捕捉振动新颖的方法捕捉节肢动物驱动的振动

密西西比州北部正值夏季，相对湿度较高，有落叶林和狼蛛。当时是内布拉斯加大学林肯分校的博士生NooriCho在一次与以往不同的研究探险中，花了两个月的时间与老鼠同住一个小屋。

在这艰难且特别艰难的60天中，有一次雷暴席卷而来。几亿伏的电压冲向小屋，被距离小屋不到100英尺的一棵树拦截。雷声接踵而至，然后是火焰，很快就被随之而来的倾盆大雨浇灭。

好吧，所以这不是最安全的地方，崔回忆道。

这并不是他遇到的第一个或最后一个并发症。就连当地的鹿也会在不知不觉中密谋反对他。但在一些麦克风和技术独创性的帮助下，崔从森林中走出来，带着记录振动景观的概念验证：蜘蛛、昆虫和估计有五亿种其他节肢动物用来求偶的地面振动领域，捕猎猎物并逃脱掠食者。

通过在1,000平方英尺的森林地面上部署25个麦克风，Choi成功地收集了地面传输的振动，包括基于蜘蛛的振动和其他振动，其规模是在野外从未达到过的。

最终统计：经过39,000小时的录音，产生了超过17,000次振动。Choi编写了一个可以过滤低保真录音中噪音的程序后，从如此庞大的数据集中找出信号变得更加容易，这通常是一项手动任务，阻碍了编译振动信号库与可听的、空气传播的对应信号库的工作。。该工作发表在《通讯生物学》杂志上。

“这百分百新颖，”崔的博士生导师、内布拉斯加州乔治霍姆斯大学生物科学教授艾琳·赫贝茨(EileenHebets)说。“我认为这将打开人们多年来一直在真正尝试探索的研究途径，但始终无法打开大门。我认为努里已经完全打开了它，他把门挡住了那里，现在每个人都可以通过了。”

在实验室中，蜘蛛学家和其他人经常使用所谓的激光振动计来研究振动信号，这种激光振动计通常成本太高，无法批量购买或暴露在严酷的现场环境中。因此，崔转向接触式麦克风：每个小圆盘只花费他几美元，并且可以拾取穿过它们所在的任何基板的振动。

崔不仅会花时间布置麦克风，还会布置陷阱，以验证狼蛛的存在，他和赫贝茨花了数年时间研究狼蛛。

正如预期的那样，Choi遇到了三个物种：密切相关的Schizocosastridulans和S.uetzi，以及它们的第二近亲S.duplex。每个物种都依靠振动信号来吸引潜在的伴侣，其中雄性S.stridulans以其特别复杂的求爱程序而闻名。

两人知道狼蛛正在争夺森林中分布的配偶、食物和其他资源。但研究人员想知道蜘蛛是否也可能在争夺或瓜分能够传递振动的有限空间。这自然会带来其他问题：如果草皮重叠，同时发出的信号是否会相互干扰，从而可能浪费蜘蛛在产生信号时投入的时间和精力?如果是这样，蜘蛛是否会像某些鸟类和其他动物发出叫声那样改变它们的振动信号?

回到林肯，崔的初步分析揭示了一个明确无误的总体前提。

“振动景观是一个比我们预期的更繁忙的信号空间，”崔说，“因为它包括空气传播和基底传播的振动。”

他发现，这些振动有73种不同的味道，其中17种的出现足以值得仔细检查。其中一些起源于蜘蛛。然而，其他信号则以听觉信号开始——数千英尺高空飞机的嗡嗡声、冠蓝鸦或松莺的歌声——其声波到达地面并扩散开来。

当他真正研究狼蛛的振动时，崔发现这两个姐妹物种(S.stridulans和S.uetzi)之间在信号空间、时间和声频方面存在大量重叠。结合这两个物种主要通过落叶发出信号的事实而不是松树凋落物上发出信号这一事实，Choi表示，这一发现表明它们的信号空间非常宝贵且具有足够的选择性，因此两个物种都无法放弃它。

“与声信号，特别是声音信号相比，基底传播的振动确实受到环境和生态因素的限制，”崔说。“例如，基板的传输特性对信号的特性及其振动的传输效率有巨大的影响。

“这意味着节肢动物的选择可能有限，因为如果它们选择在不同的地方、不同的基质上发出信号，它们可能只会破坏整个通信，而无法实现它们的目标，比如吸引配偶。”

但研究还表明，这两个物种实际上正在改变它们通常的振动信号——可能是为了消除噪音。

Choi发现，当周围有其他同类时，表现出色的S.stridulans雄性往往会延长其振动密集的求偶仪式，但当附近的S.uetzi忙于发出自己的振动时，振动腹部的时间就会减少。当被其他振动包围时，无论哪种振动，S.uetzi通常都会缩短它们的求爱期。

Choi和Hebets假设简化信号可能有助于蜘蛛避免身份错误的情况，从而导致与错误的物种交配。测量S.stridulans和S.uetzi在共享栖息地中的杂交量可以解决这个问题。

虽然Choi方法的研究意义显而易见且广泛，但他也提到了其保护潜力。研究人员表示，通过分解尸体并将必需的营养物质释放回土壤，作为大大小小的动物的食物来源，这种不起眼的节肢动物现在帮助承担了整个生态系统的重量和命运。在某种程度上，振动景观可以帮助监测它们的丰度，它可能成为保护这种多足外骨骼生物的宝贵手段。

“当我们谈论节肢动物的生物多样性时，我们觉得我们真的了解得不够，”现任德国马克斯·普朗克动物行为研究所博士后研究员的崔说。“尽管每个人都同意节肢动物对生态系统功能非常重要，而且它们是关键物种——如果它们崩溃，整个群落就会崩溃——但没有人知道如何监测节肢动物的变化。

“使用这种振动景观，我们实际上可以实现对这些地面节肢动物的实时和非侵入性监测。”

该图显示了被野猪破坏的记录地块的数据收集过早结束的情况。图片来源：NooriChoi/CommunicationsBiology

“野猪来了……”

赫贝茨可能更喜欢对崔进行实时监控，以确保她当时的顾问和他的项目能够承受所有的意外。

“这一切都不容易，”她谈到崔的现场经验时说道。

尽管崔喜欢偶尔参观该地区的一个研究站，但他大部分时间都独自在森林或闷热的小屋里度过，而没人认为这是度假屋。他没有驾驶执照，而且驻地距离最近的杂货店有几英里远，他通常只吃旅途中谨慎但乏味的口粮：干咖喱、干汤、燕麦片。只有当研究合著者帕特·米勒和她的搭档盖尔·斯特拉顿周末接他并招待他时，他才有机会洗衣服或吃家常菜。

每天早上都意味着要长途跋涉前往森林，有时还要背着录音机以及相关的电线和电池。6月带来了5英寸的降雨和90年代的高温。

各种因素、与世隔绝和简朴的生活条件交织在一起?野生动物的恶作剧。犰狳可能误认为它们是树根，咀嚼了一些从麦克风伸出的裸露音频电缆。但情况可能会更糟。六月中旬，当一只野猪探测仪发现了崔的五个录音场地之一时，情况确实如此。

他说：“野猪来到了那个地方，摧毁了一切。”他指出，野猪摧毁的证据可以在最终的同行评审论文中找到，该情节的记录数据在6月11日突然结束。

然后是鹿。崔用丙二醇填充了他的陷阱，丙二醇是一种无毒溶液，其他研究人员过去曾用它来制服蜘蛛。崔不止一次地返回陷阱寻找新标本时，遇到一位有蹄的访客正在喝陷阱里的水。

“一只鹿看到了我，把杯子吐了出来，然后跑开了，”崔说。“我当时想，‘伙计，这就是我需要收集的标本!’我不知道他们为什么喜欢这样。”

但崔说，这个陷阱和其他陷阱非常值得这些数据。他说，尽管他对人工智能和机器学习算法自动分析振动信号的能力感到兴奋，但生态学家有责任首先在其本土环境中验证和理解它们。

“我认为这项研究表明我们可能需要更深入地回到传统的生态研究，”他说，“因为我们对振动景观知之甚少。”

赫贝茨说，并不是每个人都能承受实际进行这些研究所带来的挑战。她的前顾问证明了他是，而且还有一些。

“努里非常谦虚、谦虚，对事情轻描淡写，”她说。“但我认为这个世界上很少有人能从那次经历中幸存下来。”