中國生物聲學的學科現(xiàn)狀與發(fā)展機遇

3.1 學科現(xiàn)狀

      生物聲學研究在我國的起步較晚, 在新中國成立前后至20世紀末期間所發(fā)表的研究論文較少, 研究主題有限。從20世紀80年代開始, 我國學者主要針對獸類(白暨豚Lipotes vexillifer和長江江豚Neophocaena phocaenoides asiaeorientalis, 荊顯英等, 1981; 王丁等, 1989; 陳佩薰等, 1996; 大熊貓Ailuropoda melanoleuca, 朱靖和孟智斌, 1987; 獼猴Macaca mulatta, 江海聲等, 1990; 川金絲猴Rhinopithecus roxellanae, Li et al, 1993; 西黑冠長臂猿Nomascus concolor, 蔣學龍和王應祥, 1997)和鳥類(綠尾虹雉Lophophorus lhuysii, 盧汰春等, 1986; 白腹錦雞Chrysolophus amherstiae, 韓聯(lián)憲等, 1988; 黃喉鹀Emberiza elegans, 李佩珣等, 1989; 白頭鵯Pycnonotus sinenesis, 姜仕仁等, 1996a, b)等少數(shù)物種(類群)開展有關鳴聲描述和調(diào)查, 同時也涉及少量昆蟲的鳴聲研究(沈鈞賢, 1989, 1994)。

      自21世紀以來, 特別是最近10年來, 我國生物聲學研究在哺乳類(鯨豚類、靈長類、蝙蝠類為多) (Li et al, 2012; Wang et al, 2013, 2022; Yang et al, 2017; Fan et al, 2019; Jiang et al, 2019; Wang TL et al, 2019)、鳥類(Lei et al, 2005; Zhang et al, 2006; Xing et al, 2013)、無尾兩棲類(Feng et al, 2006; Shen at al, 2011; Cui et al, 2012, 2016; Xu et al, 2012; Zhu et al, 2021, 2022a)、魚類(劉猛等, 2013; Wang et al, 2017; 項杰等, 2022; 邢彬彬等, 2018; Hang et al, 2021)和部分昆蟲(Luo & Wei, 2015; Hou et al, 2022)等主要發(fā)聲類群都開展了相關研究, 并取得了許多重要進展和科研成果。其中, 動物聲學相關主題內(nèi)容在日益豐富和拓展, 涉及基于鳴聲的分類學和種內(nèi)鳴聲變異(Zheng et al, 2000; 丁平和姜仕仁, 2005; Zhang et al, 2006)、聲學通訊行為和性選擇(Cui et al, 2012, 2016; Zhu et al, 2021, 2022a)、鳴聲學習機制(Zhao et al, 2022)、發(fā)聲和聽覺機制(Lu et al, 2020; Luo et al, 2022)、神經(jīng)生物學(Fang et al, 2014, 2015)、蝙蝠回聲定位及進化(馮江等, 2002; Zhang et al, 2007; 付子英等, 2009)、物種間相互作用(Liu SL et al, 2022; Zhao et al, 2022)和環(huán)境噪聲的影響(韓軼才等, 2004; Song et al, 2020; Wang WW et al, 2022; Zhu et al, 2022b)等。

     綜合利用比較基因組學和電生理學等方法, 我國研究人員對哺乳動物回聲定位這一復雜性狀的起源進行了系統(tǒng)性研究(Liu et al, 2014, 2018; Li et al, 2017), 研究結(jié)果支持回聲定位在蝙蝠類群中“一次起源”假說(Liu Z et al, 2022)。通過行為學和比較進化研究證實嚙齒目豬尾鼠屬(Typhlomys)也具有回聲定位能力, 為適應性復雜性狀回聲定位在哺乳動物類群的起源和趨同演化提供了新的認識(He et al, 2021)。最近, Wang HM等(2022)發(fā)現(xiàn)回聲定位蝙蝠使用與人類言語類似的狀態(tài)反饋控制的原理進行精準的實時發(fā)聲頻率控制。在蛙類聲通訊方面, 研究人員在黃山分布的凹耳臭蛙(Odorrana tormota)中首次發(fā)現(xiàn)超聲通訊行為, 并首次將擁有超聲通訊的動物類群擴展到無尾兩棲類(Feng et al, 2006; Shen et al, 2011); 發(fā)現(xiàn)動物可通過聲音信號向其配偶傳遞其建造物的信息(Cui et al, 2012)。在蛙類視-聽多模信號的進化機制方面, 發(fā)現(xiàn)鋸腿原指樹蛙(Kurixalus odontotarsus)雌性多模求偶信號的記憶可通過性選擇來促進多模信號的進化(Zhu et al, 2021); 通過對小湍蛙(Amolops torrentis)驅(qū)趕寄生蚊蟲的肢體動作的分析, 提出了物種間相互作用可能是驅(qū)動蛙類視-聽多模式信號進化的新機制(Zhao et al, 2022)。

      此外, 以鯨豚類為代表類群的海洋和水下生物聲學(Wang et al, 2013, 2015)、環(huán)境噪聲相關的環(huán)境生物聲學(Wang et al, 2019; Zhu et al, 2022b)以及針對聲學數(shù)據(jù)自動采集和智能分析的計算生物聲學(Chen et al, 2020; 郝佩佩和張雁云, 2020; Dufourq et al, 2021; Zhang et al, 2021; 鐘恩主等, 2021)等均逐漸有所發(fā)展, 但仍需要更多的努力, 并有望在未來10年內(nèi)取得更迅速的進展。在應用方面, 以水下生物聲學領域較為突出, 相關研究為水產(chǎn)養(yǎng)殖、水生動物資源開發(fā)利用、珍稀瀕危物種尤其是鯨豚類的保護、淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)的水體噪聲污染治理以及生物聲學仿生和軍事國防等領域發(fā)揮了重要作用(Dong et al, 2020; Hang et al, 2021; Wang et al, 2021a, b)。我國研究人員在淡水和海洋鯨豚類動物的回聲定位信號分析、聲吶和仿生機理方面取得了一系列重要進展(張宇等, 2021)。例如, 研究人員采用人工復合超材料, 重構(gòu)了江豚的聲學結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)了與江豚聲吶極其相似的指向性瞬態(tài)聲發(fā)射和目標探測的功能(Dong et al, 2019); 基于海豚聲學結(jié)構(gòu), 提出了超凝膠阻抗變換器的人工結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)了水下寬帶聲傳輸與目標探測的目標(Dong et al, 2020)。

       從上述情況可知, 生物聲學作為學科發(fā)展在我國大致可分為3個階段, 而且其理論方法在中國野生動物調(diào)查和研究中逐漸得到了不同程度的發(fā)展和應用。

       (1)在20世紀80年代以前, 生物聲學處于萌芽階段, 有關野生動物調(diào)查研究中陸續(xù)采用了動物鳴聲方法, 并積累一些物種(類群)鳴聲識別經(jīng)驗, 在物種分類時考慮其鳴聲分類特征(藍書成, 1958; 龐秉璋, 1960, 1964)。

      (2) 20世紀80年代至21世紀初為生物聲學研究的探索階段, 主要是以獸類和鳥類中的重要物種或常見物種為主, 開始采用聲學方法來錄制和分析動物鳴聲, 并以動物聲學相關研究為主。

      (3)第三階段則從21世紀初到現(xiàn)在, 為快速發(fā)展階段, 通過現(xiàn)代生物聲學相關技術(shù)方法的應用不僅促進了我國動物生物聲學領域的快速發(fā)展, 而且在近10年來的相關研究也逐漸拓展到了生物聲學的其他分支領域, 為下一階段的學科建設做了必要的準備。在近期出版的《聲學學科現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢》(程建春等, 2021)一書中, 大體明確了我國生物聲學的學科研究范疇, 主要涉及生物組織的聲學特性、生物介質(zhì)的聲傳播理論、生物的聲產(chǎn)生與接收、聲信號處理、動物通信與生物聲吶、生物的聲學效應以及聲對生物的影響等內(nèi)容(張宇等, 2021)。這些研究內(nèi)容多隸屬于動物生物聲學的范圍。同時, 張宇等(2021)重點分析了國內(nèi)外海豚聲學、蝙蝠聲學相關的回聲定位理論和應用進展以及學科重點發(fā)展方向, 但未能全面體現(xiàn)現(xiàn)代生物聲學的交叉學科發(fā)展趨勢和眾多應用領域的廣泛需求。

3.2 發(fā)展機遇

      鑒于上述情況, 我國現(xiàn)階段的生物聲學研究仍未發(fā)展為成熟的分支學科, 而有關學科體系建設和行業(yè)應用仍任重道遠, 挑戰(zhàn)與機遇并存。相比歐美國家在生物聲學領域的相關研究進展, 中國生物聲學研究雖然在近10年來也取得了長足進步, 但整體上起步較晚, 基礎設施設備較為落后, 以生物聲學監(jiān)測研究網(wǎng)絡及動物鳴聲數(shù)據(jù)庫為代表的學科基礎研究平臺有待建設, 學科能力建設也亟待全面提升。

      目前, 在生物多樣性保護和噪聲污染科學治理等生命科學及生態(tài)環(huán)境保護方面的重大國家需求, 凸顯了在我國加快建設生物聲學學科的必要性和緊迫性。隨著現(xiàn)代聲學技術(shù)方法的不斷發(fā)展和應用, 在未來10年或更長時間, 中國生物聲學研究將逐漸進入學科建設階段, 并迎來新的發(fā)展機遇, 具體體現(xiàn)在以下方面:

      (1)雖然我國生物聲學研究散布于物理學(聲學)、生物學(動物學、行為學)、生態(tài)學、地球科學(地理學)、信息科學、環(huán)境科學等學科領域, 但在各個研究方向均有了較好的發(fā)展, 為生物聲學的學科整體建設奠定了重要基礎。因此, 通過學科交叉融合和應用領域拓展將加快我國生物聲學的學科建設, 并有望發(fā)展為主流研究方向。

      (2)由于生物聲學研究對技術(shù)和設備依賴性強,導致我國以生物聲學為主的基礎研究平臺和基礎設施建設較為落后。我國現(xiàn)有動物鳴聲錄制設備和分析軟件大多購自國外相關產(chǎn)品, 而當前對動物鳴聲自動化監(jiān)測的應用需求在日漸增長。因此, 我們建議通過系統(tǒng)集成相關生物聲學技術(shù)、人工智能方法和網(wǎng)絡信息技術(shù), 加快我國生物聲學設備的國產(chǎn)化和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展, 早日應用于我國各類生態(tài)系統(tǒng)生物聲學長期數(shù)據(jù)的自動收集、智能分析和共享應用。同時, 通過我國生物聲學的學科基礎平臺和基礎設施的建設和完善, 可全面促進在跨學科領域的前沿科學研究。

     (3)由于生物聲學所涉及動物類群和相關應用領域多樣而廣泛, 因此通過在生命健康、生態(tài)環(huán)境等行業(yè)領域的整合研究和創(chuàng)新應用可加強生物聲學相關的科技服務, 以獲得對學科建設的長期支持和持續(xù)發(fā)展。

      (4)在學科建設和發(fā)展的同時, 通過跨學科領域的交叉合作促進我國生物聲學各分支領域的關鍵人才培養(yǎng)和相關研究團隊建設。爭取獲得以國家級學會為主的組織機構(gòu)和行業(yè)領域的支持, 盡早成立生物聲學相關的分會組織、團體或相關行業(yè)協(xié)會, 并盡快創(chuàng)辦中國生物聲學相關的專業(yè)期刊, 加強國際合作交流, 以更好地促進生物聲學研究的學科建設和高質(zhì)量發(fā)展。

3.3 學科使命

      現(xiàn)階段, 生物聲學各分支學科和前沿領域之間存在深度交叉和融合, 是未來生物聲學作為學科發(fā)展的重要源泉和驅(qū)動力。因此, 發(fā)展和完善生物聲學研究的技術(shù)方法體系, 深化生物聲學各分支學科的理論和技術(shù)創(chuàng)新研究, 推進現(xiàn)代生物聲學科學的理論方法體系建設, 有助于進一步鞏固生物聲學在生物學、生態(tài)學及交叉科學學科體系中的跨學科地位, 為滿足生物聲學相關的國家重大戰(zhàn)略需求和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展做出更重要的學科貢獻。

作為交叉科學的一個學科分支, 現(xiàn)代生物聲學的學科使命體現(xiàn)在以下3個方面:

      (1)作為跨學科領域的研究和應用工具。隨著科學技術(shù)的不斷進步和革新, 現(xiàn)代生物聲學的整體技術(shù)方法體系將不斷發(fā)展和完善, 為生物學、生態(tài)學及相關分支學科和跨學科領域的理論創(chuàng)新和應用研究提供科學、可靠、高效且不斷完善的調(diào)查研究工具和技術(shù)方法, 并逐漸發(fā)展相應分支學科及交叉領域的關鍵技術(shù)方法體系。伴隨著開放科學、人工智能和生態(tài)信息學的興起, 以及計算能力的指數(shù)式增長, 加上自動聲學傳感器的成本在持續(xù)降低和廣泛應用, 生物聲學工具的創(chuàng)新正在全面改變?nèi)藗兏兄⒃u價和利用動物和環(huán)境聲音的方式。

     (2)作為交叉科學的分支學科和前沿領域。依托理論和技術(shù)創(chuàng)新, 現(xiàn)代生物聲學在不斷深化與生物學、生態(tài)學、物理學(聲學)、化學、信息科學、社會學及相關分支學科和其他關聯(lián)學科之間跨學科領域的融合和整合研究, 從早期的博物學和自然史研究, 到逐漸形成當前諸多獨具特色的分支學科和前沿領域, 而且不同分支學科之間也在逐漸融合并互補優(yōu)勢(圖1)。近年來, 以自動數(shù)字錄音、人工智能和信息科學為核心技術(shù)的被動聲學監(jiān)測技術(shù)體系建設為生物聲學研究提供了多樣化的科學大數(shù)據(jù)和整合研究, 同時推動了生物聲學與生命健康、生態(tài)環(huán)境保護、自然資源可持續(xù)利用、軍事國防等跨學科領域的合作研究。同時, 現(xiàn)代生物聲學以生物聲學為核心命題、以聲學大數(shù)據(jù)為牽引, 不斷發(fā)展和完善生物聲學的核心理論和研究體系, 同時以生物聲學的科學視角和理論方法來審視和解答生物學、生態(tài)學及其他關聯(lián)學科中存在的重大科學前沿問題和核心關鍵技術(shù), 以促進交叉科學領域的更大發(fā)展。

      (3)跨學科領域的成果共享和應用場景的優(yōu)勢互補。由于生物聲學相關技術(shù)和分析工具在研究生物學和生態(tài)學問題時具有通用性、兼容性和共享利用等特征, 因此生物聲學所取得的研究成果在生態(tài)環(huán)境建設和生物資源保護利用等跨學科領域形成了廣泛的應用場景, 并各自形成了良好的獨特優(yōu)勢。我們知道, 解決諸如噪聲污染等人類引起的環(huán)境問題是一項關鍵的生態(tài)安全和生物安全挑戰(zhàn), 最終將決定生態(tài)系統(tǒng)和生物(包括人類)的健康。當今世界噪聲污染對人類、野生動物和生態(tài)環(huán)境的影響幾乎無處不在, 因此加強對陸地和水體環(huán)境中噪聲污染的生態(tài)治理需要生物聲學與生物學、生態(tài)學、物理學、化學、環(huán)境科學、公共健康、信息科學、社會學等領域進行跨學科聯(lián)合攻關, 促進各學科領域諸多研究成果的共享應用。

3.4 展望

      近年來, 科學團體、社會公眾和政府機構(gòu)對生物聲學資源保護和可持續(xù)利用的興趣正在逐漸增長, 加上對全球氣候變化、資源過度利用和生物安全等生態(tài)環(huán)境危機的日益擔憂, 因此生物聲學研究將迎來新的發(fā)展機遇, 有助于推動生物聲學的學科發(fā)展和更廣泛的應用。

基于上述綜合分析, 我們就生物聲學進行學科建設的需求提出以下建議:

      (1)深刻認識生物聲學作為交叉學科的建設需求, 加強生物聲學的學科基礎研究平臺和關鍵基礎設施建設。針對生物聲學領域的重大科學問題及關鍵核心技術(shù), 構(gòu)建以生物聲學為核心命題的交叉學科及相關基礎研究平臺是學科建設的重要保障。進一步明確生物聲學學科建設的必要性和需求, 加強整合性研究和基礎研究投入, 以科學、開放、標準、共享利用為核心目標, 結(jié)合國家生態(tài)文明建設及生命健康和生態(tài)環(huán)境保護的重大需求, 分別在陸地、淡水、海洋等各類生態(tài)系統(tǒng)建立和完善國家和區(qū)域尺度的生物聲學監(jiān)測與研究網(wǎng)絡, 研發(fā)以生物各類群及環(huán)境聲學數(shù)據(jù)為重點的聲學大數(shù)據(jù)信息共享服務平臺以及生物聲學在線分析工具, 逐步形成生物聲學的關鍵理論和技術(shù)創(chuàng)新研究體系, 為生物聲學的學科發(fā)展奠定堅實基礎。

      (2)加強生物聲學在國家重大需求、國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場和科學前沿領域的科技服務。加強生物聲學跨學科領域的廣泛應用、成果共享和科技服務, 為國家生態(tài)文明建設和生態(tài)環(huán)境保護提供更多的重要理論支持和系統(tǒng)解決方案, 并在社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、公共健康、生態(tài)安全和軍事國防等領域發(fā)揮重要的保障和支撐作用。同時, 生物聲學研究也有望為2022年實施的《中華人民共和國噪聲污染防治法》提供科技支撐和關鍵服務。

      (3)加強對生物聲學資源的保護利用、科學傳播和自然教育。通過建立法律法規(guī)來加強國家對生物聲學資源的保護和利用, 同時加強對生物聲學科學知識的有效傳播和自然教育, 促進人們對聲學時空的深切感知和美好體驗, 增強全社會對生物聲學資源的保護意識。建議在國家公園、自然保護區(qū)、自然公園、風景名勝區(qū)、人文景觀和城市公園等場所逐步建立各類聲音體驗場館和寧靜空間, 建設一批國家和地方各級生物聲學博物館和科普教育示范基地, 讓“寧靜中國”為國家生態(tài)文明建設及美麗中國、健康中國建設增添更多新的內(nèi)涵。

     (4)加強生物聲學學科的組織管理、人才隊伍建設和學術(shù)交流。加強國內(nèi)外生物聲學領域的合作交流和整合性研究, 同時加強對青年科技人員、研究生和本科生進行技術(shù)方法和科學理論培訓, 為本學科領域培養(yǎng)更多優(yōu)秀青年人才, 加強生物聲學專業(yè)學會的組織建設, 拓寬和深化學科發(fā)展領域。

參考文獻：肖治術(shù), 崔建國, 王代平, 王志陶, 羅金紅, 謝捷 (2023) 現(xiàn)代生物聲學的學科發(fā)展趨勢及中國機遇. 生物多樣性, 31, 22423. doi:10.17520/biods.2022423. https://www.biodiversity-science.net/article/2023/1005-0094/1005-0094-31-1-23023.shtml 中國生物聲學的學科現(xiàn)狀與發(fā)展機遇

3.1 學科現(xiàn)狀

      生物聲學研究在我國的起步較晚, 在新中國成立前后至20世紀末期間所發(fā)表的研究論文較少, 研究主題有限。從20世紀80年代開始, 我國學者主要針對獸類(白暨豚Lipotes vexillifer和長江江豚Neophocaena phocaenoides asiaeorientalis, 荊顯英等, 1981; 王丁等, 1989; 陳佩薰等, 1996; 大熊貓Ailuropoda melanoleuca, 朱靖和孟智斌, 1987; 獼猴Macaca mulatta, 江海聲等, 1990; 川金絲猴Rhinopithecus roxellanae, Li et al, 1993; 西黑冠長臂猿Nomascus concolor, 蔣學龍和王應祥, 1997)和鳥類(綠尾虹雉Lophophorus lhuysii, 盧汰春等, 1986; 白腹錦雞Chrysolophus amherstiae, 韓聯(lián)憲等, 1988; 黃喉鹀Emberiza elegans, 李佩珣等, 1989; 白頭鵯Pycnonotus sinenesis, 姜仕仁等, 1996a, b)等少數(shù)物種(類群)開展有關鳴聲描述和調(diào)查, 同時也涉及少量昆蟲的鳴聲研究(沈鈞賢, 1989, 1994)。

      自21世紀以來, 特別是最近10年來, 我國生物聲學研究在哺乳類(鯨豚類、靈長類、蝙蝠類為多) (Li et al, 2012; Wang et al, 2013, 2022; Yang et al, 2017; Fan et al, 2019; Jiang et al, 2019; Wang TL et al, 2019)、鳥類(Lei et al, 2005; Zhang et al, 2006; Xing et al, 2013)、無尾兩棲類(Feng et al, 2006; Shen at al, 2011; Cui et al, 2012, 2016; Xu et al, 2012; Zhu et al, 2021, 2022a)、魚類(劉猛等, 2013; Wang et al, 2017; 項杰等, 2022; 邢彬彬等, 2018; Hang et al, 2021)和部分昆蟲(Luo & Wei, 2015; Hou et al, 2022)等主要發(fā)聲類群都開展了相關研究, 并取得了許多重要進展和科研成果。其中, 動物聲學相關主題內(nèi)容在日益豐富和拓展, 涉及基于鳴聲的分類學和種內(nèi)鳴聲變異(Zheng et al, 2000; 丁平和姜仕仁, 2005; Zhang et al, 2006)、聲學通訊行為和性選擇(Cui et al, 2012, 2016; Zhu et al, 2021, 2022a)、鳴聲學習機制(Zhao et al, 2022)、發(fā)聲和聽覺機制(Lu et al, 2020; Luo et al, 2022)、神經(jīng)生物學(Fang et al, 2014, 2015)、蝙蝠回聲定位及進化(馮江等, 2002; Zhang et al, 2007; 付子英等, 2009)、物種間相互作用(Liu SL et al, 2022; Zhao et al, 2022)和環(huán)境噪聲的影響(韓軼才等, 2004; Song et al, 2020; Wang WW et al, 2022; Zhu et al, 2022b)等。

     綜合利用比較基因組學和電生理學等方法, 我國研究人員對哺乳動物回聲定位這一復雜性狀的起源進行了系統(tǒng)性研究(Liu et al, 2014, 2018; Li et al, 2017), 研究結(jié)果支持回聲定位在蝙蝠類群中“一次起源”假說(Liu Z et al, 2022)。通過行為學和比較進化研究證實嚙齒目豬尾鼠屬(Typhlomys)也具有回聲定位能力, 為適應性復雜性狀回聲定位在哺乳動物類群的起源和趨同演化提供了新的認識(He et al, 2021)。最近, Wang HM等(2022)發(fā)現(xiàn)回聲定位蝙蝠使用與人類言語類似的狀態(tài)反饋控制的原理進行精準的實時發(fā)聲頻率控制。在蛙類聲通訊方面, 研究人員在黃山分布的凹耳臭蛙(Odorrana tormota)中首次發(fā)現(xiàn)超聲通訊行為, 并首次將擁有超聲通訊的動物類群擴展到無尾兩棲類(Feng et al, 2006; Shen et al, 2011); 發(fā)現(xiàn)動物可通過聲音信號向其配偶傳遞其建造物的信息(Cui et al, 2012)。在蛙類視-聽多模信號的進化機制方面, 發(fā)現(xiàn)鋸腿原指樹蛙(Kurixalus odontotarsus)雌性多模求偶信號的記憶可通過性選擇來促進多模信號的進化(Zhu et al, 2021); 通過對小湍蛙(Amolops torrentis)驅(qū)趕寄生蚊蟲的肢體動作的分析, 提出了物種間相互作用可能是驅(qū)動蛙類視-聽多模式信號進化的新機制(Zhao et al, 2022)。

      此外, 以鯨豚類為代表類群的海洋和水下生物聲學(Wang et al, 2013, 2015)、環(huán)境噪聲相關的環(huán)境生物聲學(Wang et al, 2019; Zhu et al, 2022b)以及針對聲學數(shù)據(jù)自動采集和智能分析的計算生物聲學(Chen et al, 2020; 郝佩佩和張雁云, 2020; Dufourq et al, 2021; Zhang et al, 2021; 鐘恩主等, 2021)等均逐漸有所發(fā)展, 但仍需要更多的努力, 并有望在未來10年內(nèi)取得更迅速的進展。在應用方面, 以水下生物聲學領域較為突出, 相關研究為水產(chǎn)養(yǎng)殖、水生動物資源開發(fā)利用、珍稀瀕危物種尤其是鯨豚類的保護、淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)的水體噪聲污染治理以及生物聲學仿生和軍事國防等領域發(fā)揮了重要作用(Dong et al, 2020; Hang et al, 2021; Wang et al, 2021a, b)。我國研究人員在淡水和海洋鯨豚類動物的回聲定位信號分析、聲吶和仿生機理方面取得了一系列重要進展(張宇等, 2021)。例如, 研究人員采用人工復合超材料, 重構(gòu)了江豚的聲學結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)了與江豚聲吶極其相似的指向性瞬態(tài)聲發(fā)射和目標探測的功能(Dong et al, 2019); 基于海豚聲學結(jié)構(gòu), 提出了超凝膠阻抗變換器的人工結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)了水下寬帶聲傳輸與目標探測的目標(Dong et al, 2020)。

       從上述情況可知, 生物聲學作為學科發(fā)展在我國大致可分為3個階段, 而且其理論方法在中國野生動物調(diào)查和研究中逐漸得到了不同程度的發(fā)展和應用。

       (1)在20世紀80年代以前, 生物聲學處于萌芽階段, 有關野生動物調(diào)查研究中陸續(xù)采用了動物鳴聲方法, 并積累一些物種(類群)鳴聲識別經(jīng)驗, 在物種分類時考慮其鳴聲分類特征(藍書成, 1958; 龐秉璋, 1960, 1964)。

      (2) 20世紀80年代至21世紀初為生物聲學研究的探索階段, 主要是以獸類和鳥類中的重要物種或常見物種為主, 開始采用聲學方法來錄制和分析動物鳴聲, 并以動物聲學相關研究為主。

      (3)第三階段則從21世紀初到現(xiàn)在, 為快速發(fā)展階段, 通過現(xiàn)代生物聲學相關技術(shù)方法的應用不僅促進了我國動物生物聲學領域的快速發(fā)展, 而且在近10年來的相關研究也逐漸拓展到了生物聲學的其他分支領域, 為下一階段的學科建設做了必要的準備。在近期出版的《聲學學科現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢》(程建春等, 2021)一書中, 大體明確了我國生物聲學的學科研究范疇, 主要涉及生物組織的聲學特性、生物介質(zhì)的聲傳播理論、生物的聲產(chǎn)生與接收、聲信號處理、動物通信與生物聲吶、生物的聲學效應以及聲對生物的影響等內(nèi)容(張宇等, 2021)。這些研究內(nèi)容多隸屬于動物生物聲學的范圍。同時, 張宇等(2021)重點分析了國內(nèi)外海豚聲學、蝙蝠聲學相關的回聲定位理論和應用進展以及學科重點發(fā)展方向, 但未能全面體現(xiàn)現(xiàn)代生物聲學的交叉學科發(fā)展趨勢和眾多應用領域的廣泛需求。

3.2 發(fā)展機遇

      鑒于上述情況, 我國現(xiàn)階段的生物聲學研究仍未發(fā)展為成熟的分支學科, 而有關學科體系建設和行業(yè)應用仍任重道遠, 挑戰(zhàn)與機遇并存。相比歐美國家在生物聲學領域的相關研究進展, 中國生物聲學研究雖然在近10年來也取得了長足進步, 但整體上起步較晚, 基礎設施設備較為落后, 以生物聲學監(jiān)測研究網(wǎng)絡及動物鳴聲數(shù)據(jù)庫為代表的學科基礎研究平臺有待建設, 學科能力建設也亟待全面提升。

      目前, 在生物多樣性保護和噪聲污染科學治理等生命科學及生態(tài)環(huán)境保護方面的重大國家需求, 凸顯了在我國加快建設生物聲學學科的必要性和緊迫性。隨著現(xiàn)代聲學技術(shù)方法的不斷發(fā)展和應用, 在未來10年或更長時間, 中國生物聲學研究將逐漸進入學科建設階段, 并迎來新的發(fā)展機遇, 具體體現(xiàn)在以下方面:

      (1)雖然我國生物聲學研究散布于物理學(聲學)、生物學(動物學、行為學)、生態(tài)學、地球科學(地理學)、信息科學、環(huán)境科學等學科領域, 但在各個研究方向均有了較好的發(fā)展, 為生物聲學的學科整體建設奠定了重要基礎。因此, 通過學科交叉融合和應用領域拓展將加快我國生物聲學的學科建設, 并有望發(fā)展為主流研究方向。

      (2)由于生物聲學研究對技術(shù)和設備依賴性強,導致我國以生物聲學為主的基礎研究平臺和基礎設施建設較為落后。我國現(xiàn)有動物鳴聲錄制設備和分析軟件大多購自國外相關產(chǎn)品, 而當前對動物鳴聲自動化監(jiān)測的應用需求在日漸增長。因此, 我們建議通過系統(tǒng)集成相關生物聲學技術(shù)、人工智能方法和網(wǎng)絡信息技術(shù), 加快我國生物聲學設備的國產(chǎn)化和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展, 早日應用于我國各類生態(tài)系統(tǒng)生物聲學長期數(shù)據(jù)的自動收集、智能分析和共享應用。同時, 通過我國生物聲學的學科基礎平臺和基礎設施的建設和完善, 可全面促進在跨學科領域的前沿科學研究。

     (3)由于生物聲學所涉及動物類群和相關應用領域多樣而廣泛, 因此通過在生命健康、生態(tài)環(huán)境等行業(yè)領域的整合研究和創(chuàng)新應用可加強生物聲學相關的科技服務, 以獲得對學科建設的長期支持和持續(xù)發(fā)展。

      (4)在學科建設和發(fā)展的同時, 通過跨學科領域的交叉合作促進我國生物聲學各分支領域的關鍵人才培養(yǎng)和相關研究團隊建設。爭取獲得以國家級學會為主的組織機構(gòu)和行業(yè)領域的支持, 盡早成立生物聲學相關的分會組織、團體或相關行業(yè)協(xié)會, 并盡快創(chuàng)辦中國生物聲學相關的專業(yè)期刊, 加強國際合作交流, 以更好地促進生物聲學研究的學科建設和高質(zhì)量發(fā)展。

3.3 學科使命

      現(xiàn)階段, 生物聲學各分支學科和前沿領域之間存在深度交叉和融合, 是未來生物聲學作為學科發(fā)展的重要源泉和驅(qū)動力。因此, 發(fā)展和完善生物聲學研究的技術(shù)方法體系, 深化生物聲學各分支學科的理論和技術(shù)創(chuàng)新研究, 推進現(xiàn)代生物聲學科學的理論方法體系建設, 有助于進一步鞏固生物聲學在生物學、生態(tài)學及交叉科學學科體系中的跨學科地位, 為滿足生物聲學相關的國家重大戰(zhàn)略需求和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展做出更重要的學科貢獻。

作為交叉科學的一個學科分支, 現(xiàn)代生物聲學的學科使命體現(xiàn)在以下3個方面:

      (1)作為跨學科領域的研究和應用工具。隨著科學技術(shù)的不斷進步和革新, 現(xiàn)代生物聲學的整體技術(shù)方法體系將不斷發(fā)展和完善, 為生物學、生態(tài)學及相關分支學科和跨學科領域的理論創(chuàng)新和應用研究提供科學、可靠、高效且不斷完善的調(diào)查研究工具和技術(shù)方法, 并逐漸發(fā)展相應分支學科及交叉領域的關鍵技術(shù)方法體系。伴隨著開放科學、人工智能和生態(tài)信息學的興起, 以及計算能力的指數(shù)式增長, 加上自動聲學傳感器的成本在持續(xù)降低和廣泛應用, 生物聲學工具的創(chuàng)新正在全面改變?nèi)藗兏兄?、評價和利用動物和環(huán)境聲音的方式。

     (2)作為交叉科學的分支學科和前沿領域。依托理論和技術(shù)創(chuàng)新, 現(xiàn)代生物聲學在不斷深化與生物學、生態(tài)學、物理學(聲學)、化學、信息科學、社會學及相關分支學科和其他關聯(lián)學科之間跨學科領域的融合和整合研究, 從早期的博物學和自然史研究, 到逐漸形成當前諸多獨具特色的分支學科和前沿領域, 而且不同分支學科之間也在逐漸融合并互補優(yōu)勢(圖1)。近年來, 以自動數(shù)字錄音、人工智能和信息科學為核心技術(shù)的被動聲學監(jiān)測技術(shù)體系建設為生物聲學研究提供了多樣化的科學大數(shù)據(jù)和整合研究, 同時推動了生物聲學與生命健康、生態(tài)環(huán)境保護、自然資源可持續(xù)利用、軍事國防等跨學科領域的合作研究。同時, 現(xiàn)代生物聲學以生物聲學為核心命題、以聲學大數(shù)據(jù)為牽引, 不斷發(fā)展和完善生物聲學的核心理論和研究體系, 同時以生物聲學的科學視角和理論方法來審視和解答生物學、生態(tài)學及其他關聯(lián)學科中存在的重大科學前沿問題和核心關鍵技術(shù), 以促進交叉科學領域的更大發(fā)展。

      (3)跨學科領域的成果共享和應用場景的優(yōu)勢互補。由于生物聲學相關技術(shù)和分析工具在研究生物學和生態(tài)學問題時具有通用性、兼容性和共享利用等特征, 因此生物聲學所取得的研究成果在生態(tài)環(huán)境建設和生物資源保護利用等跨學科領域形成了廣泛的應用場景, 并各自形成了良好的獨特優(yōu)勢。我們知道, 解決諸如噪聲污染等人類引起的環(huán)境問題是一項關鍵的生態(tài)安全和生物安全挑戰(zhàn), 最終將決定生態(tài)系統(tǒng)和生物(包括人類)的健康。當今世界噪聲污染對人類、野生動物和生態(tài)環(huán)境的影響幾乎無處不在, 因此加強對陸地和水體環(huán)境中噪聲污染的生態(tài)治理需要生物聲學與生物學、生態(tài)學、物理學、化學、環(huán)境科學、公共健康、信息科學、社會學等領域進行跨學科聯(lián)合攻關, 促進各學科領域諸多研究成果的共享應用。

3.4 展望

      近年來, 科學團體、社會公眾和政府機構(gòu)對生物聲學資源保護和可持續(xù)利用的興趣正在逐漸增長, 加上對全球氣候變化、資源過度利用和生物安全等生態(tài)環(huán)境危機的日益擔憂, 因此生物聲學研究將迎來新的發(fā)展機遇, 有助于推動生物聲學的學科發(fā)展和更廣泛的應用。

基于上述綜合分析, 我們就生物聲學進行學科建設的需求提出以下建議:

      (1)深刻認識生物聲學作為交叉學科的建設需求, 加強生物聲學的學科基礎研究平臺和關鍵基礎設施建設。針對生物聲學領域的重大科學問題及關鍵核心技術(shù), 構(gòu)建以生物聲學為核心命題的交叉學科及相關基礎研究平臺是學科建設的重要保障。進一步明確生物聲學學科建設的必要性和需求, 加強整合性研究和基礎研究投入, 以科學、開放、標準、共享利用為核心目標, 結(jié)合國家生態(tài)文明建設及生命健康和生態(tài)環(huán)境保護的重大需求, 分別在陸地、淡水、海洋等各類生態(tài)系統(tǒng)建立和完善國家和區(qū)域尺度的生物聲學監(jiān)測與研究網(wǎng)絡, 研發(fā)以生物各類群及環(huán)境聲學數(shù)據(jù)為重點的聲學大數(shù)據(jù)信息共享服務平臺以及生物聲學在線分析工具, 逐步形成生物聲學的關鍵理論和技術(shù)創(chuàng)新研究體系, 為生物聲學的學科發(fā)展奠定堅實基礎。

      (2)加強生物聲學在國家重大需求、國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場和科學前沿領域的科技服務。加強生物聲學跨學科領域的廣泛應用、成果共享和科技服務, 為國家生態(tài)文明建設和生態(tài)環(huán)境保護提供更多的重要理論支持和系統(tǒng)解決方案, 并在社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、公共健康、生態(tài)安全和軍事國防等領域發(fā)揮重要的保障和支撐作用。同時, 生物聲學研究也有望為2022年實施的《中華人民共和國噪聲污染防治法》提供科技支撐和關鍵服務。

      (3)加強對生物聲學資源的保護利用、科學傳播和自然教育。通過建立法律法規(guī)來加強國家對生物聲學資源的保護和利用, 同時加強對生物聲學科學知識的有效傳播和自然教育, 促進人們對聲學時空的深切感知和美好體驗, 增強全社會對生物聲學資源的保護意識。建議在國家公園、自然保護區(qū)、自然公園、風景名勝區(qū)、人文景觀和城市公園等場所逐步建立各類聲音體驗場館和寧靜空間, 建設一批國家和地方各級生物聲學博物館和科普教育示范基地, 讓“寧靜中國”為國家生態(tài)文明建設及美麗中國、健康中國建設增添更多新的內(nèi)涵。

     (4)加強生物聲學學科的組織管理、人才隊伍建設和學術(shù)交流。加強國內(nèi)外生物聲學領域的合作交流和整合性研究, 同時加強對青年科技人員、研究生和本科生進行技術(shù)方法和科學理論培訓, 為本學科領域培養(yǎng)更多優(yōu)秀青年人才, 加強生物聲學專業(yè)學會的組織建設, 拓寬和深化學科發(fā)展領域。

參考文獻：肖治術(shù), 崔建國, 王代平, 王志陶, 羅金紅, 謝捷 (2023) 現(xiàn)代生物聲學的學科發(fā)展趨勢及中國機遇. 生物多樣性, 31, 22423. doi:10.17520/biods.2022423. https://www.biodiversity-science.net/article/2023/1005-0094/1005-0094-31-1-23023.shtml