Ecolocalización (animales)

Representantes ejemplares de ecolocalización de grupos de animales. Las agujas del reloj: Townsend de orejas largas orejas-Long ( Corynorhinus townsendii ), delfín mular ( Tursiops truncatus ), Gran Tenrek ( Tenrec terathopius ), Negro Nido Salangan ( Aerodramus maximus )

La ecolocalización en animales , también llamada biosonar , es una forma especial de ecolocalización utilizada por los animales . Se utiliza para orientar a un animal en el espacio emitiendo activamente ondas sonoras y luego recogiendo y evaluando el eco. Esta capacidad es particularmente pronunciada en los murciélagos , que localizan insectos de esta manera, así como en las ballenas dentadas , que utilizan la ecolocalización para rastrear peces. La ecolocalización se puede encontrar en forma primitiva en algunos insectívoros y aves. La ecolocalización permite la orientación en espacios habitables con poca luz o por la noche.

Historia de la investigación

El italiano Lazzaro Spallanzani observó en 1793 que los murciélagos pueden orientarse en la oscuridad incluso con los ojos arrancados, y el suizo Louis Jurine demostró experimentalmente en 1794 que los murciélagos con orejas selladas con cera están desorientados en la oscuridad. Ambos postularon una conexión entre la orientación nocturna y el sentido del oído, pero las dudas públicas de Georges Cuvier pronto hicieron olvidar sus tesis. A partir de 1938, los científicos Donald R. Griffin , George W. Pierce y Robert Galambos comenzaron a estudiar la orientación de los murciélagos en la oscuridad. Los cristales piezoeléctricos recientemente desarrollados , con la ayuda de los cuales el ultrasonido se puede convertir en frecuencias que los humanos pueden escuchar, demostraron ser decisivos en sus investigaciones . Griffin y sus colegas explicaron el mecanismo de ubicación y acuñaron el término ecolocalización . La ecolocalización en ballenas dentadas se sospechó por primera vez en 1947 y se confirmó experimentalmente en 1960.

General

Esquema de un murciélago ecolocalizador

Todos los animales que se ecolocalizan utilizan el mismo principio: envían ondas de sonido, estas son reflejadas por los objetos cercanos y el eco es captado por el oído. El cerebro procesa la información en una imagen del entorno y determina la posición relativa del animal con respecto a los objetos circundantes. Para este propósito, se utilizan principalmente sonidos de alta frecuencia, a menudo en el ultrasonido , ya que estos son reflejados por objetos pequeños debido a su longitud de onda corta y permiten una resolución más alta. Por lo tanto, un animal de ecolocalización debe poder percibir sonidos de alta frecuencia. La posición relativa de un objeto se puede determinar mediante dos parámetros básicos: distancia y dirección. El sonido se mueve a la velocidad del sonido ( ): el animal puede deducir la distancia al objeto a partir de la diferencia de tiempo entre la emisión de la señal sonora y la llegada del eco ( ) :${\ Displaystyle c_ {S}}$${\ Displaystyle \ Delta t}$${\ Displaystyle d}$

${\ Displaystyle d = c_ {S} {\ Delta t \ over 2}}$

La localización de la dirección ( dirección del evento auditivo ) está determinada por la audición espacial sin emitir ondas sonoras. El procedimiento aquí difiere de un grupo de animales a otro.
La ecolocalización, por otro lado, requiere una conducción de excitación muy rápida en el sistema nervioso , ya que un animal ecolocalizador tiene que procesar numerosas señales en poco tiempo y son necesarias diferencias de tiempo exactas para la determinación precisa de distancias.

La ecolocalización se desarrolló de forma independiente entre sí ( convergente ) en varios grupos de animales . Aunque utilizan diferentes sistemas de órganos para este propósito, existe una fuerte similitud en la proteína prestina de las ballenas dentadas y los murciélagos , a pesar de que existe una relación lejana . Prestin se encarga de la sensibilidad y adaptación a determinadas frecuencias del oído.

Sistemas de ecolocalización

Murciélagos

Espectrograma : llamadas de un murciélago pipistrelle ( Pipistrellus pipistrellus ) durante la caza. Inmediatamente (150  milisegundos ) antes del contacto con la presa, el intervalo de llamada y la duración se reducen considerablemente (" zumbido de alimentación "). La frecuencia principal de las llamadas suele rondar los 45 kHz para este tipo. La grabación asociada, alargada 20 veces, se puede escuchar como un archivo de audio:

Los murciélagos (Microchiroptera) generan sonidos de localización en la laringe en el rango de frecuencia de 8 a 160 kHz, según la especie  . Estos en su mayoría abandonan el cuerpo por la boca, pero en algunos grupos como el murciélago de herradura (Rhinolophidae) por la nariz. En tales murciélagos, protuberancias especiales en la nariz enfocan el sonido. Para captar el eco, los murciélagos tienen un oído sofisticado y aurículas grandes. Los murciélagos determinan la alineación vertical del objeto con el murciélago a través de la interferencia causada por el trago o mediante la elevación y descenso independientes de las aurículas. Los murciélagos determinan el origen horizontal del eco a partir de la diferencia en la llegada y la intensidad de la señal entre los dos oídos. Los murciélagos adaptan sus llamadas de ubicación a la distancia de su presa: para descubrir presas distantes, emiten tonos largos de banda estrecha (baja frecuencia). En las proximidades, se utilizan llamadas de banda ancha (que contienen muchas frecuencias) que duran menos de 5  ms , lo que permite una localización muy precisa. Los murciélagos que modulan la frecuencia de esta manera se denominan murciélagos FM ( frecuencia modulada ). Algunos murciélagos solo usan frecuencias constantes, se clasifican como CF ( frecuencia constante ). El músculo del oído medio de los murciélagos se contrae cuando llaman, por lo que los murciélagos deben mantener sus llamadas cortas. De lo contrario, el músculo del oído medio todavía estaría tenso cuando llega el eco, por lo que el murciélago estaría sordo. En muchas especies, la ecolocalización está tan bien desarrollada que el tamaño y la naturaleza de la presa se pueden determinar con mucha precisión. Algunas especies pueden determinar la distancia con mucha precisión diferenciando entre tiempos aparentemente de sólo 10-12  ns . Los murciélagos de ecolocalización desarrollan una memoria espacial a través del tiempo de ecolocalización. Por lo tanto, tiene una imagen tridimensional de su espacio vital "en su cabeza" y puede usarla para orientarse incluso si no emite sonidos de ubicación.

En los zorros voladores estrechamente relacionados (Megachiroptera), solo el grupo de especies de murciélagos rosetón tiene la capacidad de ecolocalizar. Estos zorros voladores no producen sus sonidos en la laringe, pero usan sus lenguas para generar clics de 0,6 a 1 ms de duración y frecuencias de 12 a 70 kHz.

Ballenas dentadas

Sección a través de la cabeza de una ballena dentada (aquí un delfín)

Existen varias teorías sobre la generación de sonido en ballenas dentadas. Ninguno de estos ha sido completamente confirmado hasta el día de hoy. Las teorías más importantes sobre la generación de sonido y su transmisión al agua son la teoría de la laringe y la teoría del saco nasal, siendo esta última la más detallada y probablemente la más probable. Según esto, el proceso de generación de sonido se ve así: las ballenas dentadas (Odontoceti) generan sonidos con un complejo de cuerdas vocales ( labios fónicos ) y sacos llenos de grasa (bolsas dorsales ), que se encuentran en o cerca de los conductos nasales. El sonido generado de esta manera se dirige al melón , un órgano graso por encima de la mandíbula superior que hace que la frente de las ballenas dentadas se redondee. Enfoca el sonido. Hay dos tipos de sonidos de ecolocalización: silbidos y sin silbidos . Las ballenas dentadas silbantes emiten series rápidas de sonidos cortos, similares a un clic, que disminuyen rápidamente de 40 a 70  µs de duración, frecuencias muy altas (en la marsopa común ( Phocoena phocoena ), por ejemplo, 120-145 kHz) y hasta 225  dB . Muy pocas especies de ballenas dentadas no emiten silbidos , lo que significa que emiten sonidos de 120 a 200 µs de duración y, a menudo, menos de 10 kHz para localizarlas. Debido a la falta de aurículas, el eco capta la parte posterior de la mandíbula inferior. Transmite el sonido al oído medio e interno adyacente , que puede percibir frecuencias de más de 100 kHz. Solo pasan de 7 a 10 µs entre la captación del sonido y la excitación del tronco encefálico, lo que está garantizado por una conducción nerviosa extremadamente rápida, que supera la velocidad de conducción de la excitación de una rata a pesar de las distancias más largas en la cabeza de ballena. Las ballenas dentadas no tienen aurículas, pero aún pueden escuchar espacialmente porque alcanzan mejor el eco de un objeto directamente frente a ellas y el haz de sonido no es homogéneo, es decir, las ondas de sonido externas son diferentes de las del centro del haz de sonido. Así es como las ballenas dentadas persiguen a sus presas, principalmente peces. El alcance y la precisión de la ecolocalización en ballenas dentadas solo se han investigado poco: en experimentos, los delfines mulares ( Tursiops truncatus ) descubrieron un objeto a una distancia de 113 m en el 50% de los casos. Además, lo más probable es que las ballenas dentadas puedan identificar correctamente diferentes especies de peces desde diferentes direcciones. Como los murciélagos, las ballenas dentadas adaptan sus llamadas a la distancia de la presa; Sin embargo, en comparación con los murciélagos, sus señales de ubicación son generalmente mucho más cortas para mantener una alta resolución a la alta velocidad del sonido en el agua.

Otros animales

Una musaraña estadounidense Blarina brevicauda con mala vista y olfato, que utiliza sonidos de ultrasonido para orientarse.

Algunos otros grupos de animales utilizan formas simples de ecolocalización, como musarañas (géneros Sorex y Blarina ), tenreks , ratas , gorgojos cortados ( Solenodon ), golondrinas gordas ( Steatornis caripensis ) y algunos marineros , especialmente salanganas , que a menudo pasan la noche en la oscuridad cuevas.

En comparación con los murciélagos, los sonidos ultrasónicos de las musarañas son más silenciosos, con múltiples armónicos y utilizan un espectro más amplio. También están modulados en frecuencia. De esta manera, las musarañas solo pueden orientarse a corta distancia.

Muchas especies animales se comunican en el rango del ultrasonido, pero no parecen utilizar su audición para la ecolocalización. Los ratones, por ejemplo, escuchan tonos en el espectro de hasta 100 kHz.

Los seres humanos también pueden aprender a orientarse mediante la ecolocalización ( ecolocalización humana ).

Contraestrategias de animales de presa

Para evitar la ecolocación por parte de los murciélagos, al menos seis órdenes de insectos desarrollaron la capacidad de percibir el ultrasonido, lo que les da la oportunidad de escapar de los murciélagos. Esto se realiza a través del órgano timpánico . A menudo, existe una especie de carrera evolutiva para las habilidades para escuchar y emitir señales ( coevolución ): algunas polillas oso (Arctiidae) incluso pueden emitir ultrasonidos para perturbar a los murciélagos en su ecolocalización. Se sabe que pocos peces detectan el ultrasonido y reaccionan huyendo, p. Ej. B. el sábalo allis ( Alosa alosa ) y algunas otras especies de arenques . Sin embargo, esta capacidad ha sido refutada experimentalmente para varias especies de arenque.

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