วิชาการ.คอม - ฟิสิกส์ของเสียงนกร้อง

ฟิสิกส์ของเสียงนกร้อง

โพสต์เมื่อ: 11:51 วันที่ 24 ก.พ. 2549 ชมแล้ว: 72,951 ตอบแล้ว: 5

ภาพ Syrinx และ นก Canaries

แม้ว่าข่าวไข้หวัดนกกำลังเป็นที่ตื่นตระหนกแก่คนทั่วโลก นักฟิสิกส์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งนครบัวโนสไอเรส (University of Buenos Aries ) ประเทศอาเจนตินาก็ไม่ได้หวั่นไหวแต่ประการใด พวกเขาทำการศึกษาเสียงร้องของนก และได้ประสบความสำเร็จในการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อที่จะอธิบายจังหวะการหายใจของนกขณะที่มันร้องเพลง โดยการจำลองอวัยวะส่งเสียง และ ระบบประสาทของนกด้วยระบบไม่เชิงเส้น (nonlinear systems) นักวิจัยพบว่าบทเพลงของเหล่าวิหกตัวน้อยๆที่สลับซับซ้อนเหล่านี้ (ซึ่งประกอบด้วยตัวโน๊ตที่มีความถี่และความยาวต่างๆกัน) สามารถอธิบายได้ด้วยกระบวนการง่ายๆ ผลการวิจัยนี้จะช่วยทำให้เราเข้าใจว่านกเล่านี้เรียนรู้การร้องเพลงได้อย่างไร และอาจนำไปสู่คำอธิบายว่ามนุษย์เรียนรู้ที่จะพูดได้อย่างไร งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letter Phys. Rev. Lett. 96 058103

เสียงที่นกใช้เพื่อการสื่อสารนั้นโดยส่วนใหญ่เป็นเสียงที่สร้างจากอวัยวะควบคุมเสียงที่เรียกว่า Syrinx ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับกล่องเสียงของมนุษย์ (larynx) กล่องเสียง Syrinx ของนกจะเป็นท่อคูที่ตั้งอยู่ระหว่างส่วนต่อของหลอดลม (trachea) และถ่อลมที่ต่อไปยังปอดของนก (brochi) การเปล่งเสียงของ Syrinx จะเป็นการกระพือของเยื่อบางที่เรียกว่า Tympanic membrane ซึ่งเยื่อดังกล่าวจะถูกควบคุมโดยกล้ามเนื้อ Syringeal muscles ที่หุ้มอยู่รอบๆ Syrinx ของนก

นกแต่ละชนิดจะมีความสามารถในการสร้างเสียงได้ไมเทากัน นกส่วนใหญ่ที่เราเจอซึ่งสัตว์แพทย์จะเรียกว่า “นกกลุ่มเกาะคอน” (Passeriformes) โดยเราอาจจะแบ่งนกพวกนี้ย่อยเป็นกลุ่มย่อยโดยอาศัยความสามารถในการสร้างเสียงของ syrinx ได้เป็น 2 กลุ่มคือ กลุ่ม oscine เป็นนกที่มี syringeal muscle จำนวนมาก และสามารถสร้างเสียงได้ดี นกในกลุ่ม oscine นี้อาจเรียกได้ว่าเป็นกลุ่มนกร้องเพลง song birds ในขณะที่อีกกลุ่มจะมีความสามารถในการสร้างเสียงได้น้อยกว่า เนื่องจากมีกล้ามเนื้อที่ควบคุมการสั่นของ syrinx อยู่น้อยกว่า กลุ่มนนี้มีชื่อเรียกว่า suboscine แต่ยังมีนกอีกบางชนิดที่ไม่จัดอยู่ในกลุ่มนกเกาะคอน (non-passerine) ซึ่งจะมีกล้ามเนื้ออิสระอยู่สองคู่ที่ทำให้การสร้างเสียงของ syrinx คูทั้ง 2 เป็นอิสระจากกันเช่น นกเพนกวินจักรพรรดิ (Emperor Penguin) เป็นต้น

นักชีววิทยาและนักฟิสิกส์สนใจการออกเสียงของนกร้องเพลง เพราะมีความคล้ายคลึงกับการออกเสียงของมนุษย์ พวกเขาศึกษาการกระบวนการร้องเพลงของนกชนิดหนึ่งที่ชื่อว่า Canaries (นกเล็กๆสีเหลือกซึ่งมีชื่อเสียงในการร้องเพลง) ซึ่งกระบวนนี้ควบคุมด้วยระบบควบคุมการเคลื่อนไหว (Motor systems) หลายตัว แต่ระบบที่สำคัญและเกี่ยวข้องกับการออกเสียง ประกอบด้วยการควบคุมกล้ามเนื้อสองส่วน คือกล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ (expiratory and inspiratory muscles) และกล้ามเนื้อที่ควบคุมกล่องเสียง (Syringeal muscles) เมื่อนกหายใจออกกล่องเสียงจะสามารถให้โน้ตดนตรีที่มีความถี่อยู่ในช่วง 1 ถึง 2 KHz และ แต่ละ คำ หรือ ตัวโน๊ต ของเสียงนกร้อง จะมีความยาวประมาณ 10 ถึง 300 มิลลิวินาที
นักวิจัยสนใจบทบาทของกล้ามเนื้อทั้งสองกลุ่มนี้กับการสร้างเสียงของนกร้อง ซึ่งเมื่อเข้าใจผลของกล้ามเนื้อแต่ละกลุ่มแล้ว ก็จะช่วยให้เราเข้าใจความสัมพันธ์ของระบบควบคุมการเคลื่อนไหวอื่นๆได้

ในทางฟิสิกส์ปัจจัยสำคัญสองอย่างที่ควบคุมเสียงคือ ความดันของอากาศจากปอดที่ผ่านเข้าสู่กล่องเสียง และความยืดหยุ่นของเยื่อสั่น ผลการวิจัยพบว่ากล้ามเนื้อเหล่านี้จะสั่นได้ก็ต่อเมื่อความดันของอากาศที่ไหลเข้ากล่องเสียงมีค่าสูงกว่าค่าๆหนึ่ง ก่อนหน้านี้นักฟิสิกส์บางกลุ่มได้อธิบายการสั่นนี้กับระบบการสั่นแบบไม่เชิงเส้นแบบง่าย เช่น การสั่นของมวลติดปลายสปริงเป็นต้น

ทีมนักวิจัยนำโดย Gabriel Mindlin และ Marcos Trevisan แห่ง University of Buenos Aries ในประเทศอาเจนตินา และ Franz Goller จาก University of Utah สหรัฐอเมริกาได้ พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ที่สามารถพิจารณาระบบประสาทสองชนิดจากสมองที่ควบคุมการหายใจของนก โดยอาศัยแบบจำลองของระบบไม่เชิงเส้น (nonlinear systems) นักวิจัยทราบว่าขณะที่นกกำลังร้องเพลง บริเวณหนึ่งในสมองของนกที่เรียกว่า HVc จะเริ่มทำงาน และกระตุ้นระบบประสาทในอีกส่วนหนึ่งของสมองที่เรียกว่า RA region และระบบประสาทบางส่วนในโครงสร้างนี้จะกระตุ้นกระแสประสาทที่ควบคุมกล้ามเนื้อในกล่องเสียงและปอดของนก

ผลการทดลองซึ่งตรวจวัดความดันอากาศในถุงลมเล็กๆที่อยู่ในปอดของนก (ซึ่งเรียกกันว่า air-sac ) กับการสั่นของกล่องเสียง ถุงลมเล็กๆนี้จะทำหน้าที่ควบคุมการไหลของอากาศผ่านปอด แสดงให้เห็นว่าการร้องเพลงของนก สามารถอธิบายได้ง่ายๆด้วย แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สร้างขึ้นมาใหม่ ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ระหว่างถุงลมของนกกับระบบประสาท ผลการวิจัยนี้เป็นที่น่าประหลาดใจมาก เพราะคนทั่วไปมักจะคิดว่าพฤติกรรมซับซ้อนอย่างการร้องเพลงของนกซึ่งมีด้วยกันหลายรูปแบบจะต้องอาศัยระบบประสาทที่ซับซ้อนกว่านี้

นักวิจัยยังเชื่อว่าผลการวิจัยนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับสัตว์ชนิดอื่นๆ เขาเชื่อว่าถ้าพฤติกรรมที่หลากหลายของสัตว์สามารถเข้าใจได้ด้วยระบบไม่เชิงเส้น ระบบควบคุมการเคลื่อนไหวเหล่านั้นก็ควรจะเป็นผลมาจากระบบประสาทที่มีความซับซ้อนน้อยกว่าที่เราเคยคิดไว้

เพื่อที่จะทดสอบทฤษฎีของพวกเขา นักวิจัยกำลังค้นหาปรากฏการณ์คล้ายๆกันนี้ในนกชนิดอื่นๆ ที่มีระบบประสาทคล้ายกับนก นก Canaries ระบบใน Non-linear นั้น พฤติกรรมที่ซับซ้อนอาจจะอธิบายได้ด้วย Non-linear equation เพียงสองหรือสามสมการ ดังนั้นพฤติกรรมที่ซับซ้อนของสัตว์อาจจะไม่ต้องใช้ระบบสมการเป็นสิบ หรือร้อยสมการมาอธิบาย นี่คือความน่าประทับใจของ Dynamical system ในวิชาฟิสิกส์

แหล่งข่าวจาก
ฟิสิกส์เว็บ http://www.physicsweb.org/articles/news/10/2/10/1

ข้อมูลเพิ่มเติมจาก
- เว็บไซต์ของ Franz Goller
http://www.biology.utah.edu/faculty2.php?inum=17
- เอกสารประกอบการสอนเรื่องพฤติกรรมนก ผศ.น.สพ. สัมพันธ์ ธรรมเจริญ ภาควิชาสรีรวิทยา คณะสัตวแพทยศาสตร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย
http://www.vet.chula.ac.th/~physio/behav/Bird45doc.pdf

จ้อ

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 1413 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 245 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

จำนวน 4 ความเห็น, หน้า่ | -1-

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 1 4 มี.ค. 2549 (15:52)
บ่อันเดอร์สแตนเด้อ... Non linear System มันหมายความว่าไงยกตัวอย่างทีสิคับ

งงคุง (IP:203.188.61.193,,)

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 2 4 มี.ค. 2549 (22:33)
เรื่องมันยาวคงอธิบายไม่ใหว ลองอ่านจากเว็บนี้ก็แล้วกันครับ
http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamical_system
พออ่านเสร็จแล้วอาจจะลองไปเล่น Animations ในเว็บนี้ดู
http://www.dynamical-systems.org/
ยังมีโน๊ตเกี่ยวกับเรื่องนี้ในอินเทอร์เนตอีกมากครับ

จ้อ

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 3 11 มี.ค. 2549 (12:48)
มิน่าหละจึงเป็น นักร้องผู้ยิ่งใหญ่ จึงส่งเสียงจิ๊บๆ เจี้ยวจ้าว

ครู...ชิต

ร่วมแบ่งปันความรู้และความเห็นแล้ว 2390 ครั้ง - ได้รับดาวแล้ว 262 ดวง - โหวตเพิ่มดาว

ความเห็นเพิ่มเติมที่ 4 10 ก.ค. 2550 (17:25)
สิ่งที่ช่วยในการหายใจของนกอารายอ่ะ

bbbbbbbbbbbb (IP:203.113.77.135)

ความเห็นเพิ่มเติม วิชาการ.คอม

ชื่อ / email:
ข้อความ

รูปภาพ หรือ ไฟล์

กรุณาล๊อกอินก่อน เพื่อโพสต์รูปภาพ และ ใช้ LaTex ค่ะ สมัครสมาชิกฟรีตลอดชีพที่นี่

ตัวช่วย 1: CafeCode วิธีการใช้
ตัวช่วย 2: VSmilies

วิธีการใช้
ตัวช่วย 3: พจนานุกรมไทย ออนไลน์ ฉบับราชบัณฑิต
ตัวช่วย 4 : dictionary ไทย<=>อังกฤษ ออนไลน์ จาก NECTEC
ตัวช่วย 5 : ดาวน์โหลด โปรแกรมช่วยพิมพ์ Latex เพื่อแสดงสมการบนวิชาการ.คอม

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน

วิชาการ.คอม คือ ใคร? || กฏ กติกา มารยาท || ติดต่อลงโฆษณา || ร่วมงานกับเรา

ติดต่อลงโฆษณา :	คุณอันนา 086-4907600, 0-2583-2802 และ 086-4907585
สำนักงาน :	0-2642-7828
อีเมล์ :

คลิ๊กเพื่อดูสถิติ

รับรองและสนับสนุนโดย

สสวท.

มูลนิธิ พสวท.

พสวท.

login:
password:

	ล๊อกอินแบบถาวร