E13 Propagação, Atenuação, Ruído e Incerteza

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Todo sinal físico neste ambiente se degrada durante sua propagação por meio de dois mecanismos distintos que atuam simultaneamente: atenuação geométrica, a mesma diluição de energia que aumenta com a distância percorrida, conforme descrito por outro modelo deste sistema, e absorção, na qual a mesma energia da onda é convertida em calor à medida que o sinal passa pelo meio que o transporta. O fato de ambos os mecanismos atuarem em conjunto sobre este sinal significa que, consequentemente, ele se degrada muito mais rapidamente do que se degradasse por apenas um deles.

Este ruído representa o limite fundamental para qualquer sensor que tente detectar este sinal já atenuado: mesmo em temperaturas ambientes típicas, a agitação térmica de qualquer resistência elétrica ou mecânica gera flutuações espontâneas dentro do próprio sensor, que, consequentemente, competem com o sinal já fraco que ele está tentando detectar. Dentro de um neurônio, esse mesmo ruído térmico compete com os sinais mais fracos do ambiente, estabelecendo assim o limiar mínimo de detecção biológica que o neurônio pode atingir. O fato de este sinal do ambiente ser ainda mais fraco significa que esse mesmo ruído térmico compete com ele mais facilmente e, consequentemente, a detecção biológica deste sinal torna-se mais difícil de alcançar.

A relação entre esse sinal útil e esse ruído térmico mostra que a sensibilidade de um sensor — a mesma sensibilidade já estabelecida por outro modelo neste conjunto — pode ser melhorada tanto pela redução da temperatura desse sensor (embora todos os seres vivos permaneçam sempre acima de uma temperatura mínima imposta pela própria vida) quanto pela redução da largura de banda desse mesmo sensor — a mesma noção de largura de banda já estabelecida por outro modelo neste conjunto — para torná-lo mais seletivo em frequência. Os filtros sintonizados do ouvido, em sua membrana basilar, e os filtros de cor do olho, em seus cones, são, portanto, implementações biológicas concretas dessa mesma estratégia de redução da largura de banda de cada sensor. Quando um sensor biológico se torna mais seletivo em frequência, com uma largura de banda mais estreita, sua sensibilidade melhora, de acordo com a mesma relação entre o sinal útil e o ruído térmico.

O princípio da incerteza entre tempo e frequência afirma que nenhum sensor consegue atingir simultaneamente alta resolução temporal e alta resolução espectral para o mesmo sinal: um som muito breve, como um clique, apresenta, consequentemente, um espectro de frequência muito amplo, enquanto uma nota musical pura, com um espectro de frequência muito estreito, requer uma duração muito maior para ser distinguida com precisão. Essa mesma limitação restringe tanto a localização temporal precisa de uma fonte sonora nesse ambiente quanto a discriminação tonal simultânea de diversas fontes sonoras diferentes. Como um sensor biológico precisa discriminar com mais precisão entre várias frequências sonoras diferentes, esse mesmo princípio da incerteza implica que o sinal sonoro deve, portanto, durar mais tempo para atingir esse objetivo.

Portanto, esse modelo, com sua atenuação inerente durante a propagação e o princípio da incerteza, faz com que a dispersão de um sinal em um meio não ideal amplie a resolução temporal de qualquer pulso breve desse sinal à medida que se propaga. Cada frequência que compõe esse mesmo pulso viaja, nesse meio não ideal, a uma velocidade ligeiramente diferente das demais, degradando, consequentemente, a resolução temporal com a qual esse modelo foi desenvolvido. Dentro do olho, essa mesma dispersão cromática da lente é parcialmente compensada pela distribuição de cones já estabelecida por este modelo. Enquanto isso, dentro de um sistema de sonar biológico, como o de um morcego ou um golfinho, o meio aquático ou aéreo por onde esse pulso passa introduz muito pouca dispersão, preservando assim a resolução temporal do pulso emitido por esse animal.

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