真實世界裡的「蝙蝠俠」

Photo Credit: RyC-Behind The Lens. Downloaded from Flickr, https://www.flickr.com/photos/ryc-behindthelens/14233093491
Photo Credit: RyC-Behind The Lens. Downloaded from Flickr, https://www.flickr.com/photos/ryc-behindthelens/14233093491

■相信大家都知道,蝙蝠和鯨豚生來就擁有使用回聲定位的能力。牠們透過偵測自己發出的高頻率聲波反彈回來的時間差和強度,「看見」面前的景況,因此可以在近乎無光的環境中自由行動覓食。但各位可知道,除了蝙蝠和鯨豚外,鳥類和人類同樣也有使用回聲定位的能力嗎?

撰文|陳瑩

利用聲波遇到物體會反彈的特性,回聲定位(echolocation)是一種可以巧妙地克服視覺障礙,探測目標物和發聲位置之間的距離、物體大小,甚至材質屬性等等偵查周遭環境的方法。在軍用、研究用甚至娛樂用的潛水艇,或是漁船上的漁探機上都配有的聲納系統,就是利用回聲定位的原理,讓潛水艇能在能見度極低的海底巡游時不會觸礁,讓漁船在茫茫大海裡鎖定魚群所在的位置深度(圖一)。大家都知道,在自然界中,海豚和許多夜行性的蝙蝠天生就是活用回聲定位能力的高手。不過,隨著近年來生物聲學研究領域的快速成長,科學家們開始注意到,可能還有其他的動物,也同樣天生擁有使用回聲定位的能力或潛力。

圖一:回聲定位原理卡通圖。(圖片來源:Arizona Board of Regents/ASU Ask A Biologist. http://askabiologist.asu.edu/echolocation)
圖一:回聲定位原理卡通圖。(圖片來源:Arizona Board of Regents/ASU Ask A Biologist. http://askabiologist.asu.edu/echolocation)

使用回聲定位的鳥
目前已知的兩個會使用回聲定位能力的鳥類類群,分別是分布在西北南美洲,以果實種子為食的夜行性鳥類脂鴟(Steatornis caripensis),以及主要分布在印度太平洋區域,大多在白天捕捉飛蟲為食的數種金絲燕(Apodidae: Collocallini)。脂鴟和金絲燕之間最大的共通點,一是牠們都築巢於無光的洞穴裡,二是牠們都擁有比相同體型的鳥種還要優異的夜視能力。但是除此之外,這兩個類群之間並沒有親密的血緣關係,在飲食、作息、體型大小、甚至行為等等生理行為特色上也大不相同。也就是說,脂鴟和金絲燕發展出使用回聲定位的能力,應該是各自獨立的演化事件 。

值得注意的是,蝙蝠和海豚各自有著特化的器官專門製造和接收超高頻的聲波「答聲 (click)」,但是脂鴟和金絲燕身上,並沒有特化出製造或接收超音波的器官。牠們和其他鳥類一樣,是透過鳴管(syrinx, 一個功能相當於人類的聲帶的發聲器官)製造出答聲型的寬頻聲納。脂鴟和金絲燕的回聲定位答聲頻率普遍小於兩萬赫茲,是一般人耳也能偵測到的的頻率 (圖二)。因為聲納頻率相對偏低的關係,科學家認為,脂鴟和金絲燕的回聲定位解析清晰度,應該不如蝙蝠和海豚。回聲定位或許能夠幫助脂鴟和金絲燕在無光的洞穴中行動、偵測天敵的存在,但牠們是否能像蝙蝠和海豚那樣幾乎完全依賴回聲定位覓食討生活,目前仍尚無定論。

圖二:六種脊椎動物的回聲定位信號波形圖(waveform, 上圖)和頻譜圖(spectrogram, 下圖)。最上方的兩個附加框格意在顯示埃及果蝠和金絲燕的回聲定位訊號通常以雙答聲(double clicks)的形式發出。頻譜圖中的顏色由淺至深表示訊號在對應的音頻相對能量 (relative amplitude)由低至高。(圖片來源:Brinkløv, et al. 2013. Echolocation in Oilbirds and Swiftlets. Frontiers in Physiology, 4:123)
圖二:六種脊椎動物的回聲定位信號波形圖(waveform, 上圖)和頻譜圖(spectrogram, 下圖)。最上方的兩個附加框格意在顯示埃及果蝠和金絲燕的回聲定位訊號通常以雙答聲(double clicks)的形式發出。頻譜圖中的顏色由淺至深表示訊號在對應的音頻相對能量 (relative amplitude)由低至高。(圖片來源:Brinkløv, et al. 2013. Echolocation in Oilbirds and Swiftlets. Frontiers in Physiology, 4:123)

使用回聲定位的人
科學家是在盲人身上,發現人類也同樣擁有使用回聲定位的能力。長久以來,人們知道很多盲人能夠不靠觸摸而感知身邊物體的位置,認為那是因為盲人有著相當敏銳的觸覺,他們是靠臉部皮膚偵測外界空氣微妙波動、壓力或是溫度變化,推理出身邊周遭的環境情況。直到1944年,美國康乃爾大學的心理學研究團隊,利用一連串比較盲人和視力正常的受試者推測障礙物距離的實驗,證實盲人賴以感測障礙物存在的關鍵能力其實是聽覺,而非皮膚觸覺。

影片:自幼全盲的Daniel Kish無師自通學會運用回聲定位,自由自在活動的行動力幾乎與一般視力正常的人無異。

雖然早期的文獻常將盲人的回聲定位能力類比為海豚或蝙蝠,但最近的研究顯示,人類的回聲定位機制,或許和鳥類較為相似。目前所知,人類使用回聲定位的方法,是以口部發出短促的答聲,由耳朵「聽入」彈回的聲音信號。而人類的回聲定位所使用的音頻波段,與脂鴟、金絲燕一樣,是人耳能夠辨識的頻率(圖二)。有趣的是,雖然回聲定位的信號是透過聽覺神經接收傳遞, 但盲人在接受回聲訊號時,腦內出現信號反應的不是主管聽覺的區塊,而是主管視覺訊息的區塊(圖三)。也就是說,回聲定位取代眼睛,讓盲人也能「看見」身邊周遭的世界。

 

圖三:透過腦部功能性磁共振造影(fMRI),研究員發現能夠使用回聲定位的盲人(上方)能夠在吵雜的環境中辨識出隱藏其中的回聲定位信號。此外,在接收到回聲定位信號時,盲人腦部有明顯活動的是處理視覺訊號的區塊(白色圈圈處),而非聽覺訊號的區塊(紅色圈圈處)。 一般視力正常的受試者(下方)在同樣的測驗中則是無法分辨出任何回聲定位訊號。 (圖片來源:Thaler, et al. 2011. Neural correlates of natural human echolocation in early and late blind echolocation experts. PLoS One, 6:e20162.)
圖三:透過腦部功能性磁共振造影(fMRI),研究員發現能夠使用回聲定位的盲人(上方)能夠在吵雜的環境中辨識出隱藏其中的回聲定位信號。此外,在接收到回聲定位信號時,盲人腦部有明顯活動的是處理視覺訊號的區塊(白色圈圈處),而非聽覺訊號的區塊(紅色圈圈處)。 一般視力正常的受試者(下方)在同樣的測驗中則是無法分辨出任何回聲定位訊號。 (圖片來源:Thaler, et al. 2011. Neural correlates of natural human echolocation in early and late blind echolocation experts. PLoS One, 6:e20162.)

你我都能成為蝙蝠俠?
由於這些擅用回聲定位的盲人彼此之間並沒有血緣關係,而且其中不少人是後天因故失明,顯示回聲定位應該是一種可以透過後天訓練開發的潛在能力。在一個由德國神經學家主持的研究裡,就成功訓練了八個視力正常的學生利用回聲定位摸索出自己在一個虛擬空間裡的正確位置。但是,並不是所有的盲人都擅長使用回聲定位。精通回聲定位的程度和失明年齡似乎大有關連,幼年失明者明顯比青少年後期失明的人更能掌握回聲定位的竅門。此外,視力正常的人在學習回聲定位能力時,個體之間的「領悟力」明顯有所不同。至於為何使用回聲定位的能力會因人而異,還有為什麼和失明的時間點有密切關係,還需要更多的研究投入解密。話說回來,如果人類其實普遍都擁有「感知回聲定位信號並將其轉化為視覺印象」這項潛能的話,那麼「透過聲音傳遞空間訊息」這個概念,也許在未來能夠替虛擬實境體驗或是遠距通訊等等的應用,帶來突破性的變革也說不定。

參考資料:
1. Brinkløv, S., Fenton, M.B., & Ratcliffe, JM. (2013). Echolocation in Oilbirds and Swiftlets. Frontiers in Physiology, 4, 123.
2. Kolarik, A. J., Cirstea, S., Pardhan, S., & Moore, B. C. (2014). A summary of research investigating echolocation abilities of blind and sighted humans. Hearing Research, 310, 60-68.
3. Supa, M., Cotzin, M., & Dallenbach, K. M. (1944). " Facial Vision": The Perception of Obstacles by the Blind. The American Journal of Psychology, 57, 133-183.
4. Thaler, L., Arnott, S. R., & Goodale, M. A. (2011). Neural correlates of natural human echolocation in early and late blind echolocation experts. PLoS One, 6, e20162.
5. Wallmeier, L., & Wiegrebe, L. (2014). Self-motion facilitates echo-acoustic orientation in humans. Royal Society Open Science, 1, 140185.
6. Underwood, E. 2014. How blind people use batlike sonar. Science News. http://www.sciencemag.org/news/2014/11/how-blind-people-use-batlike-sonar

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作者:陳瑩 臺大生態與演化生物學碩士、現於英國德倫大學生命科學與生物醫學研究所就讀博士班、以海洋哺乳動物族群遺傳學為論文研究主題。現為科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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