Sistemi sensoriali/Ecolocazione Balene Dentate

Balene dentate: Ecolocalizzazione

Introduzione

Delfino comune, Delphinus genus

I mammiferi marini come le balene, i delfini e le focene hanno sviluppato capacità di rilevamento che hanno permesso loro di raggiungere le profondità marine e di diffondersi negli oceani di tutto il mondo. Questi mammiferi appartengono all'ordine dei cetacei. Le balene dentate (Odontoceti), un parvordine di Cetacei che comprende almeno 71 specie, tra cui capodogli, orche, focene e delfini, hanno acquisito un sorprendente meccanismo di rilevamento, chiamato ecolocalizzazione o biosonar. Questo meccanismo permette loro di navigare con successo e di cacciare le prede in luoghi dove la visione è limitata a causa della grande profondità o delle turbolenze. Le ricerche hanno dimostrato che questo meccanismo fornisce loro una visione tridimensionale dell'ambiente in cui vivono e conferisce loro la capacità di differenziare e riconoscere le caratteristiche degli oggetti, un vantaggio biologico fondamentale. L'ecolocalizzazione ha quindi svolto un ruolo fondamentale nel successo evolutivo delle balene dentate, emerse 34 milioni di anni fa. Tuttavia, non è utilizzata solo dalle balene dentate, ma è presente anche in ogni altro tipo di animale. I pipistrelli microchirotteri, ad esempio, hanno un sistema biosonar altamente sviluppato, ma anche toporagni, due generi di uccelli e pipistrelli megachirotteri fanno uso di questa capacità di rilevamento.

Ecolocazione

Principio di ecolocalizzazione

Principio di ecolocalizzazione negli Odontoceti

Il principio di base dell'ecolocalizzazione consiste nel ricavare informazioni sull'ambiente dagli echi ricevuti delle onde sonore emesse. Gli odontoceti producono suoni simili a scatti ad impulsi in una gamma di alte frequenze compresa tra 10 kHz e 200 kHz. Questi click sono per lo più nella gamma degli ultrasuoni (>22,1 kHz) e quindi non percepibili dall'uomo. La durata, la frequenza, l'intervallo e il livello della sorgente degli impulsi creati variano tra le diverse specie e dipendono dalle condizioni ambientali, come il rumore ambientale, il riverbero, la distanza del bersaglio e le sue caratteristiche. Ad esempio, i capodogli utilizzano una gamma di 10-30 kHz per ecolocalizzare, mentre le focene e molti delfini trasmettono segnali superiori a 100 kHz. Una volta rilevata un'onda sonora riflessa, il ritardo temporale e l'intensità vengono utilizzati per ottenere informazioni sulla distanza e sull'orientamento del segnale in arrivo. Gli odontoceti possono controllare dinamicamente l'intervallo e il livello della sorgente dei segnali trasmessi. Di solito, i click vengono trasmessi a una velocità tale da consentire il ritorno del segnale prima dell'invio del clic successivo. Pertanto, la frequenza di ripetizione aumenta con l'avvicinarsi del bersaglio. Inoltre, il livello di uscita del click è solitamente più alto quando il bersaglio è più lontano e più basso quando è più vicino.

Funzione

L'ecolocalizzazione nelle balene dentate è utilizzata per orientarsi e quindi navigare negli oceani. Inoltre, permette loro di trovare le prede e di evitare i predatori. Ciò avviene attraverso il rilevamento attivo, la localizzazione, la discriminazione e il riconoscimento degli oggetti nell'ambiente circostante. Le ricerche suggeriscono che in alcune specie, ad esempio i delfini di Hector, i suoni prodotti sono utilizzati anche nel contesto sociale.

Meccanismi di produzione del suono

La generazione di suoni ad alta frequenza negli odontoceti avviene in una struttura chiamata labbra scimmiesche/bursae dorsali (MLDB), che si trova nella parte superiore della cavità nasale. Il complesso MLDB è costituito dalle borsae dorsali grasse, dalle labbra di scimmia, dalle cartilagini borsali e dal legamento dello sfiatatoio. Muovendo l'aria tra le labbra della scimmia, il complesso MLDB inizia a vibrare e quindi a generare suoni. Questi suoni vengono inviati attraverso un'area lipidica nella parte superiore della fronte chiamata melone, che agisce come una lente acustica per focalizzare i fasci sonori direzionali davanti all'animale. Il melone contiene grassi che sono composti da lipidi molto ricchi di olio. Questi lipidi sono chiamati anche tessuto acustico, poiché conducono bene il suono e possono anche svolgere un ruolo nella focalizzazione del fascio in uscita. Uno studio di Aroyan ha dimostrato che non solo il melone, ma anche il cranio e le borse dorsali (sacche d'aria) svolgono un ruolo importante nella formazione del fascio in avanti che viene trasmesso in acqua. Le sacche d'aria riflettono qualsiasi suono diretto verso l'alto o verso il basso, mentre la cavità nasale e il cranio riflettono qualsiasi suono diretto all'indietro. Va notato che, sebbene questi meccanismi si riferiscano a quasi tutti gli odontoceti, i capodogli rappresentano un'eccezione. La loro struttura cranica e quindi i meccanismi di produzione del suono e di ascolto sono diversi da quelli dei delfini e delle altre balene dentate e sono ancora oggetto di ricerche in corso.

La localizzazione del suono, cioè la capacità di individuare la direzione e la distanza di un suono in arrivo, dipende molto dal mezzo. Nei mammiferi terrestri, i segnali binaurali, cioè le differenze di tempo di arrivo e di intensità, aiutano il processo di localizzazione. Le ricerche suggeriscono che anche gli odontoceti si avvalgono di questa tecnica. Si ipotizza che la grande distanza tra le orecchie e la separazione funzionale dal cranio siano la ragione di un'accurata localizzazione sonora subacquea nelle balene dentate. Ricevendo i suoni attraverso il tessuto della mandibola e non attraverso il timpano come nei mammiferi terrestri, si evita la perdita dell'udito dovuta all'aumento della pressione nelle acque più profonde. Una caratteristica interessante del fascio sonoro emesso è che è disomogeneo, cioè solo i segnali che viaggiano lungo l'asse rettilineo del fascio non vengono distorti. Pertanto, gli oggetti che si trovano nella direzione dell'asse maggiore del fascio emesso hanno maggiori probabilità di essere riconosciuti.

Trasmissione del suono e caratteristiche dei segnali

I suoni prodotti dalle balene dentate sono tra i più forti di tutti gli animali, con ampiezze da picco a picco fino a 225 dB. Negli odontoceti esiste una distinzione dei segnali di ecolocalizzazione. Un gruppo, gli odontoceti fischiatori (la maggior parte dei delfini) emettono suoni più brevi di 40-70 μs e larghezze di banda superiori a 100kHz, mentre gli odontoceti non fischiatori (capodoglio, delfino di Hector) producono suoni più lunghi di 120-200 μs con una larghezza di banda di circa 10 kHz. Il raggio di rilevamento massimo varia a seconda delle specie. Gli esperimenti hanno dimostrato un raggio di 113 metri per i tursiopi e di 26 metri per le focene. I capodogli possono rilevare oggetti fino a 500 metri di distanza. Questi numeri devono essere considerati con cautela, tuttavia, poiché le misurazioni sono difficili da confrontare e dipendono anche da aspetti ambientali come il rumore di fondo e le turbolenze.

Altri sensi

Olfatto e gusto

Le balene dentate sono prive di lobi olfattivi e dell'organo vomeronasale, quindi non hanno il senso dell'olfatto. Le papille gustative si trovano sulla lingua di alcuni Odontoceti, come i tursiopi, ma sono atrofizzate nella maggior parte delle specie. Si presume quindi che abbiano solo un senso del gusto molto debole, se non addirittura nullo. Esistono tuttavia alcuni indizi che indicano che le balene dentate abbiano sviluppato ulteriori organi sensoriali per sostituire il senso del gusto, in quanto rispondono a determinate sostanze presenti nell'acqua circostante.

Visione

La vista persiste e funziona relativamente bene sia sott'acqua che in superficie, anche se gli Odontoceti non fanno tanto affidamento sulla vista. I loro occhi sono particolarmente adattati alle diverse condizioni subacquee: i bulbi oculari e le cornee sono più piatti rispetto ai mammiferi terrestri, per consentire l'ingresso di quanta più luce possibile. Per ottenere la massima visione, hanno pupille allargate e la luce in entrata viene riflessa due volte attraverso uno strato riflettente chiamato tapetum lucidum. Lo strato recettivo è costituito prevalentemente da bastoncelli e da un numero molto inferiore di cellule a cono. Di conseguenza, la visione dei colori nelle balene dentate è limitata. Quando le balene dentate salgono in superficie, le pupille si restringono per evitare i danni della luce solare diretta. Per proteggere ulteriormente i bulbi oculari, esistono ghiandole che producono un secreto che pulisce gli occhi. Le balene dentate possono vedere circa 10,7 metri in avanti sott'acqua, un po' meno in superficie.

Tatto

La pelle delle balene dentate è costituita da un sottile strato molto sensibile. Le aree più sensibili sono la testa, il ventre, gli organi genitali e le pinne. Il senso del tatto svolge un ruolo importante nella comunicazione, ad esempio toccando i corpi per salutare, e in altri contesti sociali.

Geomagnetismo

Un altro senso che le balene dentate sembrano utilizzare è il geomagnetismo. Oltre a usare l'ecolocalizzazione, possono navigare percependo il campo magnetico terrestre per i viaggi a lunga distanza. Seguendo i loro movimenti, gli scienziati hanno scoperto che spesso viaggiano lungo le linee del campo magnetico terrestre. Essi suggeriscono che gli odontoceti utilizzano il flusso del campo magnetico in due modi: le balene viaggiano parallelamente ai contorni di una mappa fornita dalla topografia del campo magnetico locale. Per monitorare la posizione e i progressi su questa mappa, utilizzano le fluttuazioni regolari di questo campo. Gli spiaggiamenti sembrano essere collegati a questa capacità sensoriale e sono spiegati da fluttuazioni irregolari del campo, ad esempio causate da sonar militari o tempeste solari, o quando la rotta attraversa la terraferma.