Plumas: uno de los inventos más ingeniosos de la evolución
(scientificamerican.com)- El joven Bar-tailed Godwit B6 voló en octubre de 2022 desde Alaska hasta Tasmania, recorriendo 8,425 millas sin detenerse durante 11 días; sus plumas hicieron posible ese viaje al aislarlo del frío, repeler el agua y formar superficies de vuelo
- Desde la década de 1990, los fósiles muestran que las plumas no eran exclusivas de las aves, sino que estaban ampliamente presentes en varios dinosaurios terópodos, y que las plumas primitivas podrían remontarse al ancestro común de los dinosaurios y los pterosaurios
- En las plumas de vuelo, lo importante no es solo la diferencia entre izquierda y derecha, sino la asimetría aerodinámica: la lámina posterior debe ser al menos 3 veces más ancha que la anterior para contribuir a la estabilización durante el vuelo
- Las plumas cumplen funciones de aislamiento, exhibición, apoyo auditivo, vuelo silencioso y reducción de la resistencia bajo el agua, y varían enormemente según la especialización ecológica en aves como búhos, colibríes y pingüinos
- El acoplamiento tipo Velcro, la supresión de ruido en los búhos y el control de la capa límite en los pingüinos han derivado en tecnologías aplicadas como sistemas de fijación temporal, reducción de ruido en ventilación y prototipos de robótica
El vuelo de larga distancia de B6 y el papel de las plumas
- En octubre de 2022, un joven Bar-tailed Godwit con nombre en clave B6 voló desde su zona de nacimiento en Alaska hasta su área de invernada en Tasmania durante 11 días
- La distancia total fue de 8,425 millas
- Siguió batiendo las alas sin aterrizar, comer ni beber agua
- Su velocidad terrestre promedio fue de 30 millas por hora
- En este vuelo actuaron en conjunto la fuerza muscular, una alta tasa metabólica y la tolerancia fisiológica a niveles elevados de cortisol, entre otros factores
- Las plumas realizan varias funciones a la vez para permitir que un ave pequeña resista unas 250 horas
- Mantienen el cuerpo caliente por la noche mientras vuela sobre el Pacific Ocean
- Repelen la lluvia
- Forman la superficie de vuelo de las alas y contribuyen a la sustentación y la propulsión
Las plumas aparecieron antes que las aves
- Hoy, los únicos animales con plumas son las aves, pero los hallazgos fósiles desde la década de 1990 muestran que las plumas no fueron una invención exclusiva de las aves
- Las plumas estaban ampliamente distribuidas en varias líneas de terópodos (theropods), dinosaurios carnívoros bípedos, y las aves las heredaron de sus ancestros terópodos
- Las plumas primitivas posiblemente se remonten al ancestro común de los dinosaurios y los pterosaurios
- Es posible que estructuras simples tipo cerda, coberturas plumosas y formas parecidas a plumas hayan existido en una variedad mucho mayor de dinosaurios que la preservada en el registro fósil
- Las plumas pennáceas (pennaceous feathers), anchas y planas, también aparecieron antes que las aves
- Estas plumas son estructuras capaces de permitir el vuelo que suelen verse en las alas y la superficie corporal de las aves modernas
- El linaje Pennaraptoran, que incluye a las aves y a especies como Velociraptor, recibe su nombre de estas plumas
La clave de las plumas de vuelo no es su forma, sino cómo funcionan
- La capacidad de vuelo de los primeros Pennaraptoran sigue siendo motivo de debate
- Algunas especies probablemente no podían volar porque sus “alas” eran pequeñas en relación con su gran tamaño corporal
- En ese caso, las plumas pennáceas podrían haber servido principalmente para exhibición
- La interpretación es más difícil en dinosaurios pequeños de bosque y cuatro alas, como Microraptor
- En el pasado, la asimetría de la lámina (vane asymmetry) se consideraba importante para evaluar la posibilidad de vuelo
- En las aves modernas voladoras, las plumas primarias de la mano tienen la lámina anterior más estrecha que la posterior
- También hay plumas asimétricas en fósiles de especies cercanas a Microraptor, lo que se usó como evidencia para apoyar la posibilidad de vuelo
- Estudios recientes de biomecánica del vuelo muestran que la simple asimetría anatómica no basta
- Lo importante es la asimetría aerodinámica
- La lámina posterior debe ser al menos 3 veces más ancha que la anterior para que la torsión de la pluma contribuya a la estabilización durante el vuelo
- Si la proporción es menor, la torsión de la pluma provoca inestabilidad en lugar de estabilización
- Microraptor, un Pennaraptoran temprano, no tenía plumas con ese nivel de asimetría aerodinámica
- Sin embargo, si las plumas se superponen de forma muy compacta y no se separan, pueden ser estables incluso sin asimetría
- La asimetría es importante cuando hay slotting, es decir, separación de las plumas primarias, como en las rapaces modernas
- Es posible que Microraptor tuviera alas largas y estrechas, con puntas compactas y sin slots
Los slots en las alas de las aves y la evolución repetida del vuelo en dinosaurios
- Un equipo dirigido por Michael Pittman revisó en conjunto la asimetría de la lámina y los datos sobre los músculos de vuelo de dinosaurios cercanos a las aves
- El equipo considera probable que el vuelo batido, no solo el planeo, haya evolucionado varias veces en los dinosaurios
- El único linaje que sobrevivió hasta hoy es el de las aves
- Solo en las aves las plumas de vuelo alcanzaron el nivel de capacidad de deformación de forma que vemos hoy
- La capacidad de las plumas para torcerse adecuadamente hace posibles los slots en las puntas de las alas
- Los slots aumentan la eficiencia del ala a bajas velocidades de vuelo
- Un ala con slots funciona como si fuera más larga y estrecha que su longitud anatómica
- La punta del ala se vuelve más resistente a la pérdida, reduciendo la pérdida de sustentación
- Esta estructura influye en distintos modos de vuelo
- Aves marinas como albatross y petrel planean de forma eficiente con alas largas y estrechas
- Los slots permiten planear incluso con alas más anchas, lo que hizo posible la evolución de aves planeadoras de alas anchas como vulture y hawk
- También contribuyen a los vuelos cortos y explosivos de aves como grouse
- Mejoran la maniobrabilidad de aves que viven en bosques y entornos complejos, desde songbird hasta toucan
- La maniobrabilidad que hicieron posible las alas con slots pudo haber ayudado a las aves a competir con los pterosaurios y a resistir la extinción masiva de fines del Cretácico
Tipos de plumas y cómo se desarrollan
- Las plumas de las aves varían en tamaño, forma y función según la parte del cuerpo
- La forma de las plumas puede entenderse como un espectro
- En un extremo están las plumas de vuelo grandes y relativamente rígidas de las alas y la cola
- En el otro extremo está el plumón, corto y suave, pegado al cuerpo para atrapar el calor
- Todas las plumas tienen un eje central y ramas suaves que se desprenden de ese eje, llamadas barbas (barbs)
- Las barbas de las plumas de vuelo se enganchan como dientes de Velcro para crear una lámina lisa y resistente al viento
- Las barbas del plumón son sueltas y esponjosas, y atrapan el calor
- Las contour feather tienen una punta en forma de lámina como las plumas de vuelo y barbas sueltas como el plumón
- Las bristle feather alrededor del rostro pueden cumplir funciones de protección y sensibilidad, combinando un eje rígido con una base suave
- Las plumas son anexos cutáneos, al igual que las escamas, las espinas y el pelo
- Las plumas pennáceas comienzan como una estructura tubular que se abre longitudinalmente para formar dos láminas
- Varios genes y moléculas interactúan con el entorno para determinar la estructura de las plumas
- El grado de enganche de las barbas que forman la lámina
- El tamaño y la forma del eje, llamado rachis
- La presencia o ausencia de una estructura espumosa interna en el eje que aumenta la rigidez en relación con el peso
- Las diferencias entre tipos de plumas dependen en parte de diferencias genéticas, pero en su mayoría provienen de cambios en la regulación génica, como cuándo se activan o desactivan los genes durante el desarrollo de la pluma y qué tan activos están
Las plumas de exhibición también son resultado de compromisos mecánicos
- Las plumas de exhibición son plumas llamativas que atraen pareja
- Pueden destacar por su color, como las brillantes plumas de la garganta de hummingbird
- Pueden crecer en grandes proporciones, como la cresta y la cola de peacock
- Tradicionalmente, las plumas de exhibición se han considerado producto de la selección sexual, en la que la elección de pareja impulsa la evolución de rasgos
- Una corriente reciente de investigación ve las plumas de exhibición como un compromiso complejo entre presiones sociobiológicas y mecanobiológicas
- Las plumas largas de exhibición no crecen en cualquier parte del cuerpo
- Aparecen sobre todo por debajo de la espalda y en la cola, ubicaciones donde interfieren relativamente poco con el rendimiento de vuelo
- Los machos de Resplendent Quetzal pueden desarrollar plumas de la cola de hasta 3 pies durante la temporada reproductiva
- En algunas aves, las largas plumas de la cola pueden generar fuerzas aerodinámicas suficientes para sostener una parte considerable del peso adicional
- Las largas plumas de la cola del quetzal pierden su estructura de enganche compacta y se vuelven una forma intermedia entre las plumas pennáceas y el plumón
- Esta estructura permite que pase mucho aire, por lo que no genera gran sustentación y probablemente sea una adaptación que reduce la inestabilidad
- Las plumas de exhibición agregan resistencia y aumentan el costo del vuelo, pero ese costo puede ser menor de lo que se suponía
- En particular, la microestructura de los streamer de la cola ofrece un equilibrio entre rigidez, peso y forma
- Deben mantener su forma lo suficiente para funcionar como señal
- No deben ser tan rígidas como para desestabilizar al ave durante ráfagas de viento o maniobras bruscas
Plumas de búho: concentran el sonido y eliminan el ruido de vuelo
- El disco facial de los búhos es un amplio abanico semicircular de plumas alrededor de los ojos y los oídos
- El cráneo real es largo y estrecho, pero las plumas que rodean el rostro cambian mucho la apariencia externa del búho
- El disco facial no existe solo por apariencia: sirve para concentrar el sonido hacia los oídos
- Oídos desplazados verticalmente
- Estructuras de oído medio e interno muy sensibles
- Gracias a esta combinación, los búhos pueden apuntar a la ubicación de sus presas sin verlas
- Aun así, también usan la vista para la captura final
- Una audición extraordinaria por sí sola no basta
- Si las plumas de las alas hacen ruido, es difícil acercarse a una presa alerta
- El ruido del propio vuelo puede tapar los sonidos sutiles de la presa
- Los búhos evolucionaron características en sus plumas que los vuelven casi inaudibles durante el vuelo
- La superficie de las plumas tiene una textura aterciopelada, que reduce el ruido cuando se rozan entre sí
- Las plumas del borde de ataque del ala tienen una estructura de peine
- Las plumas del borde de salida del ala tienen flecos parecidos a plumón
- El peine del borde de ataque genera microvorticidad (micro vorticity) en el aire, haciendo que el flujo principal permanezca adherido al ala
- Cuando ese flujo pasa por los flecos del borde de salida, se crea una estela sin ondas coherentes de presión lineal y, como resultado, no se produce sonido
- Los búhos modernos se dividen en dos grupos: tytonid y strigid
- Ambos grupos presentan vuelo silencioso
- Su último ancestro común existió hace al menos 50 millones de años
- Es posible que los rasgos de vuelo silencioso se remonten a ese ancestro común
Adaptaciones extremas de las plumas en colibríes y pingüinos
- Las plumas más rígidas aparecen en dos grupos muy distintos entre sí: colibríes y pingüinos
- Los colibríes usan una frecuencia de aleteo muy alta y una trayectoria de batido particular cuando se quedan suspendidos frente a una flor para chupar néctar
- A diferencia de la mayoría de las aves, obtienen una parte considerable del soporte de peso y la propulsión no solo en el golpe descendente, sino también en el ascendente
- Lo logran rotando el hombro para invertir por completo el ala
- Este mecanismo requiere un ala muy rígida
- La rigidez proviene del refuerzo de los huesos del ala y de plumas con un rachis muy duro
- Los pingüinos, que no vuelan, modificaron sus plumas para la vida en el agua y en tierra
- La cobertura de todo el cuerpo se transformó en un mosaico denso de plumas pequeñas
- Cada pluma individual es muy rígida
- En conjunto forman una superficie texturizada en las alas y el cuerpo, que regula la capa límite del agua durante la natación
- La cubierta externa rugosa de las plumas de los pingüinos retiene una chaqueta de agua lisa, reduce la resistencia y baja el costo energético de nadar
- Las plumas densas atrapan algo de aire y proporcionan aislamiento, pero no hacen que el pingüino flote en exceso
- Al desaparecer las restricciones del vuelo, los pingüinos abandonaron el plumaje típico de sus ancestros y obtuvieron plumas que reducen la resistencia y minimizan la flotabilidad
- Esta adaptación ayuda a los pingüinos a bucear a más de 1,600 pies para buscar krill, fish y presas submarinas
Pistas que las plumas le dieron a la tecnología
- Las plumas son un sistema modelo útil para entender cómo evolucionan las estructuras complejas y cómo la anatomía y el comportamiento se influyen mutuamente con el tiempo
- Varias características de las plumas ya derivaron en innovaciones tecnológicas en la ciencia aplicada
- El mecanismo tipo Velcro que conecta las barbas de las plumas pennáceas se convirtió en la base de sistemas avanzados de fijación temporal
- Los flecos supresores de ruido de las plumas de búho inspiraron sistemas para reducir el ruido de ventilación
- La textura superficial y los principios de control de la capa límite de las plumas de pingüino se aplican principalmente en prototipos de robótica
- Las plumas implementan funciones tan distintas como aislamiento, vuelo, exhibición, sigilo y eficiencia al nadar dentro de una misma familia de estructuras biológicas
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Es un artículo interesante, y no trataba solo de plumas. En los apéndices de la piel todavía hay muchos enigmas genéticos sin resolver; por ejemplo, me da curiosidad cómo las uñas y el cabello de los humanos crecen solo en una dirección, y siempre de esa manera.
El Microraptor mencionado de pasada me llamó especialmente la atención: tenía cuatro alas. No significa que se pareciera a un dragón; si fuera un dragón tendría que ser un insecto, pero era un tetrápodo común que usaba sus cuatro extremidades para volar. Al volar probablemente se veía como un F-35.
Al final parece que pasar a dos alas fue lo óptimo, no solo por la movilidad en tierra, sino también por la optimización bidireccional de la fúrcula y los músculos pectorales. Debe haber sido difícil meter suficiente potencia en unas patas traseras de doble uso y, lamentablemente, el artículo de Wikipedia sobre Microraptor no profundiza en esta parte.
Además, tampoco es fácil decir que las aves sean claramente los vertebrados voladores actuales más optimizados.
¿Cómo “sabe” el vello de brazos y piernas cuál es su límite de longitud?
Siguen creciendo hacia afuera, pero es difícil decir que el control de dirección sea perfecto.
Además, si no se tiene cuidado, la turbulencia y los vórtices generados por las alas delanteras pueden arruinar las alas traseras.
Si la Tierra vuelve a calentarse durante millones de años hasta parecerse otra vez a la sauna de la era de los dinosaurios, quizá los mamíferos ya no estén en ventaja. Tal vez sea hora de recibir a nuevos gobernantes aviares.
Quizá evolucionen a partir de cuervos; de todos modos, en muchos aspectos están más optimizados. Lo lamentable es que no habría reservas de carbón, petróleo y gas natural para construir una civilización industrial temprana.
Incluso en el peor de los casos, solo tendrían que inventar la técnica de convertir madera en carbón vegetal y carbón vegetal en coque para hacer un fuego lo bastante caliente como para fundir hierro. El aluminio resiste bastante bien la oxidación y puede fundirse con una buena fogata de leña, y es muy probable que las especies aviares prefieran los metales ligeros.
Esos monstruos tenían más de 10 m de envergadura, eran depredadores ápice y sus cuerpos estaban hechos para eso. Ya que estamos, ¿no sería mejor crear un dragón digno de verse…?
Los “nuevos gobernantes aviares” en realidad tampoco serían nuevos. Las aves son terópodos, como el T-Rex, así que simplemente estarían volviendo a su forma original.
https://archive.is/20240416202627/https://www.scientificamer...
Buen artículo. Aun así, dudaría un poco en llamar a las plumas uno de los inventos más ingeniosos de la evolución.
La naturaleza está llena de asombrosa ingeniería evolutiva, desde lo enorme hasta lo sofisticado, lo diverso y lo diminuto. El corazón de la ballena azul, el cerebro del linaje humano, las distintas formas de ojos —compuestos, estenopeicos y con cristalino—, hasta los glóbulos blancos: donde mires hay logros de ingeniería admirables.
Creo que las plumas serían una de esas cosas.
En octubre de 2022, un ave con el nombre en clave B6 estableció un récord mundial aviar que recibió poca atención fuera del campo de la ornitología. B6, un joven zarapito colipinto, voló 8,425 millas durante 11 días desde sus zonas de cría en Alaska hasta sus zonas de invernada en Tasmania sin detenerse ni una sola vez.
A esta asombrosa capacidad atlética contribuyen varios factores, como la fuerza muscular, una alta tasa metabólica y la capacidad fisiológica de tolerar niveles elevados de cortisol.
Hay un dato interesante que el artículo omitió: durante estos vuelos de larga distancia, las aves duermen con solo la mitad del cerebro a la vez. Por eso no se caen del cielo al quedarse dormidas.
Otro dato interesante: las personas también tienen microsueños al conducir largas distancias. Los ojos están abiertos y las manos sujetan el volante, pero el cerebro pierde la conciencia durante unos segundos. Normalmente ni siquiera nos damos cuenta…
Hay una expresión que dice que “no aterrizó, no comió, no bebió y no dejó de batir las alas”, pero entiendo que distancias tan enormes son posibles no tanto por un simple “batir de alas”, sino porque, al cruzar el océano, aprovechan con pequeños ajustes las fuerzas poderosas que existen entre las corrientes de aire y las olas.
Por ejemplo, existe el caso de un planeador a control remoto sin motor que registró más de 548 millas por hora usando solo la energía natural del viento y la gravedad.
https://www.youtube.com/watch?v=4eFD_Wj6dhk
https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_soaring
Si alguna vez la has visto en la naturaleza, entenderás por qué. Es un ave que solo bate las alas; no tiene otro modo de vuelo.
En cambio, los albatros sí usan el planeo dinámico y a veces vuelan distancias mayores que la aguja colipinta. Pueden dar varias vueltas al océano Austral. Además, los albatros tienen la ventaja adicional de poder descansar sobre el agua, cosa que la aguja colipinta no puede hacer.
Probablemente esa sea la razón por la que los tiburones han sobrevivido tanto tiempo. Pueden ser extremadamente resistentes a los estados de hambruna.
No pude ir a Parker Mountain, pero las historias de esa gente eran buenísimas. 100G encuentra los puntos débiles del modelo y, por lo general, los revela de forma explosiva.
El surf de pelícanos también es divertido: https://www.youtube.com/watch?v=cEFrSycTvRk
Es un artículo realmente bueno. Sé que algunos de los primeros evolucionistas se quebraban la cabeza con la evolución de las plumas y las alas, porque parece difícil que hayan evolucionado de forma gradual.
Si no alcanzan para planear, un pequeño aleteo emplumado no parece aportar mucha ventaja.
Una de las principales hipótesis es que las plumas evolucionaron para mantener calientes a los animales, ya que también son un buen aislante. Me pregunto si esa sigue siendo la teoría principal.
https://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_avian_flight#Hypothe...
Video sobre la hipótesis de la “carrera cuesta arriba asistida por alas”:
"The Origin of Flight--What Use is Half a Wing?" https://www.youtube.com/watch?v=JMuzlEQz3uo
Antes pensaba que las plumas o las alas habrían evolucionado primero en organismos marinos. Incluso una cubierta muy pequeña o mini alas/aletas podrían mejorar la hidrodinámica o el control al nadar, así que no habría necesidad de saltar de golpe de un estado inútil a uno capaz de volar. No busqué si realmente fue así.
Con una búsqueda rápida encontré esta frase:
“Por lo tanto, las primeras plumas se usaban para aislamiento, comunicación e impermeabilización, no para aerodinámica ni vuelo.”
https://www.britannica.com/animal/bird-animal/The-origin-of-...
“Las dos principales teorías competidoras publicadas se basan en que las plumas servían como aislamiento contra la pérdida de calor corporal, y en que proporcionaban superficies aerodinámicas para el vuelo. Sin embargo, debido a la falta de conocimiento sobre la función y las relaciones ecológicas de las protoplumas y de las plumas más primitivas, es imposible contrastar estas teorías, o las otras propuestas en este simposio, de manera sólida contra observaciones empíricas objetivas para determinar cuál queda refutada o cuál es la más probable.”
https://academic.oup.com/icb/article/40/4/478/101404#
Lo interesante de la ciencia evolutiva es que no necesita un modelo subyacente para verificar si una invención así es realmente posible; basta con que esa invención pueda existir.
Básicamente, en la evolución se puede decir que cualquier cosa es posible, y eso a mí no me suena muy científico.
Incluso podría verse como algo no científico, porque falta la intención dirigida detrás de ella. Para mí, la evolución no es producto de un esfuerzo consciente, sino un comportamiento emergente de los individuos y sistemas que participan.
Si tomamos la definición de “ciencia” de Wikipedia, es “un esfuerzo riguroso y sistemático que construye y organiza conocimiento en forma de explicaciones y predicciones comprobables sobre el mundo”. En la evolución claramente ocurre la comprobación, pero no es un esfuerzo sistemático, o al menos no estoy seguro de que lo sea.
Porque, independientemente de la política, es decir, de lo que piensen los demás, solo sobrevive lo que funciona.
Otra característica que hace realmente asombrosas a las aves es que, si no me equivoco, absorben oxígeno tanto al inhalar como al exhalar.
Las plumas son increíbles, pero para que una criatura como B6 vuele durante 10 días seguidos hace falta una cantidad enorme de energía.
En cambio, la parte de los pulmones de las aves que extrae oxígeno se parece más a un disipador de calor por el que el aire pasa en una dirección constante, en lugar de una estructura en la que el aire va y viene.
Mi esposa tiene un loro gris africano, y a veces, cuando simplemente lo miro, me asombra sentir que estoy viendo frente a mí algo que puede remontarse hasta los dinosaurios.
También es bastante inteligente. Reconoce personas y objetos, y usa palabras asociándolas con ellos. Por ejemplo, si un gato negro entra a la cocina a ver si hay algo de comer, dice “Get out”, tal como lo haría yo.
Como es una especie que vive en los árboles del trópico, no tiene glándula uropígea para aceitarse las plumas, pero sí tiene plumón que, al acicalarse, se deshace finamente y se convierte en polvo.