Valarnas tjusning har väckt det mänskliga medvetandet i årtusenden och gjort dessa havsjättar till gåtfulla invånare på djuphavet. Från den bibliska Leviathan till Herman Melvilles formidabla Moby Dick har valar varit centrala i mytologier och folklore. Och medan cetologi, eller valvetenskap, har förbättrat vår kunskap om dessa marina däggdjur i synnerhet under det senaste århundradet, har studier av valar förblivit en formidabel utmaning.
Nu, tack vare maskininlärning, är vi lite närmare att förstå dessa milda jättar. Forskare från MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) och Project CETI (Cetacean Translation Initiative) använde nyligen algoritmer för att avkoda det "kaskelots fonetiska alfabetet", och avslöjade sofistikerade strukturer i kaskelotskommunikation som liknar mänsklig fonetik och kommunikationssystem i andra djurarter.
I en ny studie med öppen tillgång publicerad i Nature Communications , visar forskningen att spermvalar codas, eller korta klick som de använder för att kommunicera, varierar avsevärt i struktur beroende på konversationskontexten, vilket avslöjar ett kommunikationssystem som är mycket mer intrikat än vad man tidigare förstått.
Nio tusen codas, insamlade från östkaribiska kaskelotfamiljer som observerats av Dominica Kaskelotprojektet, visade sig vara en instrumentell utgångspunkt för att avslöja varelsernas komplexa kommunikationssystem. Vid sidan av dataguldgruvan använde teamet en blandning av algoritmer för mönsterigenkänning och klassificering, såväl som inspelningsutrustning på kroppen. Det visade sig att kommunikationen med kaskelot inte var slumpmässig eller förenklad, utan snarare strukturerad på ett komplext, kombinatoriskt sätt.
Forskarna identifierade något av ett "kaskelots fonetiska alfabet", där olika element som forskare kallar "rytm", "tempo", "rubato" och "utsmyckning" samverkar för att bilda en stor mängd urskiljbara codas. Till exempel skulle valarna systematiskt modulera vissa aspekter av sina codas baserat på konversationskontexten, som att smidigt variera varaktigheten av samtalen – rubato – eller lägga till extra dekorativa klick. Men ännu mer anmärkningsvärt fann de att de grundläggande byggstenarna i dessa codas kunde kombineras på ett kombinatoriskt sätt, vilket gör att valarna kan konstruera en stor repertoar av distinkta vokaliseringar.
Experimenten utfördes med hjälp av akustiska biologgningstaggar (särskilt något som kallas "D-taggar") utplacerade på valar från den östra karibiska klanen. Dessa taggar fångade de intrikata detaljerna i valarnas röstmönster. Genom att utveckla nya visualiserings- och dataanalystekniker fann CSAIL-forskarna att enskilda kaskeloter kunde avge olika kodamönster i långa utbyten, inte bara upprepningar av samma koda. Dessa mönster, säger de, är nyanserade och inkluderar finkorniga variationer som andra valar också producerar och känner igen.
"Vi ger oss ut i det okända för att dechiffrera mysterierna med kaskelotkommunikation utan några redan existerande marksanningsdata", säger Daniela Rus, CSAIL-chef och professor i elektroteknik och datavetenskap (EECS) vid MIT.
"Att använda maskininlärning är viktigt för att identifiera funktionerna i deras kommunikation och förutsäga vad de säger härnäst. Våra resultat indikerar närvaron av strukturerat informationsinnehåll och utmanar också den rådande övertygelsen bland många lingvister att komplex kommunikation är unik för människor."
"Detta är ett steg mot att visa att andra arter har nivåer av kommunikationskomplexitet som inte har identifierats hittills, djupt kopplade till beteende. Våra nästa steg syftar till att dechiffrera innebörden bakom dessa kommunikationer och utforska sambanden på samhällsnivå mellan vad som sker. sade och grupphandlingar."
Valfångst runt
Kaskelot har den största hjärnan bland alla kända djur. Detta åtföljs av mycket komplexa sociala beteenden mellan familjer och kulturella grupper, vilket kräver stark kommunikation för koordinering, särskilt i pressade miljöer som djuphavsjakt.
Valar har mycket att tacka för Roger Payne, tidigare projekt CETI-rådgivare, valbiolog, naturvårdare och MacArthur Fellow, som var en viktig person i att belysa deras musikaliska karriärer. I den uppmärksammade Science-artikeln "Songs of Humpback Whales" från 1971 dokumenterade Payne hur valar kan sjunga. Hans arbete katalyserade senare "Save the Whales"-rörelsen, ett framgångsrikt och lägligt bevarandeinitiativ.
"Rogers forskning belyser den inverkan vetenskap kan ha på samhället. Hans upptäckt att valar sjunger ledde till lagen om skydd av marina däggdjur och hjälpte till att rädda flera valarter från utrotning. Denna tvärvetenskapliga forskning tar oss nu ett steg närmare att veta vad kaskeloter säger, " säger David Gruber, ledare och grundare av Project CETI och framstående professor i biologi vid City University of New York.
Idag syftar CETI:s kommande forskning till att urskilja om element som rytm, tempo, ornamentik och rubato bär specifika kommunikativa avsikter, vilket potentiellt ger insikter i "dualiteten av mönstring" - ett språkligt fenomen där enkla element kombineras för att förmedla komplexa betydelser som tidigare ansågs unika för mänskligt språk.
"En av de spännande aspekterna av vår forskning är att den liknar det hypotetiska scenariot att kontakta främmande arter. Det handlar om att förstå en art med en helt annan miljö och kommunikationsprotokoll, där deras interaktioner skiljer sig tydligt från mänskliga normer", säger Pratyusha Sharma. en MIT Ph.D. student i EECS, CSAIL affiliate, och studiens huvudförfattare.
"Vi undersöker hur man tolkar de grundläggande meningsenheterna i deras kommunikation. Det här handlar inte bara om att lära djur en delmängd av mänskligt språk utan om att avkoda ett naturligt utvecklat kommunikationssystem inom deras unika biologiska och miljömässiga begränsningar. I huvudsak kan vårt arbete lägga grunden för att dechiffrera hur en "utomjordisk civilisation" kan kommunicera, vilket ger insikter i att skapa algoritmer eller system för att förstå helt okända former av kommunikation."
"Många djurarter har repertoarer av flera distinkta signaler, men vi börjar bara avslöja i vilken utsträckning de kombinerar dessa signaler för att skapa nya budskap", säger Robert Seyfarth, professor emeritus i psykologi vid University of Pennsylvania, som inte var involverad i forskning.
"Forskarna är särskilt intresserade av om signalkombinationer varierar beroende på det sociala eller ekologiska sammanhang där de ges, och i vilken utsträckning signalkombinationer följer urskiljbara "regler" som erkänns av lyssnare. Problemet är särskilt utmanande i fallet med marina däggdjur, eftersom forskare vanligtvis inte kan se sina ämnen eller helt i detalj identifiera kommunikationskontexten."
"Icke desto mindre erbjuder detta dokument nya, lockande detaljer om samtalskombinationer och reglerna som ligger till grund för dem hos kaskelot."
Mer information: Daniela Rus, Kontextuell och kombinatorisk struktur i spermwhale vocalisations, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47221-8. www.nature.com/articles/s41467-024-47221-8
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
