為了成功交配，許多雄蛙會坐在一起，向潛在配偶發(fā)出叫聲。這時(shí)，問題就出現(xiàn)了——每個(gè)試圖在人聲鼎沸的雞尾酒會上聽清別人說話的人都會遇到：一只雌蛙是如何在背景噪音（包括其他蛙類的聲音）中聽到并找到自己的如意郎君呢？現(xiàn)在，研究人員可能找到了答案。
3月5日，一篇發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Current Biology（《當(dāng)代生物學(xué)》）上的報(bào)告顯示，青蛙能做到這一點(diǎn)要?dú)w功于它們的肺部。當(dāng)肺部膨脹時(shí)，青蛙鼓膜在特定的頻率范圍內(nèi)降低了對環(huán)境噪音的敏感性，從而更容易關(guān)注配偶的叫聲。
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“從本質(zhì)上講，肺消除了鼓膜對噪音的反應(yīng)，特別是對一些不在調(diào)上的‘繁殖大合唱’中所遇到的噪音?！闭撐闹饕髡?、明尼蘇達(dá)大學(xué)圣奧拉夫?qū)W院的Norman Lee說。
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研究人員解釋說，青蛙肺部所做的事情被稱為“聲譜對比度增強(qiáng)”。這是因?yàn)椋c相鄰頻率的噪聲相比，它使雄性聲譜的頻率尤為突出。
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“這類似于某些助聽器和耳蝸植入物中用于增強(qiáng)聲譜對比度的信號處理算法?！泵髂崽K達(dá)大學(xué)雙城校區(qū)的資深作者M(jìn)ark Bee說，“人類設(shè)計(jì)這種算法，用來放大或提升語音的頻率，減弱或過濾語音之間的頻率，或兩者兼而有之。青蛙的肺部似乎會減弱雄性交配叫聲之間的頻率。我們認(rèn)為，這種現(xiàn)象發(fā)生的物理機(jī)制與降噪耳機(jī)的工作原理類似。”
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科學(xué)家們早就知道，聲音信號是大多數(shù)青蛙繁殖的關(guān)鍵。事實(shí)上，青蛙擁有一種獨(dú)特的發(fā)聲途徑，可以將聲音從充滿空氣的肺部通過聲門、口腔和咽鼓管傳到充滿空氣的中耳。但這種從肺到耳朵的聲音傳遞的精確運(yùn)行過程一直是個(gè)謎。早期研究表明，青蛙肺部可能在增強(qiáng)鼓膜振動的方向性上發(fā)揮了作用，從而提高雌蛙定位“呼喚配偶”的雄蛙的能力。但Bee團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此。
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研究人員對數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析提出了一種截然不同的解釋：青蛙肺的膨脹狀態(tài)不僅對聽力定向毫無影響，反倒對鼓膜的敏感性有重大影響。肺部充氣后，鼓膜對特定頻率范圍內(nèi)聲音的反應(yīng)就會減少。這讓他們產(chǎn)生了一個(gè)新想法：肺可以抑制振動，從而消除噪音。
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確實(shí)，研究人員使用激光振動測量儀研究表明，充氣肺的共振選擇性地降低了鼓膜對同種青蛙求偶叫聲中出現(xiàn)的兩個(gè)聲譜峰值之間頻率的敏感度。研究證實(shí)，無論雌蛙肺脹得多厲害，它都能聽見同類雄蛙的聲音。因此，肺對雌蛙感興趣的“信號”照單全收，但是對“噪音”呢?
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他們已經(jīng)知道，任何一種蛙類的主要噪音來源是同一時(shí)間“求偶”的其他蛙類的叫聲。但是他們不知道有多少或哪些蛙類物種會在其地盤上與綠樹蛙“大合唱”，更不知道它們的聲譜如何。為了找到答案，研究人員使用了一個(gè)名為“北美兩棲動物監(jiān)測計(jì)劃”的公眾科學(xué)項(xiàng)目的公開數(shù)據(jù)。他們對這些數(shù)據(jù)的分析表明，綠樹蛙充氣的肺部會讓它們難以聽到其他蛙類的叫聲，卻能聽到同伴的叫聲。
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“毋庸置疑，我們認(rèn)為這個(gè)結(jié)果——蛙肺部可以消除鼓膜對其他蛙類發(fā)出的噪音的反應(yīng)——非?？?”Bee說。
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最后，研究人員建立了一個(gè)綠樹蛙內(nèi)耳處理聲音的生理模型，以檢查肺部對鼓膜的影響如何轉(zhuǎn)化為對同伴叫聲的更強(qiáng)有力的神經(jīng)反應(yīng)。他們認(rèn)為工作原理是這樣的：內(nèi)耳在某種程度上是“調(diào)諧”的，以便對物種自身叫聲的頻率做出最佳響應(yīng)。但這種調(diào)諧并非完美。作者認(rèn)為，肺部在聽覺方面的一個(gè)主要功能是加強(qiáng)或改善這種調(diào)諧，通過減少由其他蛙類叫聲引起的神經(jīng)反應(yīng)，讓內(nèi)耳對同類蛙的叫聲產(chǎn)生相對更強(qiáng)的神經(jīng)反應(yīng)。
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研究人員說，這些發(fā)現(xiàn)證明了進(jìn)化的力量，即利用已有適應(yīng)性來適應(yīng)新的功能。在未來的工作中，他們希望進(jìn)一步了解決定鼓膜振動響應(yīng)的三種聲源（外部聲源、內(nèi)部聲源和肺部聲源）之間的物理相互作用。他們還想進(jìn)一步了解青蛙的噪音消除有多普遍。
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This work was supported by the U.S. National Science Foundation.
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Current Biology, 作者Lee 等: 'Lung Mediated Auditory Contrast Enhancement Improves the Signal-to-Noise Ratio for Communication in Frogs'
文章URL ：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00113-5?
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2021.01.048?
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