猫头鹰最聪明是什么原因(不仅眼睛大视力好)

猫头鹰,夜行捕猎高手。

一双威风凛凛的大眼睛,夜色中闪闪发光。

270º无障碍旋转的脖子,站在树上只要扭扭头就能扫视全场,不留一处死角。

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自由转动的脖子,不仅能帮助眼睛扩展视野,还能帮助耳朵全方位地收集声音,确定声音来源。暗夜捕猎的猫头鹰,耳朵比眼睛还要管用,只凭一双耳朵就能听音辨位,捉到躲在障碍物后面的老鼠。

你的脑袋里存着一张周边环境的形状地貌图,地图存在视觉皮层上,图上物件的位置与视网膜上的等效位置对应,也就是说,你的地图是通过眼睛记录在脑袋里。猫头鹰脑袋里有张跟你不一样的地图,图上物件的位置不是来自视线,而是来源于声音,它能通过耳朵绘制地图。

解析耳朵听音辨位之前,我们先来看看帮助耳朵收集声音的脖子。猫头鹰左旋右拧的强韧颈椎,全面碾压了其他动物的脆弱脖颈,包括人类。

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猫头鹰的颈椎

头直接架在肩膀上,看上去没有脖子的猫头鹰有14节颈椎,而拥有优美脖颈曲线的你只有7节颈椎。

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上图是斑雕鸮(非洲斑点猫头鹰)骨骼,拨开羽毛看真相,猫头鹰有根长脖子。多节颈椎方便猫头鹰大幅度多方向地旋转脑袋,它不仅在颈椎数量上超过我们,颈椎内的动脉血管也比我们强韧太多。

我们的颈动脉很脆弱,稍微加一点儿外力,比如刹车时的冲撞,或是手法错误的按摩,就会伤害颈动脉,撕裂血管内层。相比之下,猫头鹰成天把头扭来扭去,俯冲急停,再猛的动作都不会损伤到颈椎内血管,而且无论猫头鹰的脑袋歪到什么角度,也不会出现脑部供血不足,眩晕昏厥的现象。为什么它的颈椎动脉比我们强悍那么多?两点不同,一是它有缓存血库,二是它有活动空间。

美国约翰·霍普金斯大学团队,把显影剂注射到猫头鹰的动脉里,模拟血液流动。团队震惊地发现:当猫头鹰扭动脑袋时,下巴底部的血管变得越来越粗,储存了更多的血液。这个现象跟我们完全相反,当你扭动脑袋时,颈椎动脉血管只会越来越细,绝对不会在脑袋偏离原位时变得更粗。

猫头鹰再怎么扭头都不会出现脑缺血的原因找到了,它下巴上有缓存血库,存储着大脑需要的血液。遇到极端扭头造成颈椎动脉暂时缺血的情况时,缓存血库能及时为脑袋供血。

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同样是动脉血管,你的血管紧贴着颈椎骨的管腔,血管在管腔内活动空间有限。而猫头鹰的颈椎管腔直径是血管的10倍,富裕的空间给血管提供了缓冲气垫,以及充分的活动场所。当猫头鹰大角度扭头时,动脉血管在宽大管腔内不会被骨头摩擦压迫。

灵活的颈椎,自由移动的颈椎动脉,有储备的血库,支持猫头鹰在270º范围内不受限制地扭转脑袋。

猫头鹰的耳朵藏在羽毛下面,不像其它动物,有外耳收集声音。没有外耳的猫头鹰,全靠灵活转动的脖子,帮助耳朵收集各个方位的声音,捕捉猎物。

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解释一句:上图猫头鹰脑袋上的是羽毛,不是耳朵。[头条-法兰西is培根-未经授权请勿转载其他平台]

猫头鹰的耳朵

在明亮光线下活动的我们,白天有阳光,夜晚有灯光,早就习惯于依赖眼睛接收信息,忽略了耳朵的优势。

实际上,跟视觉相比,听觉覆盖的范围更广。当光线被一堵墙遮挡,我们看不到墙后的动静,可依然能听到墙后猫咪的呼噜声。声波既能通过固体的墙传播,又能绕过墙体传进我们的耳朵,而光线做不到。

猫头鹰不仅能在没有一点儿光线的黑夜捉鼠,还能抓到躲藏在雪地下面的老鼠,全靠耳朵定位。

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你或许有怀疑,猫头鹰可以通过嗅觉,或是温度感知去捕捉猎物,说不定它的眼睛还能看见红外线,不能确定地说猫头鹰全靠耳朵定位。那来看一个经典实验,足以打消你的疑虑。

漆黑屋子里,给老鼠尾巴上拴上一张纸。老鼠拖着纸跑来跑去,纸张摩擦地板发出沙沙响声。猫头鹰准确地扑向移动的纸张,而不是老鼠。在漆黑屋子里,猫头鹰左右转动脑袋时,不是为了看老鼠,而是为了听老鼠,它用耳朵来找老鼠。

依赖声音就能准确定位的猫头鹰,有一双跟我们不一样的耳朵。

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上图是最常见的猫头鹰--鬼鸮(Aegolius funereus)的头骨。外貌端正的猫头鹰,藏在羽毛下的头骨却有明显不对称的结构,两只耳朵,一高一低,开口形状各有不同。右耳开口朝上,左耳开口朝下。当猫头鹰从高处俯冲向地面猎物时,从正前方传来的声音,在右耳里会比左耳里更响。当猫头鹰呆在树上时,从正下方传来的声音,在左耳里会比右耳里更响。

如果声音不是从正前方或正下方传来,而是来自侧边,到达左右耳朵时,除了强度不同之外,还有时间差别。声音在空气中的传播速度是343m/s,如果耳朵之间的距离是10厘米的话,靠近声音的近侧耳朵先听到声音,过了300微秒(μs)后,远侧耳朵听到声音。耳朵距离由脑袋大小决定,小脑袋的动物听觉时间差更短。

我们的神经系统传递信号有段延时反应时间,通常认为是1毫秒(ms,1秒=1000毫秒,1毫秒=1000微秒)。300微秒太短了,我们的神经机制无法分辨出其中的时间差别。但是,包括猫头鹰在内的许多动物都能用分辨出声音里这短暂的微秒差别。

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上图是猫头鹰听音捕猎示意,左图是听觉强度差,右图是听觉时间差。它听到声音时,左右耳朵听到不同的声音,区别是来自同一声源不同的强度差和时间差。正是两个不同,让它准确定位目标。

猫头鹰根据声音的时间差和强度差,计算声源在两个方向的位置,一是水平方向,二是垂直方向,这两步计算在不同的大脑回路中进行。猫头鹰用时间差来确定声音的水平位置,用强度差来确定垂直位置。如果它右耳收到的声音比左耳收到的响,它判断声音来自上方。

在水平方向上,猫头鹰确定位置的精确度跟你差不多,但在垂直方向上,它的精准度比你高出3倍。

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上图是猫头鹰的听力实验结果,图中坐标是方位角坐标(地平经度)。左图是不同时间差下的听音辨位,右图是分别堵住左右耳朵后的听音辨位。中点蓝色圆点是实际声源位置,红色圆点是堵住左耳时,猫头鹰判断的声源位置。绿色三角是堵住右耳时,猫头鹰判断的声源位置。

对于单一声源的声音,高频声音的强度差比低频声音更大,因为高频声音的波长短,绕过脑袋时,能减少声音弯曲,并加强反射。但是低频声音的时间差比高频声音更大。

猫头鹰能听到的声音频率跟你听到的差不多,比你能听到的声音范围更窄一点儿。但是在1000~9000赫(Hz)的频率范围内,猫头鹰的听音灵敏度是你的10倍。它能在一组复杂声音中,分辨出频率不同的组合。

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上图是猫头鹰听音定位绘制地图的示意图,声源投影到水平方向上,有一张二维平面图;声源投影到垂直位置上,另一张平面图。两个方向的地图组合起来,形成一张3D空间地图。

声音绘制的空间地图储存在猫头鹰大脑里,位于中脑的一个叫下丘外核的地方,不同的声音位置对应不同的神经元,来自正前方的声音激活下丘外核前边缘的神经元,侧面的声音激活相对靠后的神经元。

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猫头鹰有优秀的听力能够绘制出地图,它还有毫不逊色的夜视视力。视觉接受到的信息能够增强并校准它的听力地图。

既有一副好耳朵,又有一双大眼睛的猫头鹰,定位能力有多强?看个数字:1只谷仓猫头鹰,1年内捕获老鼠数量超过1000只。在微弱的月色中,谷仓猫头鹰猎杀老鼠的成功率高达90%。

优秀的听力和夜视视力,两强联手,让猫头鹰成为夜晚出色的捕猎高手。


#这很科学#

参考资料:

1: “Adaptations of the Owls Cervical & Cephalic Arteries in Relation to Extreme Neck Rotation”,by Fabian de Kok-Mercado etc. Feb.2013,Science

2:“The representation of sound localization cues in the barn owl’s inferior colliculus”,by Singheiser, M., etc. Frontiers in Neural Circuits

3:“How the owl tracks its prey – II",by Takahashi, T.T. Journal of Experimental Biology

4:“Auditory spatial acuity approximates the resolving power of space‐specific neurons“,by Bala, A.D.S., etc. PLoS One 2

5:“Visual modulation of auditory responses in the owl inferior colliculus”,by Bergan, J.F. etc. Journal of Neurophysiology

6:“Variability reduction in interaural time difference tuning in the barn owl”,by Fischer, B.J., etc. Journal of Neurophysiology

7:“Instructed learning in the auditory localization pathway of the barn owl”, by Knudsen, E.I., Nature

:今天更新自然界里的秘密系列文章,这是第9篇:鸟的听力

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