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澎湃新闻记者 薛莎莎 实习生 王舒曼

粉色的鼻子、小眼睛、耳朵宽阔且灵活,尾巴长似扫帚,被称为“盲鼠”的猪尾鼠,竟自带一种回声定位能力。

近期,来自中国科学院昆明动物研究所的研究人员得出这一结论。

该研究所遗传资源与进化国家重点实验室施鹏课题组、蒋学龙课题组和刘振课题组联合攻关,通过整合行为学、解剖学、基因组学、以及基因功能实验多个独立的证据,证实了啮齿目猪尾鼠属的物种具有回声定位能力。

“除了大家所熟知的蝙蝠、齿鲸等具有这一能力外,猪尾鼠也具有这种能力,这本身就很神奇!”7月5日,研究者之一、施鹏课题组的刘奇博士接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时介绍,对猪尾鼠回声定位能力的研究持续了大约4年。这一研究,有望使猪尾鼠成为研究发声、听觉、回声定位神经回路等方面的新型实验动物。他也期望研究结果将来能应用在人工智能方面,比如改进汽车自动驾驶、盲人辅助导航。

“是不是还有其他具备这种能力但未被发现的哺乳动物?”刘奇认为,人类对回声定位的研究和应用仍有很大空间,对猪尾鼠的研究只是一个开始。

实验持续近4年,研究人员跟着猪尾鼠“熬夜”

鼻子是粉色的,眼睛小小的,耳朵宽阔且非常灵活,就像蝙蝠一样会来回摆动,会往不同方向去收集声音。它的尾巴很长,形似扫帚,尾巴末端还有一撮白色的毛。

这就是刘奇的研究对象——猪尾鼠,因其眼睛小又被称为“盲鼠”,它属于啮齿目刺山鼠科猪尾鼠属。

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猪尾鼠 视频来源:受访者(00:32)

刘奇研究猪尾鼠的回声定位能力。回声定位指的是动物通过比较发出声波和接收回声的信息差别,进行导航、觅食等活动的一种定向行为。

早在2017年,刘奇就已经开始着手开展这一研究。

那时,他做了一些基础工作后,实验有了初步的研究结果。他就把实验内容整理成英文稿件,以一个短文的形式发给secience杂志。期刊方面对这一研究成果给予了很大的肯定,且表现出很大的兴趣,这给了他们很大信心。

“在后面的过程中我们根据杂志要求补充了很多实验,不断地充实和完善论文。”刘奇称,一方面要拿到多个方面确切的实验证据,另一方面每个实验的工作量非常大,包括后面论文进行了多次修改,因此整个课题涉及的时间比较长,而且是多个研究团队联合攻关。

刘奇介绍,论文的通讯作者施鹏和刘振课题组长期从事回声定位的趋同演化和分子遗传机制等方面的研究工作,发表了很多重量级的研究成果。另一个合作团队,也是论文的通讯作者蒋学龙研究员课题组从事猪尾鼠的行为生态和系统发育与分类的研究工作。这次的研究是由3个课题组联合攻关的成果。

虽有3个精尖团队联合实验,但实验中遇到的困难也不少。

刘奇介绍,第一个困难就来自研究对象——猪尾鼠。在研究之前,他们并不是很了解这类野生动物的生活习性,比如它吃什么、住在哪、是不是群居、巢穴长什么样子以及活动时间。

其次,猪尾鼠的野外种群数量并不多,用它来做实验,有一个很大的难题就是怎么去抓到它,并且抓到一定数量、活的猪尾鼠。

同时,研究人员也没有饲养经验,在抓到一定数量的猪尾鼠后,他们也不知道如何饲养,很担心人工创造出的条件,不能使猪尾鼠表现出自然的行为。

不过,随着实验的推进,这些困难都找到了解决的办法。

让刘奇觉得很有意思的是,在实验中,他们发现猪尾鼠这类动物是夜行性的,它白天睡觉,晚上比较活跃。因此,在行为学实验过程中,研究人员就把实验安排在晚上,有时为了完成一个实验不得不通宵工作。

小眼睛“盲鼠”的回声定位功能

刘奇称,实验中,他们录制了猪尾鼠在运动中有规律地发出短时程、调频型、高频的声波(峰频~98 kHz)。黑暗环境下,猪尾鼠在复杂空间环境中以及躲避障碍物时,会发出更高的超声波速率。这些结果都表明,猪尾鼠发出的超声波在运动行为中发挥着定向作用,也就是回声定位。

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实验中的猪尾鼠 视频来源:受访者(00:17)

随后,研究人员采用经典的实验装置以及严格的实验设计来验证猪尾鼠是否具备回声定位能力。通过行为学任务实验发现,猪尾鼠会花费更多的时间、发出更高的超声波速率来探索目标,它们在完全黑暗的条件下,准确地探测到逃脱平台,顺利获取食物奖励;当它的耳朵被堵塞后,猪尾鼠接收不到回声,不能再探测到目标、完成任务;移除耳塞后,猪尾鼠恢复探索和定位目标的能力。在消除了视觉、触觉以及控制嗅觉的条件下,行为学实验证实猪尾鼠是通过发出超声波和使用听觉接收回声实现定位目标的。

此外,研究人员利用技术手段呈现猪尾鼠的骨骼解剖结构,发现它的茎舌骨与鼓骨的空间位置接触并融合,这与通过喉部发声的回声定位蝙蝠的结构一致。这说明在发声与听觉结构上,猪尾鼠与喉部发声的回声定位蝙蝠具有相同的解剖学结构基础。

刘奇和其他研究人员还测序组装了中华猪尾鼠高质量全基因组,通过进化基因组学分析发现,猪尾鼠的回声定位是独立起源的。在全基因组范围内,猪尾鼠与已知的回声定位物种(蝙蝠和齿鲸)在听觉基因上显著的富集趋同基因。

通过整合行为学、解剖学、基因组学、以及基因功能实验多个独立的证据,证实了啮齿目猪尾鼠属的物种具有的回声定位能力。

期望应用于人工智能、盲人辅助导航等领域

猪尾鼠的回声定位能力,这似乎与普通人搭不上边。但刘奇表示,这一研究将来或许会应用到人工智能方面,比如改进汽车自动驾驶、盲人辅助导航。

刘奇称,从科学本身来说,回声定位作为动物的一种特殊行为,在动物界中非常罕见。现在人类认识的回声定位物种可能仅限于很少的几类,像蝙蝠、齿鲸大家比较熟悉,不熟悉的,像一些鸟类、鼩鼱和马岛猬。

“除了上面列举的动物,我们证实了还存在一种老鼠,也具有回声定位技能,用听觉和超声波去发现食物或定位的目标,这本身就非常神奇!”刘奇称,除了蝙蝠、齿鲸、巨鲸等五个独立起源的类群具有回声定位能力,研究团队发现了第六类具有这种能力的类群。

此外,由于猪尾鼠属于啮齿类,亲缘关系、体型大小与模式动物小鼠较接近,饲养繁殖容易操作等因素,它有望成为研究发声、听觉、回声定位神经回路等的新型实验动物。

刘奇称,在基于对蝙蝠等回声定位物种的长足研究基础上,人类已经开发出很多仿生产品。比如蝙蝠在快速飞行中会发出超声波探测到目标,跟踪运动的猎物,或者及时躲避障碍物。据此发明的导盲杖方便盲人行动。

他坦言,人类对回声定位的研究和应用仍存在很大空间,对蝙蝠、猪尾鼠等动物及其回声定位的研究未来能对人类的生活产生更多的影响。

在发现了猪尾鼠有回声定位能力后,刘奇及其所在的研究团队就一直在思考,自然界中近六千种哺乳动物,是不是还有其他的具备这种能力但未被发现的呢?他们希望通过团队的努力能够再发现更多这样的神奇动物。

“这需要众多科研工作者不懈努力,甚至可能是个非常漫长的探索过程。”刘奇说,猪尾鼠及其回声定位的发现只是一个开始,他们希望能够坚持这项研究,期望将来它可以用在人工智能方面,比如改进汽车自动驾驶、盲人辅助导航。

责任编辑:汤宇兵

校对:丁晓

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