鲸鱼如何在噪音污染的海洋中努力航行
1490年，列奥纳多·达·芬奇(LeonardodaVinci)写道：“如果你让你的船停下来，将一根长管的头放入水中，并将外端放在你的耳边，你就会听到距离你很远的船只的声音。”
我们现在对为什么声音在水下传播的距离比在空气中传播的距离更远的物理原理有了深入的了解。
但自达·芬奇观察以来的五百年后，文艺复兴时期平静的水域已被挤满了数百米长船只的海洋所取代。
对于包括鲸鱼在内的许多依靠声音进行交流的海洋动物来说，交通造成的噪音污染已成为一个紧迫的问题。
在过去的几年里，我们的研究团队一直在开发数学模型来研究这种嘈杂的海洋音景如何影响鲸鱼的迁徙。
在我们最新的《运动生态学》研究出版物中，我们发现，根据未来的噪音水平，这种影响可能从轻微(鲸鱼需要更长的时间才能到达目的地)到极端(即迁徙完全失败)。
生活在喧嚣之中
由于光在水下传播不了很远，因此许多海洋动物依靠声音来感知周围的世界。
鲸鱼能够发出复杂的声音——从蓝鲸和座头鲸著名的歌曲到小须鲸奇特的“嗡嗡”叫声。
然而，与鲸鱼进化的前工业时代相比，海洋条件发生了很大变化。自1950年以来，海洋中的环境噪声水平增加了20分贝以上，这意味着背景噪声强度增加了100倍。
展望未来，我们预计航运活动、资源开采和海上建设将进一步增加，每一项都将导致额外的环境噪音。
我们知道这种噪音对海洋生物有负面影响，包括与搁浅事件有关的压力水平增加，以及无法找到食物或配偶。
然而，我们并不完全了解它如何影响鲸鱼的行为，特别是在它们每年的长途迁徙期间。
逃避、困惑还是孤独?
我们提出了噪音影响鲸鱼及其迁徙的三种主要方式：孤独、回避和混乱。
首先，噪音水平可能会减少鲸鱼交流的区域(孤独)。其次，它可能会引起压力并导致鲸鱼避开某些区域(回避)。最后，噪音可能会降低识别周围环境的能力(混乱)。
我们都可以体会到这一点：在喧闹的音乐会上交谈比在公园(孤独)更困难;如果有人在你办公室窗外钻探，你可能会有点压力，并且更愿意在家工作(避免);而且，如果您试图根据某人的声音来自哪里来找到某人，那么如果有很多其他噪音(混乱)，就会变得更加困难。
数学模型可以测试哪种类型的噪音影响行为可能对小须鲸在喧闹的北海迁徙产生最大的影响。图片来源：墨尔本大学
数学的作用
显然，我们不能将鲸鱼放在实验室中来测试它们的噪音敏感性，因此数学模型是测试这些想法的有用方法。
我们通过编写算法来构建模型，这些算法捕获我们关于鲸鱼行为和声音传输物理学的知识和假设。然后我们可以更改模型的输入以查看其预测如何变化。
例如，我们可以模拟运输量增加50%前后的迁移，这在现实生活中很难做到。
我们最新的研究出版物将我们之前的集体鲸鱼导航模型从一种反应(困惑)扩展到包括对噪音的三种主要反应——回避、困惑和孤独。
研究人员尚未能够测量野外每种反应类型的相对影响，因此我们不知道哪种反应占主导地位。但我们可以用我们的模型来测试这一点，方法是调整输入，看看如果回避、困惑或孤独是对噪音增加的主要反应，整体迁徙行为会如何变化。
然后，我们的模型预测个体鲸鱼的迁徙路径和相关统计数据，例如平均行程时间和其他鲸鱼可以检测到的鲸鱼叫声数量。
我们包含有关航运交通、风噪声、洋流、建筑活动和海洋深度的信息，为我们的鲸鱼提供真实的航行环境。
我们重点关注北海，因为有大量关于航运交通、资源开采活动和鲸鱼观赏的数据，而且我们知道有大量的海上建设活动正在计划中。
迁移行为的变化
我们的模型显示了迁徙行为的明显且令人担忧的变化，这取决于哪种噪音影响对鲸鱼的决策影响最大。
如果噪音污染的主要影响是孤独，那么影响是轻微的：迁移仍然发生，但速度较慢。
如果主要影响是混乱，则影响范围可以从轻微到严重。迁徙速度可能会变慢，或者，如果噪音特别严重，迁徙可能会失败，鲸鱼会因强劲的水流和缺乏有关迁徙方向的信息而偏离航线。
如果噪音污染的主要影响是避免，那么其影响范围可以从轻微到极端。如果只有小范围的高噪音区域，迁徙仍然会发生，鲸鱼只会绕过这些区域。
但随着噪声的不断增大，这些高噪声区域变得越来越大，直到最终迁移路径被切断，迁移彻底失败。
在野外，这对于鲸鱼种群来说将是灾难性的。
幸运的是，我们目前还没有看到整个种群的迁移失败：这个例子只是针对噪音水平继续有增无减的极端未来场景对我们的模型进行编程而得出的预测。
同样重要的是要注意，我们的模型预测取决于我们模型的准确性——它捕获鲸鱼生物学和环境的程度。但现在我们有了这些建模数据，它为其他研究人员提供了可以通过直接观察进行测试的东西。
我们下一步计划调整该模型来观察澳大利亚东海岸的鲸鱼迁徙，例如座头鲸从南大洋到大堡礁的迁徙。
随着支撑全球贸易的航运量不断增加，以及建设海上风电场以支持向可再生能源过渡的需求，了解我们所做选择的后果变得前所未有的重要，以便我们能够确保我们与壮观的海洋野生动物可持续共存。