Poesía en movimiento: la física de fluidos en la natación de caracoles marinos

mariposa marina

Cada especie tiene un estilo distinto de nadar y hundirse, dependiendo de la forma de su concha

En los océanos del mundo, miles de millones de pequeños caracoles marinos (una forma de plancton) se desplazan diariamente entre las aguas superficiales, donde se alimentan por la noche, a profundidades de varios cientos de metros durante el día para descansar mientras evitan a los depredadores.

Los caracoles marinos juegan un importante papel en los ciclos geoquímicos y el clima: el 12-13% del flujo de carbonato global ocurre cuando las conchas de carbonato de calcio de los caracoles muertos se hunden en las profundidades, donde se disuelven y contribuyen al carbono atmosférico y la acidificación del océano.

Pero debido a que son difíciles de estudiar y no se pueden guardar en el laboratorio, el comportamiento de estos animales, que llevan poéticos nombres como mariposas marinas, es poco conocido, especialmente en las regiones tropicales y subtropicales donde es mayor su diversidad.

Aquí, un equipo de oceanógrafos e ingenieros que se especializan en la investigación en la intersección de la física de fluidos y la biología, filman los movimientos de los caracoles marinos tropicales y los analizan desde una perspectiva ecológica y física de fluidos.

modelos 3D de caracoles marinos

Imagen: Modelos tridimensionales de diversas especies de caracoles marinos. (A) Heliconoides inflatus, (B) Limacina bulimoides, (C) Cuvierina atlantica, (D) Hyalocylis striata, (E) Diacria trispinosa, (F) Styliola subula, (G) Creseis clava, (H) Pneumoderma atlantica, (I ) Heteropod sp. Los modelos no están dibujados a escala.

Muestran que cada especie tiene un estilo distinto de nadar y hundirse, hermoso de observar, dependiendo de la forma de su concha (enrollada, alargada o redonda), el tamaño del cuerpo, la presencia de "alas" batientes y la velocidad. Las especies más pequeñas y lentas tienen más dificultad para nadar debido a que el agua de mar es más "pegajosa" y más viscosa para ellas —en términos técnicos, con un "número de Reynolds" más bajo, lo que afecta el ángulo, la trayectoria y la estabilidad de su movimiento.

"Queríamos responder cómo se ve afectado el comportamiento de natación de estos hermosos animales por sus diferentes formas y tamaños de la concha. Descubrimos que las especies con una concha en forma de ala de avión nadan más rápido y son más maniobrables que las que tienen una concha en espiral. Comprender la capacidad de natación de estos animales nos ayuda a comprender mejor su importancia ecológica y su distribución en el océano. Además, como ingenieros, esperamos aprender del estilo de natación de estos organismos para diseñar una nueva generación de vehículos submarinos bioinspirados", dice el autor correspondiente, el Dr. David Murphy, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Sur de Florida, Tampa, Florida.

Vídeo: Cuvierina atlantica, un pterópodo cosomatoso con un caparazón alargado

Entre 2017 y 2019, los investigadores capturaron por la noche varios individuos de nueve especies de caracoles marinos (0,9-13,1 mm de largo) frente a las Bermudas, incluidas 7 especies de pterópodos cosomatosos ("mariposas marinas"), una especie de pterópodos gimnosomatosos ("ángeles del mar", que carecen de caparazón en la edad adulta), y una especie de heteropodos atlántidos.

Los transportaron al laboratorio, donde registraron su comportamiento en un acuario de agua salada con estereofotogrametría de alta velocidad, una técnica que rastrea el movimiento en 3-D con un par de cámaras. Para cada especie, calcularon la velocidad absoluta y normalizada (en relación con la longitud del cuerpo) durante la natación activa y el hundimiento pasivo, la frecuencia del movimiento de las alas, el ángulo de descenso durante el hundimiento, la tortuosidad del camino de ascenso durante la natación y el número de Reynolds.

Muestran que cada especie tiene un patrón de natación distinto, generalmente ascendiendo en una espiral de dientes de sierra a 12-114 mm/s, o 1-24 longitudes corporales por segundo, lo que corresponde a un humano de tamaño promedio que nade hasta 40 m por segundo. Los caracoles se hunden a velocidades similares, pero en línea recta, en un ángulo de 4-30° con respecto a la vertical.

Vídeo: Hyalocylis striata, un pterópodo cosomatoso con una concha alargada

"Concluimos que el comportamiento de natación y hundimiento de estos caracoles pelágicos se corresponde fuertemente con la forma y tamaño de la concha. Los pequeños caracoles con conchas enroscadas nadan más lentamente, mientras que los caracoles más grandes con conchas en forma de botella o de alas nadan más rápido porque sus tamaños más grandes les permiten superar los efectos de la viscosidad del agua. Sin embargo, la velocidad de nado no se correlaciona con qué tan lejos migran estos animales cada día, lo que sugiere que también juegan un papel los niveles de luz y temperatura y la presencia de depredadores y presas. También encontramos que la mariposa de mar con la concha en forma de ala la usa para 'planear' hacia abajo con el fin de frenar su hundimiento", dice Murphy.

Vídeo: Heliconoides inflatus, un pterópodo cosomatoso con un caparazón enrollado

Para estudiar las preferencias de profundidad de cada especie, Murphy y sus colaboradores tomaron además muestras de un gran número de caracoles marinos con una red operada por computadora, llamada Multiple Opening/Closing Net and Environmental Sensing System, de 0-1.000 m debajo de la superficie. Utilizaron aprendizaje automático (basado en imágenes) y códigos de barras de ADN ribosómico para determinar las especies. Con base en estos resultados, los investigadores estiman que estas especies viajan de 50 a 300 m por día, en un "viaje" vertical diario que toma un total de 1-3,7 h por día.

"Es absolutamente fascinante ver a estos pequeños y delicados animales batir sus alas con movimientos realmente complejos para esencialmente volar por el agua. Tenemos la suerte de tener cámaras de alta velocidad que pueden ralentizar este movimiento lo suficiente como para que lo podamos ver. Y es asombroso pensar que estas mariposas marinas están usando los mismos principios de dinámica de fluidos para volar a través del agua que los insectos usan para volar por el aire", concluye Murphy.

Artículo científico: Swimming and Sinking Behavior of Warm Water Pelagic Snails

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