バイオアコースティックス
生物学に関連する音の研究
ツグミナイチンゲール（Luscinia luscinia）とナイチンゲール（Luscinia megarhynchos ）の鳴き声のスペクトログラムは、声によってこれら2種を確実に区別するのに役立ちます

生物音響学は、生物学と音響学を融合した学際的な科学です。通常、動物（ヒトを含む）における音の生成、分散、受容の研究を指します。[1]これには、音の生成と検出の神経生理学的および解剖学的基盤、そして音響信号とそれが伝播する媒体との関係が含まれます。これらの研究成果は、音響メカニズムの進化、ひいてはそれらを利用する動物の進化に関する手がかりとなります。

水中音響学や漁業音響学では、この用語は水中を伝播する音に対する植物や動物の影響を意味するためにも使用され、通常はバイオマス推定のためのソナー技術の使用に関連しています。[2] [3]動物が使用する基質伝播振動の研究は、バイオトレモロジーと呼ばれる独自の分野であると考える人もいます。[4]

歴史

人間は長い間、動物の鳴き声を使って動物を認識し、見つけてきました。科学分野としての生物音響学は、昆虫の鳴き声を体系的に研究し始めたスロベニアの生物学者イヴァン・レーゲンによって確立されました。1925年、彼は特殊な鳴き声発生装置を使って昆虫とデュエットをしました。その後、彼はオスのコオロギをマイクの後ろに、メスのコオロギをスピーカーの前に置きました。メスはオスに向かってではなく、スピーカーに向かって動いていました。[5]昆虫も空気中の音を感知するという認識以外に、レーゲンのこの分野への最も重要な貢献は、鼓膜器官の機能の発見でした。 [6]

当時利用可能な比較的粗雑な電気機械装置（蓄音機など）では、信号特性を大まかにしか評価できませんでした。20世紀後半には、電子機器の進歩とオシロスコープやデジタルレコーダーなどの機器の活用により、より正確な測定が可能になりました。

生物音響学における最近の進歩は、動物とその音響環境との関係、そして人為的騒音の影響に焦点を当てています。生物音響技術は、近年、ある地域の生物多様性を非破壊的に推定する方法として提案されています。[7]

重要性

陸上環境では、光は空気中でよく伝播するため、動物は距離を感知するために光をよく利用します。水中では太陽光は数十メートルの深さまでしか届きません。しかし、音は水中を容易に伝播し、かなりの距離まで伝わります。多くの海洋動物はよく見えますが、コミュニケーションや距離と位置の感知には聴覚を使用しています。動物における聴覚と視覚の相対的な重要性は、聴神経と視神経の数を比較することで 評価できます

1950年代から1960年代にかけて、高周波クリック音を用いたイルカのエコーロケーション行動に関する研究により、多くの海洋哺乳類が音を発していることが明らかになりました。これらの音は、水中の生物の探知・識別に利用できます。生物音源は水中での軍事利用に支障をきたす可能性があるため、生物音響学の研究は海軍研究機関によって多くの資金提供を受けています。[8]

方法

ハイドロフォン

聴取は、生物音響研究において依然として主要な方法の一つです。動物における音の生成、検出、解釈に役割を果たす神経生理学的プロセスについてはほとんど知られていないため、動物の行動と信号そのものが、これらのプロセスへの洞察を得るために用いられています

生物音響学は、エコアコースティクス（または音響生態学）[9]といった新たな研究手法の発展にも貢献してきました。エコアコースティクスは、生物学的、地球物理学的、人為的要因を含む生態系が生み出す音を研究する学際的な研究分野です。エコアコースティクスは、これらの音が環境とどのように相互作用するかを研究し、生物多様性、生息地の健全性、そして生態学的プロセスに関する知見を提供します。エコアコースティクスは、サウンドスケープを分析することで、環境変化のモニタリング、保全活動の評価、そして自然システムへの人間の影響の検出に役立ちます。

音響信号

ザトウクジラの鳴き声のスペクトログラム（上）とオシログラム（下）

経験豊富な観察者は、動物の鳴き声から「歌っている」動物の種類や、その自然界での生息場所や状態を判別することができます。動物の鳴き声の調査には、電子録音機器を用いた信号録音も含まれます。信号の特性や伝播媒体は多岐にわたるため、通常のマイクの代わりに、ハイドロフォン（水中音用）、超音波検出器（超高周波音用）や超低周波音検出器（超低周波音用）、レーザー振動計（基質伝播振動信号用）などの特殊な機器が必要になる場合があります。録音された音の保存と分析にはコンピューターが使用されます。信号を強度、周波数、持続時間などのパラメータ に基づいて記述および分類するには、専用の音声編集ソフトウェアが使用されます。

自然史博物館などの機関が管理する動物の音声コレクションは、シグナルを体系的に調査するための重要なツールです。信号処理、データマイニング、機械学習、人工知能[10]技術を駆使した多くの効果的な自動化手法が開発され、生物音響シグナルの検出と分類に活用されています[11] 。

動物における音の生成、検出、および使用

生物音響学の分野の科学者は、音の生成と検出に関わる器官の解剖学と神経生理学、特にその形状、筋活動、そして神経ネットワークの活動に興味を持っています。特に興味深いのは、後者における 活動電位による信号の符号化です。

しかし、神経生理学的研究に用いられる手法は依然としてかなり複雑であり、関連するプロセスの理解も不完全であるため、より簡便な手法も用いられています。特に有用なのは、音響信号に対する行動反応の観察です。そのような反応の一つに、音波走性運動（信号源に向かう方向への運動）があります。制御された環境下で明確に定義された信号に対する反応を観察することで、信号の機能、聴覚装置の感度、ノイズフィルタリング能力など について知見を得ることができます。

バイオマス推定

バイオマス推定は、ソナー技術を用いて魚類やその他の海洋生物を検出し、定量化する手法です。[3]音波パルスが水中を伝わると、周囲の媒体とは密度が異なる物体（例えば魚類）に遭遇し、音源に向かって音波を反射します。これらの反射波から、魚類の大きさ、位置、個体数に関する情報が得られます。科学用音響測深機のハードウェア機能の基本構成は、音波の送信、受信、フィルタリングと増幅、記録、そして反射波の分析です。市販の「魚群探知機」は多くのメーカーから提供されていますが、定量分析には、高い信号対雑音比を持つ校正済みの音響測深機を用いて測定を行う必要があります。

動物の鳴き声

ベルギッシェ・クロウの鳴き声
ヨーロッパムクドリのさえずり

生物音響学の範疇に入る動物が用いる音には、広範囲の周波数と媒体が含まれ、多くの場合、言葉の狭義の「音」（すなわち、空気中を伝播し、人間の耳で感知できる圧縮波）ではない。例えば、キリギリスは100 kHzより高い周波数の音、つまり超音波の範囲にまで達する音でコミュニケーションをとる。[12]より低いがやはり超音波に属する音は、コウモリがエコーロケーションに用いる音である。体節のある海洋動物であるLeocratides kimuraorum は、海で最も大きなポンポンという音の一つを、周波数1～100 kHzで157 dBで発し、カニエビに似ている。[13] [14]周波数スペクトルの反対側には低周波振動があり、これは聴覚器官では感知されないことが多いが、他のそれほど特殊化していない感覚器官で感知される。例としては、ゾウが発する地面の振動（主な周波数成分は約15Hz）や、ほとんどの昆虫目が使用する低周波から中周波の基質伝播振動などが挙げられます。[15]しかし、多くの動物の音は、人間の耳で聞き取れる周波数範囲（20Hzから20,000Hz）に含まれます。[16]音の生成と検出のメカニズムは、信号自体と同じくらい多様です。

植物の音

2013年から2016年にかけて発表された一連の科学雑誌論文の中で、西オーストラリア大学のモニカ・ガリアーノは、植物の生物音響学を含む科学を拡張しました。[17]

関連項目

参考文献

  1. ^ 「バイオアコースティクス - 動物の音とその録音に関する国際ジャーナル」Taylor & Francis . 2012年7月31日閲覧
  2. ^ Medwin H. & Clay CS (1998).『音響海洋学の基礎』 Academic Press
  3. ^ ab Simmonds J. & MacLennan D. (2005).漁業音響学：理論と実践、第2版、ブラックウェル
  4. ^ Hill, Peggy SM; Wessel, Andreas (2016). 「バイオトレモロジー」. Current Biology . 26 (5): R187 – R191 . Bibcode :2016CBio...26.R187H. doi : 10.1016/j.cub.2016.01.054 . PMID  26954435.
  5. ^ コチャル T. (2004)。コビリ語でKot listja（葉とバッタと同じくらい）。 GEA、2004 年 10 月。リュブリャナ、ムラディンスカ クンジガ（ スロベニア語）
  6. ^ グレン・ウェバー、アーネスト (2008). 「音の受容：昆虫における聴覚とコミュニケーションの証拠」ブリタニカ・オンライン. 2008年9月25日閲覧。
  7. ^ Sueur J.; Pavoine S.; Hamerlynck O.; Duvail S. (2008年12月30日). Reby, David (編). 「生物多様性評価のための迅速音響調査」. PLoS ONE . 3 (12) e4065. Bibcode :2008PLoSO...3.4065S. doi : 10.1371/journal.pone.0004065 . PMC 2605254. PMID  19115006 . 
  8. ^ Tyack, PL (2001-01-01)、「生物音響学」、Steele, John H. (編)、『海洋科学百科事典（第2版）』、オックスフォード: アカデミック・プレス、pp.  357– 363、doi :10.1016/b978-012374473-9.00436-7、ISBN 978-0-12-374473-9、 2022年6月17日取得
  9. ^ Farina, Almo; Gage, Stuart H. (2017)、「エコアコースティックス：新しい科学」、エコアコースティックス、John Wiley & Sons, Ltd、pp.  1– 11、doi :10.1002/9781119230724.ch1、ISBN 978-1-119-23072-42025年1月21日閲覧
  10. ^ ロドリゲス、メギー（2024年1月13日）「行方不明の鳥の歌声が、科学者の捜索に役立つかもしれない」『サイエンス・ライフ』サイエンスニュース、p.4。
  11. ^ M. Pourhomayoun、P. Dugan、M. Popescu、C. Clark、「連続領域特徴、グリッドマスキング特徴、人工ニューラルネットワークに基づく生体音響信号分類」、国際機械学習会議 (ICML)、2013 年。
  12. ^ Mason, AC; Morris, GK; Wall, P. (1991). 「熱帯雨林のキリギリスにおける高超音波聴覚と鼓室スリット機能」.自然科学. 78 (8): 365– 367. Bibcode :1991NW.....78..365M. doi :10.1007/bf01131611. S2CID  40255816.
  13. ^ 後藤 龍太郎; 平林 功; パーマー A. リチャード (2019-07-08). 「スポンジに生息する虫による口の中での戦闘中に聞こえる驚くほど大きなスナップ音」Current Biology . 29 (13): R617 – R618 . Bibcode :2019CBio...29.R617G. doi : 10.1016/j.cub.2019.05.047 . ISSN  0960-9822. PMID  31287974.
  14. ^ Saplakoglu, Yasemin (2019年7月16日). 「小さな戦闘ワームが海で最も大きな音の一つを発する」livescience.com . 2019年12月28日閲覧。
  15. ^ Virant-Doberlet、M.;チョックル、A. (2004)。 「昆虫の振動コミュニケーション」。新熱帯昆虫学。33 (2): 121–134 .土井: 10.1590/s1519-566x2004000200001。
  16. ^ Mikula, P.; Valcu, M.; Brumm, H.; Bulla, M.; Forstmeier, W.; Petrusková, T.; Kempenaers, B. & Albrecht, T. (2021). 「スズメ目鳥類の歌声頻度の包括的解析は、音響適応仮説を支持するものではないが、性選択の役割を示唆する」. Ecology Letters . 24 (3): 477– 486. Bibcode :2021EcolL..24..477M. doi : 10.1111/ele.13662 . PMID  33314573.
  17. ^ 「植物の行動と認知 | モニカ・ガリアーノ | 科学研究」www.monicagagliano.com . 2016年12月26日閲覧。[タイトルがありません]

さらに詳しい参考文献

  • Ewing AW (1989):節足動物の生物音響学：神経生物学と行動。エディンバラ：エディンバラ大学出版局。ISBN 0-7486-0148-1
  • Fletcher N. (2007): Animal Bioacoustics . IN: Rossing TD (ed.): Springer Handbook of Acoustics , Springer . ISBN 978-0-387-33633-6
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  • ASA動物生体音響技術委員会
  • BioAcoustica: 野生動物の音データベース
  • 大英図書館の音声アーカイブには、10,000 種を超える 150,000 件の録音が収蔵されています。
  • 国際生物音響評議会は、多くの生物音響リソースにリンクしています。
  • オハイオ州立大学のボラー生物音響学研究所には、動物の音声録音の大規模なアーカイブが保管されています。
  • 自然を聴く 2016年9月22日アーカイブWayback Machine動物の鳴き声や鳴き声の例400選
  • 野生動物音声録音協会
  • コーネル鳥類学研究所の生物音響研究プログラムでは、さまざまな無料の生物音響合成および分析プログラムを配布しています。
  • コーネル大学鳥類学研究所のマコーレー図書館は、動物の鳴き声とそれに関連するビデオの世界最大のコレクションです。
  • Xeno-canto 世界中の鳥の鳴き声を集めたコレクション。
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