Bioacoustique

La bioacoustique est une science interdisciplinaire qui combine la biologie et l'acoustique . Elle fait généralement référence à l'étude de la production, de la dispersion et de la réception du son chez les animaux (y compris les humains ). Cela implique les bases neurophysiologiques et anatomiques de la production et de la détection du son, ainsi que la relation des signaux acoustiques avec le milieu dans lequel ils se dispersent. Les résultats fournissent des indices sur l' évolution des mécanismes acoustiques et, à partir de là, sur l'évolution des animaux qui les utilisent.

En acoustique sous-marine et en acoustique des pêches, le terme est également utilisé pour désigner l'effet des plantes et des animaux sur le son propagé sous l'eau, généralement en référence à l'utilisation de la technologie sonar pour l'estimation de la biomasse . L'étude des vibrations transmises par le substrat et utilisées par les animaux est considérée par certains comme un domaine distinct appelé biotrémologie .

Depuis longtemps, les humains utilisent les sons des animaux pour les reconnaître et les trouver. La bioacoustique en tant que discipline scientifique a été établie par le biologiste slovène Ivan Regen qui a commencé à étudier systématiquement les sons des insectes . En 1925, il a utilisé un appareil stridulatoire spécial pour jouer en duo avec un insecte. Plus tard, il a placé un grillon mâle derrière un microphone et des grillons femelles devant un haut-parleur. Les femelles ne se dirigeaient pas vers le mâle mais vers le haut-parleur. La contribution la plus importante de Regen à ce domaine, outre la découverte que les insectes détectent également les sons aériens, a été la découverte de la fonction de l'organe tympanal .

Les appareils électromécaniques relativement rudimentaires disponibles à l'époque (comme les phonographes ) ne permettaient qu'une évaluation approximative des propriétés du signal. Des mesures plus précises ont été rendues possibles dans la seconde moitié du XXe siècle par les progrès de l'électronique et l'utilisation d'appareils tels que les oscilloscopes et les enregistreurs numériques.

Les avancées les plus récentes en bioacoustique concernent les relations entre les animaux et leur environnement acoustique et l'impact du bruit anthropique . Les techniques bioacoustiques ont récemment été proposées comme méthode non destructive pour estimer la biodiversité d'une zone.

Dans l'environnement terrestre, les animaux utilisent souvent la lumière pour détecter les distances, car la lumière se propage bien dans l'air. Sous l'eau, la lumière du soleil n'atteint que des dizaines de mètres de profondeur. En revanche, le son se propage facilement dans l'eau et sur des distances considérables. De nombreux animaux marins voient bien, mais ils utilisent l'ouïe pour communiquer et détecter les distances et la localisation. L'importance relative de l'audition par rapport à la vision chez les animaux peut être évaluée en comparant le nombre de nerfs auditifs et optiques .

Depuis les années 1950 et 1960, des études sur le comportement d'écholocation des dauphins à l'aide de sons de clic à haute fréquence ont révélé que de nombreuses espèces de mammifères marins émettent des sons qui peuvent être utilisés pour détecter et identifier les espèces sous l'eau. De nombreuses recherches en bioacoustique ont été financées par des organismes de recherche navale , car les sources sonores biologiques peuvent interférer avec les utilisations militaires sous l'eau.

L'écoute reste l'une des principales méthodes utilisées dans la recherche bioacoustique. On sait peu de choses sur les processus neurophysiologiques qui jouent un rôle dans la production, la détection et l'interprétation des sons chez les animaux. Le comportement animal et les signaux eux-mêmes sont donc utilisés pour mieux comprendre ces processus.

Un observateur expérimenté peut utiliser les sons d'animaux pour reconnaître une espèce animale « chantante » , sa localisation et son état dans la nature. L'étude des sons d'animaux comprend également l'enregistrement des signaux avec un équipement d'enregistrement électronique. En raison de la large gamme de propriétés des signaux et des supports à travers lesquels ils se propagent, un équipement spécialisé peut être nécessaire à la place du microphone habituel , comme un hydrophone (pour les sons sous-marins), des détecteurs d' ultrasons (sons à très haute fréquence ) ou d'infrasons (sons à très basse fréquence), ou un vibromètre laser (signaux vibratoires transmis par le substrat). Des ordinateurs sont utilisés pour stocker et analyser les sons enregistrés. Des logiciels d'édition sonore spécialisés sont utilisés pour décrire et trier les signaux en fonction de leur intensité , de leur fréquence , de leur durée et d'autres paramètres.

Les collections de sons d'animaux, gérées par les musées d'histoire naturelle et d'autres institutions, constituent un outil important pour l'investigation systématique des signaux. De nombreuses méthodes automatisées efficaces impliquant le traitement du signal, l'exploration de données, l'apprentissage automatique et les techniques d'intelligence artificielle ont été développées pour détecter et classer les signaux bioacoustiques.

Les scientifiques du domaine de la bioacoustique s'intéressent à l'anatomie et à la neurophysiologie des organes impliqués dans la production et la détection du son, notamment leur forme, l'action musculaire et l'activité des réseaux neuronaux impliqués. Le codage des signaux avec des potentiels d'action dans ces derniers présente un intérêt particulier .

Mais comme les méthodes utilisées pour la recherche neurophysiologique sont encore assez complexes et que la compréhension des processus pertinents est incomplète, des méthodes plus simples sont également utilisées. L'observation des réponses comportementales aux signaux acoustiques est particulièrement utile. L'une de ces réponses est la phonotaxie , c'est-à-dire le mouvement directionnel vers la source du signal. En observant la réponse à des signaux bien définis dans un environnement contrôlé, nous pouvons obtenir des informations sur la fonction du signal, la sensibilité de l'appareil auditif, la capacité de filtrage du bruit , etc.

L'estimation de la biomasse est une méthode de détection et de quantification des poissons et autres organismes marins à l'aide de la technologie du sonar . Lorsque l'impulsion sonore se déplace dans l'eau, elle rencontre des objets dont la densité est différente de celle du milieu environnant, comme les poissons, qui réfléchissent le son vers la source sonore. Ces échos fournissent des informations sur la taille, l'emplacement et l'abondance des poissons . Les composants de base de la fonction matérielle de l'échosondeur scientifique sont de transmettre le son, de recevoir, de filtrer et d'amplifier, d'enregistrer et d'analyser les échos. Bien qu'il existe de nombreux fabricants de « détecteurs de poissons » disponibles dans le commerce, l'analyse quantitative nécessite que les mesures soient effectuées avec un équipement d'échosondeur calibré , ayant des rapports signal/bruit élevés .

Les sons utilisés par les animaux qui relèvent de la bioacoustique comprennent une large gamme de fréquences et de supports, et ne sont souvent pas des « sons » au sens strict du terme (c'est-à-dire des ondes de compression qui se propagent dans l'air et sont détectables par l' oreille humaine ). Les grillons Katydid , par exemple, communiquent par des sons dont les fréquences sont supérieures à 100 kHz , bien dans la gamme des ultrasons. Plus bas, mais toujours dans la gamme des ultrasons, sont les sons utilisés par les chauves-souris pour l'écholocation . Un ver marin segmenté Leocratides kimuraorum produit l'un des sons de claquement les plus forts de l'océan à 157 dB, fréquences de 1 à 100 kHz, semblable au claquement des crevettes . De l'autre côté du spectre de fréquences se trouvent les vibrations à basse fréquence, souvent non détectées par les organes auditifs , mais par d'autres organes sensoriels moins spécialisés. Les exemples incluent les vibrations du sol produites par les éléphants dont la composante de fréquence principale est d'environ 15 Hz, et les vibrations transmises par le substrat à basse et moyenne fréquence utilisées par la plupart des ordres d'insectes . Cependant, de nombreux sons d'animaux se situent dans la gamme de fréquences détectable par une oreille humaine, entre 20 et 20 000 Hz. Les mécanismes de production et de détection du son sont tout aussi divers que les signaux eux-mêmes.

Dans une série d’articles de revues scientifiques publiés entre 2013 et 2016, Monica Gagliano de l’ Université d’Australie occidentale a étendu la science pour inclure la bioacoustique végétale .