Su cabeza difiere considerablemente de una especie a otra. La cabeza de muchos murciélagos recuerda la de otros animales como pueden ser los ratones, pero tienen estructuras diferenciales en los quirópteros. Muchos tienen láminas nasales u otras estructuras en la cara, que sirven para emitir o potenciar los ultrasonidos. Las orejas, que en muchas especies son de gran tamaño, a menudo están dotadas de surcos o arrugas, además del trago, un lóbulo de piel que mejora su capacidad de ecolocación.
Los microquirópteros tienen una visión dicromática en blanco y negro, mientras que los megaquirópteros ven en color.24 Aunque los ojos de la mayoría de los microquirópteros son pequeños y están poco desarrollados, con una baja agudeza visual, no se puede decir que sean casi ciegos. Utilizan la vista como ayuda en la navegación, especialmente en distancias largas, a las que no alcanza la ecolocación. Según investigaciones recientes, algunas especies también perciben la luz ultravioleta, que es la reflejada por algunas flores, lo que les ayudaría a encontrar néctar.25 Algunos disponen de un sentido de magnetocepción, lo que les permite orientarse utilizando el campo magnético terrestre, de manera similar a las aves migratorias y otros animales, y les ayuda a orientarse durante sus vuelos nocturnos.26 Al carecer de ecolocación, los ojos de los megaquirópteros están más desarrollados que los de los microquirópteros, y emplean el olfato y la vista para orientarse y localizar su alimento; su capacidad para captar la luz se intensifica por numerosas proyecciones de los bastoncillos de la retina.15
Tienen generalmente entre 32 y 38 dientes, de los cuales están especialmente desarrollados los caninos. La evolución de diferentes modos de alimentación ha desarrollado múltiples configuraciones dentales, y en este orden de mamíferos se conocen unas 50 fórmulas dentales diferentes; el vampiro común (Desmodus rotundus), con veinte dientes, es una de las especies de quiróptero con menor número. Los dientes de los microquirópteros son similares a los de los animales insectívoros; están muy afilados con el fin de penetrar el duro exoesqueleto de los insectos o la piel de la fruta. Los de los megaquirópteros están adaptados para morder la dura piel de algunos frutos.
La especie Anoura fistulata tiene la lengua más larga en relación a la medida corporal de todos los mamíferos. Con su lengua larga y estrecha puede llegar al fondo de muchas flores con receptáculo cónico y alargado, y le ayuda a polinizar y alimentarse. Cuando retracta la lengua, se enrolla dentro su caja torácica.27
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