全球水下生物聲紋圖書館 (GLUBS) 將使用音訊來幫助監測不斷變化的海洋生物

Staaterman 等人在 2017 年和 2018 年記錄的 Bocon toadfish (Amphichthys cryptocentrus) 複雜的“boop、grunt、swoop”叫聲。學分：生命百科全書

在大約 250,000 種已知的海洋物種中，科學家認為所有約 126 種海洋哺乳動物都會發出聲音——例如座頭鯨的“thwop”、“muah”和“boop”，或者小鬚鯨的“boing”。至少有 100 種無脊椎動物，世界上 34,000 種已知魚類中的 1,000 種，甚至可能還有數千種，都能聽到聲音。

現在，一個由來自 9 個國家的 17 名專家組成的團隊設定了一個目標，即在一個平臺上收集大量水生生物的聲音，並使用新的支援技術進行擴充套件——從高度複雜的海洋水聽器和人工智慧學習系統到電話應用程式以及公民科學家使用的水下 GoPro。

全球水下生物聲音圖書館“GLUBS”將支援一種新穎的非侵入性、負擔得起的方式，讓科學家們可以聆聽海洋、微鹹水和淡水中的生命，監測其不斷變化的多樣性、分佈和豐度，並識別新物種。使用水下聲景的聲學特性也可以表徵生態系統的型別和條件。

該團隊的論文發表在《生態與進化前沿》雜誌上。

澳大利亞海洋科學研究所的主要作者邁爾斯帕森斯說：“世界上最廣泛的棲息地是水生的，它們富含各種動物發出的聲音。”

“隨著全球生物多樣性的下降和人類無情地改變水下音景，有必要在水下動物聲音可能消失之前記錄、量化和了解它們的來源。”

該團隊提議的基於網路的開放訪問平臺將提供：

• 已知和未知生物資源的參考圖書館（透過整合和擴充套件世界各地的現有圖書館）；
• 用於單個源和音景的帶註釋和未註釋音訊記錄的資料儲存庫門戶；
• 用於訊號檢測和分類的人工智慧演算法的訓練平臺；
• 基於聲音開發物種分佈圖的介面；和
• 一個基於公民科學的應用程式，讓熱愛海洋的人可以參與這個專案

隨著技術的進步，PAM 的廣泛用途正在擴大，提供了大量易於訪問的水生生物資料。

目前的用途包括：

• 監測、表徵和描繪水下聲景
• 調查水生社群
• 記錄魚類、鯨魚和其他海洋哺乳動物的分佈和遷徙模式
• 表徵海洋生物對溫度、鹽度或潮汐等變化的反應，或對氣候變化、藻華、颶風和其他極端天氣事件的行為和分佈變化的反應
• 瞭解獵物在捕食者存在的情況下如何改變它們的聲音產生率或行為
• 觀察人為造成的海洋噪聲汙染——例如航運、資源勘探、建築、飛機或風力渦輪機——如何影響水生生物的交流和其他行為。

該論文指出，許多魚類和水生無脊椎動物物種主要是夜間活動或難以找到，這使得目視觀察變得困難或不可能。因此，“PAM 被證明是監測水生環境中視覺難以捉摸但有聲音的物種的最有效方法之一，這可能有助於更有效地保護管理”，包括海洋公園區域的分割槽或漁業關閉，該論文說。

除了發出用於交流的聲音外，許多水生物種在進食、游泳和爬行時會產生“被動聲音”——通常在聲學上不如主動聲音複雜或獨特，但對生態系統的聲景有重要貢獻。

“現在全世界總共有數百萬小時的錄音時間，可能會被評估為過多的已知和迄今為止未識別的生物聲音。”

Wood's Hole 海洋研究所的合著者 Aran Mooney 說：“就像生物多樣性的熱帶雨林一樣，珊瑚礁充滿了動物在尋求交流、保衛領土和吸引配偶時發出的聲音。”

“生物多樣性和我們的海洋生態系統陷入困境，健康的珊瑚礁以驚人的速度下降。這是一個問題，因為珊瑚礁提供了數十億美元的支援，包括食物、風暴保護和藥品。這個正在開發的圖書館是一種在珊瑚礁和其他海洋棲息地消失之前對生物多樣性變化進行編目、監測和跟蹤的關鍵方法，同時也有助於我們在尋求重建珊瑚礁時定義‘什麼是健康的珊瑚礁’。”

科學家們說：“在某些方面，未知聲音的資料庫與已知來源的資料庫一樣重要。” “隨著領域的進展，將會收集到新的未識別聲音，並且可以將更多未識別聲音與物種進行匹配。”

這可能“對於珊瑚礁等生物多樣性高的系統尤其重要，在這些系統中，即使是簡短的錄音也可以捕捉到多種動物的聲音。”

該論文稱，現有的海底聲音庫“通常專注於主辦機構研究人員所針對的感興趣的物種”，其中一些是針對全國的。很少有圖書館能像擬建的全球圖書館那樣確定其目錄中缺少的內容。

“全球水下生物聲音參考庫將提高更多研究人員在更多地點擴大其資料集中評估的物種數量並識別他們個人無法識別的聲音的能力，”該論文說。

“全球資料庫可以解決更廣泛的問題，例如確定水下聲音產生的普遍趨勢，而單獨的專業儲存庫可以繼續提供資訊和詳細說明其他主題，例如記錄特定地區存在的聲波物種。”

海洋生物的變化範圍

科學家們指出，聆聽大海的聲音會發現巨大的鯨魚在意想不到的地方游泳、新物種和新聲音。

有了聲音，“可以繪製出具有重要生物意義的區域；可以描繪產卵場、重要魚類棲息地和洄游路徑……如果我們有一個全球聲音目錄，就可以在更廣泛的範圍內詢問這些問題和其他問題。”

同時，比較單個物種在廣泛地區和時代的聲音有助於瞭解它們的多樣性和進化。

該論文稱，許多海洋動物都是世界性的，“要麼作為廣泛漫遊的個體，如大鯨魚，要麼作為廣泛分佈的物種，如許多魚類。”

例如，長鬚鯨的叫聲在北半球和南半球的種群之間以及不同季節會有所不同，而領航鯨的叫聲在世界範圍內是相似的，即使它們的棲息地沒有（或不再）越過赤道。

一些魚類甚至似乎在區域之間發展出地理“方言”或完全不同的訊號結構，其中一些隨著時間的推移而演變。

例如，馬達加斯加的臭鼬海葵會發出與印度尼西亞不同的激動（與戰鬥有關）的聲音，而在整個海洋盆地中觀察到座頭鯨的歌聲存在差異。

“如果觀察者知道目標物種的訊號特徵，這些聲音可能更容易被檢測到，但如果沒有事先了解聲音的存在或結構，透過噪音進行聆聽可能會很困難，”該論文說。

“最近在世界各地不同水域經歷的新冠病毒‘人類更年期’凸顯了這一點。” 在大流行的早期，“去除一些音景的人為成分提供了一個機會來觀察海洋動物的聲音（以及因此存在），否則這些聲音可能會消失在噪音中。”

正如人工智慧已經實現了面部或語音識別，以及識別音樂、植物或鳥類的手機應用程式一樣，人工智慧有朝一日可以幫助科學家區分海洋生物的聲音和噪音。然而，該論文補充說，需要大量（理想情況下為數千個）示例。

隨著圖書館的擴充套件，它可以為人工智慧訓練奠定基礎，這反過來也將有助於從數千個以前收集的錄音中挖掘和提取海洋生物的聲音。

電話應用程式、水下 GoPro 和公民科學

就像 BirdNet 和 FrogID 一樣，水下生物聲音和自動檢測演算法庫不僅對科學、工業和海洋管理社群有用，而且對具有普遍興趣的使用者也有用。

“聲學技術已經達到了可以將水聽器連線到手機的階段，這樣人們就可以聽到周圍河流和海洋中的魚和鯨的聲音。因此，聲音圖書館對於公民科學家和公眾來說變得非常寶貴，”論文補充道。

公民科學家可以透過上傳例如河流聆聽應用程式的結果來為圖書館提供很大幫助，該應用程式鼓勵公眾聆聽和記錄河流和沿海水域中的魚聲。

低成本的水聽器和錄音系統（如 Hydromoth）越來越多，防水娛樂錄音系統（如 GoPro）也可以收集水下生物聲音。

該庫將有助於標準化聲音報告的格式。

科學家們說：“一個用於歸檔未知聲音及其錄音時間和地點的圖書館對於指導未來海洋生物聲學和生物多樣性的研究至關重要。” “這在很少被調查或來源識別特別成問題的地區尤其重要，例如暮光區和午夜區，對未知聲音的描述可以讓我們深入瞭解深海的生物多樣性。”

“不斷變化的環境和減少的生物多樣性迫使記錄基線聲學觀測。與資料收集相關的技術進步以及越來越多的研究人員和機構收集 PAM 資料提供了建立生物聲學資料庫的能力。”

“與此同時，人們意識到聲學線索對水生動物群的重要性、噪音對它們的影響以及聲學群落提供生態系統健康指標的潛力的認識已經達到了一個階段，PAM 正逐漸成為更多物種的主流資料來源和生態系統比以往任何時候。”

“最後，公眾利益和對使用者應用程式的訪問意味著公民科學家可以推動廣泛的知識共享。”

“現在是透過將聲學、生態和生物資訊學社群聚集在一起以實現水生聲音共享平臺來促進這一進展的時候了。”