معلومة

هل هذا التسجيل يشبه النبضات المنبعثة من الخفافيش؟


بدافع الفضول ، قمت بتسجيل الأصوات في منطقة بها الكثير من الخفافيش ، على أمل أن أكون قادرًا على "سماع" الخفافيش وهي تتواصل عن طريق خفض الموجات فوق الصوتية إلى مستوى أقل من التردد الذي يمكن أن يسمعه الإنسان.

بعد قليل من المعالجة اللاحقة ، أسمع أصواتًا مثيرة للاهتمام ، لكنني لست متأكدًا من أصلها. يبدو أن تواتر النبضات منخفض جدًا مقارنة بالخفافيش.

الصوت النهائي متاح على موقع يوتيوب.

هل تلك الأصوات الفعلية تنبعث من الخفافيش؟ إذا لم يكن الأمر كذلك ، فما هو الحيوان الآخر الذي يمكن أن يكون مصدر تلك الأصوات؟

حول الصوت

تم تسجيل الصوت في الساعة 10 مساءً. عند 46 ° 34'32.0 "شمالًا ، 0 ° 20'45.4" شرقًا بالقرب من النهر ، مع وجود أكثر من عشرة خفافيش تحلق في هذه المنطقة. يوجد جسر قريب ، وجوانب النهر من الخرسانة المسطحة ، مما يعني أن هناك الكثير من الفرص لانعكاس الصوت (على الرغم من أن الأصوات عالية التردد لا تنعكس جيدًا).

تم استخدام Zoom H5 مع ميكروفون الاتجاه XY الافتراضي. تم ضبط معدل البت على 24 بت. لسوء الحظ ، استخدمت تردد أخذ العينات البالغ 48 كيلو هرتز بدلاً من الحد الأقصى 96 كيلو هرتز.

تم إجراء التحولات التالية على الصوت الأصلي:

  1. تم إزاحة درجة الصوت بمقدار -12 نغمة شبه ، مما يعني أن صوت 20 كيلو هرتز يصبح 10 كيلو هرتز ، و 15 كيلو هرتز يصبح 7.5 كيلو هرتز.

  2. تمت إزالة جميع الأصوات التي تقل عن 6 كيلو هرتز.

  3. تم تضخيم الصوت.

  4. تم تطبيق تقليل شديد للضوضاء للقضاء على كل شيء باستثناء الأصوات الفعلية المنبعثة من الخفافيش.

  5. تمت إزالة الأجزاء الفارغة من الصوت.

  6. تم تضخيم الصوت مرة أخرى.

تكرر

تحليل تردد الصوت المحول يبلغ ذروته حوالي 9 كيلو هرتز (18 كيلو هرتز في الصوت الأصلي) ، يتلاشى ببطء لينخفض ​​فجأة عند 16 كيلو هرتز (32 كيلو هرتز في الصوت الأصلي).

يحتوي الكتاب النصي التشعبي على العديد من المصادر ذات الدلالات المختلفة حول مدى تردد الأصوات المنبعثة من الخفافيش ، فقط القليل منها يشير إلى الترددات المنخفضة بما يكفي ليسمعها الإنسان:

ينتج التردد 10 كيلو هرتز - 120 كيلو هرتز

رامزي ، غابرييل ، ماكغيرك ، فيليبس ، واتنبوغ. العلوم الفيزيائية هولت. نيويورك: Holt ، Rinehart and Winston Publishers ، 1986.

بينما يتفق معظمهم على حقيقة أن الخفافيش تستخدم ترددات أعلى من 20 كيلو هرتز.

تستخدم معظم الخفافيش ترددات في النطاق 20-80 كيلو هرتز ، ويستخدم عدد قليل فقط من الخفافيش ترددات أقل من 20 كيلو هرتز.

Long ، M.R. & Savage ، J.G. تطور الثدييات. نيويورك: هاربر ، 1976: 108.

يبدو النطاق الملاحظ البالغ 18 ... 32 كيلو هرتز منخفضًا جدًا مقارنة بالمصادر ، لكن لدي انطباع بأن الترددات تختلف كثيرًا بين الأنواع المختلفة من الخفافيش.

نمط

عند عرض المسار الصوتي (انظر أدناه) ، تتكون كل صرخة من عدة نبضات في مجموعتين إلى ثلاث مجموعات فرعية والتي بدورها في مجموعتين. كل ذروة أقل قليلاً من 1 مللي ثانية. المجموعة الثانية تحدث من 40 إلى 200 مللي ثانية. بعد نهاية الأول. يتم فصل كل مجموعة فرعية بمقدار 5 إلى 10 مللي ثانية.

لا يختلف تواتر كل نبضة ، باستثناء النبض الأول. تبدأ الصرخة الأولى بنبض أكثر هدوءًا عند 6 كيلوهرتز (12 كيلوهرتز في الصوت الأصلي). الصيختان الثانية والثالثة لا تتبع هذا النمط.

يشير Hyperphysics إلى أن هناك ثلاث فئات من الأصوات التي تصدرها الخفافيش:

  1. نقرات قصيرة ،

  2. نبضات اجتاحت التردد ،

  3. نبضات التردد المستمر.

يبدو أنها لا تزال الفئة الثالثة التي نلاحظها هنا ، والنمط العام يبدو مشابهًا للفئة الموصوفة للخفافيش.

غالبًا ما تكون الفجوة بين المسارين الأيسر والأيمن غير ذات صلة: في الترددات الأعلى ، تصبح الميكروفونات اتجاهية أكثر فأكثر ، وينعكس الصوت بشكل أقل ، مما يؤدي إلى مثل هذا الاختلاف.


ملاحظة: تم اعتبار هذا السؤال على أنه موضوع في Biology.SE on Meta.


على الرغم من أنني لا أستطيع أن أكون متأكدًا بنسبة 100 ٪ من جودة الصوت ، إلا أنه يبدو بالتأكيد / يبدو وكأن الخفافيش تجري المكالمات التي تسمعها / تشاهدها. لقد أمضيت عددًا من السنوات كباحث في الصوتيات الحيوية في الخفافيش وواجهت أصواتًا متشابهة كثيرًا وكانت كذلك قادرون على تأكيد أنهم أتوا من الخفافيش التي تتغذى.

يجب أن أرى ما إذا كان بإمكاني العثور على أي مخططات طيفية أو تسجيلات قديمة على محرك بيانات قديم. إذا تمكنت من العثور على أمثلة واضحة مماثلة لأمثلة لك ، فسأضيفها إلى إجابتي. (على الرغم من أنني لم أر هذا القرص الصلب منذ سنوات ، فلا ترفع آمالك!).

يمكن تفسير هذه الأصوات على الأرجح بواحد مما يلي:

  • من المعروف أن بعض أنواع الخفافيش تحدد موقعها بالصدى باستخدام المكالمات التي تكتسح نطاق السمع البشري (أي أقل من 20 كيلو هرتز ؛ فنتون ، 2015 ؛ مصادر أخرى سبق ذكرها).

  • تصدر العديد من الخفافيش مكالمات أثناء الطيران تختلف في هيكلها عن مكالمات تحديد الموقع بالصدى ؛ قد تحدث هذه المكالمات ، التي يشار إليها غالبًا باسم "المكالمات الاجتماعية" ، بين مكالمات تحديد الموقع بالصدى وغالبًا ما تتكون من مكالمات النطاق العريض مع مكونات منخفضة التردد ومقاطع متعددة (Altringham and Fenton، 2003؛ Wright et al.، 2013).

  • تستخدم بعض الخفافيش أصواتًا خاصة لتجنب الاصطدام ببعضها البعض أثناء الطيران (فنتون ، 1983).

يمكنك أن ترى وتسمع أمثلة لبعض المكالمات الاجتماعية (تستخدم على نطاق واسع في هذه الحالة) لمضرب pipistrelle في بريطانيا هنا.

أقوم بنسخ مخطط طيفي لإحدى هذه المكالمات الاجتماعية من الرابط أعلاه (انظر توقيع المكالمة الوسطى):

يوفر Wright et al. ، 2013 أيضًا مخطط طيف يوضح جميع تواقيع المكالمات المختلفة التي سجلوها من مختلف Eptesicus fuscus (الخفافيش البنية الكبيرة) في الولايات المتحدة:

يجب أن يساعد شراء بعض برامج التحليل الصوتي الحيوي للخفافيش في تسجيلاتك وتفسير المكالمات. أوصي بـ Sonobat (الأفضل ، لكنه غالي الثمن) أو SCANR (من Binary Acoustic Technology). هناك أيضًا خيارات أخرى أقل استخدامًا (على سبيل المثال ، جهاز Echo Meter Touch Bat Detector لـ Apple ، والذي قمت بتصوير مثال على لقطة الشاشة أدناه):


أريد أيضًا تقديم بعض المعلومات والاستشهادات حول تحديد الموقع بالصدى للخفافيش للمساعدة في إبلاغ المهتمين بهذا السؤال. أود أن أدرج هذا في التعليقات ، لكنه طويل جدًا:

101- طاهر

  • أطوال موجية أقصر (ترددات أعلى) توفر دقة أفضل لتفاصيل الهدف مما يسمح للخفاش بتلقي صورة أكثر تفصيلاً لهدفه (فنتون ، 1983).
  • تكون الطاقة الصوتية المنعكسة من هدف أكبر من الناحية النظرية عندما تكون الأطوال الموجية للمكالمات قريبة من نفس الحجم أو أصغر من الهدف (جونز وريدل ، 2003) ؛ خلاف ذلك ، إذا كان الجسم أصغر من الطول الموجي ، فسوف يتشتت الصوت بدلاً من انعكاسه (Yalden & Morris ، 1975).
  • يجب أن تكون الخفافيش قريبة من الأشياء "لرؤيتها": النطاق عادة 1-5 متر للترددات حول 20 كيلو هرتز وأقرب بشكل متزايد للترددات الأعلى (جونز وريدل ، 2003).
  • بالإضافة إلى النطاق المستهدف ، ترى الخفافيش الشكل والملمس المستهدفين من تأخر الانعكاسات المتعددة (الصدى).
  • تحتوي المكالمات على ترددات أساسية ، ولكن يمكنها أيضًا إضافة التوافقيات والنغمات إلى عرض النطاق الترددي للمكالمات ، والتي يمكن أن تعزز نطاق الهدف والتوطين (Jones and Rydell ، 2003) وبالتالي زيادة حدة (Fenton ، 1983). يمكنهم أيضًا قمع بعض التوافقيات واستخدام اختلافات في مجموعات النغمات.
  • يمكن للخفافيش أيضًا تغيير سعة أو ارتفاع صوت نداءاتهم (Yalden & Morris ، 1975).
  • يمكن أن تتكون مكالمات الخفاش من مكونات معدلة التردد (FM) أو تردد ثابت (CF) أو مزيج من كلا النوعين من المكالمات (Jones and Rydell ، 2003).

    • FM = كل إشارة تتكون من نبضات صوتية منفصلة (فنتون ، 1983) ، تبدأ بتردد واحد وتنتقل إلى تردد آخر. يسمح المسح عبر نطاق من الترددات للخفافيش بتحقيق بعض الحماية من الأخطاء المرتبطة بتحولات دوبلر ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يساعد تعديل الترددات على إخبار الخفاش عن نسيج الهدف (فنتون ، 1983).

    • أثناء البحث عن الطعام ، تخلق خفافيش FM سلسلة من النبضات فوق الصوتية المتكررة في مراحل مختلفة. هناك ثلاث مراحل رئيسية ، لكل منها زيادة في معدل التكرار. يمكن أن ينتقل التغيير في المعدل عبر المراحل من 4-5 نبضات في الثانية إلى 200 نبضة في الثانية.

  • قد تخدم الإشارات التي تنتجها الخفافيش وظائف متعددة ؛ يمكن استخدامها لتحديد الموقع بالصدى وكذلك للتواصل ، سواء عن قصد أو عن غير قصد.

    • استخدم مكالمات تحديد الموقع بالصدى للآخرين لتحديد مواقع الجثث ، كما يسمح التنصت للخفاش الإقليمي بالتمييز بين خفاش آخر يحاول سرقة طعامه أو خفاش يمر عبر أراضيه (فنتون ، 1983).

    • "المكالمات الاجتماعية" (Altringham and Fenton، 2003؛ Wright et al.، 2013).

    • أصوات تجنب الاصطدام (فنتون ، 1983).
    • مكالمات الإنذار ومكالمات الاستغاثة عندما تكون في المواقف العصيبة.
    • التواصل بين الأم والشباب.

قد يعمل تحديد الموقع بالصدى الخاص بخفاش الفاكهة مثل سونار المراقبة المتطورة

يشير بحث جديد من جامعة واشنطن إلى أن خفاش الفاكهة المصري يستخدم تقنيات مماثلة لتلك التي تفضلها المراقبة العسكرية والمدنية الحديثة. يمكن أن تلهم النتائج اتجاهات جديدة للسيارات بدون سائق والطائرات بدون طيار.

الورقة الجديدة ذات الوصول المفتوح في بلوس علم الأحياء يوضح كيف تستطيع الحيوانات التنقل باستخدام نظام مختلف عن الخفافيش الأخرى.

قال المؤلف الرئيسي Wu-Jung Lee ، الباحث في مختبر الفيزياء التطبيقية في UW: "قبل أن يعتقد الناس أن هذا الخفاش لم يكن جيدًا حقًا في تحديد الموقع بالصدى ، وقام فقط بهذه النقرات البسيطة". "لكن هذا النوع من الخفافيش هو في الواقع خاص جدًا - ربما يستخدم تقنية مماثلة أتقنها المهندسون للاستشعار عن بعد."

بينما تصدر معظم الخفافيش الأخرى صريرًا عالي النبرة ، فإن خفاش الفاكهة ينقر ببساطة على لسانه وينتج إشارات تشبه نقرات الدلافين أكثر من نداءات الخفافيش الأخرى. يمكن لخفافيش الفاكهة أيضًا أن ترى جيدًا ، وتقوم الحيوانات بالتبديل والجمع بين الأوضاع الحسية بين البيئات المظلمة والمشرقة.

أظهرت دراسة سابقة أن خفافيش الفاكهة المصرية ترسل نقرات في اتجاهات مختلفة دون تحريك رأسها أو فمها ، واقترحت أن الحيوانات يمكنها إجراء تحديد الموقع بالصدى ، وهو شكل من أشكال الملاحة التي تستخدم الصوت ، بشكل أفضل مما كان يُعتقد سابقًا.

قال لي: "لكن لا أحد يعرف كيف يفعلون ذلك ، وذلك عندما كنت متحمسًا ، لأن هناك شيئًا ما يحدث لا نفهمه".

قام لي وزملاؤه بقياس الحيوانات في "معمل الخفافيش" بجامعة جونز هوبكنز من خلال التقاط فيديو عالي السرعة وصوت فوق صوتي للخفافيش أثناء الطيران لدراسة آلية سلوكها والتنقل.

عند قياس إشارات تحديد الموقع بالصدى من خفافيش الفاكهة بمصفوفة ثلاثية الأبعاد من الميكروفونات ، لم تحل لي لغز نقرات اللسان التي تبدو بلا حراك ، لكنها لاحظت شيئًا غريبًا. شعاع الترددات المختلفة للموجات الصوتية المنبعثة من الخفافيش لا يصطف في المركز ويشكل نقطة مركزية ، كما يتوقع المرء من مصدر صوت بسيط ، ولكن بدلاً من ذلك يكون شعاع الصوت بعيدًا عن المركز عند الترددات الأعلى.

تعرف لي على هذا النمط باعتباره نمطًا شائعًا في أنظمة المراقبة بالرادار والسونار. اخترع في أوائل القرن العشرين ويستخدم الآن في جميع التطبيقات المدنية والعسكرية ، فالطائرات والسفن والغواصات تنبعث منها نبضات من موجات الراديو في الهواء ، أو الصوت تحت الماء ، ثم تحلل الموجات العائدة لاكتشاف الأشياء أو الأخطار. في حين أن السونار البسيط أحادي التردد له مفاضلة بين التغطية الزاوية ووضوح الصورة ، فإن "سونار مسح التردد" يحل هذه المشكلة عن طريق توجيه ترددات مختلفة للصوت بزوايا مختلفة قليلاً للحصول على صور صوتية دقيقة على مساحة كبيرة.

تساءل لي عما إذا كانت خفافيش الفاكهة يمكن أن تستخدم نفس الأسلوب عند تحديد الموقع بالصدى. ابتكرت نموذجًا حاسوبيًا لما يمكن أن يحدث عندما ينقر اللسان من مقدمة الفم ويمر بين شفتي الخفاش. الشكل الممدود لفم الخفاش يخلق مسافات متفاوتة بين مصدر الصوت والفجوات بين أسنانه ، وهذا يخلق تداخلا موجبا أو سلبيا بين الموجات الصوتية ذات الترددات المختلفة. النتيجة ، كما يوضح نموذج لي ، هي أن الترددات المختلفة تشير في اتجاهات مختلفة - تمامًا كما يعمل سونار مسح التردد.

قال لي: "بالنسبة لي ، الشيء المثير هو فكرة أن لديك تقريبًا تقارب بين نظام تم تطويره ، والآثار مشابهة جدًا لما اخترعناه كبشر". "هذه ليست الحالة الكلاسيكية حيث نتعلم من الطبيعة - اكتشفنا أن الخفاش ربما يفعل نفس الشيء مثل نظام اخترعه منذ سنوات عديدة."

(لا يجب أن يمر الصوت بين أسنان الخفاش ، فقط من خلال شفتيه ، كما اكتشف الباحثون من خفاش بلا أسنان).

بعد إجراء حسابات بتقريب تقريبي لشكل جمجمة الخفاش ، عمل لي مع المؤلفة المشاركة جيسيكا أربور في قسم الأحياء بجامعة واشنطن للحصول على مسح مقطعي لجمجمة خفاش فاكهة فعلية. أكد دمج شكل الجمجمة الصحيح تشريحيًا في النموذج النتائج. على الرغم من أن لي لا تستطيع أن تقول بالضبط ما يحدث داخل فم الخفاش عند صدور نقرة على اللسان ، إلا أنها تعتقد أن نموذجها يوحي بأن هذا يمكن أن يكون كيف يخلق الخفاش أشعة السونار الخاصة به.

قد تكون هذه الآلية حلاً تطوريًا بسيطًا - يبدو خفاش الفاكهة المصري مثل أنواع الخفافيش وثيقة الصلة التي لا تحدد موقعها بالصدى ، ولها أيضًا عيون كبيرة. هذا يعني أن شكل رأسه لم يتغير من خلال التطور. من وجهة نظر هندسية ، تقدم هذه البساطة فائدة مماثلة.

قال لي: "ليس عليك فعل أي شيء ، عليك فقط الحصول على المسافة الصحيحة. إنه حسب التصميم". "قد تكون هذه طريقة لإنتاج جهاز استشعار رخيص للغاية لديه هذا النوع من القدرة على الاستشعار."


الخفافيش هي الثدييات الوحيدة التي لها أجنحة وقادرة على الطيران. أجنحتهم مصنوعة من غشاء باتاجيوموهو امتداد للجلد من منطقة الظهر والبطن. يتراوح طول أجنحتها من 5 أقدام في خفاش الثعلب الطائر الكبير إلى 6 بوصات في الخفافيش ذات الأنف الخنزير.

مملكة الحيوان
حق اللجوء الحبليات
فصل Mammalia
ترتيب تشيروبترا
الطلبات الفرعية Megachiroptera و Microchiroptera
العائلات 18
صنف 977

الجدول 1. يوضح هذا الجدول تصنيف أنواع الخفافيش.

تنتمي الخفافيش في الترتيب تشيروبترا. Chiroptera هو ترتيب ضخم ، يحتوي على ما يقرب من ربع جميع أنواع الثدييات. يتم تجاوزه فقط بواسطة القوارض في عدد الأنواع التي تتكون منها. تنقسم الخفافيش إلى أمرين فرعيين ، وهما Megachiroptera و ال ميكروسوبترا. تميل Megachiroptera إلى أن تكون أكبر من Microchiroptera ، ولها وجه يشبه الثعلب ، وتفتقر إلى ميزات تحديد الموقع بالصدى، وهي طريقة لتحديد موقع الأشياء البعيدة أو غير المرئية ، مثل الفريسة ، عن طريق الموجات الصوتية التي تنعكس مرة أخرى على الباعث ، مثل الخفافيش ، من الكائنات.


شكل 1. خفاش تاونسند ذو الأذن الكبيرة (Corynorhinus townendii) هو خفاش ميكروي الأجنحة موجود في غرب أمريكا الشمالية. عادة ما يفترس العث فوق المراعي المفتوحة ومظلات الغابات. (ويكيبيديا ، 2008.)

من ناحية أخرى ، تستخدم جميع الكائنات الدقيقة الدقيقة تحديد الموقع بالصدى للعثور على الفريسة والتنقل أثناء الطيران ليلاً. مكالمات تحديد الموقع بالصدى هي أصوات يتم إنتاجها في الحنجرة (صندوق الصوت) ثم يتم إرسالها من خلال الفم أو فتحتي الأنف. مثل الأنواع الأخرى من الصوت ، تنتقل إشارات الخفافيش عبر الهواء على شكل اهتزازات أو تقلبات دورية في ضغط الهواء. يتم تحديد درجة الصوت من خلال تردده. تكرر يقاس في هيرتز (هرتز)، أو دورات في الثانية. الوحدة كيلو هرتز (كيلو هرتز) يساوي 1000 هرتز. صدى الخفافيش تنبعث منها فوق صوتي ينبض ويحلل الصدى العائد لتحديد المسافة إلى الجسم وسرعته ونوعه. إشارات الموجات فوق الصوتية ، بحكم تعريفها ، لها ترددات أعلى من الحد الأعلى لسمع الإنسان ، وهو حوالي 20 كيلو هرتز.

تتناوب معظم الخفافيش بين إصدار الصوت والاستماع إلى الصوت المرتد. يمكن للخفافيش تغيير تصميم مكالماتها لتناسب المهمة و mdashnavigating أو البحث عن الحشرات الطائرة أو انتزاع الحشرات من النباتات.

سمحت القدرة على تحديد الموقع بالصدى للعديد من الخفافيش باستغلال الحشرات الليلية كمصدر للغذاء ، وكذلك العيش في الكهوف المظلمة. على الأرجح نتيجة لزيادة الاعتماد على تحديد الموقع بالصدى ، قللت الخفافيش الدقيقة من قدرات الرؤية ، بعد أن فقدت بعض التعقيد الموجود في عيون وأدمغة الخفافيش العمياء ، ولكن ليس صحيحًا أن الخفافيش عمياء!

ومن المثير للاهتمام أن بعض حشرات العث قد طورت قدرتها على سماع أصوات صدى الخفافيش. عندما تسمع إحدى هذه العث نداءات اقتراب الخفافيش ، فقد تقوم بمناورات مراوغة. بعض الحشرات تصدر أصواتًا ردًا على نداءات الخفافيش. يبدو أن هذا يربك الخفاش ، على الرغم من أنه لا يعيق الإشارة بشكل مباشر.

نظرًا لأن ترددات أصوات الخفافيش عالية جدًا بحيث يتعذر على البشر سماعها ، يستخدم العلماء أجهزة الكشف عن الخفافيش لنقل أصوات الخفافيش إلى تردد أقل. بالنسبة لمشروع science fair هذا ، ستستخدم ملف كاشف الخفافيش بتقسيم التردد. تعمل هذه الأدوات على خفض درجة الصوت (التردد) بمعامل 16 ، وبالتالي فإن المكالمات تقع ضمن نطاق سمع الإنسان ، والذي يتراوح بين 20 و 20000 هرتز. على سبيل المثال ، يتم تشغيل مكالمة كانت في الأصل 64000 هرتز عند 4000 هرتز (4 كيلو هرتز) باستخدام كاشف الخفاش بتقسيم التردد. يمكنك سماع مثال على تسجيل تم إجراؤه باستخدام هذا النوع من كاشف الخفافيش على رابط USGS في قائمة المراجع أدناه. هناك أنواع أخرى من أجهزة الكشف إلى جانب نوع تقسيم التردد ، لكنها تميل إلى أن تكون أكثر تكلفة.

قبل أن تبدأ مشروع معرض العلوم هذا ، يجب أن تكون لديك فكرة جيدة عن المكان الذي ستذهب إليه لدراسة الخفافيش في منطقتك. يبدأ نشاطهم بعد بضع دقائق من غروب الشمس ، وهو وقت مناسب للذهاب لأنك قد تتمكن من رؤيتهم في الضوء الخافت. تعتبر المناطق المشجرة ومصادر المياه العذبة أماكن جيدة لاكتشافها. قم بأبحاثك قبل أن تبدأ حتى تتمكن من التنبؤ بأنواع الخفافيش التي من المرجح أن تواجهها. اصطحب معك شخصًا بالغًا للمساعدة ، ولا تنس رش الحشرات!


معهد بحوث الخلق

من بين 1240 نوعًا من الثدييات الحية ، هناك ما يقرب من 25 في المائة من الخفافيش المصممة بشكل مذهل. 1 هم يشكلون ثاني أكبر رتبة من الثدييات ، بجانب القوارض ، 2 وهي مهمة من الناحية البيئية والاقتصادية. تتحكم الخفافيش بشكل فعال في الآفات الحشرية وهي ضرورية لتلقيح بعض الأزهار. في الواقع ، يعتمد عدد من النباتات الاستوائية كليًا على الخفافيش في نثر البذور. يضع أخصائيو الثدييات هذه المخلوقات الليلية في رتبتين فرعيتين و mdashthe Microchiroptera (تحديد الموقع بالصدى ، الخفافيش الآكلة للحشرات) و Megachiroptera (الخفافيش الآكلة للفاكهة). وفقًا للتطور ، تطورت كلتا المجموعتين من سلف مشترك غير معروف.

أصول الخفافيش

يؤكد أنصار التطور أن نوعًا ما من القوارض قد تطور إلى خفاش. ومع ذلك ، تم اكتشاف أكثر من 1000 خفاش أحفوري ولم يصنف العلماء خفاشًا واحدًا على أنه وسيط بين القوارض والخفافيش. & rsquore جميع الخفافيش ، كما تنبأ نموذج الخلق.

إذا كان هناك مثل هذا التحول العظيم ، من الناحية التطورية ، فسيكون انتقالًا رائعًا من قارض غير معروف إلى خفاش سريع الطيران. كيف يفسر التطوريون ذلك؟ الغريب أن كتاباً صدر عام 2007 حرره اثنان من أنصار التطور بعنوان التحولات الرئيسية في تطور الفقاريات 3 لا يفسر العملية. لا يفعل التحولات العظيمة في تطور الفقاريات، تم نشره بعد عدة سنوات. 4 لماذا الصمت على أصول الخفافيش؟

العلاقة التطورية (التطورية) لمجموعات مختلفة من الخفافيش مثيرة للجدل ، ولا يوجد دليل على انتقال تطوري من القوارض إلى الخفافيش. في الواقع ، من الصعب تخيل شكل وسيط لأن القوارض لها أرجل أمامية مصممة لنمط حياة رباعي الأرجل (رباعي الأرجل). تقترح النظرية التطورية أنه من خلال عدد كبير من الطفرات المفيدة غير المعروفة ، تطورت هذه الأرجل الأمامية إلى عظام مفصلية للغاية للطيران وأضافت العشرات من المفاصل المستقلة والأجنحة الغشائية (باتاجيوم) التي نراها في الخفافيش. ليس من المستغرب أن يقول أنصار التطور أنفسهم ، "لا توجد مراحل وسيطة معروفة بين الخفافيش وآكلات الحشرات." 5 الخفافيش هي 100 في المائة من الخفافيش منذ ظهورها الأول.

تشبه الخفافيش الأحفورية الأقدم نظيراتها الحديثة في امتلاك أصابع ممدودة بشكل كبير لدعم غشاء الجناح ، وهي السمة التشريحية المميزة للطيران بالطاقة. 6

ترفرف الخفافيش فقط بأصابعها وليس ساعديها بالكامل كما تفعل الطيور. لذلك ، وفقًا لأنصار التطور ، بخلاف الإبهام العادي بمخلب ، فإن الأصابع الأربعة القصيرة لسلف الخفاش غير الطائر المزعوم امتدت ببطء وتدريجيًا إلى الأصابع الممدودة بشكل كبير (المشط 2-5) التي شوهدت في الخفافيش اليوم. يلاحظ علماء الحيوان أن الخفافيش و [رسقوو] حركة الجناح المضبوطة و [مدشدة] بسبب إعادة تشكيل وتمديد الشريط واليد و [مدشيس] المسؤولة عن قدراتهم الرائعة في الطيران.

تتطلب رشاقتهم في الهواء حركات جناح سريعة ودقيقة وتعديل مستمر للعضلات الصغيرة في غشاء الجناح. كما أنهم يستخدمون أجنحتهم في مهام أخرى حساسة ، مثل حمل الطعام واحتضان الصغار. لضبط أجنحتهم المعقدة للوظيفة التي يقومون بها ، يجب عليهم دمج مجموعة متنوعة من ردود الفعل الحسية. 7

بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في الاعتراف بذلك ، فإن التصميم المتعمد في بناء جناح الخفافيش واضح. ذكر باحثون في جامعة براون في بيان صحفي أن

يمكن للطيور والحشرات أن تطوي وتدور أجنحتها أثناء الطيران ، لكن لدى الخفافيش العديد من الخيارات. يمكن لبشرتها المرنة أن تلتقط الهواء وتولد قوة رفع أو تقلل السحب بعدة طرق مختلفة. أثناء الطيران المباشر ، يتم تمديد الجناح في الغالب من أجل الضربة السفلية ، لكن سطح الجناح ينحني أكثر بكثير مما يفعله الطائر & rsquos & mdashgiving bats تزيد من الرفع للحصول على طاقة أقل. أثناء الضربة الصاعدة ، تقوم الخفافيش بطي الأجنحة بشكل أقرب إلى أجسامها من الحيوانات الطائرة الأخرى ، مما يقلل من قوة السحب التي تتعرض لها. كما تسمح المرونة الاستثنائية للجناح و rsquos للحيوانات بإجراء استدارة 180 درجة على مسافة أقل من نصف جناحيها. 8

يجب على المرء أن يسأل فقط كيف نجت بلايين من المخلوقات الوسيطة التي لا توصف (ليست من القوارض ولكنها بالتأكيد ليست خفاشًا) لملايين السنين أثناء انتظار مثل هذه الأجنحة المصممة جيدًا وقدرات اصطياد الفرائس. بالطبع ، لا يكشف السجل الأحفوري عن مثل هذا التحول الخيالي ، بل يُظهر بدلاً من ذلك أن الخفافيش كانت دائمًا خفافيش. ثبت أن هذا صحيح منذ وقت مبكر من عصر الأيوسين مع اكتشاف Onychonycteris و Icaronycteris، والتي توصف بأنها حفريات الخفافيش الكاملة بشكل معقول. & rdquo 9 فهي تمتلك السمات الرئيسية للخفافيش الصغيرة التي تأكل الحشرات (Microchiroptera): أربعة أرقام مستطيلة ، وغشاء طيران حي به عضلات متخصصة ، وأجهزة استشعار ، وألياف مرنة ، و & ldquothe القدمين استدر للخلف بحيث يمكن لهذه الخفافيش المبكرة أن تتدلى رأسًا على عقب كما تفعل الخفافيش الحديثة. & rdquo 10

خلق الله الخفافيش ببروتينات فريدة لتشكيل العظام يشار إليها باسم بم / ث، عائلة من البروتينات متعددة الوظائف الموجودة في الثدييات. عندما يتطور الخفاش بشكل جنيني ، يتم التعبير عن جين أساسي يتحكم في إشارات Bmp ، يسمى Bmp2 ، في تطوير الأطراف الأمامية. هذا يسرع من استطالة أصابعهم. إذا كان التطور صحيحًا ، فيجب أن نجد حفريات الخفافيش المبكرة بأصابع أقصر. خلال آلاف السنين ، يجب أن يزداد طول الرقم ، مما يعكس زيادة نشاط Bmp2 الناجم عن الطفرات الجينية. يجب على العلماء ملاحظة التغييرات المصاحبة في مجموعة متنوعة من عوامل التحكم المترابطة مثل الحمض النووي الريبي التنظيمي ، والضوابط اللاجينية ، ومجموعة متنوعة من تسلسل الحمض النووي التنظيمي في جين Bmp2 وحوله.

يجب أن تكون كل هذه العوامل الحرجة المضبوطة في مكانها دفعة واحدة حتى يتمكن النظام بأكمله من صنع جناح خفاش مناسب. وكشفت أحفورة خفاش قديمة تعود إلى & ldquo50 مليون سنة & rdquo عدم وجود زيادة ملحوظة في نسبة الأرقام. يرى علماء الخلق هذا كدليل على أن الخفافيش دائمًا ما تتكاثر وفقًا لنوعها ، مع جينات النمو وأنظمتها التنظيمية ، مثل Bmp2 ، في مكانها منذ البداية.

الحفرية التي يُفترض أن عمرها 50 مليون عام لا تظهر أي تطور من سلف مشترك مزعوم. لكن أنصار التطور يؤكدون أن اتساق أجنحة الخفافيش في جميع أنحاء السجل الأحفوري ما هو إلا مؤشر على أن الجينات ظلت دون تغيير على مدى فترات طويلة من الزمن التطوري ومفهوم مدشا يسمى الحفاظ على.

يثقل عالم التطور مايكل دينتون على يد الخفاش الممدودة والمكسوة بالقول ،

وهذا يعني أن تحقيق هذه الجدة الرائعة قد تضمن ما يبدو أنه توظيف تعويضي متزامن معقد لدارات جينية جديدة ، والتي تعمل في انسجام لتوليد أصابع طويلة والحزام المتداخل و mdasha الذي يتعارض مع المفهوم الدارويني بأن المستجدات ظهرت تدريجيًا عبر خلافة التغيرات الجينية الفردية. 11

بعبارة أخرى ، يدعي دنتون أن ظهور أصابع ممدودة وأجنحة مكشوفة في الخفافيش في جميع أنحاء السجل الأحفوري يعني أن السمات الضرورية المتعددة لابد وأن تكون قد تطورت في نفس الوقت من خلال التفاعلات الجينية المعقدة. هذا يتناقض مع التراكم التدريجي للطفرات بمرور الوقت الذي يتوقعه التطور الدارويني. لكن ظهور الخفافيش في السجل الأحفوري مع التصميم المثالي من البداية يمكن تفسيره بشكل أفضل بكثير من خلال حساب سفر التكوين لمبدع كلي العلم.

السونار البيولوجي ، أو تحديد الموقع بالصدى ، يستخدم الصوت لـ & ldquosee. & rdquo إن المعدات البيولوجية التي تمنح هذه القدرة التي صممها الله في الخفافيش أصغر ، ووزنها أقل ، وتنتج دقة أعلى من معدات السونار التي يصنعها الإنسان. هل يمكن أن يتطور هذا التصميم حقًا؟ كما يعترف عالم الحفريات التطورية مايكل بينتون ،

كان من الصعب حل تطور تحديد الموقع بالصدى في الخفافيش. 12

Bats & ldquosee مع الصوت & rdquo عن طريق إصدار حزم ضيقة من الأصوات ذات التردد المعدل (الموجات فوق الصوتية) التي يتم إسقاطها من حنجرتهم ومن أفواههم. ينطقون بشكل أسرع عندما يقتربون من أهدافهم ، مما يمنحهم الدقة العالية المطلوبة للقبض على فرائسهم. يقوم الخفاش بتقييم الإشارات المرتدة التي تلتقطها أذنه ذات الشكل الفريد ويستخدمها ل & ldquopaint & rdquo صورة ذهنية لمحيطه. يتم تعريف صورة السونار جيدًا مثل الصور المرئية للإنسان والحيوانات النهارية (في النهار).

يمكن للخفافيش أن تطير بسهولة حول العوائق في الظلام الحالك. تكتشف حساسيات السونار بسرعة الحشرات الطائرة مثل البعوض الذي يحبون أكله. يمكن للخفاش أن يحدد على الفور نوع الحشرة التي يطاردها ، ولكن للقيام بذلك ، يجب عليه نطق نبضات عالية الطاقة وعالية النبرة ستؤدي قريبًا إلى إتلاف أنسجة أذنها الداخلية. مع انبعاث مثل هذه الانفجارات الحادة والمتكررة من الطاقة فوق الصوتية ، يجب على المرء أن يسأل كيف يتجنبوا تصم الآذان. حل الخالق هذه المشكلة عن طريق تصميم عضلة هيكلية صغيرة متصلة بعظام السمع الصغيرة. تنقبض العضلة أثناء كل نبضة صوتية منبعثة ، مما يحمي الأذن الداخلية الحساسة. لكن يجب أن يسمع الخفاش نبضات عائدة في نفس الوقت، خاصةً عندما يقترب من الفريسة. من أجل سماع هذه النبضات العائدة ، تسترخي العضلات لإعادة إشراك العظام 10 مرات أو أكثر في الثانية.

قد يعتقد المرء أن الحشرات مثل العث لن و rsquot لديها فرصة ضد سونار الخفافيش الفعال. ومع ذلك ، فقد خلق الله قدرات دفاعية لعدد من الحشرات ، مما أعطاها فرصة للتهرب. يمكن لبعض العث مثل عثة النمر اكتشاف السونار واستخدام طريقة الدفاع عن التشويش بالسونار. فقط عندما يقترب الخفاش من العثة التعيسة ، تصدر العثة نقرات مضادة بالموجات فوق الصوتية لتشويش سونار الخفافيش. كانت النقرات سريعة جدًا لدرجة أنها تبدو وكأنها صفارات الإنذار ، مما يربك الخفاش لفترة وجيزة ويسمح للعثة بالهروب. 13

السبات الشتوي

الخفافيش هي أيضا سبات حقيقي. إن ميزات التصميم التي تسمح لهذه الثدييات الطائرة بالخضوع لفترة من الخمول الشتوي لا تصدق. صمم الله الجزء تحت المهاد من الدماغ لإبطاء تنفس الخفافيش والقلب ومعدل الأيض. يضبط ما تحت المهاد ترموستات الخفافيش و rsquos على درجتين مئويتين تقريبًا ، مما يقلل التنفس إلى أربعة أنفاس ضحلة فقط في الدقيقة. قارن هذا بعدة مئات من الأنفاس في الدقيقة أثناء النشاط! يتغير معدل ضربات القلب أيضًا بشكل جذري أثناء السبات. يبلغ معدل ضربات قلب الخفاش متوسط ​​الحجم 1000 نبضة في الدقيقة أثناء الطيران ، ومع ذلك فإنه ينتقل إلى 25 نبضة في الدقيقة أثناء السبات.

لإيقاظ الخفافيش من السبات ، أعطى الله نوعًا خاصًا من رواسب الدهون للفقاريات الماصة للحرارة (ذوات الدم الحار) تسمى الدهون البنية. وهي تختلف عن الدهون العادية من حيث أنها تحتوي على عدد كبير من الميتوكوندريا ، وهي عضيات يحدث فيها التنفس الهوائي ومعظم إنتاج الطاقة. صمم الله الخلايا الدهنية البنية لإنتاج الحرارة (توليد الحرارة أو التسخين الأيضي). يتم تحفيزها من خلال درجات الحرارة المنخفضة. مع استقلاب الخلايا الدهنية البنية ، فإن هذا النسيج الفريد يرفع ببطء درجة حرارة الخفافيش و rsquos إلى 37 درجة مئوية ، مما يوقظه من حالته الشبيهة بالنوم.

الخفافيش حيوانات معقدة للغاية ولا تظهر أي دليل على أنها تطورت من أسلاف القوارض. في الواقع ، سيتعين عليهم إجراء تحول رائع إلى الطيران بالطاقة ، وتحديد الموقع بالصدى ، ووظيفة الدماغ المعقدة ، والهياكل الفريدة للقحف والفكين ، وأكثر من ذلك ، كل ذلك في غضون 10 ملايين سنة فقط. هذا & rsquos غمضة عين الخفاش في الوقت التطوري المفترض. استنادًا إلى الأدلة ، فإن التفسير الأكثر منطقية لأصول الخفافيش هو خالق بارع ، تمامًا كما يقول سفر التكوين.

  1. شيرون ، ف. 2003. بات-تاستيك الخفافيش. أعمال وحقائق أمبير. 32 (10).
  2. شيروين ، إف. 2016. سجل القوارض. أعمال وحقائق أمبير. 45 (4): 14.
  3. أندرسون ، ج.س.وإتش.دي سوس. 2007. التحولات الرئيسية في تطور الفقاريات. بلومنجتون ، إنديانا: مطبعة جامعة إنديانا.
  4. Dial، K. P.، N. Shubin، and E.LBrainerd.، eds. 2015. التحولات العظيمة في تطور الفقاريات. شيكاغو: مطبعة جامعة شيكاغو.
  5. كولبير ، إي إتش ، إم موراليس ، وإي سي مينكوف. 2001. Colbert & rsquos تطور الفقاريات، الطبعة الخامسة. نيويورك: وايلي ليس ، 333.
  6. سيرز ، ك.إي وآخرون. 2006. تطور طيران الخفافيش: التطور المورفولوجي والجزيئي لأصابع أجنحة الخفافيش. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. 103 (17): 6581.
  7. كونوفر ، إي حاسة اللمس تحول الخفافيش إلى ألعاب بهلوانية. أخبار العلوم. نُشر على sciencemag.org 30 أبريل 2015.
  8. الخفافيش في رحلة تكشف عن ديناميات هوائية غير متوقعة. بيان صحفي لجامعة براون. تم النشر في brown.edu 18 يناير 2007.
  9. بينتون ، م.ج .2015. علم الحفريات الفقارية، الطبعة الرابعة. هوبوكين ، نيوجيرسي: وايلي بلاكويل ، 376.
  10. المرجع السابق.
  11. دنتون ، م. 2016. التطور: لا تزال نظرية في أزمة. سياتل ، واشنطن: مطبعة معهد ديسكفري ، 186. التأكيد في الأصل.
  12. ينحني على، علم الحفريات الفقارية, 376.
  13. راجع Sherwin، F. 2015. حرب الموجات فوق الصوتية بين الخفافيش والعث. أعمال وحقائق أمبير. 44 (10): 15.

* السيد شيروين باحث مشارك ومحاضر أول وكاتب علوم في معهد أبحاث الخلق.


نقاش

لقد تطور إنتاج الصوت والسمع عدة مرات في Lepidoptera البالغة (العث والفراشات) ، وقد ساهم البحث حول هذا الموضوع في مجالات علم الأخلاق العصبية والبيئة وسلوك الحيوان (Conner، 1999 Minet and Surlykke، 2003 Yack، 2004). ومع ذلك ، لا يُعرف سوى القليل نسبيًا عن الأدوار التي تلعبها الأصوات والاهتزازات في يرقات حرشفية الأجنحة ، على الرغم من أن مجموعة متزايدة من الأدبيات تشير إلى أن الاتصال الصوتي منتشر على نطاق واسع (Tautz and Markl ، 1978 Travassos and Pierce ، 2000 Yack et al. ، 2001 Castellanos and Barbosa ، 2006 فليتشر وآخرون ، سكوت وآخرون ، 2010). على الرغم من أن علماء الطبيعة قد وصفوا الأصوات الدفاعية التي تنتجها يرقات الحرير والعث (Bombycoidea) (تمت مراجعتها في Brown et al. ، 2007) ، إلا أن وظيفة وآلية إنتاج الصوت في هذه اليرقات لا تزال غير معروفة إلى حد كبير. نصف نوعًا جديدًا من إنتاج الصوت - التصفير - ونناقش وظيفته المحتملة.

رد فعل الدخلة الصفراء على الأصوات الدفاعية ليرقة أبو الهول من الجوز. (أ) إطارات الفيديو للقاء ، مع إلحاق وقت حدوثها بين قوسين. يشير السهم الأبيض في الإطار 1 إلى موضع اليرقة. (ب) مخطط الذبذبات لأصوات اليرقة ، مع الأسهم المقابلة لبداية كل إطار فيديو موضح في أ. النبض الصوتي الذي يلي السهم الرابع هو الضوضاء الصادرة عن الطائر المنسحب.

Reaction of a yellow warbler to the defensive sounds of the walnut sphinx caterpillar. (A) Video frames of the encounter, with the time of occurrence appended in parentheses. The white arrow in frame 1 indicates the position of the caterpillar. (B) Oscillogram of the caterpillar sounds, with arrows corresponding to the onset of each video frame shown in A. The sound pulse following the fourth arrow is the noise produced by the retreating bird.

آلية إنتاج الصوت

Our results support the hypothesis that the sounds of walnut sphinx caterpillars are produced by air expulsion. Reports on this mode of sound production in insects are extremely rare (Haskell, 1974 Ewing, 1989), with few studied examples. The death's-head hawkmoth, Acherontia atropos, produces a two-part cry by the movement of air in and out of the pharyngeal cavity (Busnel and Dumortier, 1959 Dumortier, 1963). The first part of the cry occurs as air moves through the proboscis and past the epipharynx, causing it to vibrate. The second part is caused when the epipharynx is raised and the air is forced out through the proboscis. Madagascar hissing cockroaches of the genera Gromphadorhina و Elliptorhina produce sounds by forcing air through an area of modified trachea and a pair of specialized spiracles (Nelson, 1979 Sueur and Aubin, 2006). In the walnut sphinx, we show that sounds are produced by air being forced out of the last abdominal spiracle (A8). Occlusion of the A8 spiracles (but not other spiracles) eliminates sound production, and air movements are observed when tissue is placed over these spiracles. We propose that the sound-producing mechanism operates similarly to that reported for hissing cockroaches (Nelson, 1979). In the cockroach, hisses are generated when the animal closes all spiracles, except the enlarged fourth abdominal spiracle, and forces air out the latter by contracting the abdominal expiratory muscles. In the walnut sphinx, we propose that sounds are produced by air being forced out of the enlarged A8 spiracles during successive contractions of the anterior dorso- and ventro-longitudinal muscles, while all other spiracles are maintained in a closed position. The variation in frequency structure observed between pulse types is probably related to blowing pressure as changing forces have an effect on frequency properties of sounds (Bradbury and Vehrencamp, 1998). In the walnut sphinx, multiharmonic type 1 pulses, with their complex waveforms, occur near the beginning of the pulse trains, where the force is greatest, whereas pure whistles occur at the end of trains, where the pulses are less intense. The size of the spiracle opening might also affect the frequency structure. Broadband hisses produced by cockroaches occur when the spiracle is completely open, whereas pure whistles occur when the spiracle is partially closed (Fraser and Nelson, 1982). Based on the resemblance of types 1 and 2 pulses to the hisses, and type 3 to the whistles, of cockroaches, a similar mechanism is possibly being employed. The specific mechanisms underlying sound production in the walnut sphinx could be further explored using anatomical and neurophysiological studies of the respiratory system, as well as visualization of internal trachea during sound production using X-ray imaging in live animals (Westneat et al., 2003).

وظيفة

We conclude that sound production in the walnut sphinx functions in defense because an acoustic response is elicited consistently following attack by an artificial or natural predator. Defense sounds are commonly reported in insects (Masters, 1979) and are hypothesized to serve a variety of different functions, including startle [e.g. peacock butterfly (Mohl and Miller, 1976) tiger beetles (Yager and Spangler, 1997)], warning or aposematism [e.g. stridulation in many insects (Masters, 1979) hissing in bumblebees (Kirchner and Röschard, 1999)], mimicry [e.g. Batesian, drone flies, hoverflies and Hymenoptera (Brower and Brower, 1965 Rashed et al., 2009) Mullerian, tiger moths (Barber and Conner, 2007)], jamming [e.g. tiger moths (Conner, 1999 Corcoran et al., 2009)] and recruitment of conspecifics [e.g. hissing in honey bees (Sen Sarma et al., 2002)]. In the following discussion, we argue in favour of the hypothesis that sounds made by walnut sphinx caterpillars function to startle vertebrate predators.

Before further discussing the function of defensive sounds, it is important to consider which predators the signals are directed towards. To the best of our knowledge, there are no reports describing the predators of walnut sphinx caterpillars. However, we assume that they are consumed by the same predators as those of other hawkmoth caterpillars, including birds as a major predator, as well as bats, mice, shrews, wasps, ants, beetles and spiders (Pittaway, 1993 Tuttle, 2007). The whistles produced by A. juglandis overlap with the frequency range of hearing in most birds (Dooling, 1991), and our results show that yellow warblers, a likely predator of the walnut sphinx, react to the caterpillar sounds. Caterpillar whistles also have significant energy in the ultrasound range and, thus, could be directed at gleaning bats and mice. There is evidence that bats eat large caterpillars (Kalka and Kalko, 2006 Wilson and Barclay, 2006), and mice are repelled by sounds produced by insects with similar sound frequencies [e.g. bee hissing (Kirchner and Röschard, 1999)]. Common arthropod predators that attack caterpillars, including wasps, ants, carabid and coccinellid beetles, bugs and spiders (Stamp and Wilkens, 1993), lack tympanal ears (Yack, 2004), and we therefore conclude that the defensive sounds of caterpillars target primarily vertebrate predators.

We propose that defensive whistles function to startle predators and thereby reduce the risk of predation. Startle displays typically have three features (Edmunds, 1974 Sargent, 1990 Ruxton et al., 2004). First, they are employed by the prey only after being disturbed. In support of this, walnut sphinx caterpillars whistled only after being attacked, relying on crypsis as a primary defense. Second, the display is conspicuous, causing the predator to hesitate momentarily while the prey has an opportunity to escape. The intimidating nature of the sounds produced by walnut sphinx was evident from the reaction of the yellow warblers. The sounds were loud (i.e. conspicuous) and caused the birds to hesitate or abandon their attacks on the caterpillar. In one case, the bird dived away from the caterpillar into thicker vegetation in a manner similar to how it would react to a predator (Gaddis, 1980 Lima, 1993). Contrary to what is predicted for startle sounds, however, none of the caterpillars attempted to escape. This could be explained by the fact that escape is not a viable option for large caterpillars. They cannot run or fly away, and, although dropping from the leaf on silk is a common defense strategy for some caterpillars, this has not been observed in the Bombycoidea (Sugiura and Yamazaki, 2006). Presumably, large caterpillars do not drop on silk strands because a silk strand cannot support their weight, and dropping to the ground is both energetically costly and dangerous (Dethier, 1959). Finally, the prey is not otherwise defended, and therefore predators will habituate to the signals.

During attack trials with forceps or birds, regurgitation was extremely rare – during all 31 trials (including 18 formal attack trials with forceps, 10 forceps attacks during the B&K trials and three bird trials), a caterpillar regurgitated only once (3.2%). Grant (Grant, 2006) categorizes caterpillars according to how much they regurgitate in response to attacks with forceps: primary regurgitators regurgitate soon after attack (1–3 pinches), can control the amount released and the direction it is aimed and re-imbibe the bubble when attacks cease. Secondary regurgitators (4–6 pinches) will regurgitate after thrashing, biting or trying to escape, cannot control the amount released and do not re-imbibe. Finally, non-regurgitators will regurgitate only after long-lasting attacks (8–10 pinches, if at all), and this might be a result of exhaustion or stress rather than a true defense. According to this classification scheme, the walnut sphinx would be classified as a non-regurgitator. This is in contrast to previous studies of sound production in caterpillars, where sound is strongly correlated with the occurrence of a chemical defense and believed to be aposematic (Brown et al., 2007 Bura et al., 2009).

In the absence of a chemical or physical defense, it is argued that attackers will become habituated to the signals and eventually eat the caterpillar. However, the yellow warblers in this study were clearly deterred by the sounds and did not habituate during the course of the trial sufficiently to return and eat the caterpillar. Although certain predators might become habituated to startle displays in experimental studies, the type of predator and the frequency of encountering the display will dictate how the predator responds (e.g. Bates and Fenton, 1990 Vallin et al., 2005 Vallin et al., 2007). In nature, yellow warblers are active foragers, constantly moving through vegetation in their territories in search of food [average territory size across their breeding range varied from 0.04 to 0.39 ha (Lowther et al., 1999)]. Thus, if a warbler is deterred from eating a caterpillar during an attack, the same bird is unlikely to encounter the caterpillar again soon afterwards. In addition, foraging time is frequently limited for birds, and they must weigh the costs and benefits of potentially dangerous prey while being vigilant for predators themselves (Kaby and Lind, 2003). Thus, we suggest that, if foraging yellow warblers encountered prey that produce a startling sound in the wild, these birds would move on to other food rather than risk a prolonged attack on a potentially dangerous food item. A similar argument has been used recently to explain the efficacy of eye-spot displays in tropical caterpillars (Janzen et al., 2010).

In conclusion, caterpillars of the walnut sphinx produce whistles by forcing air through the eighth abdominal spiracles. We hypothesize that caterpillars have specific control over individual spiracles such that all but the eighth pair are closed during body contractions. Further studies on the respiratory system will lend insights into the specific modifications to the nervous, tracheal and musculature systems that have accompanied the evolution of sound production. We conclude that whistles function as part of the defensive repertoire of the larvae and propose, based on our results to date, that these sounds protect the caterpillar by startling predators. This hypothesis could be further tested with predator trials on muted caterpillars to determine whether sound alone is sufficient to deter predation, or with predator trials on undefended and palatable food items while broadcasting walnut sphinx sounds. Future studies with natural predators of different species, including arthropods, will help to clarify the specific role, or roles, that whistling plays in the survival of these caterpillars.


مناقشة

In this study, we managed to build an autonomous robot that moves through a novel environment and maps it acoustically using bat-like Bio-sonar. We achieved high mapping accuracy, despite our simple approach, proving the great potential of using active wide-band sound emissions to map the environment. We created a (2D) topographic map which would allow us to plan future movements through the environment (and not a topological map). The statistical approach presented in [9] is therefore complementary to ours, allowing classifying specific locations based on their echoes. For example, when navigating back to a specific location using the map created by the Robat, their approach could be used to validate the arrival at the desired location and also to help adjust the map to improve its accuracy.

The Robat was much slower than a real bat, stopping for ca. 30 seconds every 0.5m to acquire echoes. This slowness was however, merely a result of the mechanical limitations of our system and mainly the gimbal that was slow. Using a speaker with a wider beam (that eliminates the need to turn at each location) would allow the Robat to acquire echoes on the move, while moving as fast as a bat. Importantly, despite our stopping for echo recording, the acoustic information we acquired did not differ from that received by a bat, except for the fact that a bat’s echoes would also be slightly Doppler-shifted (but this would probably not affect any of our results).

In some respects, our processing was not fully bat-like. We used a sampling rate of 250kHz, which is higher than the theoretical time precision of the auditory system [34]. Bats and other small mammals have been shown to estimate azimuth with an accuracy of <10degrees (the exact accuracy depends on the azimuth, (e.g. [35, 36])). This accuracy accounts for an inter-aural time difference of <10ميكرومترs which is in accordance with our sampling rate (sampling at 250kHz is equivalent to an error of

5ميكرومترs when estimating time differences between two ears). Therefore, even if our computation was different from that of a bat (which does not cross-correlate two highly sampled time signals) the overall accuracy allowed by our approach was not better than that of a bat. Moreover, due to the inflation and interpolation method that we used in order to delineate the borders of the objects, the effective accuracy of our mapping was much lower than that allowed by this high sampling rate, and probably much lower than that available to bats [31, 32]. Therefore, we hypothesize that using an auditory preprocessing model like that used in Batslam for example [21] would probably not change our results dramatically. Another advantage that we had over real bats was the relatively large distance between the two ears which were spaced 7cm apart—ca. two times more than in a large bat. This probably allowed more accurate azimuth estimations, but once again, we hypothesize that because of the use of inflation, this did not improve our performance dramatically. Importantly, we managed to extract information about multiple objects within a single sonar beam. On average, in each echo that contained reflections (some echoes did not) we detected 4.1 objects positioned in a range of azimuths between -50—50 degrees. Another important difference between the Robat and an actual bat is the lack of an external ear in the Robat. The angle-dependent frequency response of the external ear allows bats (and other animals) to gain information about the location of a sound source in three dimensions. Because we relied on temporal information for object localization, we used a first approximation of an ear. Adding a structure mimicking the external ear could have further improved our localization performance and it would be essential in order to expand our mapping to 3D.

In order to better mimic the bat’s beam, we used three beams (directed 60 degrees apart), but this made our task easier than a bat’s because we could analyze the echoes returning from each direction separately. We therefore also tested an approach in which we sum the three echoes collected (with different headings) at each acquisition point, thus mimicking a wider beam. Even with this degraded data, we were able to map the environment with a decent accuracy of 1.14 ± 0.70 [m] (mean + STD, S6b Fig), an accuracy that would allow future planning of trajectories while avoiding obstacles on the way.

In some respects our approach was probably much more simplistic than a bat. For example, the obstacle avoidance algorithm was very simple and a better approach would probably use control-theory to steer the Robat around obstacles [37]. In terms of mission priority, we used serial processing where the Robat first processes new incoming sensory information it then performs the urgent low-level task of obstacle avoidance and path planning, and only every several acquisitions, it performs the high-level process of map integration. There is much evidence that the mammalian brain also performs sensory tasks sequentially (e.g., [38]) but it would be interesting to test some procedures for parallel processing in the future.

In addition to mapping the positions of objects in the environment, a complete map should also include information about the objects such as their type or identity. To show that such information is available in the echoes, we developed a classifier that can categorize objects based on their echo. We hypothesize that the medium classification performance that we achieved (68%) was a result of our choice of categories. We trained the classifier to distinguish between plant and non-plant objects but these are not always two well distinct groups. For example, the echo of an artificial object such as a fence will have vegetation-like acoustic features and indeed most of the classifier’s mistakes were recognition of non-plants as plants. Bats might thus divide their world of objects differently, perhaps to diffusive vs. glint-reflecting objects.

Altogether, we show how a rather simple signal processing approach allows to autonomously move and map a new environment based on acoustic information. Our work thus proves the great potential of using acoustic echoes to map and navigate, a potential that is translated into action by echolocating bats on a daily basis.


شكر وتقدير

We want to thank Kenneth Wright for revising the English of the work. M. Melcón was funded by the German Academic Exchange Service and Y. Yovel by the human resources and mobility activity Marie Curie host fellowships for early stage research training under contract MEST-CT-2004-504321 PERACT by the European Union. The work was also supported by the German Science Foundation (SFB 550 and Schn 138/27-1). The experiments reported here comply with the current German animal protection law. Bats were caught in Bulgaria (collection permit from the Ministry of Environment and Waters, 34/04.07.2005, Sofia, Bulgaria) and held in the animal facility of the Institute of Neurobiology at the University of T࿋ingen (approved by the Regierungspräsidium T࿋ingen, 35-9185.46/Uni Tü).

الوصول المفتوح

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Noncommercial License which permits any noncommercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author(s) and source are credited.


Multimedia Gallery

Listen to USGS podcasts, interviews, and explorer audio clips related to earth science.

Squirrel treefrog - Hyla squirella (Marion)

Squirrel treefrogs are also native to Florida and Louisiana. Hear them calling from ditches, puddles and other ephemeral pools of water. Credit: Paul Moler, used with permission.

Green treefrog - Hyla cinerea

Green treefrogs call from their favorite habitat, rivers and lakes. They’re native to Louisiana and Florida, where these were recorded. Credit: Paul Moler, used with permission.

Cuban treefrog - Osteopilus septentrionalis

Can you hear the difference between the non-native Cuban treefrog and two common Louisiana native treefrogs? Cuban treefrogs’ call is distinctive. Biologist Paul Moler of the Florida Fish and Wildlife Conservation Commission recorded them in South Florida. Credit: Paul Moler, used with permission.

Yuma myotis (Myotis yumanensis) Call

Bats produce a variety of vocalizations that are used for navigation, feeding, and social communication. Most vocalizations are pitched well above the range of human hearing and are referred to as ultrasonic. These calls are often known as echolocation calls since bats use the echoes produced when a sound bounces off a bug or a building to determine what is in the area.

Hoary Bat (Lasiurus cinereus) Social Call

Bats produce a variety of vocalizations that are used for navigation, feeding, and social communication. Most vocalizations are pitched well above the range of human hearing and are referred to as ultrasonic. These calls are often known as echolocation calls since bats use the echoes produced when a sound bounces off a bug or a building to determine what is in the area.

Hoary Bat (Lasiurus cinereus) Echo Call

Bats produce a variety of vocalizations that are used for navigation, feeding, and social communication. Most vocalizations are pitched well above the range of human hearing and are referred to as ultrasonic. These calls are often known as echolocation calls since bats use the echoes produced when a sound bounces off a bug or a building to determine what is in the area.

California myotis (Myotis californicus) Call

Bats produce a variety of vocalizations that are used for navigation, feeding, and social communication. Most vocalizations are pitched well above the range of human hearing and are referred to as ultrasonic. These calls are often known as echolocation calls since bats use the echoes produced when a sound bounces off a bug or a building to determine what is in the area.

Big Brown Bat (Eptesicus fuscus) Call

Bats produce a variety of vocalizations that are used for navigation, feeding, and social communication. Most vocalizations are pitched well above the range of human hearing and are referred to as ultrasonic. These calls are often known as echolocation calls since bats use the echoes produced when a sound bounces off a bug or a building to determine what is in the area.

Ashy Storm-Petrel Call

This is the call of the elusive Ashy Storm-Petrel (Oceanodroma homochroa). Ashy Storm-Petrels nest in burrows and crevices on offshore rocks and islands. To avoid predators, they only arrive and depart their island nests under the cover of darkness. That makes studying them pretty difficult. But scientists have come up with a clever solution: they set up acoustic recorders

California Red-Legged Frog Vocalization

Amphibians’ permeable skin makes them incredibly sensitive to changes in their environment. Scientists and conservationists alike are using them as “sentinel species” that could provide early warnings of ecosystem change and stress affecting them and other organisms. Next time you are out, stop and listen. Do you hear them?

Sierran Treefrog Vocalization

Amphibians’ permeable skin makes them incredibly sensitive to changes in their environment. Scientists and conservationists alike are using them as “sentinel species” that could provide early warnings of ecosystem change and stress affecting them and other organisms. Next time you are out, stop and listen. Do you hear them?

Yosemite Toad Vocalization

Amphibians’ permeable skin makes them incredibly sensitive to changes in their environment. Scientists and conservationists alike are using them as “sentinel species” that could provide early warnings of ecosystem change and stress affecting them and other organisms. Next time you are out, stop and listen. Do you hear them?

Hawaiian Hoary Bats Hunting Insects

The sound of Hawaiian hoary bats hunting insects.

Walruses Hauled Out on the Northwest Coast of Alaska

What do walrus sound like? Listen to audio clips of walrus bellowing as they are hauled out on the northwest coast of Alaska.

Walruses Hauled Out on the Northwest Coast of Alaska

What do walrus sound like? Listen to audio clips of walrus bellowing as they are hauled out on the northwest coast of Alaska.

Walruses Hauled Out on the Northwest Coast of Alaska

What do walrus sound like? Listen to audio clips of walrus bellowing as they are hauled out on the northwest coast of Alaska.

Walruses Hauled Out on the Northwest Coast of Alaska

What do walrus sound like? Listen to audio clips of walrus bellowing as they are hauled out on the northwest coast of Alaska.

Bird and Insect calls

Birds and insects at a pond at St. Marks National Wildlife Refuge (Florida) April 2013 at 6:00am

Terminal Phase Feeding Call of the Hawaiian Hoary Bat

When bats detect an insect from returned echolocation calls they rapidly increase the pulse rate and raise the frequency of calls in order to gather more information on the insect including location. These calls emitted right before a bat closes in on an insect are called terminal phase calls or "feeding buzzes". The frequency is well above human hearing capabilities at 65


Get notified when we have news, courses, or events of interest to you.

By entering your email, you consent to receive communications from Penn State Extension. View our privacy policy.

Thank you for your submission!

Pond Ecology

Beekeeping Basics

Guides and Publications

Wetlands and Wildlife

Guides and Publications

Farmlands and Wildlife of Pennsylvania and the Northeast

Guides and Publications

Pond Ecology and the Role of Aquatic Plants

Videos

Research supported by a Discovery Grant from the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada to PAF. HWM was supported by an NSERC Alexander Graham Bell Canada Graduate Scholarship. Research in the McMaster Bat Lab is also supported by infrastructure grants from the Canada Foundation for Innovation and the Ontario Innovation Trust.

PAF conceived and designed study HWM developed concepts, performed experiments, collected data, and conducted analyses HWM and PAF prepared figures and co-authored manuscript.


شاهد الفيديو: الخفاش في الاردن (كانون الثاني 2022).