Peixes boi bioacústica e barcos - Gerstein, 2002

Peixes Boi, Bioacústica e Barcos Testes de audição, medidas ambientais e fenômenos acústicos juntos podem explicar porque os barcos e animais colidem

Edmund R. Gerstein São 2 horas da manhã e, adivinhe, Stormy está "namorando" aquele grande transdutor da Marinha novamente. Agora preciso entrar na água fria e afastá-lo para que possamos nos preparar para a sessão do Dundee. Oh, a alegria de trabalhar com os peixes boi sob o luar de Tampa! Mesmo estando cansado, com frio e molhado, antes do sol nascer teremos medido outro aspecto crítico das capacidades auditivas do peixe boi da Flórida. Durante os próximos sete anos de longos testes auditivos noturnos – mais de 30.000 testes de limites no total – minha esposa Laura e eu teremos medido a capacidade de dois peixes boi adolescentes para ouvir, localizar e discriminar diferentes sinais subaquáticos em diversas condições acústicas controladas. No final, teremos estabelecido o trabalho básico para uma explicação sensorial porque os peixes boi sofrem repetidas colisões com barcos. Edmund R. Gerstein é diretor de pesquisa e comportamento de mamíferos marinhos no Charles E. Schmidt College of Science na Universidade do Atlântico na Flórida. Na Universidade do Atlântico, onde recebeu seu Ph.D. em psicologia, ele também detém os cargos de professor assistente de pesquisa de psicologia e conferencista de biologia. Seus interesses de pesquisa estão na biologia sensorial, cognição e ecologia comportamental dos mamíferos marinhos. Ele é vice-presidente da Leviathan Legacy Inc., um grupo de pesquisa de comportamento animal e acústica subaquática, atualmente investigando a acústica ao redor de colisões de navios com as baleias francas do Atlântico Norte. As pesquisas de Gerstein sobre a psicoacústica do peixe boi e acústica subaquática foi financiada pelo Programa Legacy da Marinha. Endereço: Leviathan Legacy Inc., 1318 SW 14th Street, Boca Raton, FL 33486. Internet: [email protected].

O peixe boi ameaçado da Flórida, uma subespécie do peixe boi das Índias Ocidentais (Trichechus manatus), é um herbívoro gentil, com bigodes, que pode chegar a 4 metros de comprimento, pesar até 1.300 quilogramas e viver mais de 60 anos. Designado como o mamífero marinho oficial da Flórida, o peixe boi tem sido o foco de mais controvérsia e polarização sobre a conservação e preservação do que talvez, qualquer outro mamífero. "Vacas marinhas" como às vezes são chamados afetuosamente, habitam os habitats rasos costeiros, de estuário e rios em toda a península da Flórida, onde se alimentam de algas marinhas e são rotineiramente feridos pelos barcos de lazer, barcaças e navios comerciais. Estas colisões são tão prevalecentes que a maioria dos peixes boi selvagens são identificados por suas cicatrizes características dos ferimentos devidos aos barcos. Depois de mais de duas décadas de políticas de proteção do peixe boi focalizando a redução da velocidade dos barcos passando através dos habitats do peixe boi, o número de ferimentos e mortes associados com as colisões tem aumentado e chegado a recordes históricos durante os últimos dois anos. Para ajudar a acompanhar a população, a Flórida e as agências federais da vida selvagem mantêm um catálogo crescente de cicatrizes de indivíduos vivos reconhecidos que sobreviveram as colisões. Alguns destes peixes bois possuem ferimentos de hélices de até 16 colisões diferentes de barcos. Por quê isto acontece?

Quando surpreendidos ou assustados, os peixes boi explodem com um surto de energia e podem chegar a velocidades de natação de até 6,4 metros por segundo em um instante.

Meus colegas e eu pensamos: já que os peixes boi possuem a capacidade cognitiva para reconhecer o perigo, uma reação de medo-fuga e a capacidade física para evadir os barcos, por quê, depois que um indivíduo sofreu uma, duas ou três colisões, ele não aprende a evitar os barcos? Será que eles podem ouvir os barcos se aproximando, e se podem, a que distância, em qual direção e em quais condições acústicas?

As questões básicas sugeriram diversas investigações interdisciplinares de comportamento e acústica que eu realizei durante a última década com Joseph E. Blue, diretor aposentado do Centro de Guerra Submarina da Marinha e do Destacamento de Referência de Som Subaquático do Laboratório de Pesquisa Naval e agora presidente da Leviathan Legacy, Inc.; Steven E. Forsythe do Centro de Guerra Submarina da Marinha; e Laura. Ninguém havia realizado estudos de psicoacústica (audiometria) controlados, rigorosos, subaquáticos, que são necessários para entender quais sons os peixes boi podem ouvir no seu meio ambiente. Em conjunto com os estudos audiométricos, realizamos uma série compreensiva de pesquisas acústicas subaquáticas de diversos habitats de peixes boi selvagens, junto com medições de propagação crítica de propagação de ruídos de barcos, para entender melhor porque os animais são tão vulneráveis às colisões. Definir e aplicar a física da propagação acústica perto da superfície também é necessário se as colisões entre os barcos e animais devem ser reduzidas, não somente nas vias aquáticas da Flórida mas também no mar aberto, onde as grandes baleias são feridas regularmente e muitas vezes mortas pelos grandes navios.

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American Scientist, Volume 90 Março Abril 2002 2002 março-abril 154

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Figura 1. Barcos e peixes boi: Podem coexistir? Conforme mostrado pelos gráficos, as mortes relatadas dos mamíferos marinhos atribuídas a colisões de embarcações aumentaram de 1976 até 2001; embora zonas de baixa velocidade tenham estado em vigor durante duas décadas, as colisões, que provocam uma proporção significativa de todas as mortes relatadas de peixes boi na Flórida durante este período (gráfico de torta) estão aumentado. A pesquisa do autor sobre a audição do peixe boi, ruído ambiental e a acústica da propagação do ruídos dos barcos perto da superfície da água sugere que nas águas turvas típicas das vias aquáticas da Flórida, os peixes boi possuem dificuldades para ouvir e localizar os barcos que reduziram a velocidade em reposta aos regulamentos com a intenção de proteger os animais. Um dispositivo de alerta de alta freqüência projetado para alerta os peixes boi sobre os barcos que se aproximam está sendo desenvolvido (dados da Comissão de Conservação de Peixes e Vida Selvagem da Flórida).



Figura 2. O audiograma de comportamento lota a sensibilidade auditiva dos peixes boi treinados em condições muito silenciosas. Em testes realizados no Zoológico de Lowry Park em Tampa, Flórida, cada peixe boi foi treinado para posicionar sua cabeça em um arco subaquático, onde um hidrofone monitorava todos os níveis de som nos ouvidos do peixe boi. O peixe boi ficava no arco e ouvia. Depois de piscar uma luz estroboscópica, o peixe boi saía do arco e empurrava a haste de "tom" (haste listrada à esquerda) se tivesse ouvido um som, ou a haste de "sem tom" à direita se não tivesse ouvido nenhum som. Um pesquisador operava o equipamento de teste e registrava os resultados em um laboratório subaquático; o segundo pesquisador servia como o treinador, orientando o animal para começar cada teste e oferecendo recompensas e encorajamento para continuar. Os resultados dos nossos testes contradizem diversas crenças de longo tempo que formam a base das estratégias atuais de proteção. Os peixes boi possuem boa capacidade auditiva em altas freqüências, entretanto, possuem uma sensibilidade relativamente baixa nas faixas de baixa freqüência associadas com o ruído dos barcos.

Ironicamente, os peixes boi podem ser menos capazes de ouvir os hélices dos barcos que reduziram a velocidade atendendo aos regulamentos de velocidade dos barcos com a intenção de reduzir as colisões. Tais ruídos muitas vezes falham em se elevar acima do sons ambientais do habitat dos peixes boi antes que o barco fique literalmente

sobre o peixe boi. Ademais, os efeitos da camada limite perto da superfície podem cancelar ou atenuar severamente o som dominante de baixa freqüência produzido pelos hélices. Em muitas situações, o ruído do navio não é projetado nos caminhos direcionais onde ouvir estes sons pode ajudar os animais a evitar colisões. Os resultados de nossa pesquisa básica e aplicada sugerem que pode haver uma solução tecnológica para tratar da causa básica dos problemas de colisão e resolver o conflito entre os interesses humanos e animais. Teste de Audição do Peixe Boi Em 1991, iniciamos experimentos com dois peixes boi nascidos no cativeiro, Stormy e Dundee, no Zoológico de Lowry Park em Tampa. Nosso primeiro objetivo foi definir um audiograma – isto é, mapear as capacidades de audição absolutas destes animais em condições muito silenciosas. O audiograma ou curva de audição, é um gráfico que demonstra a faixa geral de freqüências que um indivíduo pode ouvir, bem como a sensibilidade do sujeito dentro desta faixa. Um audiograma plota a intensidade de um sinal no seu limite mínimo de detecção. O gráfico resultante para a maioria dos mamíferos tem formato de U, com os limites inferiores mostrando a sensibilidade maior. Os limites superiores (áreas de menos sensibilidade) são encontrados nas

Figura 3. Os resultados dos testes descritos na Figura 2 foram consistentes de um peixe boi para outro e produziram a curva de audiograma apresentada em uma escala logarítmica à esquerda em azul. Os limites de audição do peixe boi em cada freqüência são medidos em decibéis contra uma pressão de som de referência de 1 micropascal, o padrão subaquático. A melhor sensibilidade do animal nas condições de ambiente silencioso da piscina de teste foi de 16.000 a 18.000 hertz. Abaixo de 1.000 hertz eles exigiam sons muito mais altos para poder ouvir. Muitas pessoas assumiram que como as pessoas podem ouvir os sons de barcos sob a água, certamente os peixes boi também podem. Entretanto, as pessoas ouvem sons de baixa freqüência muito melhor que os peixes boi, tanto sob a água como no ar (escala linear, acima).



Figura 4. Stormy e Dundee (embaixo à esquerda) foram os primeiros peixes boi a serem treinados como sujeitos de um teste psicoacústico: eles exigiram encorajamento constante do autor, seu treinador (acima à esquerda), mas demonstraram ser sujeitos excelentes. A pesquisa utilizou um paradigma de duas escolhas onde as hastes podiam ser distinguidas por características visuais e táteis; uma era lisa e com listras brancas e pretas (acima à direita), a outra era toda branca e com textura áspera com uma seção de tubo cruzado perto do fundo. Os peixes boi normalmente eram alimentados com alface romana durante todo o dia no zoológico (embaixo à direita), mas recebiam biscoitos de animal e outras delícias como encorajamento durante suas sessões noturnas de treinamento (Fotografias por Nick Caloyianis). extremidades inferior e superior da faixa de freqüência, onde é necessária uma maior intensidade ou volume para atingir os limites de detecção. Antes de começar a testar a audição dos peixes boi e fazer medições acústicas dos seus habitats e do ruído dos barcos, a maioria dos biologistas e administradores da vida selvagem encarregados da proteção dos peixes boi assumiram que os animais poderiam ouvir facilmente os sons dos barcos e simplesmente eram muito lentos ou não eram suficientemente inteligentes para aprender a evitar as embarcações. As medições eletrofisiológicas antigas realizadas por Ted Bullock, Tom O'Shea e John McClune em 1982 e medições anatômicas dos peixes boi mortos reportadas em 1992 por Darlene Ketten, Dan Odell e Darryl Domning haviam sugerido que os peixes boi ouviam melhor em baixas freqüências, e portanto, podiam detectar os sons dos barcos imediatamente. Entretanto, como a audição é um fenômeno de percepção, a forma mais comum de descobrir o que um animal realmente pode ouvir é perguntar. Portanto o

audiograma comportamental é reconhecido com a medição definitiva da audição. Estes testes exigiam tremendos compromissos de tempo, paciência e recursos. Talvez o maior desafio seja treinar os peixes boi para entender a tarefa e depois manter cada um deles suficientemente motivado durante as sessões para que eventualmente possam completar os milhares de testes necessários para definir sua audição. Levou aproximadamente um ano para preparar ambos animais para o teste – e milhares de biscoitos de animais, junto com uma grande dose de imaginação e sorte, para mantê-los interessados durante os anos subseqüentes de testes. As demandas do treinamento durante o dia e os testes durante a noite exigiram que Laura e eu literalmente morássemos no zoológico. Além de novos descobrimentos e descobertas científicas significativas, o resultado mais extraordinário de todos foi que após mais de cinco anos morando em um reboque de 19 pés, sem um banheiro em funcionamento, atrás do zoológico, ainda estamos casados.

Sendo os primeiros a treinar peixes boi para testes psicoacústicos, não conhecíamos sua acuidade visual geral, nem sabíamos em qual modalidade ou qual combinação ponderada de modalidades os peixes bois confiam mais. Portanto, eu construí o teste de audição usando um paradigma forçado de duas escolhas com duas hastes de resposta que eram diferentes visual e taticamente - uma era lisa e com um padrão de listras brancas e pretas, a outra era toda branca e com textura áspera com uma ponta de formato diferente feita de uma seção de tubos cruzados. Ambos peixes boi foram treinados para se posicionar dentro de uma estação de audição (um arco) onde um microfone subaquático, ou hidrofone, registrava os sinais enviados para eles. Deviam ficar no arco, escutar e esperar uma luz estroboscópica piscar. Depois que a luz piscava, eles podiam sair do arco e selecionar a haste listrada se tivessem ouvido um som ("sim") ou a haste toda branca se não tivessem detectado um som ("não"). Estes testes foram repetidos para muitos tipos diferentes de sons,



incluindo som de barco, contra diversos níveis de som típicos das condições do ambiente selvagem.

Usamos um método de elevação convencional de apresentações de sinal duplo cego, começando com níveis acústicos muito altos (onde o peixe boi podia escolher a haste de "tom"), descendo para a amplitude de sinal onde o animal escolhia a haste "sem tom" e depois aumentando novamente para cima. Foram exigidos centenas de testes para estabelecer o limite para cada ponto de freqüência ao longo da curva. Os audiogramas resultantes para os dois peixes boi foram muito similares. Stormy e Dundee demonstraram ser excelentes sujeitos de teste. Sua audição também pode ser melhor do que a maioria dos peixes boi, já que são animais jovens, nascidos em cativeiro que passaram suas vidas em ambiente relativamente silenciosos com um mínimo de risco de danos auditivos devido à exposição contínua a níveis elevados de ruídos. Os níveis de ruído ambiente no cativeiro são significativamente mais silenciosos que os registrados na vida selvagem. Ademais, estes indivíduos estavam muito motivados e condicionados para ouvir as mais leves variações no campo de som. Não podemos esperar que os peixes boi selvagens estejam tão focalizados e atentos a nuances acústicas tão tênues quanto nosso sujeitos que foram especificamente treinados para fazer isto. É provável, portanto, que as capacidades auditivas exibidas por Stormy e Dundee sejam mais apuradas que aquelas da população em geral.

Conforme ilustrado pelo audiograma (Figura 3), os peixes boi possuem uma faixa de audição funcional de 400 a 46.000 hertz. Seu pico de sensibilidade fica normalmente entre 16.000 e 18.000 hertz, e não entre 1.000 e 5.000 hertz conforme se pensava anteriormente. Abaixo de 16.000 hertz, a sensibilidade diminui aproximadamente 10 decibéis por oitava, e abaixo de 2.000 hertz, cai subitamente (20 decibéis por oitava) até que a audição funcional acaba em 400 hertz. Infelizmente, os sons dominantes produzidos pela maioria

dos barcos e navios são abaixo de 1.000 hertz; estas baixas freqüências ficam fora ou sobrepõem o limite inferior da faixa auditiva dos peixes boi. O audiograma sugere que mesmo em condições silenciosas, os peixes boi podem ter dificuldade em detectar estes sons em níveis acústicos de menos de 90 ou 100 decibéis (todos os sons subaquáticos foram fornecidos contra uma pressão padrão de referência subaquática de 1 micropascal).

Figura 5. Após medir a audição dos peixes boi em condições de silêncio, o autor e seus colegas usaram amostras de sons retiradas dos habitats dos peixes boi para determinar as relações críticas de sinal para ruído dos peixes boi. Estes testes mediram o aumento de volume, ou altura do sinal, necessário para o peixe boi ouvir sons acima do ruído ambiente. Conforme indicado pelas amostras de som acima, os peixes boi vivem em ambientes onde os sons ambientais são normalmente 70 decibéis ou mais nas freqüências mais baixas e podem chegar a 90 decibéis através das freqüências durante uma chuva leve. Vivendo em um Mundo de Som Embora o audiograma forneça uma medida definitiva da audição nas condições mais silenciosas, os peixes boi não vivem em ambientes silenciosos. Na Flórida, o ruído ambiente nos habitats dos peixes boi varia tipicamente de 60 a 90 decibéis, em uma faixa de freqüência de 1 a 20.000 hertz, mas os níveis podem chegar a 130 decibéis durante chuva pesada ou em áreas industriais.

Um fenômeno de percepção conhecido como mascaramento acontece quando a audibilidade de um som (o “sinal”) é pela presença ou ocorrência de outro som (o “ruído”). Quando começamos nosso trabalho, sabíamos que o ruído ambiente nos habitats dos peixes boi podia conceitualmente mascarar a percepção

de muitos tipos de sinais. Os peixes boi são imersos em uma paisagem acústica dinâmica cheia com uma cacofonia de sons, os sons biológicos mais proeminentes são o estalido contínuo de milhões de camarões. Sendo ouvintes passivos – diferente dos golfinhos eco localizadores que podem usar o sonar ativo para navegar e detectar objetos no meio ambiente – os peixes boi ficam restritos a ouvir a sua paisagem auditória. Queríamos entender como o ruído afeta a capacidade dos peixes boi para ouvir os sons biologicamente importantes, os eventos do meio ambiente e os sons dos barcos se aproximando. Com esta finalidade realizamos uma série de investigações psicoacústicas usando tons puros, sons complexos e amostras de ruído típico de barcos e vocalizações de peixes boi. Estes testes mediram os limites mascarados e relações críticas de sinal para ruído ao longo das curva de audição do peixe boi contra um ambiente de ruído contínuo.

A relação crítica compara a intensidade de um sinal no momento quando começa a ser detectável (o limite mascarado) com a intensidade do ruído ambiente. Por exemplo, se um peixe boi pode ouvir um som em particular acima de 70 decibéis de ruído ambiente quando o sinal chega a 90 decibéis, então a relação crítica é 20 decibéis; como os decibéis são uma expressão logarítmica, a relação pode ser derivada subtraindo um nível de som do outro. Deve ser observado que as relações críticas são conservadas para cada freqüência independente do aumento dos níveis de som ambiente, assim se o ruído ambiente aumentar para 100 decibéis, então o sinal deveria ser pelo menos 120 decibéis antes que o peixe boi pudesse detectar o mesmo. O tamanho da relação crítica tem uma significância ecológica importante, já que os níveis ambientais elevados podem notadamente elevar os limites de detecção acima da energia acústica absoluta emitida por muitos barcos.

Realizamos testes auditivos que usaram diversos níveis de ruído representativos de condições típicas de meio ambiente selvagem.



Figura 6. As vocalizações dos peixes boi são tipicamente sinais curtos, discretos, repetitivos de banda larga com bandas harmônicas que atravessam diversas bandas críticas diferentes. Os peixes boi são capazes de ouvir e localizar estas chamadas em níveis de som abaixo do som ambiente. Infelizmente, não podem ouvir ou localizar o som de banda larga de baixa freqüência dos barcos em baixa velocidade em distâncias seguras contra o ruído do meio ambiente selvagem. O autor desenvolveu sons direcionais que os peixes boi podem ouvir e localizar tão bem quando suas próprias vocalizações.

tradicionalmente têm confiado no sujeito realizando um simples movimento da cabeça ou do corpo para indicar uma orientação. Para este teste, os peixes boi foram exigidos a nadar até e tocar a fonte real do som. O teste exigiu que os sujeitos localizassem a fonte do som em ambigüidade em relação a sua própria posição no espaço. Enquanto um paradigma otocêntrico (centrado no ouvido) tal como o ângulo audível mínimo é considerado uma medida mais precisa da localização do som, foi projetado para medir a capacidade de um sujeito para reconhecer um desvio da localização do som em relação a uma referência de amostra arbitrária.

No mundo real os peixes boi devem reagir se orientando na direção de ou se afastando do som. Embora existam diferenças de procedimento significativas entre as abordagens egocêntrica e otocêntrica, as medidas de localização de som usando variações de ambos métodos têm resultado em medidas extraordinariamente consistentes de localização de som em animais (Brown 1994).

Para realizar todos os testes direcionais, revestimos a piscina com painéis de espuma de célula aberta absorvente de som para amortecer os reflexos da superfície, dos lados e do fundo. Os sujeitos

Testamos tons puros pulsantes e contínuos e ruído de banda larga como o produzido pelos barcos. Os estudos de mascaramento mostraram que os peixes boi possuem relações críticas que variam de 9 decibéis acima do ruído ambiente prevalecente para ruído pulsante de banda larga até 46 decibéis para tons contínuos. Os peixes boi detectaram sons pulsantes repetitivos em relações críticas significativamente mais baixas que os sons de onda contínua. Isto não foi um resultado inesperado, já que os sons biológicos e, em especial, as próprias vocalizações dos peixes boi de 200 a 500 milisegundos, são sons pulsantes. Os sinais pulsantes fornecem uma largura adicional de sinal bem como padrões temporais que os peixes boi podem detectar em um ambiente não periódico. Encontrando a Fonte de Som Além de simplesmente detectar sons, os peixes boi devem ser capazes de localizar os mesmos. Para os peixes boi, bem como para os outros animais, a capacidade de localizar sons é crítica para sua sobrevivência. Infelizmente, os sons de baixa freqüência de muitos barcos são onidirecionais e portanto, por sua natureza, difíceis de localizar. Antes dos nossos estudos, as autoridades de vida selvagem confiavam em premissas anedóticas que os peixes boi podiam ver e localizar imediatamente os sons de barcos se movimentando lentamente. Os objetivos das investigações de localização foram medir as capacidades de percepção dos peixes boi para localizar fontes de som como uma função da freqüência de sinal, espectro do som, duração, ângulo de projeção e posição à esquerda ou direita da cabeça do animal. Para conseguir isto, foi usado um paradigma egocêntrico ou de orientação, que exigia que o sujeito localizasse a fonte de som fisicamente no espaço. Os paradigmas egocêntricos

Figura 7. Na Instalação de Teste de Motores de Popa em Stuart, Flórida, o autor e seus colegas amostraram o som de diversos barcos pequenos em baixa e alta velocidade, colocando um hidrofone sob a água para registrar o som de um barco se aproximando em um habitat típico de peixe boi. Os resultados de uma comparação são mostrados na figura 8 (fotografia cortesia do autor).



foram treinados para se posicionar dentro de um arco estacionário rodeado por alto falantes subaquáticos. Foram treinados para sair do arco estacionário imediatamente ao ouvir um som a empurrar o alto falante que projetou o som. Os alto falantes eram acionados eletronicamente e girados periodicamente de modo que os peixes boi não podiam se orientar por nenhum artefato de alto falante. A localização era significativamente maior nas freqüências mais altas em todas as condições. Quando os sinais duravam mais de 200 milisegundos, as localizações melhoravam, conforme os peixes boi tinham a oportunidade de fazer um leve movimento da cabeça para rastrear o campo de som. Os peixes boi possuem vértebras cervicais fundidas, que restringem os movimentos rápidos, agudos e angulares da cabeça; esta mobilidade limitada sugere que podem exigir tempos de reação relativamente mais longos (comparado com outros mamíferos marinhos) para rastrear e amostrar o meio ambiente. Ambos peixes boi foram testados suando sons do mundo real – vocalizações de peixes boi e ruído de barcos, bem como sinais de banda estreita derivados de nossas análises de ondas de vocalizações selecionadas de peixes boi. A reprodução destas ondas revelou características salientes das vocalizações dos peixes boi que são detectáveis abaixo dos níveis ambiente. Os sinais de “projeto” derivados das bandas de freqüência harmônica mais elevada nas vocalizações dos peixes boi são altamente direcionais e facilmente detectados pelos peixes boi contra a mais competitiva das condições acústicas. Quando fica aparente que os peixes boi podem não ser capazes de detectar ou localizar confiavelmente os sons dos barcos, exploramos os sons que os peixes boi podiam ouvir melhor. Esperávamos que estas informações poderiam ser aplicadas em algum estágio para ajudar os peixes

boi a detectar e localizar os barcos se aproximando (ver “Procurando Soluções”, abaixo). Stormy e Dundee ouviram e localizaram estes sinais com a mesma precisão de sensibilidade como haviam detectado as vocalizações de peixes boi. Os peixes boi demonstraram capacidades de localização simétrica, significando que sua acuidade auditiva era equivalente para os lados esquerdo e direito. As localizações de som foram relativamente fracas em freqüências abaixo de 2.000 hertz mas melhoraram significativamente com freqüências mais altas. A melhor sensibilidade direcional foi nas freqüências acima de 10.000 hertz. As vocalizações dos peixes boi e os sinais de onda projetados foram localizados corretamente 90 por cento do tempo, enquanto que os sons dos barcos com baixa velocidade foram localizados corretamente somente 55 por cento do tempo. Ironicamente, os sons de cavitação de freqüência mais alta produzidos por barcos com maior velocidade foram localizados 65 a 75 por cento do tempo. Os resultados demonstram que os peixes boi podem localizar confiavelmente suas próprias vocalizações e os sons de freqüência modulada que criamos com maior precisão. Também podem localizar imediatamente os sons de cavitação dos hélices dos barcos (a formação de pequenos vácuos ou bolhas, por um hélice girando rapidamente), mas possuem dificuldade para detectar sons de baixa freqüência e os sons dos barcos em baixa velocidade Sons Provocados pelos Barcos O som dos barcos tem caráter diferente do som biológico. Embaixo da água possui dois domínios ou condições de operação: ruído não cavitante e cavitante, este último devido à turbulência provocada pelas rotações dos hélices. A freqüência e potência do ruído dos barcos são diretamente relacionadas com a velocidade da embarcação. Quanto mais rápida a rotação do hélice, mais cavitação é criada. Conforme as pequenas bolhas se formam e colapsam, produzem uma

ampla faixa de freqüências acima das condições prevalecentes do ambiente em freqüências até 20.000 hertz. Inversamente, quando a rotação do hélice é reduzida e um barco se movimenta lentamente, a turbulência é mínima, e os espectros de freqüência e potência do ruído são significativamente reduzidos. Os espectros do ruído dominante são abaixo de 1.000 hertz em níveis de pressão de som que mal chegam aos limites do audiograma dos peixes boi. Em condições ambiente típicas, os sons de um barco pequeno se aproximando podem não ser distinguidos do meio ambiente até que fiquem suficientemente altos para cruzar os limites de mascaramento. Como a intensidade de uma determinada fonte de som diminui com o aumento da distância, um barco se movendo lentamente com os hélices girando a 400 rotações por minuto precisa estar virtualmente encima do peixe boi antes que o som possa ser detectado. Infelizmente, os hélices girando a 400 rpm podem cortar um peixe boi da mesma forma como aqueles barcos de movimentado rapidamente a 3.500 rpm. Gravamos os sons de barcos se aproximando nas Instalações de Teste de Motores de Popa em Stuart, Flórida. Neste local encontramos condições físicas e ambientais típicas dos habitats dos peixes boi: água com profundidade de 5 metros, condições isotérmicas e ruído ambiente biológico proveniente principalmente dos estalos dos camarões. Suspendemos os hidrofones de gravação a 1,5 metros abaixo da superfície e amostramos sons de barcos representativos operando em diversas velocidades. Quando reproduzimos as gravações destes sons para os peixes boi em condições controladas de mascaramento, o ruído de cavitação de banda larga mais alta provocado pelos barcos mais rápidos foi detectável a 9 decibéis acima do nível ambiente – uma relação crítica



relativamente baixa. Os peixes boi não podiam detectar o ruído dos barcos a baixa velocidade nas condições de ruído ambiente gravadas no campo. O espectro de baixa freqüência não chegou ao limites do patamar do audiograma, e os sons restantes de freqüência mais alta eram tão baixos que foram mascarados pelas condições moderadas de ambiente de apenas 70 e 80 decibéis. Este ruído precisou ser amplificado 29 decibéis acima do ruído ambiente antes que fosse detectável. Os que sugerem estes resultados? Primeiro, um barco com um hélice girando lentamente gera sons de baixa freqüência impossíveis de localizar e distinguir do ruído

ambiente até ficar perigosamente perto do peixe boi. Uma estratégia principal de gerenciamento usada na Flórida para proteger os peixes boi durante os últimos 20 anos tem sido reduzir a velocidade dos barcos em águas freqüentadas pelos peixes boi criando zonas de parada e baixa velocidade. Esta estratégia na verdade pode exacerbar o problema quando é implementada em condições de águas turvas (que, junto com a coloração de tanino, são prevalecentes na Flórida). Nessas condições, os peixes boi e os pilotos dos barcos não podem se evitar ativamente usando sinais visuais, e os sinais acústicos são os únicos meios de detecção disponíveis para os animais.

Considerar os resultados de nossos estudos de medição dos barcos simulando um encontro entre um barco de 8,2 metros e um peixe boi (Figura 8). Quando o barco se aproxima a alta velocidade, o nível de ruído cruza a relação crítica do peixe boi aproximadamente 16 segundos antes dos hélices chegarem ao hidrofone – cerca de 198 metros distante do impacto. O ruído do mesmo barco se aproximando lentamente permanece não detectável e não cruza as relações críticas até os hélices ficarem somente 0 a 2 segundos de distância, menos de 3,7 metros do impacto. Em condições de ambiente moderadamente ruidoso, os sons associados com os barcos se movendo lentamente podem se tornar acusticamente transparentes.

Figura 8. Na experiência da Figura 7, o som de um barco viajando a 4,8 quilômetros (3 milhas) por hora (linhas azuis) mal se eleva acima do ruído ambiente (preto) na faixa de audição dos peixes boi e não é distinguido até o barco passar sobre o hidrofone, nesse ponto ele cruza a relação crítica do peixe boi. O ruído do mesmo barco se aproximando de 38,6 quilômetros (24 milhas) por hora (linhas vermelhas) cruza a relação crítica para o ruído de banda larga em aproximadamente 16 segundos (ou cerca de 198 metros) antes de chegar ao hidrofone. É possível que muitas das cicatrizes de hélices vistas nos peixes boi da Flórida (fotografia) sejam provocadas por barcos cujos sons os animais não são capazes de detectar (fotografia cortesia do autor).



Embora os barcos com movimento lento possam conforme os argumentos, provocar menos fatalidades que os barcos com movimento rápido, também apresentam mais probabilidade para provocar ferimentos repetidos nos peixes boi que não podem detectar sua aproximação. O catálogo de cicatrizes dos peixes boi sobreviventes vivos é consistente com, e serve de testemunho para esta observação. Som Perto da Superfície da Água Os peixes boi não são os únicos animais que colidem com os barcos. Outros mamíferos marinhos de escuta passiva, incluindo as grandes

Figura 9. A propagação de som de baixa freqüência perto da superfície da água está sujeita a um fenômeno chamado de efeito de espelho de Lloyd, que complica os problemas dos mamíferos marinhos ao tentar ouvir os barcos se aproximando. A superfície da água libera a pressão das longas ondas de som, enfraquecendo ou até mesmo cancelando as mesmas. As gravações de uma lancha realizadas a 1,5 e 7,5 metros abaixo da superfície antes, durante e após sua passagem demonstram o efeito. As linhas amarela e azul, representado as medições realizadas na proa nas duas profundidades, divergem nas freqüências mais baixas, indicando que os comprimentos de onda mais longos são atenuados na profundidade mais rasa.

baleias, são vulneráveis a colisões quando estão perto da superfície ou em águas rasas. Aqui, a física da propagação do som perto da superfície afeta significativamente sua capacidade para detectar os sons de baixa freqüência. Um fenômeno conhecido como efeito de espelho de Lloyd pode atenuar ou cancelar a propagação dos sons de freqüência mais baixa gerados perto da superfície. O efeito de espelho de Lloyd faz danos na superfície, onde o risco de colisões com navios e barcos é maior. Na superfície, as reflexões de sons podem estar 180 graus defasadas com as ondas incidentes e podem cancelar os sons de baixa freqüência dos barcos e navios. A pressão do som se aproxima de 0, já que a superfície da água é um limite de liberação de pressão que está livre para se movimentar em resposta a pressão na água. O aumento da pressão para longe da superfície da água é proporcional à freqüência, com a pressão nas profundidades rasas sendo inversamente proporcional ao comprimento de onda e assim proporcional à freqüência (quanto mais baixa a freqüência, mais baixa será a pressão acústica perto da superfície).

Os detalhes destas flutuações em distâncias curtas dependem de muitos fatores, os mais importantes dos quais são a profundidade da água, formato do fundo e densidade, e aspereza superficial. Mesmo se os peixes boi ou baleias pudessem ouvir esses sons normalmente, o efeito de espelho de Lloyd pode atenuar os mesmos para níveis que não são distinguidos do ruído ambiente. Embora algumas baleias, diferente dos peixes boi, possam ter audição aguada para baixa freqüência, isto não é uma vantagem na superfície. Os animais não podem reagir a sons que nunca os alcança, independente de suas capacidades auditivas. Em conjunto com o efeito de espelho de Lloyd, outro fenômeno acústico pode ser a causa de muitas colisões de navios e barcos com os mamíferos marinhos. O sombreamento acústico é provocado quando os raios de som dos hélices de um navio são bloqueados pelo casco do navio se projetando para frente. O sombreamento acústico é especialmente um problema quando os hélices são localizados abaixo da profundidade da quilha dos navios. A maioria dos navios grandes que colidem com baleias, bem como os rebocadores que matam os peixes boi, possuem esta configuração de hélice.

Os hélices de um rebocador tradicional são embutidos para remover a ventilação superficial da cavitação do hélice, para acionar o rebocador em linha com seu centro de massa e para proteger o hélice contra danos no caso da quilha bater no fundo. Com o hélice nesta posição, um raio de som refletido do fundo raso será refletido novamente pela estrutura do rebocador antes que o som possa se propagar para frente. Isto provoca uma sombra acústica na frente do rebocador ou uma combinação de rebocador e barcaça e severa atenuação de reflexões múltiplas. A perda de atenuação somente é 60 a 100 decibéis; assim o ruído do hélice na frente da combinação de rebocador e barcaça é completamente mascarado pelo ruído ambiente na superfície. Uma sombra acústica é lançada ao redor de todo o navio sempre que a largura do navio for maior que o comprimento de onda do som. Um casco com 10 metros de largura deve lançar uma sombra em freqüências acima de 150 hertz. A extensão da sombra depende do número de comprimentos de onda através do navio. Deve ocorrer pouca difração ao redor desta barreira. É claro o som de freqüência extremamente baixa (comprimento de onda longo)



Figura 10. Barcos grandes, por refletirem o ruído dos hélices, provocam uma grande sombra acústica em todas as direções. A sombra é especialmente profunda na frente de um navio, enquanto o ruído do hélice pode ser intensificado perto dos lados do navio – o que podem induzir os animais marinhos a ir para a sombra profunda e portanto para o caminho de embarcação se movimentado para frente com velocidade. O gráfico mostra as medições de som realizadas durante a passagem de uma barcaça de 76,2 metros de comprimento rebocada por um rebocador de 18,3 metros. O som foi mais intenso nos hélices (rosa), diminuindo um pouco no ponto central da combinação de rebocador e barcaça (verde). Na proa da barcaça o nível de som (azul) ficou aproximadamente no nível do som ambiente (preto), marcando o começo de uma sombra que se aprofunda na frente da barcaça.

pode provocar difração ao redor da maioria dos cascos, mas nestas freqüências a perda devido ao efeito de espelho de Lloyd é severa. Os dois efeitos juntos possuem conseqüências ecológicas significativas. Usamos um arranjo vertical de hidrofones para documentar estes efeitos combinados dos rebocadores e navios. Os dados obtidos dos rebocadores com barcaças mostram uma “zona silenciosa” mais pronunciada compreendendo um grande ângulo dos hélices do rebocador. O mesmo efeito de sombreamento está presente nos navios grandes que colidem com as baleias. Um estudo recente por David Laist e seus colegas indica que os navios colidindo com as baleias tendem a ter 80 metros ou mais de comprimento. Nas vias marinhas costeiras rasas onde as baleias são mortas com mais freqüência, a profundidade da água é mais rasa que o comprimento destas embarcações – resultando em efeitos de sombreamento ainda maiores. As mesmas condições relativas são encontradas nos habitats rasos dos peixes boi, onde as embarcações não são tão grandes, mas a água é muito mais rasa. Os sons gerados por um rebocador de 18,3 metros empurrando uma barcaça de 76,2 metros são significativamente sombreados. Uma amostra destas medições ajuda a ilustrar como os sons do rebocador permanecem não detectáveis até 45,7 metros da barcaça passarem pelo arranjo de hidrofones (Figura 10. gráfico). Um peixe boi ou baleia no caminho direto da barcaça não seria capaz de detectar acusticamente a barcaça antes que o animal fosse atropelado pela mesma ou ficasse preso pela força hidrodinâmica. Os navios grandes e barcaças grandes diferem na forma como refletem o som. Uma barcaça na água rasa pode refletir o som entre o fundo do mar e o fundo chato do barco diversas vezes. Um navio, com seu casco em formato de V ou U, deve refletir o som para o lado ao invés de direto para frente, criando uma zona de sombra mais pronunciada com ruído relativamente alto se irradiando para os lados.



Esse ruído pode confundir os animais e mesmo induzir os mesmos a nadar para a zona silenciosa para buscar refúgio – colocando os mesmos diretamente no caminho da embarcação que se aproxima. Procura de Soluções

Assim como os limites de velocidade para barcos pequenos nas águas internas podem reduzir o ruído dos hélices e a freqüência do som, reduzir a velocidade dos navios podem certamente aumentar o risco de colisões devido ao aumento do tempo de exposição (e assim as oportunidades de colisão) enquanto diminui a audibilidade do navio. Os programas atuais de para vigiar e evitar não são efetivos durante a noite ou mau tempo, justamente quando os animais também devem confiar na detecção do som para evitar os navios. Atualmente, os administradores da vida selvagem estão enfocando outros métodos de proteção que ainda não tratam das causas sensitivas e acústicas das colisões. Estes métodos incluem o sonar ativo para detectar os animais antes dos navios e sensores de escuta passiva que acendem para indicar que os peixes boi estão na área.

Interessados em rastrear os peixes boi nas condições de águas turvas, investigamos o uso do sonar ativo para detectar os peixes boi e realizados as primeiras e únicas medições de resistência de meta de sonar nos peixes boi (Gerstein e Blue 1997). Usando métodos diretos e de redução do eco, avaliamos o alcance do eco e as tecnologias de sombreamento do sonar. Infelizmente, os problemas relacionados com a dispersão do fundo e do volume e reflexão da superfície nos ambientes de água rasa dos peixes boi tornam não praticável a detecção confiável a distâncias suficientemente seguras.

Problemas similares de reflexão da superfície, falsos alarmes e absorção estão confundido os outros investigadores tentando detectar as baleias (alvos muito maiores) perto da superfície na frente dos navios. Também está sendo explorado o uso de bastões de luz ativados pelo som para alertar os pilotos de barco sobre os peixes boi na sua vizinhança. O sistema proposto deve usar a escuta passiva de vocalizações dos peixes boi para disparar luzes de alerta nos postes ao longo das vias aquáticas freqüentadas pelos peixes boi. Infelizmente, os peixes boi são animais relativamente quietos. Esta característica do comportamento dos peixes boi não somente reduz a efetividade de um dispositivo ativado pelo som, como também pode dar aos pilotos de barco a falsa impressão que não há nenhum peixe boi presente, colocando os animais não detectados em risco adicional. Temos um catálogo extensivo de vocalizações calibradas de peixes boi, e nossas análises destes sinais mostram que embora as mães e filhotes se comunicam mais regularmente, as chamadas dos peixes boi são sinais de baixa intensidade na média somente 12 decibéis acima do ruído ambiente. Temos documentado que os peixes boi podem detectar e localizar estas chamadas de baixa intensidade abaixo do ruído ambiente, mas os instrumentos acústicos subaquáticos não podem filtrar estas chamadas abaixo do ruído ambiente como os peixes boi podem. Conseqüentemente, os animais precisam estar muito perto de uma estação de escuta para serem detectados acima dos níveis típicos do ambiente. Outro aspecto que pode ser não reconhecido é que muitos componentes de suas chamadas são direcionais. O arranjo de hidrofones somente receberia estes impulsos se estivesse em linha com um peixe boi vocalizando.

Decidimos que a melhor forma de proteger os animais seria tratar das causas sensitivas e acústicas fundamentais das colisões. Os peixes boi e baleias podem ser bem adaptados para ouvir e detectar os sons biológicos nos seus ambientes; entretanto, os barcos, navios e barcaças nunca foram parte de suas histórias evolucionárias. Portanto, estes animais encontram um desafio ecológico moderno para o qual estão em desvantagem sensorial. Considerando as medições psicoacústicas descritas acima, as características acústicas conhecidas dos habitats de água rasa, os espectros de ruídos de barcos e o problema perigoso e ilusório do sombreamento acústico, fica aparente que os peixes boi, e talvez outros mamíferos marinhos de escuta passiva, podem se beneficiar de um dispositivo de alerta acústico projetado para ser adaptado na frente dos barcos, navios e barcaças. Considerando isto, desenvolvemos um dispositivo de alerta acústico projetado especificamente para explorar as capacidades ótimas de audição dos peixes boi. Usando sinais acústicos derivados de ondas que os peixes boi podem detectar e localizar imediatamente nos ou perto dos níveis ambiente, conseguimos desenvolver um dispositivo ambientalmente amigável que projeta sinais acústicos de muito baixa intensidade e altamente direcionais na frente dos barcos. Os sinais são projetados para vencer os desafios apresentado pelo sombreamento acústico e pelo efeito de espelho de Lloyd. Estes sons de baixa intensidade, altamente direcionais não devem representar uma ameaça de efeitos de ruídos cumulativos mesmo com milhares de



Gerstein, E. R. 1999. Psychoacoustic evaluations of the west Indian mannatee (Trichechus manatus latirostris). PhD. Diss., Department of Psychology, Florida Atlantic University. Boca Raton.

Gerstein, E. R. , and J. E. Blue, 1996. Near surface acoustic properties of manatee habitats at King´s Bay submarine base. WES Tech Report # 3 U.S. Army Corps of Engineers DACW39-92R-0112.

Gerstein, E. R., and J. E. Blue. 1997a. Near surface acoustic properties of manatee habitat in Broward County and vicinity. Florida Department of Environmental Protection Technical Report No 116.

Gerstein, E. R., and J. E. Blue.1997b.

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Gerstein, E. R., L. A. Gerstein, S. E. Forsythe and J. E. Blue, 2001. It´s all about SOUND Science: Manatees, masking and boats. Journal of the Ascoustical Society of America 110:2722.

Ketten, D. R., D. Odell and D. Domming. 1992. Structure, function and afaptation of the manatee easr. In Marine Mammal Sensory Systems, ed. J. A. Thomas, R. A. Kastelein and A. Ya. Supin. New York: Plenum Press, pp. 77-95.

Laist, D. W., A. R. Knowlton, J. G. Mead, A. S. Collet and M. Podesta. 2001. Collisions between ships and whales. Marine Mammal Science 17:35-75.

Links para recursos de internet

para mais explorações dos “Peixes Boi, Bioacústica e Barcos”

estão disponíveis no Web site da American Scientist:

http://www.americanscientist.org/

articles/02articles/Gerstein.htm

dispositivos operando simultaneamente. Comparados com os descobridores de peixes de 200 watt e sondadores de profundidade, nosso dispositivo de 10 watt não apresenta preocupações de poluição sonora. Fornece um conjunto de sinais acústicos consistentes, altamente direcionais que os mamíferos marinhos, mais especialmente os peixes boi, podem aprender rapidamente a associar com barcos, navios e barcaças. O dispositivo de alerta de peixes boi montado na proa que estamos testando nos habitats dos peixes boi incorpora um transdutor paramétrico montado através do casco que cria um feixe de som estável, direcional logo abaixo da superfície da água em distâncias de até 200 metros (Gerstein e Blue 1996, 1997). O dispositivo incorpora um projeto paramétrico para fornecer seu feixe estreito com um pequeno transdutor. Projeta duas freqüências de fonte ultra-sônica que estão além dos limites medidos de audição dos animais marinhos. A diferença resultante, ou freqüência paramétrica das duas fontes de freqüência oscilante de 230.000 e 250.000 hertz resulta em um onda paramétrica centrada de 20.000 hertz que é audível para os peixes boi e golfinhos, mas fica abaixo do limite de detecção de peixes e fora da faixa de audição das tartarugas e pássaros aquáticos. Como não é projetada para assustar ou prejudicar os peixes boi, o dispositivo pode fornecer um conjunto consistente de sinais altamente direcionais que os peixes boi podem aprender a associar com os barcos. Sendo altamente direcional, os peixes boi somente podem ouvir os sinais quando estão na linha direta de aproximação de um barco e em risco iminente de ferimentos. Ignorar os sinais teria conseqüências negativas; assim o peixe boi não ficaria habituado aos mesmos. Os críticos sugeriram que esta abordagem não é possível porque os peixes boi precisariam se ferir antes que pudessem associar os sinais de alerta com o perigo.

Entretanto, os peixes boi estão sendo feridos todos os dias, não porque não sabem que os barcos são perigosos, mas porque não podem localizar os mesmos em distância seguras de tempo e espaço. Se estes dispositivos fossem instalados nos barcos e barcaças que se movimentam lentamente, os peixes boi logo aprenderiam a associar os sons com as embarcações se aproximando sem precisar sofrer ferimentos repetidos. Os animais não podem aprender a evitar os barcos que não podem detectar ou localizar. Apesar de todos os nossos esforços de cuidados e regulamentos para proteger os peixes boi, mesmo os pilotos mais conscienciosos e bem intencionados ainda podem colidir com os peixes boi que não podem ver. Quando um animal não pode ouvir ou localizar um barco, fica em risco independente se o barco se movimenta lenta ou rapidamente. No final, o indivíduo mais confiável, motivado e responsável que pode salvar qualquer peixe boi em qualquer lugar e tempo é o próprio peixe boi – deste que tenha a consciência sensorial para fazer isto. Um dispositivo de alerta acústico pode fornecer aos animais a oportunidade para se salvarem. Bibliografia Blue, J. E., E. R. Gerstein and S. E.

Forsythe, 2001. Ship strike acoustics: It is all just shadows and mirrors. Journal of the Acoustical Society of America 110: 2723.

Brown, C. H. 1994. Sound localization. In Comaparative Hearing Mammals, ed. R.R. Fay and A. N. Popper. New York: Springer-Verlag. pp. 57-97.

Bullock, T. H., T. J. O´Shea and M.C. McClune, 1982. Auditory evoked potentials in the West Indian Manatee (Sirenia: Trichechus manatus). Journal of Comparative Physiology 148:547 - 554

Gerstein, E. R. 1994. The manatee mind: Discrimination training for sensory perception testing of West Indian Manatees (Trichechus manatus). Marine Mammals: Public Display and Research, Vol. 1 ISSN 1077-078, pp. 10-21.



http://www.americanscientist.org/

Documents

Peixes boi bioacústica e barcos - Gerstein, 2002