20.09.2012

Птицы умеренных широт поют более высоким голосом, чем их собратья из тропиков

Канадские и американские зоологи показали, что певчие птицы тропических лесов поют на более низких частотах и в более узком частотном диапазоне, чем птицы умеренных широт. Это явление ученые объясняют в основном тем, что в тропическом лесу гораздо выше уровень высокочастотного шума, издаваемого поющими насекомыми, и, кроме того, сильнее затухание высокочастотных сигналов, чем в лесах умеренных широт. Эволюционные расчеты свидетельствуют, что частотные характеристики птичьих песен в тропических лесах меняются медленнее, чем частотные свойства песен у птиц в умеренных широтах, пишет Evolution.

Экологические условия могут оказывать большое влияние на коммуникационные сигналы животных. Для примера возьмем акустические сигналы птиц. Сколько видов певчих птиц могут одновременно петь в одном биотопе? Напомним, что у каждого вида имеется своя специфическая песня, поскольку именно она позволяет отыскать полового партнера своего вида среди множества других одновременно поющих видов. Казалось бы, таких видов одновременно поющих птиц может быть очень много, учитывая то, сколько у них существует возможностей для усложнения песни благодаря особенностям строения голосового аппарата. В птичьей песне может меняться как частота (тон) звука, так и амплитудно-временные параметры, например ритм отдельных песенных элементов, их громкость и длительность. Но даже если мы представим, что птицы поют в идеальных условиях, где нет посторонних шумов и ничто не мешает распространению звука, всё же есть определенные факторы, препятствующие разнообразию птичьей песни. Например, существуют морфологические ограничения на размер клюва и туловища. Птицы с большим клювом не способны быстро изменять частоту тона в широких пределах, как этого добиваются птицы с маленьким клювом. Чем мельче птица, тем сложнее ей издавать низкочастотные звуки и, наоборот, тем легче петь на высоких тонах. Такая связь между размером и высотой издаваемых звуков характерна не только для птиц, но и для всех живых существ, а также и для искусственных источников звука.

Кроме того, самые разные экологические факторы могут сильно ограничивать песенное разнообразие. Низкочастотные сигналы имеют большую длину волны, что способствует их лучшему распространению в густой растительности. Поэтому дальность распространения длинных волн выше. Высокочастотные (коротковолновые) сигналы, напротив, быстрее затухают в густой траве или на изрезанном рельефе. Поэтому, например, кузнечики, издающие относительно высокочастотные сигналы, залезают на верхушки деревьев, чтобы снизить степень затухания звука и увеличить дальность слышимости. Птицы в густом лесу предпочитают петь на более низких частотах, поскольку в этом случае также увеличивается дальность слышимости. Кроме того, высокочастотные звуки, издаваемые другими организмами, в первую очередь насекомыми, также представляют собой довольно существенную помеху лесным птицам. Городской же шум сильно отличается от лесного: в нем доминируют низкие частоты, поэтому городским птицам выгоднее «общаться» в более высокочастотном диапазоне.

Биологи из Торонтского университета в Скарборо и Чикагского университета, используя большую базу данных из 116 видов птиц Нового Света, провели интересное исследование по влиянию окружающего шума на скорость видообразования у певчих птиц. Они сравнили песни птиц, обитающих в лесу и на открытых пространствах разных широт, сконцентрировав внимание прежде всего на тропических и умеренных широтах. Авторы анализировали только частотные свойства птичьих песен. Была предложена следующая гипотеза: в тех местах, где сильны ограничения по звуковым частотам, песня эволюционирует медленнее, чем в биотопах без таких ограничений.

Поскольку птичьи песни весьма замысловаты, авторы измеряли шесть частотных параметров (рис. 1) и учитывали их все в последующем анализе. Окружающий шум был измерен в нескольких биотопах: в тропическом влажном лесу и на открытых участках в центральной Панаме, в лесах Калифорнии, Британской Колумбии, Онтарио и Квебека, а также в степи штата Орегон. Данные по лесам умеренных широт оказались достоверно неразличимы, поэтому авторы использовали для иллюстраций своих исследований наиболее северный лес, расположенный в Квебеке.

Что же получилось? Оказалось, что в тропическом лесу существенно выше окружающий шум и сильнее затухание сигналов на высоких частотах, чем в лесах умеренных широт, а также в степях тропических и умеренных широт (рис. 2). В тропическом лесу на частотах между 4,5 и 9 кГц окружающий шум почти в три раза выше, чем на частотах 1–4 кГц. Авторы считают, что источник этого шума — в основном поющие насекомые и в меньшей степени амфибии. Напротив, в лесу и степи умеренных широт окружающий шум почти одинаков во всем исследованном диапазоне от 0 до 10 кГц. Затухание сигнала на высоких частотах во всех биотопах выше, чем на низких частотах, но в тропическом лесу эта разница максимальная.

Когда авторы сравнили эти характеристики биотопов с частотными характеристиками песен птиц, которые населяют соответствующие места, то оказалось, что наиболее низкие тона выдают птицы тропического леса, почти аккуратно укладываясь в частотное «окно» с минимальным шумом. Птицы других биотопов поют на более высоких частотах. При анализе птичьих песен авторы раздельно рассматривали певчих воробьиных (Oscine) и так называемых кричащих воробьиных, или тиранн (Suboscine), которые имеют более примитивное строение голосового аппарата и не могут выдавать столь красивые трели, как певчие птицы. Но различия между этими двумя группами оказались несущественными (рис. 2).

Чтобы исследовать, есть ли корреляция между изменением частоты песни в лесных биотопах, географической широтой и скоростью эволюции песни, авторы оценивали родство разных видов птиц, измеряя так называемое генетическое расстояние, или меру генетических различий. Для этого авторы использовали данные по секвенированию участка митохондриальной ДНК, кодирующего белок cytochrome b, который часто используется для построения филогенетических деревьев. Чем больше различий по этому гену, тем больше генетическое расстояние между двумя видами и тем дальше эти виды оказываются на филогенетическом дереве. Чтобы охарактеризовать песню одним параметром, все шесть измеренных частотных характеристик песни привели к одному фактору с помощью метода главных компонент. Различия по этому фактору между любыми двумя видами птиц обозначаются в работе как евклидово расстояние. Когда генетические расстояния сравнили с различиями по частоте песни, то оказалось, что в тропическом лесу различия между песнями близкородственных видов сравнимы с различиями между песнями более далеких родственников. В умеренных широтах, напротив, чем дальше родственники, тем больше различий между песнями (рис. 3).

Это не означает, что в тропиках песня совсем не эволюционирует. Амплитудно-временные параметры у лесных тропических птиц вполне разнообразны, так как в этом случае нет ограничений — насекомые не могут конкурировать с птицами по этим характеристикам. Лишь частотные свойства в песнях лесных тропических птиц мало меняются в процессе эволюции. Однако мой совет любителям музыки: чтобы насладиться птичьим пением, не нужно ехать в тропики, а достаточно выйти в подмосковный лес. Получите больше удовольствия!

Варвара Веденина

Источники:

1. elementy.ru