关于生物声学介绍

[拼音]：shengwu shengxue

[外文]：bioacoustics

介于生物学和声学之间的一门边缘学科。它是生物学、声学、语言学、医学及化学等多种学科相互渗透的产物。生物声学的早期研究内容仅限于动物的声交往与定位，后来，随着医学超声的发展，它的研究内容扩展到生物媒质的超声性质、超声的生物效应及超声剂量学等方面，并在此基础上形成了超声生物物理学一个新的科学分支。

发展历史

1956年在美国宾夕法尼亚州召开了世界上第一次生物声学学术讨论会，这次会议标志着生物声学的诞生。但是生物声学的萌芽却早已在人类的久远历史上留下了印迹。在公元前3000年的埃及古墓中，曾发现有猎人用鹈的叫声引诱飞鸟行猎的图案。在公元前600年中国春秋时代就已流传的《诗经》中有“雉之朝雊，尚求其雌”诗句，是说雄性野鸡清晨鸣叫是在寻求配偶。其后，直到20世纪，世界上许多著名的哲学家、动物学家、解剖学家和动物形态学家相继对昆虫、鸟类、两栖类、鱼类及哺乳动物的发声和听觉器官做了广泛的研究。

20世纪以来，随着科学技术的迅速发展，出现了录声机（即录音机）、语图仪和电子计算机，大大发展了对声音的录放和分析技术，使对动物声的研究进入了新的历史阶段。与此同时，由于声谱技术的扩展，特别是超声技术和超声医学的发展，使生物声学的内容大大超出了早期的正统研究范围，开始对超声在生物体系的各个层次上──生物大分子、细胞及生物组织中传播和相互作用规律进行了大量的研究，使生物声学在更广泛的意义上与生命科学联系起来。

研究内容

动物之间的联系和交往是维系它们种群和群落结构以及进行正常生活的必要手段。光、电、磁以及化学气味都可以作动物交往的媒介，然而声信息在动物交往中却占有特别重要的地位。它最大优点是传递距离远，且易于负载丰富多彩的感情。围绕动物声交往这个内容进行着一系列有关课题的研究。

（1）研究同一种群内动物声的识别和交往功能，不同种群的动物声的区别和隔离功能，以及动物声在种群和群落的形成和进化过程中的作用等。

（2）研究动物声的发生和接收器官及其工作机制，即动物声交往的生理基础和它们与动物形态学的关系。许多动物的发声器官是声带，但有的却不是用声带产生动物声，如蚱蜢用后腿摩擦发声、蝉用腹下薄膜发声、鱼可用鳔发声、海豚主要靠鼻道发声。同样，接受声波的听觉器官也各不相同。如蚱蜢微小的听觉器官生在腹部、纺织娘靠前脚上一个肉眼看不到的微型薄膜感受声波、蟑螂是用尾须接收声波、雄蚊头上两根触角上的刚毛则对雌蚊翅膀的扇动声(300～500Hz)特别敏感、许多飞蛾都有一种内藏式的“声呐系统”可以收听超声波。大多数鱼的听觉器官便是体侧的侧线，在这些侧线中含有听觉神经末梢以受纳声波。蛇的听觉极弱，主要通过腹部感受周围环境的动静。

（3）研究动物的回声定位系统和它的工作机制。长期以来，人们出于在空间和水下探测中应用仿生学的强烈兴趣，对蝙蝠和海豚的超声定位系统给予了特殊的注意。为了分析研究它们的发声信号，建立和发展了必要的理论模型和数学方法。

蝙蝠用喉头发射超声并用耳朵接收其反射回波，从而构成超声探测系统。发射的超声频率可高达10万赫(菊头蝙科)。实验表明，挖去双眼的蝙蝠借助其超声定位系统可探查到0.1mm的金属丝障碍物，可在半秒内捕捉到三个飞行中的昆虫。

海豚也有极强的超声定位本领，而且还发现海豚在相互交往时使用七种不同的发声并以长短不同的间歇相组合。科学家预言，一旦这些声信息破译后，就可通过电子技术实现人与海豚之间的对话。

海豚属鲸目动物的齿鲸亚目。在中国长江下游所独有的白豚是世界上仅存的四种淡水豚中最珍稀的一种。中华人民共和国成立以来，中国科学家对白豚进行综合性研究，并已取得了不少成果，已引起国际上有关方面注意。

（4）研究海洋生物声散射。这与水下探测、反潜、监测海洋及开发海底资源都有密切关系。

（5）研究人为声信号对动物行为的影响和控制等。

20世纪中期以来，人们使用兆赫级超声波对哺乳动物的组织和器官的超声性质（速度、衰减、吸收、声阻抗、散射等）做了大量研究，为现代医学超声工程奠定了基础。70年代以来，以B型超声成像（见声成像）为代表的医学超声诊断技术取得了很快的发展。它通过实时显示人体内脏的瞬态特性，直接向人们提供有关脏器的生理或病理信息。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。

研究发现，超声性质与人体组织的类型、所含组分之间都存在一定的规律性。人体各软组织(肺除外)的声速与水的声速接近，约1500m/s， 胶原含量高的软组织的声速值比水的高出10％～15％，骨骼的声速要高一倍，脂肪的声速则比其他软组织低10％，肺组织因含大量气体而表现出异常的声学性质，声速小于其他软组织的声速的一半。各种软组织的声衰减比较接近，但比水大得多，与超声频率近似成线性关系，可示为 0.1Np/(cm·MHz)。

人体软组织的声速和声衰减都随其中总蛋白含量增多、水含量减少而增大。在总蛋白中人们对仅占25％～33％的胶原子以特别重视。胶原的静d性模量大约为其他组分的1000倍，因而其声速、声阻抗应高得多，造成它与周围其他组织组分之间的阻抗失配而引起声散射，这是产生人体软组织超声回波成像的主要原因。

动物组织的超声衰减部分来源于分子级吸收。作为生物物理学和分子生物学的组成部分，微观生物声学正在发展中。对各种氨基酸、寡肽、多肽、蛋白质及脱氧核糖核酸 (DNA)等生物大分子水溶液的超声弛豫吸收机制做了较深入的研究。在生物大分子构像变化、质子转移动力学及生物大分子与水分子间的相互作用等方面，都取得了有价值的研究成果。这里使用的超声频段覆盖104～109Hz五个数量级。

声波作用于生物体对其产生某种影响称为声波的生物效应。大量试验表明，用一定频率和剂量的声波处理蔬菜、谷物、中草药及树木的种子常常可获得明显的增产效果。

为了了解超声对人体可能引起的生物效应和确定诊断超声的安全阈值剂量，已对超声在动物体上引起的生物效应进行了大量的试验、研究。发现用频率为1MHz、强度为1W/cm2左右的超声波辐照孕鼠几分钟，即可使它的胎鼠体重下降和死亡率增高。对若干动物器官还找到了引起光学显微镜刚可观察到的形态学损伤的阈值超声强度(I)与辐照时间(t)之间的关系。如使猫脑致伤的阈值条件为；使猫肝致伤的阈值剂量则是上述值的二倍；而超声辐照新生鼠脊椎神经使其后肢瘫痪的阈值剂量仅是使猫脑致伤剂量的八分之一。

发现用强度为1W/cm2的超声波辐照人腿静脉曲张的溃疡伤口，可使其加速愈合，用几瓦每平方厘米强度的超声波辐照肿瘤组织，造成局部温升，可使肿瘤生长受到抑制，当它与放疗或化疗协同作用时，可在取得同样疗效的条件下使后者的剂量明显下降。

离体条件下的有关实验还表明，一定剂量的超声照射可使DNA大分子降解，使蛋白质大分子结构破坏，使细胞变性以致瓦解。

根据对动物所做的大量的实验研究， 可以认为声强（指空间峰值时间平均值）小于100mW/cm2，或能量小于50J/cm2的超声辐照不会对人体产生明显的生物效应。

超声生物效应的物理机制可归结为热效应、空化效应和机械效应。

热效应是指传声媒质吸收声波能量使自身温度升高的效应。它主要对应强度小于100W/cm2，辐照时间大于1秒的超声剂量。热效应是超声理疗的物理基础。

空化效应是指在超声作用下生物体系中形成气泡随之崩溃而产生的效应。当辐照时间为毫秒量级时，引起瞬态空化的阈值强度为 1000W/cm2。空化效应产生的巨大应力足以使生物体系的形态结构产生不可逆性破坏。

对机械效应的了解还不太清楚。超声波既然是机械振动的传播过程，则传声媒质的质点位移、速度及加速度等都可能与某种生物效应相联系。当声强较高时，非线性声波产生的单向力可能会导致细胞结构的严重损伤。

应用

生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声，驱逐夜蛾，可提高玉米产量。控测海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量，利用电子发声器引诱鱼群定向聚集，可以提高捕鱼量。飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全。粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害。

人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发，而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的。仿照水母耳做成的台风警报器可提前 15 小时准确地预报台风的方位和强度；仿照蝙蝠的声系统制成的声呐“眼镜”可以帮助盲人辨认出面前的电线杆、台阶以及草地中的羊肠小道。

对哺乳动物组织超声传播和相互作用的深入研究，必然会找到描述组织生理特性的、更多的声学特征参量（如声速、声衰减、非线性参量等），建立和发展新的诊断设备，开拓定量超声诊断的途径。并可使超声医疗在更严格的科学基础上得到进一步发展。

参考书目

1. F. J. Fry，ed.，UltRasound:Its Applications in Medicine and Biology， Elsevier，Amsterdam，1978.