Enregistrement des sons sous-marins des invertébrés marins et des poissons dans les zones côtières

Introduction : Le paysage sonore caché des eaux côtières

Sous la surface, un monde acoustique complexe se déroule, animé par le clin d'œil, le grognement, le tambour et le clic d'innombrables animaux marins. Depuis des décennies, les biologistes marins se fient à des levés visuels et au chalutage pour étudier les populations de poissons et d'invertébrés. Cependant, les scientifiques se tournent de plus en plus vers la surveillance acoustique passive (PAM) pour capturer les sons sous-marins produits par ces organismes. Cette technique non invasive offre une fenêtre continue et 24/7 sur le comportement, l'abondance et la santé de la vie marine dans les régions côtières, qui sont simultanément riches en biodiversité et fortement affectées par les activités humaines.

L'enregistrement des sons sous-marins des poissons et des invertébrés marins n'est pas seulement une curiosité scientifique de niche; il s'agit d'un outil puissant pour la conservation, la gestion des pêches et la recherche sur les changements climatiques.En apprenant à interpréter les signatures acoustiques de différentes espèces, les chercheurs peuvent suivre les migrations, identifier les habitats de frai critiques et détecter les effets précoces de la pollution ou du réchauffement de l'océan.

L'importance de l'enregistrement des sons sous-marins dans les milieux côtiers

Les écosystèmes côtiers, les estuaires, les prairies de l'herbe, les forêts de mangroves et les récifs coralliens, sont parmi les plus productifs biologiques de la Terre. Ils servent de pépinières pour les poissons, de zones d'alimentation pour les invertébrés et de corridors vitaux pour les espèces migratrices. Pourtant, ces mêmes zones sont aussi soumises à des pressions humaines intenses : navigation, navigation de plaisance, développement côtier et extraction des ressources.

L'enregistrement des sons sous-marins offre plusieurs avantages critiques :

• Surveillance non invasive: Contrairement au chalutage ou au filetage, PAM ne perturbe pas ou ne nuit pas aux animaux. Il permet aux scientifiques de capturer les paysages sonores de base, de mesurer le changement au fil du temps et d'observer les comportements naturels sans biais d'observateur.
• Identification des espèces: De nombreux organismes marins produisent des sons uniques et spécifiques à une espèce. En construisant des bibliothèques acoustiques, les chercheurs peuvent identifier quelles espèces sont présentes dans une région, et à quel moment de la journée ou de la saison, sans jamais avoir besoin de les voir.
• Points de vue comportementaux : Les sons accompagnent souvent des comportements spécifiques tels que la cour, la fraye, l'alimentation ou les conflits territoriaux. L'enregistrement de ces vocalisations aide à décoder la vie sociale des poissons et des invertébrés, qui était historiquement difficile à étudier dans la nature.
• Détection des changements environnementaux : Les changements dans les niveaux sonores ambiants ou l'absence de sons biologiques attendus peuvent indiquer le stress de l'écosystème. Par exemple, un récif qui a subi le blanchiment peut présenter un changement radical dans sa signature acoustique, connue sous le nom de -Soundscape, - qui peut alerter les gestionnaires aux problèmes tôt.

Reconnaissant la valeur de ces enregistrements, des institutions telles que la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) et le Institut international pour l'exploration des espèces ont lancé des programmes de surveillance acoustique à grande échelle qui comprennent les eaux côtières. Les données recueillies sont non seulement scientifiquement précieuses, mais elles éclairent également les décisions stratégiques concernant l'aménagement du territoire marin et les règlements sur la pollution sonore.

Méthodes et équipement pour capter le détroit sous-marin

L'enregistrement du son sous-marin nécessite un matériel spécialisé et une planification minutieuse. hydrophone— un microphone sous-marin qui convertit les fluctuations de pression (ondes sonores) en signaux électriques. Les hydrophones sont généralement des dispositifs piézoélectriques, capables de détecter une large gamme de fréquences allant de l'infrason (moins de 20 Hz) à l'échographie (plus de 20 kHz).

Stratégies de déploiement

Le choix de la bonne méthode de déploiement dépend de la question de recherche, de la profondeur et de la durée de l'étude.

• Enregistreurs montés au fond: Hydrophones fixés à des cadres pondérés ou ancrés au fond marin, qui fournissent des enregistrements stables et à long terme (semaines à mois) et sont idéaux pour suivre les tendances saisonnières dans les cycles de frai ou de diel.
• Véhicules sous-marins autonomes (AUV): Les glissières ou les VAV à hélice peuvent être équipées d'hydrophones et préprogrammés pour traverser des transects spécifiques. Cette méthode offre une couverture spatiale sans frais d'un navire de recherche.
• Boutons enroulés avec télémétrie en temps réel: Certains observatoires côtiers déploient des bouées qui intègrent des hydrophones et des liaisons de données satellitaires ou cellulaires, qui peuvent diffuser des données audio en direct, permettant la détection immédiate d'événements rares ou d'activités de pêche illégales.
• Hydrophones à main ou à piston: Pour des études de comportement ciblées dans des eaux peu profondes, les scientifiques peuvent s'enfumer ou plonger avec un enregistreur portable pour capturer des sons d'animaux ou de groupes individuels à proximité.

Le choix de l'équipement comprend également l'appareil d'enregistrement lui-même – généralement un enregistreur audio numérique avec une grande portée dynamique et un faible bruit d'auto. De nombreux systèmes modernes, tels que le SoundTrap (Ocean Instruments) ou le DSG-Ocean (Loggerhead Instruments), intègrent un hydrophone, un amplificateur et un enregistreur de données dans un boîtier compact unique.

Manipulation du bruit de fond

Les eaux côtières sont parmi les environnements les plus bruyants de l'océan. L'action des vagues, la pluie, les moteurs de bateau et même le clic de crevettes qui se cassent créent un fond constant qui peut masquer les sons cibles.

• Filtrage de fréquence & #160;: Le logiciel de post-traitement peut éliminer le bruit d'onde basse fréquence (inférieur à 100 Hz) ou le filtre de passe-bande pour isoler la gamme de fréquences d'intérêt.
• Hydrophones directionnels: Les rayons d'hydrophones permettent la formation de faisceaux, qui peuvent isoler spatialement une source sonore et réduire le bruit ambiant.
• Échantillonnage en temps réel: Beaucoup d'animaux sont moins vocals à certains moments. En planifiant des enregistrements pendant les périodes de pointe connues, les scientifiques peuvent améliorer les rapports signal-bruit.

Malgré ces défis, les progrès du matériel et du traitement des signaux ont permis d'extraire des signaux biologiques significatifs même dans les milieux côtiers les plus encombrés d'acoustique.

Types de sons produits par les poissons et les invertébrés marins

La diversité des sons d'animaux sous-marins est étonnante. Les poissons, par exemple, utilisent une variété de mécanismes pour produire du son, notamment :

• Stridation: Frotter les os ou les dents ensemble, comme le broyage des dents pharyngées dans de nombreux grognements et tambours.
• Résonance de la vessie de natation: Les muscles attachés à la vessie natatoire se contractent et vibrent, produisant des sons de tambour ou de boom.
• Mouvements des nageoires et des squelettes: Certains poissons, comme l'épinoches à trois épines, produisent des sons en battant rapidement leurs nageoires ou en frappant le substrat.

Les invertébrés marins contribuent également de façon significative à l'environnement acoustique. crevettes en crevettes (famille des Alphéidae), qui génèrent un fort clic en fermant rapidement leur griffe élargie, produisant une bulle de cavitation. L'effondrement de la bulle crée une vague de choc qui peut étourdir les proies et est l'un des sons biologiques les plus forts de l'océan, atteignant jusqu'à 200 décibels sous l'eau.

Répertoire acoustique des poissons côtiers

De nombreux poissons côtiers sont très bruyants, surtout pendant la saison de frai. Croqueur de l'Atlantique (Micropogonias undulatus) produit un son distinct de -Drumming , qui porte pour des centaines de mètres. Crapauds d'huîtres (Opsanus tau) sont célèbres pour leurs appels de « boatwhistle » – un hum de basse fréquence que les mâles produisent pour attirer les femelles dans leur nid. Fût rouge (Sciaenops ocellatus) et Poissons faibles (Cynoscion regalis) En enregistrant ces sons dans les estuaires et les baies peu profondes, les scientifiques peuvent cartographier le moment précis et l'emplacement des regroupements de fraye, ce qui est essentiel pour fixer la fermeture de la saison de pêche.

Contributions des invertébrés aux paysages sonores côtiers

Les paysages sonores côtiers sont souvent dominés par le craquage continu de crevettes qui se cassent, surtout dans les eaux tropicales et subtropicales. Ce craquage de crevettes sert de marque naturelle pour les habitats de récifs coralliens et les herbiers.

• Langoustes épineuses (Panulirus argus) produire un son de raspage en frottant la base de leurs antennes contre leur carapace, un comportement lié à la perturbation et à la dissuasion des prédateurs.
• Caribous bleus (Callinectes sapidus) générer des sons à travers leurs parties de bouche et les mouvements de chelae pendant l'agression ou la cour.
• Moules et barnacles produire des clics et des éraflures faibles lorsqu'ils filtrent l'alimentation et ouvrent leurs valves.

Des études récentes, telles que celles publiées dans Série de progrès de l'écologie marine, ont montré que l'activité acoustique de ces invertébrés peut servir de substitut à la santé de l'écosystème. Un déclin des clics de crevettes qui se cassent peut indiquer une pollution chimique ou une perturbation physique, tandis qu'une augmentation des frêles de homard pourrait indiquer une surpopulation ou une compétition.

Défis dans l'enregistrement et l'analyse des sons sous-marins

Malgré la promesse de PAM, le terrain est confronté à plusieurs défis persistants :

Propagation sonore dans l'eau peu profonde

Les eaux côtières sont peu profondes, souvent de moins de 50 mètres de profondeur, et le fond marin et la colonne d'eau absorbent et diffusent le son différemment de celui de l'océan profond. Les gradients de température, les changements de salinité et les courants de marée peuvent créer des canaux sonores ou des zones d'ombre qui compliquent l'interprétation des distances de source.

Séparation biologique du bruit anthropique

Les zones côtières sont remplies de sons anthropiques : moteurs de bateaux, sonar, conduite de pieux, levés sismiques et construction de parcs éoliens, qui peuvent non seulement masquer les sons biologiques, mais aussi provoquer des changements de stress et de comportement chez les animaux marins.

Construction de bibliothèques acoustiques complètes

Bien que des progrès aient été réalisés, les signatures acoustiques de nombreuses espèces de poissons et d'invertébrés demeurent inconnues. Une seule espèce peut produire de multiples types d'appels, et ceux-ci peuvent varier géographiquement. Pour réaliser pleinement le potentiel de PAM, les chercheurs doivent continuer à documenter les sons dans des conditions contrôlées et ensuite les valider sur le terrain. Poissons base de données et Société de conservation MarineBio ont commencé à intégrer des données acoustiques, mais il reste encore beaucoup à faire.

Progrès technologiques qui font avancer le terrain

Plusieurs innovations récentes accélèrent l'utilisation des enregistrements sonores sous-marins :

• Hydrophones à faible coût et à source ouverte: Des projets comme le -audio-moth-hur (un bûcheron acoustique de faible puissance conçu à l'origine pour une utilisation terrestre) sont en cours d'adaptation pour les environnements sous-marins.
• Intelligence artificielle et apprentissage automatique: Les modèles d'apprentissage profond peuvent désormais détecter et classer automatiquement une large gamme d'appels de poissons et d'invertébrés avec des précisions supérieures à 90%. Outil d'analyse et de reconnaissance du son (SART) et Google TensorFlow sont formés à de grands ensembles de données annotés, permettant une classification en temps réel sur des plateformes autonomes.
• Enregistreurs de données de longue durée avec batteries améliorées: Les nouvelles piles chimiques et l'électronique de faible puissance permettent un enregistrement continu pendant une année au maximum. Cela capture des cycles annuels entiers, des périodes d'hibernation hivernale aux frênes de frai d'été.
• Intégration avec d'autres capteurs environnementaux: De nombreux bûcherons acoustiques modernes mesurent désormais la température, la profondeur, la salinité et la turbidité de l'eau. La combinaison des données sonores et de l'océanographie physique offre une vue globale des conditions dans lesquelles les animaux vocalisent.

Par exemple, les Laboratoire de bioacoustique marine de l'Université du Pacifique utilise un réseau de stations de fond marin dans le golfe de Californie qui enregistrent des données sonores et de température et de cours d'eau à la rive via des modems acoustiques. De tels systèmes révèlent des migrations de frayères inconnues du golfe de Corvina, un poisson dont le choeur de tambour peut rivaliser avec un concert de rock.

Demandes de dérogation en matière de conservation et de gestion des pêches

La surveillance acoustique passive n'est plus seulement un outil de recherche, elle est déployée de manière opérationnelle dans de nombreuses régions côtières :

• Protection du sol pour le frai: En déployant des hydrophones près des sites de frai connus, les gestionnaires peuvent détecter les poissons qui se regroupent activement, ce qui permet de fermer en temps réel les pêches pour protéger les stocks reproducteurs sans avoir à marquer ou à surveiller visuellement les animaux.
• Évaluation de l'impact de la construction maritime : Pendant l'installation d'un parc éolien en mer, les moniteurs acoustiques peuvent vérifier si les poissons et les crevettes reviennent dans la région après la fin de la construction des pieux.
• Détecter les espèces envahissantes : Certains poissons envahissants produisent des sons distincts des espèces indigènes. Poissons-lions (Pterois volitans) est soupçonnée de produire des sons à basse fréquence pendant l'alimentation, qui pourraient être utilisés pour détecter sa propagation dans de nouvelles eaux.
• Efficacité des aires marines protégées (ZPM) : La comparaison des paysages sonores à l'intérieur et à l'extérieur des ZPM fournit des preuves de la récupération de l'écosystème.

De plus, l'enregistrement des sons sous-marins est devenu un élément clé de la Recherche écologique à long terme (LTER) Ces ensembles de données de longue durée aident les scientifiques à démêler les effets du changement climatique (tels que l'acidification des océans et le réchauffement) de la variabilité naturelle.

Orientations futures et questions émergentes

Le domaine de la bioacoustique sous-marine côtière évolue rapidement. Plusieurs zones frontalières promettent d'approfondir notre compréhension :

L'écologie du paysage sonore comme indicateur de la santé des écosystèmes

Tout comme dans les forêts terrestres, le paysage sonore global d'un habitat côtier, qui combine des sons biologiques, géophysiques et anthropiques, peut servir d'indicateur de la condition écologique. Les chercheurs s'efforcent de définir des mesures de la diversité acoustique qui se corrélent avec les indices de biodiversité. Alliance pour la conservation de la nature a lancé un programme pilote de formation des collectivités côtières à la surveillance des paysages sonores, leur fournissant des enregistreurs et des outils d'analyse abordables.

Communication acoustique des poissons sous acidification des océans

Des études de laboratoire préliminaires suggèrent que l'exposition à des niveaux élevés de CO2 peut modifier la sensibilité auditive et la production sonore de poissons comme le poisson clown. Les enregistrements sur le terrain dans les zones à teneur naturelle élevée en CO2 (p. ex., les suintements volcaniques) sont maintenant comparés à des sites témoins pour voir si la dégradation de la communication se produit dans la nature.

Réseaux acoustiques en temps réel pour les aires marines protégées

Les chercheurs planifient des observatoires sous-marins câblés qui relient plusieurs hydrophones sur des kilomètres de côtes.Ces observatoires océaniques acoustiques diffuseraient des données vers des plateformes d'analyse basées sur le nuage, permettant aux gestionnaires de visualiser l'activité biologique actuelle sur un tableau de bord. Ces systèmes sont déjà en développement pour la Grande Barrière Reef et la mer Baltique.

Intégrer l'apprentissage automatique aux déploiements sur le terrain

La prochaine génération d'enregistreurs autonomes contiendra probablement des processeurs de réseau neuronal embarqués qui peuvent classer les sons en temps réel, éliminer le silence et les événements d'étiquetage, ce qui réduirait considérablement la quantité de données à stocker ou à transmettre, ce qui permettrait de réaliser des études à longue durée et à haute résolution, même dans les régions éloignées.

Conclusion

Le monde sous-marin des poissons côtiers et des invertébrés marins est plus dynamique que la plupart des gens ne l'imaginent. Du tambour rythmique du croque-frayère à la vague incessante de crevettes qui forme la texture de fond de l'ensemble des écosystèmes, ces sons ne sont pas seulement une merveille de la nature, ils sont un riche flux de données pour la science et la conservation. À mesure que la technologie hydrophone devient moins chère et plus accessible, et que les outils d'analyse alimentés par l'intelligence artificielle deviennent plus robustes, la capacité d'écouter l'océan ne fera que croître.

Pour les chercheurs, les étudiants et les spécialistes de la conservation intéressés à lancer leur propre projet de surveillance acoustique, des ressources telles que Société internationale pour l'écologie acoustique et la source ouverte PAMGuard Les voix de l'océan attendent d'être entendues et enregistrées.