動物以及環境的聲音得到信息，比如尋找棲息地的線索。這當然也就導致噪聲對動物行為的影響。

所以，聲環境對于生態系統非常重要。保證一個良好的聲環境也就自然地成為生態保護的一部分。這方面有很多有趣的問題。讀者可以從本期的專稿《我們周圍的聲音》中得到更多關于聲生態學的介紹。值得一提的是，這篇文章的原文發表于《今日物理》（Physics Today），想必意在向物理學家介紹這個物理學家比較陌生的領域。

物理學是整個自然科學的基礎，比較成熟，也催生了分子生物學等生物學分支，與它們已很好地結合。在繼續深入研究傳統的前沿領域（比如粒子物理、天體物理、凝聚態物理）之余，如果一部分物理學家轉而開辟如聲生態學這樣的新的交叉領域，非常有意義，也很有趣。以物理學家的知識儲備和研究能力，一定會給一些傳統學科（如生命科學和醫學中，尚未與物理學有很多直接結合的分支）帶來新鮮和深刻的貢獻。聲生態學提供了一個范例。

在抗擊新型冠狀病毒肺炎之際，還可以探討另外幾個學科交叉問題。一是比較一般的問題，就是物理學家可以為這種傳染病做哪些貢獻。可以想到的有：宏觀方面，可以用理論物理，特別是統計物理和復雜性科學的方法去研究傳染病的規律，甚至結合現實的數據，對它的傳播作出預測，探討如何盡快消滅它。微觀方面，除了幫助發展醫療診斷工具和研究手段（已有的例子是X射線，CT，磁共振，電鏡等等），也有其他的努力方向，比如幫助發展更有效的病毒檢測手段、急救技術（既有的例子是包括人工肺的體外膜肺氧合，即ECMO），等等。