魚の鳴き声は水中のサンゴ礁について教えてくれるが、実際に聞くにはより優れた技術が必要

サンゴ礁に棲む魚は生まれると、すぐに不確実性に満ちた外洋へと流されてしまいます。しかし、生き延びて幼生から幼魚に成長すると、サンゴ礁は必ずその魚を呼び戻し、繁殖サイクルを継続させます。

魚がサンゴ礁を探し、戻ってくる方法はたくさんあります。これらの水中のコミュニティは、声の大きい海洋動物や無脊椎動物でいっぱいの非常に騒がしい場所です。音は水中を遠くまで伝わるため、小魚は交通情報を聞き取ってサンゴ礁の質を判断することができます。音の良い環境は、より多くの新しい動物を引き付ける傾向があります。

健全なサンゴ礁は豊かな音風景を持っている。「無脊椎動物や魚類の多くは、さまざまな奇妙で素晴らしい理由で奇妙で素晴らしい音を出します。録音すると、ポップ音やブザー音、トリル音やフーッという音が聞こえます」とエクセター大学の海洋生物学研究員ティム・ラモント氏は言う。一方、劣化したサンゴ礁は動き回る生物が少なく、そのためずっと静かになる。「生態系の修復に携わっている人にとって、良い音を出すサンゴ礁を作ることができるのは本当に素晴らしいことです」とラモント氏は説明する。

ラモント氏とその同僚は、音と水中生物の関係を研究することに興味を持ってきた。しかし、それは決して簡単な作業ではない。録音の背景ノイズを除去し、音声に注釈を付け、すべての特徴的な音に印をつけるには、多くの場合、人間の手が必要になる。この作業を自動化する試みはいくつかあったが、依然として多くの技術的限界が残っている。

このことは、マース社との最近の協力関係で明らかになった。同社は同社に連絡を取り、サウンドスケープ・エコロジーを使ってサンゴ礁の修復の進捗状況をモニターするよう依頼したのだ。（チョコレートとペットフードを手掛ける同社は、環境への悪影響の一部を相殺するためのより大規模な取り組みの一環として、科学者や地元コミュニティと協力し、世界中で損傷したサンゴの生息地を修復している。マース社はこの最近のサウンドスケープ・プロジェクトにも一部資金を提供している。）今週、応用生態学ジャーナルに掲載されたこの取り組みに関する関連研究では、爆破漁業によって損傷したインドネシアのサンゴ礁は、修復活動の後、順調に回復したと伝えられている。

生態系の健全性に関する新たな窓

沿岸のコミュニティは、食料などをサンゴ礁に依存しています。ダイナマイトを使った漁業などの人間の活動によりこれらの構造が崩壊すると、生計を立てるためにサンゴ礁に依存している人々に壊滅的な影響を与える可能性があります。これらのサンゴ礁は自然に回復する速度が遅いため、これらの生態系の基盤を形成するサンゴを修復することで、魚やその他の海洋生物を復活させることができます。しかし、生息地の修復が成功するかどうかを判断するのは必ずしも簡単ではありません。「いくつかのサンゴを育てるのと、生態系全体を復活させることは異なります」とラモントは言います。サンゴが再生するかどうかを確認する以外に、生態学者は、新しいサンゴ礁が海洋生物を支え、波のエネルギーを弱め、炭酸塩の予算を制御し、沿岸コミュニティに食料を提供できるかどうかをテストする必要があります。

ここで、サウンドスケープ分析が役に立ちます。サウンドスケープ分析は、画像や視覚的な観察よりも多くの生物を検出できるため、生態系全体の多様性を示す有望な指標です。たとえば、生物学者は、隠れている魚やうまくカモフラージュされている魚の音を聞くことができます。さらに、音があれば、専門家は生息地を 24 時間監視できます。「サウンドスケープについては、さまざまなことを測定できます」とラモント氏は言います。「サウンドスケープの複雑さ、音量、時間による変化、周波数帯域によるピッチの変化などを測定できます。」

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必要なデータをすべて収集するため、研究チームは、劣化したサンゴ礁、健全なサンゴ礁、回復したサンゴ礁の周囲に水中マイク、つまりハイドロフォンを設置した。2年間にわたり、夜明け、夕暮れ、真夜中、正午、満月、新月のサンゴ礁の音を記録した。「非常に良い画像を作りたかったのです」とラモント氏は言う。研究チームは、回復したサンゴ礁の音は「健全なサンゴ礁とまったく同じではないものの、非常に似ている」こと、そして「劣化したサンゴ礁とは非常に異なる」ことを発見した。設置されたサンゴは海洋生物の鳴き声で満ちており、生物学者たちに多くの生物が建設を歓迎していることを伝えている。

音の分類と測定

その後、ラモントのチームにとって地味な仕事が始まりました。音響室に座って、ノック音、喉を鳴らす音、しわがれ声、うなり声、叫び声などの音の層を分解するのです。複雑なオーケストラの編曲から個々の楽器を解きほぐすのに似ています。

「これは非常に時間のかかる科学です。この研究のために、私は何ヶ月もかけてヘッドフォンでこれらの録音を注意深く聴きました」とラモント氏は言う。「時々、本当に気が遠くなるほどで​​す。」

研究チームは現在、このプロセスを「コンピューターに同じ仕事をさせる」ことで自動化しようとしているとラモント氏は言う。しかし、機械に任せるのは大変な仕事だ。サンゴ礁の生態系は非常に忙しいため、分析結果をより騒々しい野生生物に偏らせる可能性のある背景音が多い。「これらの録音を聞くと、無脊椎動物の音、たとえばエビをパチパチ鳴らす音がたくさん聞こえます」とラモント氏は言う。それは、パチパチという静電気やベーコンを揚げる音に似ている。実際、これらの音は非常に大きく、頻繁に聞こえるため、第二次世界大戦中、軍はサンゴ礁に潜水艦を隠していた。エビが潜水艦の音を効果的に隠していたからだ。

音響指標とも呼ばれるサウンドスケープを測定するために使用されている既存の計算技術は、主に陸上の生息地、たとえば森林で鳥やコウモリの鳴き声を聞くために設計されています。それでも、ラモントは森林とサンゴ礁のコミュニティの間に多くの類似点を見出しています。たとえば、特定の時間帯にさまざまな動物が活動しているように見えるため、科学者は音のライブラリを空間、時間、周波数で分類できます。「私たちはこれらの指標を水中に適用する試みをいくつか行いました」とラモントは言います。「しかしもちろん、異なる生息地で得られるサウンドスケープのタイプには根本的な違いがあるため、うまく機能しないこともあります。」

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森林の音風景を研究する科学者たちは、樹木の間に録音ステーションを設置する必要のない機械学習アルゴリズムを構築するための独創的な回避策を考案した。ラモント氏は、昨年 7 月に発表されたPNAS の論文を指摘している。この論文では、インペリアル・カレッジ・ロンドン、シドニー大学、コーネル大学の研究者が Google の AudioSet データを使用して、個々の森林の音の違いを認識するアルゴリズムをトレーニングした。

人間の話し声、音楽、機械のノイズを混ぜ合わせたグーグルの音声編集は、まずアルゴリズムにさまざまな種類のノイズを区別する方法を教えた。その後、このシステムを森林に適用したところ、森林内の音のカテゴリーを分類することができた。著者らは、将来的には違法伐採や狩猟などの不法行為の検出に利用できるようになるだろうと書いている。

ラモント氏は、同様のアルゴリズムを再利用して、分析しなければならない膨大な海の音を整理できるのではないかと想像している。

より安価なハードウェアの必要性

海中の音響環境を分析する機械学習アルゴリズムに有用な機能を提供するもう 1 つのより古典的な方法は、大量のデータを収集することです。世界中で海洋音響セットを構築する取り組みが進められていますが、機器のコストが制限となる場合があります。たとえば、大容量のメモリ カードを備えた高品質のハイドロフォンは、約 3,000 ドルかかります。

「これらは非常に高価な場合が多く、資金力のある科学者以外がこれを実行できるようにするには少々問題があります」とラモント氏は言う。10月に、彼と彼の同僚はエコロジカル・インディケーターズ誌に研究論文を発表し、ゴープロカメラ（約500ドル）の音声は多くの場合、ハイドロフォンで得られるデータの品質に匹敵することを発見した。

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「こうした低コストの録音を試行することで、もっと多くの人が参加できるようになります」と彼は言う。「そうすれば、自動化された分析技術に取り込めるデータをもっと多く収集できるようになり、少ない労力で有用な情報を得ることができるようになります。」

海洋監視技術はすでに大きく進歩している。約 10 年前、水中聴音機はテープ リールで動作し、非防水の記録ステーションが設置された船の側面から垂らしたケーブルに接続する必要があった。現在では完全にワイヤレスで、データ収集が必要になるまで、数週間または数か月にわたって海底に沈めておくことができる。

「水中で長期間、高品質の録音ができるというのは、まったく新しいことです」とラモント氏は指摘する。「だからこそ、これまで誰も録音したことのない新しいものを発見し続けているのです」。インドネシアの録音を聞き返した際、ソルジャーフィッシュのうなり声、ブダイの引っかく音、スズメダイの鳴き声など、まったく不思議なサンゴ礁の音に出会ったことをラモント氏は思い出す。しかし、日の出時によく聞こえる「笑い声」など、特定の種に当てはまらない音もあった。

「そこには謎めいた楽しい要素があります」とラモント氏は言う。「この分野はまだ歴史が浅いので、将来が楽しみです。」