Microscópicas características de las aletas ayudan a peces escorpeniformes a agarrar rocas en turbulentas aguas oceánicas
En una roca golpeada por las olas en el norte del Océano Pacífico, un pez llamado en inglés sculpin (familia Scorpaeniformes) se agarra firmemente a la superficie para mantener la estabilidad en su duro entorno.
A diferencia de los erizos de mar, que utilizan sus pies tubulares que secretan pegamento para adherirse a su entorno, los escorpeniformes logran agarrarse sin un órgano adhesivo especializado como los pies tubulares o las ventosas de los pulpos.
Entonces, ¿Por qué es esto importante y por qué los científicos están tan interesados en comprenderlo? Los organismos marinos que prosperan en entornos de alta energía sirven como excelentes modelos naturales para el diseño de dispositivos de ingeniería humana más eficientes y eficaces, como robots, pinzas y adhesivos. Los adhesivos mejorados podrían tener efectos de amplio alcance, desde mejorar los dispositivos médicos hasta crear neumáticos con mejor agarre en la carretera.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Syracuse y la Universidad de Luisiana en Lafayette, especializados en morfología funcional, es decir, cómo la forma y la estructura de un organismo lo ayudan a funcionar, descubrieron recientemente un nuevo y sorprendente rasgo de tracción en los escorpiones. Encontraron en sus aletas características microscópicas, lo que podría permitirles adherirse firmemente a las superficies submarinas para combatir las corrientes y las olas.
"Para evitar ser arrastrados, estos escorpeniformes necesitan otra forma de mantenerse en posición", dice Emily Kane, profesora de biología en la Universidad de Luisiana en Lafayette, quien fue coautora del estudio junto con Austin Garner, profesor de biología en la Universidad de Syracuse.
"Una característica que distingue a este grupo es la modificación de sus aletas pectorales, de modo que la parte inferior presenta una membrana reducida que permite que los radios sobresalgan más que la aleta. Pueden usarlos para sujetarse a rocas u otros sustratos, pero algunas especies presentan modificaciones adicionales que les permiten caminar y desarrollar funciones sensoriales".
Imagen: La parte inferior de la aleta pectoral de los escorpeniformes les ayuda a agarrarse a superficies e incluso a caminar. Crédito: Emily Kane, profesora de biología de la Universidad de Luisiana en Lafayette.
Investigaciones anteriores han demostrado que los peces escorpeniformes utilizan mecanismos hidrodinámicos, como tener un pequeño y aerodinámico cuerpo y usar sus aletas para crear una elevación negativa, para mantener el equilibrio y el agarre. Además, se han descrito mecanismos físicos, como el agarre del sustrato con radios de aleta flexibles en la parte inferior de la aleta (similar a tener dedos).
Este estudio documenta una nueva textura superficial, lo que sugiere que estos radios de la aleta inferior también podrían crear fricción o adhesión a nivel microscópico, mejorando aún más su agarre.
Kane y su equipo descubrieron estas características por primera vez durante el trabajo de campo en el verano de 2022 en Friday Harbor, Washington. Al observar las aletas a nivel microscópico con un microscopio electrónico de barrido, reconoció de inmediato la similitud entre las características de los escorpeniformes y los finos pelos de las patas de los geckosgeckos. Entonces contactó a Garner, experto en adhesión y agarre animal.
"Mi laboratorio está interesado en cómo interactúan los animales con las superficies de su entorno durante comportamientos tanto estacionarios como locomotores, particularmente en aquellos organismos que aprovechan las interacciones adhesivas o friccionales mediante órganos de fijación especializados", dice Garner, quien también es miembro del Instituto BioInspired en Syracuse, donde los investigadores colaboran para desarrollar y diseñar materiales inteligentes para abordar desafíos globales.
"Utilizando un marco de trabajo muy similar al de estudios que he realizado en lagartijas y erizos de mar, colaboramos para diseñar y ejecutar este estudio".
El equipo se centró en características como la densidad, el área y la longitud para definir la textura de la piel de los radios de las aletas.
"Comparamos estas medidas con los valores de otros animales con características similares que producen una fuerza de agarre por fricción, como si se les aplicara papel de lija en las aletas", dice Kane. "Existen algunas similitudes en los escorpeniformes que nos hacen pensar que podrían estar haciendo algo similar".
Imagen derecha: Primer plano revela estructuras microscópicas en los apéndices digitiformes de los escorpeniformes, que se cree que mejoran el agarre. El equipo observó que las especies que habitan en entornos costeros de alta energía y azotados por las olas presentan una disposición diferente de estas estructuras microscópicas en comparación con las que habitan en hábitats menos extremos. Crédito: Emily Kane, profesora de biología de la Universidad de Luisiana en Lafayette.
Garner señala que su trabajo constituye la primera descripción de estas microestructuras en los radios de las aletas de los escorpeniformes. "No solo describimos la forma y configuración de estas estructuras, sino que también generamos hipótesis comprobables que constituyen una sólida base intelectual para continuar investigando en nuestro trabajo futuro sobre este tema", afirma.
Entonces, ¿En qué consistirá esta próxima investigación y podría el estudio de estas estructuras conducir al desarrollo de nuevos adhesivos de inspiración biológica para uso social?
Garner sugiere que la forma y la función de las aletas de los escorpeniformes podrían integrarse eficazmente en robots o pinzas de inspiración biológica para la navegación y exploración submarina. A medida que avanza la investigación, su equipo anticipa que comprender las microestructuras de las aletas de los escorpeniformes ofrecerá nuevas posibilidades para diseñar dispositivos de fijación sintéticos que puedan colocarse de forma segura pero separarse fácilmente, incluso bajo el agua.
Quién sabe, tal vez un día un robot submarino con pinzas inspiradas en las de los escorpeniformes explorará las profundidades del océano y hará avances en el mundo de la tecnología de inspiración biológica.
Sus resultados se publican en la revista Royal Society Open Science: Epidermal microstructures on the paired fins of marine sculpins suggest new functional hypotheses supporting benthic station-holding
