Científicos del WHOI investigan los ecos de sonar de los animalea marinos
Los cetáceos utilizan el sonido para identificar distintos tipos de presas
En las llanuras del Serengeti de áfrica, los leones acechan a sus presas principalmente por la vista. Los científicos que los estudian también utilizan sus ojos para observar la caza y, de hecho, todo el ecosistema. Pueden observar el panorama general, y es fácil distinguir los leones de las hienas, cebras de gacelas, acacias de termiteros y la hierba de la sabana.Lástima del científico marino a quien le gustaría hacer lo mismo en las oscuras profundidades del océano.
La mayoría de los depredadores marinos que viven en las profundidades oceánicas se basan en otros sentidos que la vista para encontrar a sus presas. Muchos de los cetáceos, las ballenas dentadas y delfines en particular, envian ecos (pings) de sonido que se reflejan de vuelta al chocar contra los objetos, como el seguimiento de los submarinos enemigos con el sonar. Desarrollada a cientos de metros bajo la superficie, la caza es invisible para nosotros. No se puede observar a las ballenas en la acción, los científicos sólo recientemente han sido capaces de escuchar y grabar los sonidos de la caza.
Pero escuchar no es suficiente, también tenemos que saber lo que estamos oyendo. Es difícil averiguar lo que está pasando allí abajo, si no podemos distingir la cabeza de la cola (o un tentáculo o un banco de peces) en las señales de regreso. ¿Cómo es el eco de una medusa, repleto de proteínas, para el sonido de un calamar? ¿En qué difiere el de una medusa de un pedazo de basura?
En otras palabras, ¿cómo reconocen la cena los cetáceos cuando la oyen?
Ese es uno de los problemas más difíciles en la oceanografía acústica, dice Peter Tyack, un biólogo marino de Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI). "Las ballenas nadan por cientos de blancos anteriores antes de decidirse a la alimentación en uno", dijo. "No tenemos idea de por qué hacen esta elección".
Directores de pesca se enfrentan a un dilema similar tratando de controlar las poblaciones de especies comercialmente valiosas, desde el arenque al calamar. Los sonar convencionales "buscadores de peces" pueden detectar las criaturas por debajo del agua, pero no son muy buenos en la identificación de lo que son.
Lo que realmente necesitamos en estas situaciones es un biólogo marino, familiarizado con el comportamiento de las ballenas, que pudiera saber analizar estas señales acústicas. Pero, ¿cuántos científicos están capacitados y entrenados en estos campos diversos?
En Wu-Jung Lee, WHOI han encontrado uno. Como estudiante, se graduó en zoología y en ingeniería eléctrica antes de entrar en el Programa Conjunto MIT/WHOI en 2007.
Tyack dijo que si bien muchos de sus alumnos combinan los dos campos, por lo general vienen con una formación en ciencias de la vida y, a continuación, a través del WHOI trabajando con científicos e ingenieros especializados en acústica, aprenden algo de esta disciplina. "Creo que Wu-Jung, con la formación de ingenieros que ya tiene, puede intentar enfoques muy complicados, para resolver los misterios de cómo los animales marinos utilizan el sonido y cómo los humanos pueden utilizar el sonido para observar los animales de aguas profundas".
Nacida en Taiwan, Lee siempre supo que quería estudiar biología. De niña le gustaba estar en el bosque, conocer a las criaturas como los caracoles, que viven entre las hojas caídas. Luego, en la secundaria, un profesor abrió los ojos a las alegrías de la física.En la Universidad Nacional de Taiwan, Lee ha aprendido más. En particular, estudió el procesamiento de señales, una especialidad de la ingeniería eléctrica y matemática aplicada que se ocupa del análisis de señales, si son portadores de datos biológicos, tales como electrocardiogramas, o las comunicaciones de datos, como señales de radio.
Lee no tuvo ningún problema en realizar una exigente doble licenciatura. Averiguar qué hacer en su carrera fue una historia diferente. Había un montón de opciones en la biología y mucho más en la ingeniería, pero encontrar una carrera en que participan las dos cosas? Eso fue muy duro.
Entonces descubrió a las ballenas.
El verano después de su primer año, Lee consiguió un trabajo como guía de observación de delfines en un barco. Fue su primera experiencia real con el océano, y a pesar de ser propensa a los mareos, le encantaba estar en el agua. Le gustó especialmente aprender más sobre los cetáceos. Se unió a una sociedad para la conservación de mamíferos marinos y se liberó un delfín encallado en una red. A medida que se familiariza con la investigación sobre la comunicación de los delfines, se dio cuenta de que la preparación de sus antecedentes en el procesamiento de señales era importante para el estudio de los cetáceos y cómo utilizan el sonido. Después de graduarse en 2005, Lee aterrizó como pasante de investigación en un laboratorio de acústica de Singapur, un laboratorio de cetáceos en Hawai, y en 2007 ella comenzó su trabajo en WHOI.
"Tenemos que saber lo que las ballenas están observando realmente, a través de sus ecos, antes de poder decir lo que están utilizando para atrapar a sus presas", dijo.
Además de proporcionar una mejor comprensión de la ecolocalización de la ballena, el trabajo de Lee también ayudará a los administradores de recursos que esperan utilizar el sonar para identificar los calamares en su hábitat natural. Stanton dijo que no hay actualmente una buena manera de controlar las poblaciones de calamar. Los sonar convencionales "localizadores" envian una señal de banda estrecha a una sola frecuencia, tal como 120 kilohertz (kHz), que proporciona muy poca información cuando se recibe el eco de vuelta del objetivo. Ellos no dicen lo que han encontrado, sólo que algo está nadando allí.
La clave para conseguir más información de los ecos de sonar es comenzar con las señales de sonar que contienen más información en primer lugar, dijo Stanton. Así como la luz atraviesa un espectro de longitudes de onda que representan los colores, las ondas de sonido pueden ser transmitidos a través de una amplia gama de frecuencias, cuanto mayor es la gama de frecuencias que transmiten, mayor es la variedad y el detalle de las señales acústicas y el potencial de información que vuelve.
En las frecuencias que transmiten también hay una diferencia. La intensidad de los ecos de los objetos en el mar depende fuertemente de la frecuencia del sonido que se transmite. Las frecuencias altas (por encima de 100 kHz) son valiosas para la detección de objetos pequeños, tal como zooplancton. Las frecuencias más bajas son valiosas para la detección de objetos más grandes, tales como peces y calamares, y son comúnmente utilizados por los cetáceos durante la caza. En las últimas dos décadas, Stanton y Lavery han sido pioneros en el uso del sonar de banda ancha que incluye muchas frecuencias para identificar las criaturas que van desde el zooplancton hasta el arenque. Lee aplicó sus métodos para el calamar. Ajustó los "pings" del sonar de banda ancha, en el mismo rango de frecuencias que muchos ballenas utilizan para la caza, de un calamar en cautividad (Loligo pealeii). Captó su eco con un micrófono bajo el agua, que convierte el sonido en señales electrónicas y las grabó en un equipo de diversos tipos de análisis.
Un gran problema con la interpretación de los datos es que los ecos de sonar de un objeto pueden ser muy diferentes dependiendo de cómo el objeto se orienta con respecto a las ondas de sonido entrante. El eco de una piscina de calamar a través del un campo de vista de una ballena, será diferente del eco de una piscina de calamar fuera de o hacia la ballena.
Lee resolvió ese problema mediante la elaboración de un aparato experimental para rotar desde diversos ángulos las ondas de sonido que emite un calamar. Eso suena bastante simple, pero en realidad fue una de las partes más difíciles del proyecto. Los calamares no son fáciles de tratar en el laboratorio. Son tímidos, escurridizos y sensibles a un exceso de manipulación.
Hasta ahora, todo bien. Pero los datos en bruto revelaron poco. Las señales eran demasiado complicadas, cada una un torbellino de garabatos aleatorios. Ahí es donde entró la experiencia de Lee en el procesamiento de señales, utilizando una serie de "filtros" matemáticos, fue capaz de mejorar las partes de la señal de que eran significativos y reducir "ruido" añadido. No sólo desarrolló una imagen clara de los ecos de sonar del calamar, sino que fue capaz de extraer información muy detallada de ellos.
"Estos ecos que vuelven realmente nos ayudan a identificar exactamente de dónde proviene el eco en el cuerpo del calamar", dijo.
En la mayoría de los casos, los ecos dependían del lugar donde el calamar tuvo éxito en el "ping", que a su vez dependía de la orientación del calamar. La andanada de "pings" que afectó al calamar a lo largo de su tubular cuerpo musculoso, enviaron ecos muy consistentes, pero lo que reflejaron los "pings" enviados desde otros ángulos eran ecos que variaban mucho de un ping al siguiente. El análisis de Lee mostró que los ecos variaban dependiendo de la posición y la forma flexible del calamar, cada vez que los tentáculos se extendían hacia adelante de la cabeza.
"Algo ha cambiado significativamente después de que el animal murió", dijo Lee. Se teoriza que las proteínas del músculo del calamar cambian muy rápidamente después de la muerte, y ocasionan la alteración de los ecos.
Su investigación se confirmó con un modelo computacional desarrollado por un ex estudiante del Joint Program/Navy Master’s, Ben Jones (M.Sc., 2006), que hizo un buen trabajo de simulación de cómo el sonido se refleja en el calamar. Sus pruebas con calamar real determinaron que las condiciones en el rango de la forma y la orientación del calamar, sobre las cuales el modelo es válido, y puede ser utilizado por los administradores de los recursos para interpretar las señales de sonar rebotadas del calamar en la naturaleza.
El éxito de Lee en la interpretación de los ecos de calamar significa que está ahora en condiciones de hacer frente a la gran pregunta: ¿Cómo encuentran e identifican los cetáceos sus alimentos?
En enero, se dirigió a Honduras a sentar las bases para realizar experimentos en una instalación de delfines en cautiverio en un entorno naturalista. Estaba encantada de encontrar niveles muy bajos de ruido de fondo, que ella atribuye principalmente a la escasez de camarón en la zona. También establece líneas de comunicación con los instructores de la instalación, que en los próximos meses colocarán y acostumbrarán a usar a los delfines un D-Tag, un aparato que temporalmente se sujeta a la piel por medio de ventosas y obtiene registros de la orientación de cada animal, la profundidad y dirección de circulación, así como los ecos sonar de entrada de la presa potencial.Lee espera regresar el próximo otoño para observar el comportamiento de los delfines en presencia de presas potenciales y grabar los sonidos de ecolocalización, que hace el eco de la presa, y los movimientos de los delfines durante cada encuentro.
Tyack dijo que esos experimentos, inspirados y guiados por lo que Lee ha descubierto acerca de la acústica del calamar en la primera fase de su investigación, deberían revelar mucho sobre cómo los delfines utilizan el sonido para identificar distintos tipos de presas, y cómo modifican sus señales de sonar y su comportamiento durante la natación, para tratan de decidir si comer una presa en particular.
"Mi impresión es que es casi imposible que no se obtenga información realmente interesante", concluyó Tyack.
Artículo original y fotografías gentileza de Oceanus | Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)
