摘要:声通讯是昆虫种内个体间信息交流的主要方式之一。螽斯鸣声声学特征及发声锉结构均存在较高的种间差异。本文以优雅蝈螽 (Gampsocleis gratiosa) 为例,介绍了鸣声录制、声学特征分析及发声锉扫描电镜观察方法。
关键词: 螽斯, 发声锉, 声学特征
研究背景
声通讯是昆虫种内个体间信息交流的主要方式之一,对种间识别、求偶、种群延续至关重要。鸣声分化源于性选择行为的差异,吸引异性和宣示领地;但这种分化形式较为随机,分化产生的结果具有一定的不可预见性 (Iwasa and Pomiankowski, 1995)。螽斯通过前翅闭合运动时左翅腹面上的发声锉与右翅内缘 (刮器) 相互摩擦而发声。雄性螽斯利用鸣声进行通讯、吸引异性和威慑竞争对手;部分种类雌性亦可发出鸣声应和雄性,如硕螽亚科 (Bradyporinae) 部分种类两性具有相似的发声器 (Elaevaa and Korsunovskaya, 2012);拟叶螽亚科 (Pseudophyllinae) 的Panoploscelis specularis雌性发声器与雄性明显不同 (Montealegre-Z. et al., 2003)。声学信号在螽斯等鸣虫的物种形成、种内交流和保持种间生殖隔离方面具有重要作用 (Korsunovskaya, 2008 and 2009)。Ragge (1987) 对欧洲西部170余种直翅目昆虫鸣声特征进行了分析,并提出了一门新的交叉学科——鸣声分类学 (Phonotaxonomy)。
常用的音频文件格式有:CD、WAVE (*.WAV)、AIFF、AU、MP3、MIDI、WMA、RealAudio、VQF、OggVorbis、AAC、APE等。音频文件压缩方法分为无损压缩与有损压缩。常见的无损压缩格式有WAV,APE和FLAC。WAV格式支持多种音频位数、采样频率和声道,是PC上流行的音频文件格式,缺点是文件过大,只能用于存储较短的声音片段。APE和FLAC格式相对较小,可以毫无损失地保留原有音质。为了记录完整的螽斯鸣声特征,一般应采用WAV格式;在用于科普宣传时,则可压缩转化为MP3格式。
鸣声特征分析最常用的指标包括:时域特征 (Time-domain characteristics) 和频域特征 (Frequency-domain characteristics)。本文以优雅蝈螽 (Gampsocleis gratiosa) 为例,介绍了鸣声录制、声学特征分析及发声锉扫描电镜观察方法。
材料与试剂
自然环境下多数种类螽斯在夏末秋初大量成熟。捕捉时间不宜太早,捕捉数量要有所节制,尽可能使鸣虫在自然界留下后代。
仪器设备
- 数码录音笔(SONY PCM-D100)
- 直径与高均约为10 cm的纸筒
- T型木质支架
- 50目窗纱
- 眼科手术剪
- 眼科镊子
- 体视显微镜
- 临界点干燥仪
- 真空镀膜仪
- 扫描电子显微镜
软件
- Cool Edit Pro 2.1
- Audacity
- Raven Lite 1.0
- Excel
- SPSS
实验步骤
- 鸣声录制
将50目窗纱粘在直径与高均约为10 cm的纸筒一端,并把T型木质支架安放在纸筒内。将优雅蝈螽罩在组装好的饲养纸筒内供其攀爬,如图1所示。
为减少其他杂音干扰,可将野外采集到的雄性优雅蝈螽成体带回室内。待其恢复正常鸣叫后,使用SONY PCM-D100数码录音笔在距离鸣叫个体约10 cm 处进行录音,录制声波的频率范围为 20-2 × 104 Hz,鸣叫停止 5-10 s后,关闭录音笔。录制前给不同的螽斯个体进行编号,每个个体录制3-5段鸣声,并详细记录录制时的环境温度及对应的音频文件名称。
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图1. 优雅蝈螽饲养纸筒。 A. T型木质支架;B. 组合好的纸筒。
- 使用Cool Edit Pro 2.1软件进行鸣声降噪处理
将鸣声文件导入到电脑中。安装并打开Cool Edit Pro 2.1,点击工具栏中的“文件”,在下拉菜单中选择“打开”,找到录制好的鸣声文件,选择并点击“打开”,即可在Cool Edit Pro 2.1主界面中显示该文件的波形图,通过鼠标滚轮,查看放大或缩小后的波形图,结果如图2所示:
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图2. Cool Edit Pro 2.1导入鸣声文件
将光标定位在一段仅含背景杂音的波段开始位置,按住鼠标左键并拖动光标至结束位置释放,如图3所示。点击工具栏中的“效果”,依次点击"噪音消除"和"降噪器",进入降噪器页面进行降噪处理,如图4所示。
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图3. Cool Edit Pro 2.1进行鸣声噪音选择
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图4. Cool Edit Pro 2.1进行鸣声降噪处理
点击“噪音采样”,显示选中波段的背景杂音图形。然后点击“保存采样”,保存背景杂音采样数据,默认格式为“*.fft”。返回到波形界面,Ctrl + A 选取全部波形后,再点击工具栏中“效果”,下拉菜单选择“噪音消除”和“降噪器”进入降噪器页面。点击采样栏中的“加载采样”,选择保存的背景杂音文件“*.fft”,并打开。点击降噪器页面中的"预览",试听降噪后的鸣声,点击"确定"即可对整段鸣声进行降噪,结果如图5所示。如果试听后发现降噪后的鸣声失真明显,则需要重新采样,或调整参数。
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图5. Cool Edit Pro 2.1 降噪器界面
Cool Edit Pro 2.1 降噪器界面参数设置说明如下: - 使用Audacity软件进行鸣声特征 (时域和频域) 分析
安装并打开Audacity,点击工具栏中的“文件”,下拉菜单中选择"打开"找到经Cool Edit Pro 2.1软件降噪处理好的鸣声文件,点击“确定”,在主界面即可显示蓝色波形图。如图6所示:
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图6. Audacity软件导入鸣声文件
点击工具栏中的放大或缩小图标,即可查看鸣声中的脉冲数量、脉冲组数量,音节数量等时域特征。通过鼠标选取相应的鸣声时域特征的相应部位,在底部菜单栏“选区的起点和长度”中即可查看该段波形的起止时间,以及持续时间,如图7所示。将录制的同一物种的多段鸣声分别导入,并将脉冲数量、脉冲组数量,音节数量,脉冲持续时间,脉冲组持续时间,音节持续时间,脉冲组周期等时域特征统计在Excel中,通过SPSS统计软件,计算得出平均值 ± 标准差。
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图7. Audacity软件时域分析
鸣声频域特征分析,选择一段波形,点击工具栏中的"分析",下拉菜单选择"频谱分析",轴 (A) 一般选择"线性频率",其他参数默认,通过频谱图可以看出鸣声频谱宽度及主能峰频率等信息,如图8所示。既可通过抓屏方式保存分析结果,亦可导出数据再使用Excel等软件进行后续作图。
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图8. Audacity软件频域分析
- 使用Raven Lite 1.0软件进行鸣声频谱分析
安装并打开Raven Lite 1.0,点击菜单栏“File”,下拉菜单栏点击"Open sound files",导入降噪后的鸣声文件,即可查看鸣声的频谱,如图9所示:
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图9. Raven Lite 1.0频谱分析
- 发声器扫描电镜样品制备及观察
在不损坏前翅完整性的情况下,用镊子将螽斯左前翅取下并置于5%的NaOH溶液浸泡处理3-5 min。取出置于生理盐水中,用超声波清洗5 min。在体视显微镜下确定发声锉位置,小心剪取发声锉部分 (大小以略小于扫描电镜样品台为宜)。依次置于70%、80%、90%、95%及无水乙醇 (2次) 中进行脱水处理10 min;再分别用纯丙酮、醋酸异戊酯置换15 min。接通临界点干燥仪电源并预热5 min后,将样品置于样品室中,并用无水乙醇覆盖;接入CO2使样品室温度降至0 °C (处理时间不超过3 min);冷却至0 °C后开启填充阀进行CO2填充 (约2 min);打开清洗阀,在通入CO2的同时逐渐排出乙醇直至彻底排干;待乙醇被CO2完全替代后,加热升温至40 °C、压力1,200 Pa时停止加热并保持4 min;以100 Pa/min速率逐渐降低样品压力至0 Pa后,取出样品。在体视显微镜下用镊子将样本腹面向上用导电胶粘在电镜台上。将样品台置于真空镀膜仪中,接通电源抽真空至5 Pa以下后,开始镀膜,时间1 min。制备好的样品置于扫描电子显微镜下观察并拍照。每种螽斯至少观察3个以上电镜样本,便于后续统计分析。优雅蝈螽发声锉如图10所示。
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图10. 优雅蝈螽发声锉电镜观察结果 (引自Zhantiev and Korsunovskaya, 2019)
鸣声及发声锉描述常用术语
- 螽斯鸣声声学特征描述常用术语
时域特征:声音强度随时间变化的一类特征。在鸣声分析过程中,常用的时域特征参数 (Walker et al., 1988) 包括:
脉冲 (Pulse):时域波形图中最小波形的最小组合;
脉冲组 (Pulse group):鸣声中重复的最小单元;
脉冲组中单脉冲个数 (Number of pulse in the pulse group):构成1个脉冲组所包含的所有脉冲个数;
脉冲组持续时间 (Chirp duration):脉冲组从开始到结束所用的时间;
脉冲组间隔时间 (Chirp interval):相邻2个脉冲组之间的间隔时间;
脉冲组周期 (Chirp period):1个脉冲组持续时间与间隔时间的总和构成1个脉冲组周期;
脉冲组重复率 (Rate of chirp):脉冲组周期的倒数即为脉冲组的重复率。
频域特征:鸣声在某一特定范围内的频率结构。在分析频域特征时,最常选用的特征参数有:频谱结构、主频率 (Dominant frequency, DF)、频率分布范围等。其中,主频率是指鸣叫过程中能量最o’iiiikiuu哦ii’iikiuuuu为集中的点对应的频率值,在频域特征图中表现为最高点所对应的频率值。
- 发声锉描述常用术语
螽斯发声锉 (Stridulatory file) 由左前翅Cu2脉特化形成,由一系列数目不等的发声齿组成。常用的描述术语(Anichini et al., 2017)包括:
发声锉长 (Length of stridulatory file):从基部至端部的最长直线距离;
发声齿 (Stridulatory teeth):着生在Cu2脉腹面的突起,是摩擦发声的最小结构;
发声齿数 (Number of stridulatory teeth):构成发声锉的发声齿数目,末端排列不规则的发声齿不计;
发声齿间距 (Interteeth distance):相邻两个发声齿间的距离;
发声齿密度 (Density of stridulatory teeth):1 mm内的发声齿数目。
致谢
研究团队受到河北省自然科学基金 (C2021201002) 资助,特此致谢。
参考文献
- Anichini M., Kuchenreuther S. and Lehmann G.U.C. (2017). Allometry of male sound-producing structures indicatessexual selection on wing size and stridulatory teeth densityin a bushcr icket. Journal of Zoology 301: 271–279.
- Elaevaa N.F. and Korsunovskaya O.S. (2012). Ecology and Sound Signaling of Relict Katydid Deracantha onos (Pallas, 1772) (Orthoptera, Tettigoniidae, Bradyporinae). Moscow University Biological Sciences Bulletin 67(3-4): 111–116.
- Iwasa, Y. and Pomiankowski, A. (1995). Continual change in mate preferences. Nature 377(6548): 420-422.
- Korsunovskaya, O.S. (2008). Acoustic signals in katydids (Orthoptera, Tettigonidae). Communication I. Entmol Rev 88(9): 1032-1050.
- Korsunovskaya, O.S. (2009). Acoustic signals in katydids (Orthoptera, Tettigonidae). Communication 2. Entmol Rev 89(1): 16-20.
- Montealegre-Z. F., Guerra P.A. and Morris G.K. (2003). Panoploscelis specularis (Orthoptera: Tettigoniidae: Pseudophyllinae): extraordinary female sound generator, male description, male protest and calling signals. Journal of Orthoptera Research 12(2): 173-181.
- Ragge, D.R. (1987). The songs of the western European grasshoppers of the genus Stenobothrus in relation to their taxonomy (Orthoptera: Acrididae). Bulletion of the British Museum (Natural History) Entomology 55: 393-424.
- Walker, T. J., Ragge, D. R. and Reynolds, W. J. (1988). The songs of the grasshoppers and crickets of Western Europe. The Natural History Museum. London. ISBN: 9780946589494.
- Zhantiev, R.D. and Korsunovskaya, O.S. (2019). Acoustic signals of katydids of the tribe Gampsocleidini (Orthoptera, Tettigoniidae) in Russia. Entmol Rev 99(6): 705-710.
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