Nyolc akusztikai alapelemből épül fel az madárdal

A Földön található énekesmadarak elképesztő hangfaji sokszínűsége mindössze nyolc univerzális akusztikai motívum kombinációjára vezethető vissza. A Science tudományos folyóiratban közzétett nemzetközi kutatás adatai szerint a madárdalok komplexitása mögött meglepően egységes matematikai és fizikai szerkezet húzódik meg. A francia szakemberekből álló kutatócsoport több mint százezer hangfelvétel részletes vizsgálatával igazolta, hogy a különböző fajok ezen alapvető akusztikai építőkockák variálásával hozzák létre sajátos, egyedi vokális jeleiket. A felfedezés mérföldkőnek számít a bioakusztika történetében, mivel elméleti alapot ad annak megértéséhez, miként formálja a természetes környezet az állati kommunikációt.

A nagyszabású elemzést két meghatározó tényező együttes jelenléte tette lehetővé az átfogó kutatási projekt során. Az első elem a Xeno-canto elnevezésű globális adatbázis volt, amely amatőr és professzionális ornitológusok által rögzített, szakértők által szigorúan ellenőrzött hanganyagok százezreit tartalmazza. A második elengedhetetlen komponensnek a mesterséges intelligenciára épülő gépi tanulási algoritmusok alkalmazása bizonyult, amelyek segítségével a kutatók képesek voltak automatizáltan feldolgozni a hatalmas adattömeget. A vizsgálatot Quentin Bacquelé, az École Pratique des Hautes Études doktorandusza vezette, szoros együttműködésben a Saint-Étienne-i ENES bioakusztikai laboratórium és a montpellier-i CEFE kutatóival.

A tudományos projekt fókuszában az énekesmadarak rendje állt, amely az Antarktisz kivételével a Föld összes kontinensét benépesítette. Ez a rend teszi ki az ismert madárfajok csaknem kétharmadát, magában foglalva a kisméretű vörösbegyeket, cinegéket és fecskéket, valamint a nagyobb testű hollókat és varjakat egyaránt. A szakemberek a szelekció során kiemelt figyelmet fordítottak arra, hogy kiküszöböljék a háttérzajokat, így a szél, az eső vagy más állatfajok zavaró hangjait. A végső elemzésbe 3160 énekesmadár-faj több mint 116 ezer kiváló minőségű felvétele került be, ami a csoport teljes faji sokféleségének 80 százalékát lefedve páratlan reprezentativitást biztosított.

A korábbi tudományos próbálkozások szintén vizsgálták a madárhangokat széles skálán, ám azokban csupán egyszerű akusztikai paramétereket rögzítettek, mint az átlagos frekvencia vagy a hangjegyek hossza. Az ilyen leegyszerűsített adatok nem tettek lehetővé mélyreható következtetéseket a mintázatok globális eloszlásáról. A mostani kutatás során Nicolas Mathevon professzor irányításával a szakemberek az emberi és az emlős agy hallóidegsejtjeinek információfeldolgozási mechanizmusát vették alapul. Ez a módszer a frekvencia és az időbeli változások együttes dimenzióit elemezte, eljutva a hangok belső struktúrájának pontos feltérképezéséhez.

A mesterséges intelligencia által elvégzett adatfeldolgozás kimutatta, hogy az összes vizsgált madárdal nyolc jól elkülöníthető akusztikai pólusra bontható vissza. Ezen pólusok között található három trilla típus, amelyek ismétlődő hangjegyek sorozatából állnak. A trillák lehetnek lassúak, mint az észak-amerikai kardinális vagy a trópusi paradicsommadár esetében, gyorsak, mint a cinegéknél, vagy rendkívül gyorsak, amit a csonttollúaknál figyeltek meg. A második csoportot a füttyök képezik, amelyek között megkülönböztetnek állandó frekvenciájú sima füttyöket, modulált füttyöket, valamint erősen modulált, gyorsan váltakozó frekvenciájú hangsorokat, amelyek a ökörszemre jellemzők.

A fennmaradó két struktúra összetettebb akusztikai felépítést mutat a hangelemzés során. Az úgynevezett kaotikus hangjegyek nem rendelkeznek meghatározható alapfrekvenciával, és erősen zajos szerkezetűek, ami a szarkák és a fecskék rekedtes énekében érhető tetten. A nyolcadik kategóriát a harmonikus felhangok halmozódása alkotja, ahol a hangok egyszerre több egymáshoz közeli frekvenciából tevődnek össze, megközelítve az emberi beszédhang jellegzetességeit, ahogyan az a hollók és varjak károgásában megfigyelhető.

Az egyes madárfajok a nyolc elérhető akusztikai elemből átlagosan ötet használnak fel sajátos repertoárjuk megkomponálásához. A fajok kétharmada több mint egy motívumot kombinál az éneke során, míg egyharmaduk egyetlen stíluselemre korlátozza a megnyilvánulását. Utóbbira jó példa a közép-amerikai harangmadár, amely a világ leghangosabb madárdalát bocsátja ki egyetlen, rendkívül erőteljes, fémes csengésű sima fütty formájában. Az a tény, hogy a harangmadár egyszerű és nagy hangerővel bíró hangot használ a trópusi zónában, szervesen illeszkedik a kutatók környezeti adaptációs megállapításaiba.

A kutatás térképes elemzései rávilágítottak arra, hogy a sima füttyök és a lassú trillák túlnyomóról jelen vannak a tengerentúli, afrikai és ázsiai egyenlítői trópusi esőerdőkben. Nicolas Mathevon rámutatott, hogy a madárdal elsődleges funkciója a minél távolabbi érthetőség és az egyértelmű azonosíthatóság. A sűrű növényzetű, magas páratartalmú trópusi dzsungelekben a komplex, gyorsan változó hangok elnyelődnek és torzulnak a fák lombkoronájában. Emiatt a természetes elrendeződés az egyszerűbb, alacsonyabb frekvenciájú, lassú kimenetű hangoknak kedvez, amelyek képesek nagy távolságokat áthidalni anélkül, hogy elveszítenék az információtartalmukat.

A környezeti adaptáció hipotézise, amelyet eredetileg 1975-ben fogalmaztak meg az ornitológiában, most nyert első alkalommal teljes körű, adatokkal alátámasztott bizonyítást. A kutatók ugyanakkor kiemelték, hogy ez a környezeti kényszer nem egyformán érvényesül a bolygó különböző éghajlati zónáiban. A mérsékelt övezeti erdőkben a fizikai környezet akadályozó hatása sokkal kisebb, így ott más evolúciós tényezők veszik át a vezető szerepet a hangképzés formálásában.

A trópusi területeken a biológiai sokféleség magas, ám az egyes fajok egyedsűrűsége alacsony, így a hímeknek nagy távolságra kell eljuttatniuk a hangjukat a fajtársak eléréséhez. Ezzel szemben a mérsékelt övi erdőkben a faji diverzitás alacsonyabb, de az egyedsűrűség rendkívül magas, vagyis a hímek egymás közvetlen közelében élnek és fészkelnek. A mérsékelt övben a rövid szaporodási időszak miatt a szexuális szelekció, a tojókért folytatott küzdelem és a területvédelmi rivalizálás képezi a legfőbb evolúciós hajtóerőt. Ez a versengés a minél összetettebb, gyorsabb és információdúsabb dallamok kialakulásának kedvez, ami magyarázza a modulált füttyök és gyors trillák dominanciáját a kontinentális területeken.

A madárdal kettős feladatot lát el a természetben: egyrészt jelzi az egyed faji hovatartozását, másrészt kifejezi az egyéni jelenlétet és kondíciót. A hím madár az énekével kijelöli a saját felségterületét és erőforrásait, miközben virtuóz teljesítménnyel igyekszik felkelteni a tojók figyelmét. A mérsékelt övi régiókban a komplexitás a hím genetikai rátermettségének és fizikai állapotának közvetlen mérőeszközeként szolgál. A kutatók bizakodnak abban, hogy ez a nagy adathalmazokra és gépi tanulásra épülő elemzési módszertan más állatcsoportok, például az emlősök, a kétéltűek és a rovarok akusztikai kommunikációjának megértésében is áttörést hozhat a jövőben.