Przetwarzanie informacji

Powyższe ćwiczenie opiera się na poniższych treściach.

Powyższe ćwiczenie opiera się na poniższych treściach i rozszerza wiedzę z powyższego ćwiczenia.

Przetwarzanie informacji

Zdolność organizmu do wyczuwania i reagowania na swoje środowisko zwiększa jego szanse na przetrwanie i reprodukcję. Zwierzęta mają zewnętrzne i wewnętrzne receptory sensoryczne, które wykrywają różne rodzaje informacji, a także wykorzystują wewnętrzne mechanizmy do ich przetwarzania i przechowywania (ryc. 1). Każdy receptor sensoryczny reaguje na inne sygnały wejściowe, takie jak elektromagnetyczne, mechaniczne lub chemiczne. Niektóre receptory sensoryczne reagują poprzez przekazywanie impulsów, które wędrują wzdłuż komórek nerwowych. U złożonych organizmów większość takich impulsów dociera do mózgu, który jest podzielony na kilka odrębnych regionów i obwodów pełniących określone funkcje. Na przykład, niektóre funkcje obejmują percepcję wzrokową i słuchową, interpretację informacji, kierowanie ruchami motorycznymi i podejmowanie decyzji. Ponadto, niektóre z obwodów mózgu powodują powstawanie emocji i przechowują wspomnienia. Różne organizmy wykazują szereg funkcji sensorycznych o różnym stopniu złożoności. Na przykład, ssaki morskie mogą przetwarzać dźwięki inaczej niż bezkręgowce morskie, takie jak jeżowce. Walenie, grupa ssaków morskich, do której należą zarówno wieloryby płetwonogie, jak i zębate, wykorzystują dźwięki jako środek komunikacji (ryc. 2).

Badanie dźwięków podwodnych

Naukowcy zaczęli opracowywać technologie umożliwiające słuchanie dźwięków pod wodą w latach 20. ubiegłego wieku (ryc. 3). Urządzenia te, zwane hydrofonami, są do dziś głównymi instrumentami używanymi do słuchania i rejestrowania podwodnych dźwięków (ryc. 4).

Programy komputerowe zostały opracowane, aby pomóc w dekonstrukcji złożonych wokalizacji wydawanych przez ssaki morskie. Na przykład, oprogramowanie bioakustyczne tworzy spektrogramy, które pozwalają badaczom na wizualizację składu i wzorów śpiewu poszczególnych samców garbusa (Rys. 5). Naukowcy nagrywają indywidualną piosenkę i śledzą ją przez wiele lat, aby lepiej zrozumieć przyczyny wokalizacji.

Dodatkowe zasoby

• Aby uzyskać więcej szczegółów na temat ewolucji badania dźwięku, sprawdź NOAA Historyczną Oś Czasową.
• Aby uzyskać więcej informacji na temat badań podwodnego dźwięku, sprawdź ten artykuł z The New York Times: Could Listening to the Deep Sea Help Save It?

Komunikacja ssaków morskich

Najbardziej skutecznym środkiem komunikacji w wodzie jest dźwięk. Dźwięk podróżuje na duże odległości i może poruszać się w wodzie 4,5 razy szybciej niż w powietrzu. Wiele ssaków morskich ma przystosowania do wytwarzania i odbierania dźwięków pod wodą. Dźwięki są generowane, gdy fale ciśnienia przechodzą przez powietrze lub wodę. U ludzi dźwięk jest generowany, gdy powietrze jest wydalane z płuc i przenoszone przez krtań. Struny głosowe w krtani, wraz z gardłem, językiem, wargami i zębami, zmieniają dźwięk w różne wokalizacje (Rys. 6). Mechanizm wytwarzania dźwięków u waleni jest złożony i wciąż badany.

W przeciwieństwie do ludzi i innych ssaków morskich, walenie nie muszą wydychać powietrza w celu wytworzenia dźwięku. Odontocetes, wieloryby zębate, używają echolokacji, generując kliknięcia, gwizdy i impulsy w systemie nosowym. Mysticetes, wieloryby fiszbinowe, wytwarzają dźwięki o bardzo niskiej częstotliwości, podobne do jęków, uderzeń, jęków i impulsów. Walenie nie mają zewnętrznej struktury ucha do odbierania dźwięków i nie mają otworu do kanału słuchowego. Naukowcy mają dowody na to, że wibracje dźwiękowe przechodzą przez skórę, a następnie są skupiane przez kości i tłuszcze w czaszce do ucha wewnętrznego (ryc. 7).

Echolokacja delfinów

Echolokacja, czyli sonar biologiczny, jest wykorzystywana przez ssaki, takie jak nietoperze i wieloryby zębate, do przetwarzania informacji o ich środowisku. Aby echolokować, zwierzę wysyła serię kliknięć lub gwizdów, odbiera powracające echa, które odbiły się od obiektu, a następnie przetwarza te echa (ryc. 8). Przetworzony sygnał zwrotny dostarcza informacji o odległości, kształcie i innych cechach obiektu. Naukowcy myślą o tym jak o tworzeniu obrazu, który pozwala zwierzęciu „widzieć” dalej niż jego oczy są w stanie. Delfiny, na przykład, polegają na echolokacji, aby znaleźć ofiarę, rozpoznać się nawzajem i komunikować. Naukowcy odkryli, że każdy delfin ma swój własny podpis gwizd, który jest unikalny dla nich.

Ludzie również używają echolokacji. Rybacy używają elektronicznych urządzeń echolokacyjnych, aby pomóc zlokalizować ryby – często urządzenia te nazywane są wykrywaczami ryb! Naukowcy używają urządzeń wytwarzających dźwięk, który odbija się od dna oceanu, aby otrzymać informacje o strukturze dna oceanu – metoda ta nazywana jest sonarem, a badanie dna oceanu nazywane jest batymetrią. Niektóre osoby niewidome nauczyły się używać echolokacji do wyczuwania szczegółów otoczenia zarówno pasywnie, jak i aktywnie za pomocą kliknięć. Chociaż osoby widzące używają wzroku do nawigacji w otoczeniu, badania wykazały, że mogą one również nauczyć się korzystać z echolokacji dzięki treningowi.

Dodatkowe zasoby:

• Dla pomocnej animacji wideo na temat użycia sonaru, sprawdź ten zasób NOAA: What is Sonar?
• Aby poznać historię niewidomego człowieka używającego echolokacji do nawigacji, obejrzyj tę krótką historię z CNN.

Piosenki wielorybów garbatych

Wieloryby garbate słyną ze swojej złożonej piosenki (ryc. 9). Śpiewają tylko samce, a śpiew słychać najczęściej w okresie godowym, ale śpiew można usłyszeć także na lęgowiskach i żerowiskach. Śpiewak jest zwykle sam, w pozycji głowa w dół, ogon w górę. Jeśli śpiewak podąża za parą krów i cieląt, nazywany jest eskortą. Kiedy inny wieloryb przyłącza się do śpiewu, nazywany jest śpiewakiem. Wieloryby garbogłowe nie mają strun głosowych. Wytwarzają dźwięki, przepychając powietrze przez rury i komory w swoim układzie oddechowym. Badacze wielorybów studiują wzory na spektrogramach, aby dowiedzieć się, dlaczego wieloryby śpiewają i jak reagują na inne wieloryby wokół nich. Istnieją hipotezy, dlaczego wieloryby śpiewają, ale naukowcy nie znają absolutnego powodu. Uważa się, że samce śpiewają jako sposób na komunikację ich lokalizacji do innych samców, przyciągnąć samice, nawigacja, znaleźć jedzenie i komunikować się ze sobą.

Zanieczyszczenie hałasem

Naukowcy badają również pieśni wielorybów, aby dowiedzieć się, jak zanieczyszczenie hałasem spowodowane przez ludzi może wpływać na zachowanie wielorybów. Nasza wiedza na temat biologii ssaków morskich wciąż się powiększa, choć bardzo niewiele wiadomo o możliwościach słuchowych waleni. Obecne badania prowadzone w ramach Marine Mammal Research Program w Hawai’i Institute of Marine Biology próbują scharakteryzować zakresy częstotliwości słuchu tych zwierząt, aby lepiej zrozumieć, jak antropogeniczny hałas podwodny może na nie wpływać. Silniki statków, sonary wojskowe i eksplozje stosowane przez firmy naftowe i budowlane powodują głośne dźwięki pod wodą, które mogą powodować zmiany w zachowaniu wielorybów (Rys. 10). Fizyczne skutki intensywnego zanieczyszczenia hałasem mogą obejmować krwotok w mózgu, płucach, uchu wewnętrznym i oczach, powodując poważne upośledzenie komunikacji akustycznej i innych istotnych zachowań.

Poniżej znajduje się lista źródeł antropogenicznego zanieczyszczenia hałasem podwodnym, które są uważane za szkodliwe dla ssaków morskich, powodujących jakiekolwiek lub wszystkie opisane wcześniej uszkodzenia fizyczne.

Typy zanieczyszczenia dźwiękiem	Opis
Low Frequency Active Sonar (LFAS)	Ten typ sonaru o wysokiej intensywności został zaprojektowany przez wojsko do śledzenia i wykrywania łodzi podwodnych i innych tajnych maszyn, które działają pod wodą. Intensywność tego sonaru mieści się w zakresie 180-240 decybeli. W powietrzu odpowiada to odległości 7 metrów (20 stóp) od rakiety w momencie startu. Duży odsetek tusz ssaków morskich zbieranych z plaży wykazuje oznaki uszkodzenia słuchu, co świadczy o tym, że wiele ssaków, które wyrzucane są na brzeg, może to robić w odpowiedzi na uszkodzenie słuchu. Many recorded mass strandings have occurred during naval testing of LFAS.
Air guns	Used for underwater exploration and monitoring of oil reserves as well as geophysical research, and often operate for long periods of time, producing frequent bursts. Sperm wieloryby i niebieskie wieloryby, które znajdowały się tak daleko, jak 370 kilometrów (230 mil) od działa lotniczego podobno przestał wokalizacji do 36 godzin w odpowiedzi na hałas. W pobliżu tych maszyn udokumentowano również wyrzucanie na brzeg.
Shipping	Statki towarowe wytwarzają stały hałas o niskiej częstotliwości ze swoich śmigieł, który mieści się w tym samym zakresie częstotliwości, którego wiele wielorybów używa do komunikowania się na duże odległości. Skutki hałasu żeglugowego są trudne do określenia ilościowego, ponieważ statki żeglugowe są bardzo częste w oceanach świata. Niektórzy naukowcy są jednak zaniepokojeni, że zakłócenia od hałasu żeglugowego mogą mieć skutki na poziomie populacji na dużą skalę w zdolności jednostek do komunikowania się ze sobą na duże odległości.

.