15.1.6: Acústica Animal

Nota

Gran parte de la información sobre la percepción animal en este capítulo y en los capítulos 10 y 14 proviene del excelente libro Engineering Animals: How Life Works de Mark Denny y Alan McFadzean.

Los animales utilizan los sonidos para comunicarse con otros en su especie, para navegar y encontrar presas. Como se mencionó anteriormente, los animales pequeños tienden a hacer y usar sonido de alta frecuencia para comunicarse mientras que los animales más grandes tienden a usar frecuencias más bajas pero hay excepciones. El tamaño de un animal también afecta cuál de los métodos de la sección anterior podría utilizar para detectar la fuente de un sonido. Los animales con cabezas pequeñas tienden a usar la diferencia de fase para localizar una fuente de sonido porque la diferencia de tiempo es demasiado pequeña si tus oídos están más cerca.

En circunstancias normales, las bajas frecuencias recorren distancias mayores con menor atenuación o pérdida. Los elefantes utilizan este hecho para comunicarse a distancias de unos pocos kilómetros utilizando infrasonido (frecuencias inferiores\(20\text{ Hz}\)). Los pájaros carpinteros utilizan árboles huecos para crear sonidos más bajos de los que cantan con el fin de atraer compañeros y establecer territorio a distancias más largas. Existe cierta evidencia de que las palomas pueden usar las firmas acústicas infrasónicas de características particulares de la tierra para la migración de larga distancia. Debido a que las frecuencias más altas se atenúan antes que las frecuencias bajas, particularmente en los bosques, el timbre de un canto de pájaros cambiará dependiendo de la distancia desde la fuente hasta el oyente. Algunas aves parecen ser capaces de hacer uso de este hecho para localizar compañeros y competidores en lugares donde la visibilidad es limitada.

El agua transporta las frecuencias bajas mucho mejor que el aire y las ballenas y delfines utilizan sonidos de baja frecuencia para comunicarse. En el océano la velocidad del sonido se ve afectada por la temperatura, la salinidad y la presión. La temperatura disminuye con la profundidad pero la presión aumenta con el resultado de que hay una capa del océano a una profundidad de aproximadamente\(0.7\text{ km}\) donde la velocidad del sonido es la más lenta. A esta profundidad particular, llamada canal Sound Fixing and Ranging (SOFAR), la velocidad del sonido es de aproximadamente\(1480\text{ m/s}\) (en comparación con tanto como\(1540\text{ m/s}\) a otras temperaturas y presiones). La capa actúa como guía de ondas; el sonido que intenta dejar la capa se refracta de nuevo en la capa debido a la reflexión interna total, al igual que la luz que intenta salir de un cable de fibra óptica en un ángulo pequeño. Debido a que el sonido está atrapado en esta capa puede recorrer largas distancias con muy poca atenuación. La marina ha investigado el canal SOFAR como una forma potencial de detectar sonidos de submarinos enemigos a grandes distancias. Algunas ballenas parecen poder comunicarse a lo largo de cientos de kilómetros emitiendo sonidos de baja frecuencia en la capa SOFAR.

La mayoría de las aves no emiten señales sonoras para navegar o encontrar presas, sino que utilizan la intensidad, la diferencia de fase o las diferencias de sincronización de los sonidos ambientales como se describe en la sección anterior. Las orejas de los búhos se encuentran asimétricamente a diferentes alturas en la cabeza. Los búhos también pueden cambiar la orientación de las plumas alrededor de las orejas para obtener información de fase ligeramente diferente de una fuente de sonido. Con base en experimentos de laboratorio, sabemos que algunos búhos utilizan el tiempo para establecer el ángulo azimutal (arriba y abajo) a una presa, pero utilizan cambios de fase para determinar la ubicación horizontal de una fuente de sonido. Esto probablemente les da algo así como una imagen bidimensional de lo que les rodea usando sonido en lugar de luz.

Algunas aves navegan por ecolocalización, emitiendo señales y escuchando su regreso. Los pájaros petrolíferos y los vencejos pueden navegar cronometrando el tiempo que tarda una señal en regresar, la forma menos sofisticada de ecolocalización. Esto les permite encontrar sus nidos en cuevas oscuras donde anidan y evitar colisiones con otras aves pero no utilizan la ecolocalización para encontrar presas.

Los murciélagos y las ballenas dentadas son los mejores en ecolocalización. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, lo que aumenta la precisión, por lo que la mayoría de los animales de ecolocalización utilizan chirps o clics de alta frecuencia para e Debido a que la atenuación del sonido en el agua es menor que en el aire, las ballenas pueden ecolocalizarse a distancias mucho mayores que los murciélagos. Los murciélagos utilizan el sonido para comunicarse con otros de su propia especie a distancias de\(50\text{ m}\) a\(100\text{ m}\) pero deben estar\(5\text{ m}\) a punto de usar la ecolocalización para cazar presas.

Acerca de\(800\) las especies de murciélagos se ecolocalizan y algunas tienen habilidades más allá de lo que los humanos pueden hacer con el radar u otras formas electrónicas de ecolocalización. Los murciélagos suelen tener formas inusuales de cara y nariz para canalizar el sonido emitido en un haz estrecho que ayuda a evitar ecos espurios de fuentes de fondo. También cuentan con sofisticados circuitos cerebrales que pueden medir el desplazamiento Doppler (Capítulo 7) para no solo localizar a su presa sino también determinar qué tan rápido y en qué dirección viaja la presa. Hay alguna evidencia de que algunos murciélagos pueden incluso usar el muy pequeño desplazamiento Doppler del aleteo de las alas de una polilla para identificar qué tipo de polilla está presente. Las cosas no son del todo malas para las polillas, sin embargo. Las polillas tigre pueden detectar las señales emitidas por su depredador murciélago y tomar medidas evasivas e incluso pueden emitir una señal de 'interferencia' para confundir al murciélago.

Las ballenas y los delfines emiten clics de mayor frecuencia, chirps y otros sonidos que utilizan para la ecolocalización, además de sonidos de menor frecuencia para la comunicación. Se ha demostrado que los delfines pueden emitir clics de alrededor de\(50\text{ micro}\) segundos de duración lo que les da hasta una\(1\text{ cm}\) resolución a una distancia de\(100\text{ m}\). Muchos de estos mamíferos marinos tienen estructuras en la frente que enfocan los sonidos en una viga que apunta hacia adelante. Cuando los delfines están más cerca de sus presas cambian la frecuencia de los chichos lo que les da una\(0.5\text{ mm}\) resolución a una distancia de\(1\text{ m}\). Debido a que algunos de estos sonidos penetran en los peces que están cazando es muy probable que los delfines puedan identificar el tipo de pez presente formando básicamente una imagen tridimensional del pez, incluyendo su esqueleto y órganos internos utilizando únicamente el sonido.

Uno podría preguntarse cómo es que los ecolocadores no ensordecen sus delicados oídos con los sonidos que emiten. Sabemos que la intensidad del sonido se extingue como una ley cuadrada inversa (Capítulo 8) así que para cuando una señal regrese después de reflejarse en una presa debe ser muy débil, de hecho tanto como\(10^{20}\) veces más débil. El murciélago o ballena quiere maximizar la señal de salida pero tener oídos lo más sensibles posible para la señal de retorno. ¿Cómo es esto posible? La mayoría de los ecolocalizadores tienen mecanismos que desconectan mecánicamente su aparato auditivo cuando están emitiendo señales.