Definition

Le chant est une carte d’identité – The song is an ID card

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Le chant d’un oiseau est sa carte d’identité. Il contient des informations sur l’espèce du chanteur, sur son individualité et sur d’autres caractéristiques comme son âge, sa taille, son niveau d’agression… Les mâles chantent à l’aube et au crépuscule pour défendre leur territoire, et durant la saison de reproduction pour trouver une compagne. Ils chantent à partir de leur syrinx, qui comprend deux sources sonores et leur permet de produire des sons complexes. Les femelles sont séduites par leur virtuosité et par la richesse de leur répertoire, qui traduit leur force et leur expérience, des qualités qui selon elles feront d’eux de bons pères.

Pour notre projet, nous nous intéressons principalement aux propriétés du chant qui indiquent l’espèce.

Il y a des indicateurs évidents, comme la fréquence. Par leur morphologie et la taille de leur conduit vocal, les oiseaux de petite taille chantent à de plus hautes fréquences. Mais cette information n’est pas suffisante ; la plupart des oiseaux chantent dans l’intervalle 1 kHz – 4 kHz et les variations d’individu à individu sont parfois plus grandes que celles d’une espèce à l’autre. Les zoologistes ont conçu des expériences de terrain dans lesquelles ils installent des haut-parleurs à proximité d’oiseaux et passent des enregistrements de chants, pour voir lesquels les oiseaux identifient comme appartenant à leur propre espèce. Ils modifient les chansons graduellement (par exemple en les jouant à l’envers…) jusqu’à ce qu’ils identifient la ou les caractéristiques du chant qui sont spécifique(s) à l’espèce. Sans surprise, les résultats dépendent de l’espèce étudiée. Il existe une incroyable diversité dans la manière dont les oiseaux structurent leurs chants. En plus de la fréquence et d’autres indicateurs basés sur les spectres, de nombreux paramètres temporels entrent en jeu : la durée de la chanson, l’intervalle silencieux entre deux chansons mais aussi entre les sous-entités d’une chanson (dans l’ordre décroissant : la phrase, la syllabe, l’élément). La taille du répertoire (l’ensemble de chants qu’un seul oiseau est capable de produire) est également spécifique à l’espèce. La structure des chants peut être importante (par exemple : d’abord un sifflement, puis une trille, ensuite un accent pour finir…) ou pas (par exemple : on attend des éléments spécifiques, mais l’ordre n’a pas d’importance). Enfin, la manière dont les oiseaux chantent les chansons de leur répertoire les unes à la suite des autres est aussi révélatrice.

De nombreux programmes informatiques de reconnaissance des espèces fonctionnent en utilisant des modèles de référence ou un entraînement, c’est-à-dire que l’on fournit au programme un ensemble d’exemples qu’il apprend à identifier comme appartenant à une espèce donnée. Mais cette approche est condamnée dans des circonstances où les individus de certaines espèces ont des répertoires de plus de deux cents chansons, où les chansons elles-mêmes subissent des variations géographiques similaires à des dialectes et où certaines chansons ne suivent pas une structure particulière mais sont des improvisations spontanées à partir d’un ensemble d’éléments. Parfois, les femelles chantent aussi et leurs chants sont entièrement différents de ceux des mâles. Aucune base de données ne sera jamais capable de produire un catalogue complet des répertoires.

Et la réalité est toujours plus complexe : certaines espèces ne feront l’effort de rendre leurs chants tout à fait spéciaux que face à une compétition. Dans un habitat où elles sont quasiment seules, elles peuvent fonctionner avec une forme plus vague de leurs chants, ce qui ne serait pas possible dans un habitat dense où elles cohabiteraient avec des espèces apparentées dont les chants seraient proches des leurs. (Pour cette raison, la complexité des chants d’oiseaux est un marqueur de la dégradation environnementale et des pertes éventuelles de biodiversité).

Un autre niveau de difficulté : les oiseaux mentent. Ils imitent les chants de leurs voisins pour manipuler les autres oiseaux. Certaines espèces sont des spécialistes de cette triche, par exemple le coucou qui se cache dans le nid d’autres espèces et fait semblant d’être un des oisillons pour recevoir sa part de nourriture ! D’autres comme la fauvette des marais assemblent leur répertoire en copiant tout ce qu’ils entendent autour d’eux.

Enfin, d’une année sur l’autre, une population d’oiseaux renouvelle ses chants, par exemple parce qu’ils accueillent un migrant qui arrive avec sa propre culture, ou parce que des jeunes ont fait des erreurs en essayant de copier les chants de leurs tuteurs. Vingt ans plus tard, il ne reste plus que 10% des chants originaux !

Mais quelque part dans leur cerveau, les oiseaux ont un modèle simple qu’ils utilisent pour identifier ceux qui appartiennent à leur espèce. Pouvons-nous créer un programme informatique qui fonctionne comme ce simple modèle et qui d’une certaine façon fait la synthèse de toute la diversité des chants et des comportements qui existent dans la nature ? Pour l’instant, les meilleurs programmes ont des taux de succès de l’ordre de 70%, à comparer avec des scores quasiment parfaits pour d’autres sons biologiques comme ceux des baleines ou des chauves-souris. Ceci montre à quel point la communication des oiseaux est complexe.

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The song of birds is an ID card. It contains information about the specie of the singer, his individuality and even other features like his age, his size, his aggression level… Males sing at dawn and at dusk to defend their territory and during the breeding season to find a mate. They sing from their syrinx, which has two sound sources and allows them to produce rather elaborate sounds. Females are seduced by their virtuosity and the variety of their repertoire, which speak of their strength and experience, qualities that they believe will make them good fathers.

For the present project, we are primarily interested in the song features that indicate the specie.

There are some obvious indicators, such as frequency. Because of morphology and the size of the vocal tract, smaller birds will sing at higher frequencies. But this is not sufficient to know; most birds sing in the 1 kHz – 4 kHz range, and the variations between individuals sometimes exceed the variations between species. Zoologists have conceived field experiments in which they install loudspeakers close to birds in the wild and replay some songs, to see which one they recognize as their own kind. They gradually change attributes of the songs until they find which one is critical to the specie (what if I play it backwards, etc.). And unsurprisingly, the results depend on which specie is studied. There is an incredible variety in how birds structure their songs. In addition to frequency and other indicators based on spectra, a number of temporal parameters come in play: the duration of the song, the intervals between songs, and between smaller fractions of the songs (in decreasing order: phrases, syllables, elements). The size of repertoires is specific (a repertoire is the set of songs a single bird is capable of singing). The structure of the song might be important (e.g. first a whistle, then a trill, then an accent to finish…) or absolutely not (e.g. specific elements are expected, in any order). Finally, the way birds shuffle through the songs of their repertoires is also revealing.

A number of recognition programs operate by using templates or training, i.e. the program is supplied with a set of examples that it learns to identify with a given specie. But that approach is doomed when individuals of some species have repertoires of more than two hundred songs, when the songs themselves vary with geography like dialects and when some songs do not follow a particular structure but instead are spontaneous improvisations from a set of elements. Sometimes the females also sing and their songs are entirely different. No database will ever be able to fully catalogue the repertoires.

It gets even trickier: some species will only make an effort to make their songs really special when faced with competition. In a habitat where they are almost alone, they can live with a much rougher version of their songs than they would in a dense habitat shared with sister species with similar songs. (For this reason, the complexity of bird songs is a marker of environmental deterioration and possible loss of biodiversity).

And it still gets trickier: birds lie. They imitate the songs of their neighbors to deceive other birds. Some species are specialists of the treachery, like the cuckoo which hides in the nest of other birds and pretends to be one of the chicks to receive its share of food! Others like the marsh warbler seem to lack imagination or originality, as they build their own repertoire by copying anything they heard around from other species. 

Finally, from one year to the next, a population of birds may change their songs, because they welcome a new migrant who comes in with a different culture, or because there are young birds that tried to copy the songs of their tutors but made mistakes. Twenty years later, less than 10% of the original songs are left!

But somewhere in their brain, birds still have a simple template that they use to discriminate who is in their species and who is not. Can we come up with a computer program that works like the simple template and somehow summarizes all the variety of songs and behaviors present in the wild? So far the best ones typically operate with a 70% success rate, compared to almost perfect scores for other types of natural sounds, such as whales or bats. This shows how much more complicated bird communication is.

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