Pájaros a la carrera: ¿Qué hace que los avestruces sean tan rápidas? Understand article

Traducido por Jorge J. Pérez-Maceira. ¿Qué hace que los avestruces sean rápidos corriendo? Nina Schaller ha pasado casi una década investigando.

Imagen cortesía de John
Carnemolla / iStockphoto

Al admirar a una gaviota volando, o a un pingüino buceando, raramente consideramos que estos emplumados animales tiene algo muy raro en común con nosotros: mientras que la mayoría de los otros animales se mueven sobre cuatro, seis o más patas, las aves y los humanos somos los únicos bípedos verdaderos.

La evolución ha resuelto el desafío de avanzar en dos patas de dos maneras: los seres humanos somos plantígrados (ponemos todo el pie en el suelo cuando caminamos o corremos), mientras que las aves son digitígrados (que caminas sobre los dedos o dígitos).

Algunas especies de aves pueden correr no sólo más rápido que los humanos, si no más rápido que sus equivalentes volando. El más rápido corredor de larga distancia es el avestruz africano (Struthio camelus). A unos estables 60 km/h con velocidades máximas superiores a 70 km/h, podrían correr los 42km del maratón Olímpico en 40 minutos en lugar de las dos horas que necesita un ser humano. Esta extraordinaria combinación de velocidad y resistencia permite al avestruz cubrir grandes distancias en busca de pastos frescos o dejar atrás a las hienas hambrientas.

Nina y una de sus crías
compañeras de trabajo, Tiffy

Imagen cortesía de Gisela
Löffler para Bild der
Wissenschaft

Los científicos han explorado los retos de la locomoción terrestre, en particular las habilidades corredoras de perros y de caballos de carreras. Sin embargo, los estudios sobre los modos de locomoción de aves típicamente han explorado la dinámica de vuelo prestando poca atención a las especies cursoriales (que están especializadas en correr).

Con 10 semanas de edad, los
pollos de avestruz en su
Nuevo hogar

Imagen cortesía de Jürgen Gass

Después de terminar mi licenciatura en biología en 2002, me ofrecí como voluntaria en el zoológico de Frankfurt en Alemania donde quedé fascinada por la capacidad de correr del avestruz y decidí investigarlo. La hipótesis de investigación para mi tesis doctoral fue que el sistema locomotor del avestruz transmite la potencia al suelo con un alto grado de eficiencia, maximizando el rendimiento energético (velocidad y resistencia) y reduciendo al mínimo la demanda de energía (trabajo muscular y metabólico).

Para probar mi idea, me decidí a estudiar la forma y función del aparato locomotor del avestruz. Usando la disección, exploré la anatomía del avestruz, buscando estructuras especializadas de las extremidades que podrían reducir el coste metabólico de la locomoción. Al mismo tiempo, estudié la biomecánica de los avestruces vivos: cómo las fuerzas físicas actúan en su anatomía cuando se mueven.

Para permitir una estrecha observación de las secuencias de movimiento natural, crié a mano tres avestruces en un recinto al aire libre, durante cuatro años, para habituarlos a mí y al circuito experimental. La confianza mutua es crucial: una patada de un avestruz puede matar a un león.

Maximizar la velocidad: las piernas largas y ligeras

En un animal corriendo, las velocidades más altas se consiguen mediante el aumento de la longitud y de la frecuencia de pasos. Las piernas más largas pueden oscilar aún más, y si la masa de la pierna del músculo está localizada proximalmente (cerca del cuerpo), la pata puede oscilar más rápido, de la misma manera que el movimiento del peso ajustable de un metrónomo cerca del pivote aumenta el tempo.

Figura 1: Longitud de los segmentos lineales de las patas; n indica el número de especímenes examinados.
Parte oscilante de la pata:
Hueso del muslo (en posición horizontal): azul oscuro
Hueso de la espinilla: azul pálido
Tarsometatarso: naranja pálido
Dedo principal del pie: naranja oscuro.
Haga clic en la imagen para ampliar

Imagen cortesía de Nina Schaller
Ñandú, Rhea americana
Imagen cortesía de Quartl; origen de la imagen: Wikimedia Commons
Ñandú de Darwin, Pterocnemia pennata
Imagen cortesía de Jennifer Bergk; origen de la imagen: Wikimedia Commons
Emu, Dromaius novaehollandiae
Imagen cortesía de Quartl; origen de la imagen: Wikimedia Commons
Casuario, Casuarius casuarius
Imagen cortesía de Dezidor; origen de la imagen: Wikimedia Commons
Kiwi, Apteryx mantelli
Imagen cortesía de the Maungatautari Ecological Island Trust; origen de la imagen: Wikimedia Commons
El correcaminos mayor, Geococcyx californianus
Imagen cortesía de Back1a5h; origen de la imagen: Wikimedia Commons
Pie de Casuario
Imagen cortesía de Bjørn Christian Tørrissen; origen de la imagen: Wikimedia Commons

Para investigar este principio, comparé la longitud de los segmentos de la pierna (Figura 1) y la distribución de la masa muscular mientras corrían rápidamente, de aves que habitan en el suelo. De todas las aves corredoras, el avestruz posee las piernas más largas en relación a su tamaño y tiene la mayor longitud de paso cuando corren: 5m. Además, a un grado mayor que otras especies de aves, tienen la mayoría de la musculatura de las patas localizada muy arriba en el hueso del muslo y la cadera, mientras que los elementos inferiores oscilantes de su pierna son comparativamente ligeros, movidos por tendones largos y reducidos en masa (Figura 2). Esta disposición optimiza la pata del avestruz para la locomoción a alta velocidad, dándole tanto un paso largo como una frecuencia de paso alta.

Figura 2: Anatomía comparada entre las piernas humanas y las patas de la avestruz: en las ves, el hueso entre el tobillo y los dedos, los metatarsos, es mucho mayor que en los seres humanos, y sirve como equivalente funcional a nuestro hueso de la espinilla. La articulación del tobillo en las aves se encuentra al mismo nivel que nuestra rodilla, lo que explica por qué las aves parecen flexionar el codo al revés. Su articulación de la rodilla real, queda oculta bajo su plumaje y se conecta a la articulación de la cadera a través de un hueso corto y horizontal. Las líneas rojas conectan los puntos anatómicamente equivalentes; las líneas verdes conectan las articulaciones funcionalmente equivalentes.
En el avestruz, la masa muscular se concentra en la parte superior de la pierna; mientras que los tendones largos predominan en las regiones más bajas. Las áreas sombreadas muestran la distribución de la masa muscular importante, las líneas azules indican la ubicación de los tendones principales. Haga clic en la imagen para ampliar

Imagen cortesía de Nina Schaller
Figura 3: Experimento que
muestra la capacidad de los
ligamentos del tobillo
conjuntos para apoyar
pasivamente el peso desde
arriba (sólo el lazo izquierdo
de la pierna izquierda se
muestra). La articulación del
tobillo está contorneada con
protuberancias óseas (en
verde) a cada lado.

Cuando la articulación está
completamente extendida
(168º), los ligamentos en
cada lado (en rojo) se tensan
porque pasan sobre esta
protuberancia, estabilizando
así la articulación.

Cuando el avestruz levanta
sus dedos de los pies del
suelo, la articulación del
tobillo se flexiona por debajo
de 140º y los ligamentos (en
naranja) están libres para
deslizarse alrededor de los
salientes: el mecanismo de
estabilización está relajado.
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Imagen cortesía de Nina
Schaller

Maximizar la resistencia: las articulaciones estables

Una amplia gama de movimientos de la articulación permite a los seres humanos trepar a los árboles o bailar ballet, pero esta flexibilidad tiene un costo. Cuando corremos, la fuerza muscular se utiliza para la propulsión, pero también para evitar el movimiento lateral de las articulaciones, lo que aumenta nuestras necesidades de energía sobre una distancia dada. Yo sospechaba que los avestruces tenían un enfoque más eficiente.

A diferencia de la energía que consumen los músculos y los tendones, los ligamentos pueden actuar como un ‘corsé de la articulación’, lo que limita el movimiento hacia los lados sin consumir energía. Para demostrar que este mecanismo estaba presente, filme a mis avestruces corriendo desde varios ángulos para registrar el rango de movimientos de las piernas. Luego repetí estas medidas en un avestruz intacto muerto, y finalmente con la disección de una pata de avestruz donde todos los músculos y tendones fueron extraídos, quedando sólo el esqueleto y los ligamentos de las articulaciones. El rango de movimiento lateral en las muestras de avestruz vivo o muerto fue casi idéntico. En contraste, la comparación similar en humanos reveló una gran diferencia en el rango de movimiento lateral, especialmente, en la articulación de la cadera, que se estabiliza mediante la acción muscular. Mis mediciones mostraron que los ligamentos son los elementos principales que guían la pata de la avestruz a través de la zancada, lo que permite la potencia muscular se dedique casi exclusivamente a transmitir la propulsión.

Cuando manipulaba las patas diseccionadas de los avestruces, hice un nuevo descubrimiento. Cuando trataba de flexionar la articulación del tobillo, tuve que vencer una cierta resistencia – un hallazgo inesperado en una extremidad sin vida carente de los músculos. Cuando liberé la articulación, volvió a una posición extendida, lo que sugiere que los ligamentos mantienen pasivamente la pata del ave extendida. Para probar esta teoría, ejercí presión desde arriba en la pierna quieta y diseccionada hasta que la articulación del tobillo se desplomó en una posición flexionada (Figura 3). Se requieren 14 kg de fuerza hacia abajo – 28 kg de peso que un avestruz parado en las dos piernas estaría obligada a apoyar activamente al caminar o correr. Este experimento demostró que el ahorro de energía metabólica mediante ligamentos como un mecanismo pasivo-estabilizador de la pierna es una estrategia locomotriz resistencia excelente.

Toma de contacto con el suelo

Figura 4: “Pie” derecho de un
avestruz. De izquierda a
derecha: Posición parada
promedio con los dedos
laterales más pequeños
estabilizadores; esqueleto del
pie (flechas rojas indican
articulación del dedo
elevada); el “pie” visto desde
arriba; el “pie” visto desde
abajo. Distal = lejos del
cuerpo; Proximal = cerca del
cuerpo. Haga clic en la
imagen para ampliar

Imagen cortesía de Nina
Schaller

Hemos visto que los miembros ligeros son una condición previa para la rápida, eficiente locomoción y de la única vía para que el avestruz logre esto es mediante la concentración de la masa muscular de la pierna cerca de la cadera. Otra estrategia para la reducción de la masa inferior de la pierna implica la morfología especializada y la posición de los pies. Esto también se puede observar en otros animales corredores; como los caballos modernos, por ejemplo, que han evolucionado a partir de antepasados de cinco dedos para galopar en la uña de su dedo medio – la pezuña. El avestruz ha experimentado una evolución similar: mientras que la mayoría de las aves tienen cuatro dedos del pie y la mayoría de las grandes aves no voladoras tienen sólo tres, el avestruz es la única entre las aves que tiene sólo dos dedos en los pies (Figura 1). Además, es la única ave que camina sobre las puntas de sus dedos de los pies.

Me preguntaba cómo esta, el ave viviente más grande y pesado, se las arregla para el equilibrio y el agarre a alta velocidad en la punta de los pies. Dado que no existe un método establecido para investigar la función del dedo en aves vivas, usé una placa de presión, comúnmente usadas por los ortopedistas para analizar la distribución de la presión en los pies humanos. Entrené mis avestruces para caminar y correr sobre la placa, capturando en alta resolución a tiempo real los datos de la presión del “pie” del avestruz durante el contacto con el suelo. Esto demostró que el dedo gordo del pie soporta la mayoría de la masa corporal, mientras que el dedo más pequeño evita que el avestruz pierda el equilibro al actuar como un estabilizador, especialmente durante el lento caminar.

Figura 5: Perfil de
distribución de carga del
“pie” derecho de un avestruz
grabado con una placa de
presión. Las áreas en rojo
indican carga muy alta, las de
color azul oscuro indican
menor carga. Haga clic en la
imagen para ampliar

Imagen cortesía de Nina
Schaller

A altas velocidades, las plantas de los pies amortiguan suavemente las tensiones del impacto, mientras que el resorte de la postura de puntillas actúa como un amortiguador adicional del impacto (flechas rojas en la Figura 4). La garra apenas hace contacto con el suelo durante la marcha, pero ejerce presiones de hasta 40 kg/cm² cuando el ave corre. La garra penetra en el suelo como un pico de martillo para asegurar un agarre fiable a 70 km/h – velocidad máxima con minimización de energía, ideal para la carrera de resistencia en el nivel de suelo de la sabana africana (Figura 5).

Aplicaciones prácticas

Mi investigación ha recorrido un largo camino para mejor nuestra compresión de cómo el avestruz corre tan rápido durante tanto tiempo. Ahora que entendemos estas estrategias biomecánicas, perfeccionadas más de 60 millones de años de evolución, podemos ser capaces de adaptarlas en las nuevas tecnologías como robótica bípeda, sistemas de suspensión, y en ingeniería de estabilización común. Ya, algunos de mis hallazgos han inspirado a los desarrolladores de prótesis “inteligentes” humanas para adaptarse a las características de las patas y de los pies de los avestruces, que puede permitir a amputados una gama más amplia de la función y la maniobrabilidad.

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Resources

Author(s)

Después de terminar sus estudios de biología en la Universidad de Heidelberg, Alemania, Nina Schaller se ofreció en el Zoológico de Frankfurt, donde un excepcionalmente amable avestruz despertó su interés en este vertebrado terrestre único. Durante los últimos nueve años, ha estudiado la forma de correr sin precedentes del ave viviente más grande. Ella abrió en campo de los avestruces y ha colaborado con universidades e instituciones de investigación en Amberes, Bélgica; Viena, Austria; Frankfurt y Múnich, Alemania; y Toronto, Canadá. El enfoque interdisciplinario de Nina llevó al descubrimiento de las estrategias de conservación de la energía que explican cómo el avestruz gestiona la vida en el carril rápido.


Review

La declaración sorprendente, pero obvia, que “los pájaros y los humanos son los únicos bípedos verdaderos” da cuenta de la investigación que Nina Schaller ha estado haciendo durante casi una década. Ella nos ofrece una imagen de la aproximación multidisciplinar a un fenómeno complejo – la velocidad excepcional y la resistencia del avestruz – la investigación de la biomecánica y la eficiencia del funcionamiento del ave por medio de la anatomía (disección) y la fisiología (estudio funcional). Los recursos que aparecen, además, proporcionan una gran cantidad de material de información y enseñanza sobre el avestruz y la locomoción humana.

El artículo sería una forma interesante y útil para abordar temas de la biología (biomecánica – huesos, músculos, tendones y ligamentos; evolución – homología y analogía) y física (eficiencia, fuerza, velocidad, resortes y movimiento), tanto en enseñanza secundaria como en bachillerato. Por ejemplo, podría ser utilizado para hacer frente a la biomecánica del caminar y correr de diferentes especies, la evolución de la locomoción bípeda en las aves y los seres humanos, y los aspectos funcionales de las prótesis de miembros inferiores (por ejemplo los utilizados por el corredor de spring Oscar Pistorius). También podría proporcionar valiosa lectura de fondo antes de una visita a un museo de historia natural o un zoo, o a un laboratorio de robótica.

Se incluyen preguntas adecuadas de compresión:

  1. La hipótesis de la investigación de Nina Schaller era que el sistema locomotor del avestruz:
    1. maximiza el rendimiento energético y la demanda de energía
    2. minimiza el gasto energético y aumenta la demanda de energía
    3. maximiza el rendimiento energético y reduce al mínimo la demanda de energía
    4. minimiza el gasto energético y la demanda de energía.
  2. Las patas de avestruz tienen
    1. la musculatura localizada elevada en el hueso del muslo y los tendones cortos
    2. la musculatura localizada elevada en el hueso del muslo y los tendones largos
    3. la musculatura localizada baja en el hueso del muslo y los tendones cortos
    4. la musculatura localizada baja en el hueso del muslo y los tendones largos.

Giulia Realdon, Italia




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