Como a ecolocalização inspirou o sonar

A estratégia de comunicação e localização de animais como morcegos e cetáceos auxiliou cientistas no desenvolvimento de sonares. Mas como isso foi possível? Para associar as semelhanças entre o recurso animal e tais ferramentas tecnológicas é preciso primeiro entender o que é a ecolocalização para depois saber sua relação com sonares de navios e submarinos e também com ultrassons.

Ecolocalização

A ecolocalização consiste na emissão de ondas sonoras de diferentes frequências que, ao encontrarem obstáculos, são refletidas, recebidas pelo animal e convertidas em impulsos nervosos. Estes permitem a discriminação de objetos no espaço, permitindo ao animal discriminar objetos no espaço para mudar sua trajetória ou encontrar presas, de acordo com Lucas Gabriel do Amaral Pereira, mestre em diversidade biológica pela Universidade Federal do Amazonas (UFAM).

Giulliana Appel, doutoranda em ecologia pelo Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia (INPA), acrescenta: “A ecolocalização basicamente é um processo de localizar objetos ou coisas por meio de ecos”. O eco dos sons emitidos pelos animais volta dos sinais sonoros e serve como “pista” para a localização ambiental, a procura de alimento e a comunicação com indivíduos de outras espécies.

Diogo Destro Barcellos, doutorando em oceanografia biológica pela Universidade de São Paulo (USP), por sua vez,  define ecolocalização como um processo de interpretação ativa, resultante da produção e da interpretação de impulsos acústicos. As ondas produzidas viajam no meio, que pode ser ar ou água, e interagem com obstáculos. Por reflexão, o retorno das ondas sonoras é interpretado pelo organismo emissor. O fenômeno é utilizado para orientar espacialmente, auxiliar na navegação e capturar a presa. Desse modo, “os animais ecolocalizadores ‘enxergam’ por meio do som”, como disse o especialista, e podem interpretar a distância, o tamanho, o volume e até a textura dos alimentos.

Esse princípio ocorre em alguns grupos de mamíferos, como na família dos tenrecídeos (tenrec ou tangue), em soricídeos (rato-megera), em morcegos da subordem Megachiroptera e Microchiroptera, e em odontocetos (somente os golfinhos) da ordem dos cetáceos.

Entenda, agora, como esse processo ocorre em dois tipos de animais: morcegos e cetáceos.

Morcegos

Segundo Appel, a ecolocalização da maioria dos morcegos é feita por meio da produção de sinais vocais a partir da laringe, mas as espécies da família Pteropodidae, exemplificada pelas “raposas voadoras”, emitem sons pulsados através do bater das asas ou de estalos da língua. 

Imagem: Notícias R7

A recepção das ondas, de acordo com Pereira, ocorre por intermédio de ornamentos, estruturas da cabeça que incluem o queixo e o focinho, além das orelhas. O sinal sonoro, assim, é direcionado para o crânio, sendo então recebido por células nervosas adaptadas a perceber estímulos sonoros.

Giulliana Appel afirma ainda que, nos morcegos, a ecolocalização pode ocorrer tanto em locais escuros quanto claros, sendo seu principal mecanismo sensor-motor. 

Cetáceos

De acordo com Barcellos, os cetáceos utilizam, no meio aquático, as propriedades físicas do som, que possui baixa atenuação  na água, ou seja, é pouco absorvido pelo meio, perdendo-se pouca energia em relação à produzida pela fonte, e viaja cerca de cinco vezes mais rápido nesse meio do que no ar, sendo a comunicação debaixo d’água muito mais eficiente. 

A ordem dos cetáceos é dividida em duas subordens: os misticetos – baleias – e os odontocetos – golfinhos (nos quais se incluem as orcas) e botos. Uma das diferenças entre esses grupos é o repertório acústico das espécies, pois apenas os odontocetos são reconhecidos como ecolocalizadores.

Imagem: Superinteressante

A estrutura responsável pela produção de som nesse grupo está dentro do orifício respiratório, na região dos sacos nasais. A passagem de ar pelas estruturas ocorre por um processo muscular e de diferença de pressão, sendo produzidos sinais acústicos. Nesses animais, a estrutura de direção e propagação sonora é conhecida como melão. As razões e os contextos ecológicos desses sinais são comunicação, competição, delimitação de território, interações sociais, e também condição física, estado emocional, e reprodutivo.

A mandíbula dos cetáceos é utilizada para receber os sons, já que eles que não possuem pavilhão auditivo externo, o qual causaria atrito durante a natação. Os ossos relacionados com o aparelho auditivo possuem formato e associações cranianas diferentes dos de outros mamíferos. Há um par de bulas timpânicas conectadas à mandíbula que funciona como receptor sonoro independente, com melhor capacidade de localizar fontes sonoras e ecos refletidos.

Como, então, a ecolocalização artificial foi criada?

Para Appel, a inspiração de sonares na ecolocalização de morcegos e cetáceos se deve ao uso do ultrassom para localizar, identificar e rastrear o ambiente e objetos baseando-se nos ecos retornados do ultrassom emitido. Nos sonares, assim como na ecolocalização, é possível identificar um obstáculo do ambiente e saber sua distância e seu tamanho. Essa tecnologia possibilitou mapeamentos de locais apenas com o som, utilizada sobretudo em submarinos e aviões de alta performance.

Barcellos destaca que o termo “sonar” vem do inglês Sound Navigation and Ranging, criado para a detecção de submarinos durante a Primeira Guerra Mundial. O equipamento possui um emissor de feixe acústico e um receptor de ondas, de modo que o cálculo entre a diferença do tempo da emissão e a recepção do sinal acústico torna possível a estimativa do mapeamento. Atualmente, o sonar é utilizado em embarcações para saber a profundidade, o perfil de fundo e até a identificação de cardumes. Há também outras aplicações, as quais incluem estudos e pesquisas de oceanos e níveis atmosféricos. 

Segundo Guido Stolfi, professor de engenharia elétrica da USP, equipamentos de localização podem utilizar satélites de posicionamento global para enviar sinais de rádio com informações sobre a posição instantânea de cada satélite. A partir dos sinais recebidos, calcula-se a posição do receptor por triangulação,  resolvendo um sistema de equações do qual são extraídas latitude, longitude e altitude do receptor, além da hora exata. As informações podem ser transmitidas periodicamente para outros satélites, dedicados para comunicações, os quais retransmitirão os dados para uma estação central.

No entanto, o pesquisador ainda comenta possíveis diferenças entre a ecolocalização e os sonares. A diferença relacionada aos cetáceos é a inviabilidade da comunicação no oceano, pois as ondas de rádio dos satélites, as microondas, não penetram na água salgada. Em casos assim, a detecção e a transmissão das ondas só podem ser feitas quando o equipamento estiver na superfície. Mas não há restrição de peso e tamanho, e há a possibilidade de se usarem baterias de longa duração.

Nos morcegos, por sua vez, o peso é um fator crítico, de modo que se exige desenvolvimento de sistemas micro miniaturizados e de baixíssimo consumo. A transmissão dos dados não seria viável por satélite, e seria necessário usar receptores próximos, portáteis ou móveis, com antenas direcionais.

Aplicações da ecolocalização

Os sonares são usados principalmente para a localização de navios e barcos, o radar de aviões e também para o ultrassom, um exame de imagem feito a partir da captação de ondas sonoras. O princípio é basicamente o mesmo ocorrido nos animais. Quando o som emitido atinge um obstáculo, ele retorna ao aparelho, e a partir dos valores da velocidade das ondas e do tempo necessário para seu retorno, é possível calcular a distância e/ ou o formato do que está sendo analisado.

O sonar utiliza ondas ultrassônicas para orientar a navegação, sendo atualmente também usado para pesquisas oceânicas e pesca, auxiliando na localização de cardumes. O radar, por sua vez, utiliza ondas eletromagnéticas. Sua antena transmite e recebe sinais para Super Alta Frequência, sendo transmitido um pulso elétrico de alta frequência. Esse pulso é propagado pelo espaço e refletido e, ao retornar à antena, possibilita o cálculo da distância do objeto, além da informação sobre sua aproximação ou seu afastamento.

No caso do ultrassom, o mesmo princípio possibilita a identificação de fetos de gestantes e a avaliação de órgãos internos, como fígados ou rins. Em mulheres, é possível também analisar o útero, o ovário e o colo uterino. Além disso, a tecnologia pode detectar infecções como a apendicite, doenças que afetam a tireoide e os vasos sanguíneos e cálculos na vesícula e nos rins.

Autor: Karina Tarasiuk 

Fonte: Jornalismo Júnior (ECA/USP)