La locomoción de las estrellas de mar surge de la retroalimentación mecánica local
Las estrellas de mar poseen una anatomía casi alienígena. A pesar de carecer de cerebrocarecer de cerebro, sangre y sistema nervioso central, estas peculiares criaturas aún poseen capacidades locomotoras.
La estructura de sus numerosos pies ambulacrales flexibles ha sido bien estudiada, pero aún no está claro cómo funcionan exactamente sin cerebro ni sistema nervioso central. Sin embargo, un nuevo estudio muestra que las estrellas de mar parecen emplear un sistema de retroalimentación mecánica local para desplazarse.
Cientos de pies pegajosos
Cada brazo de una estrella de mar cuenta con numerosos pies ambulacrales, diminutas estructuras compuestas por un disco con forma de ventosa unido a un largo tubo hueco. Estos tubos transportan líquidos que ayudan a que la parte discal de los pies se adhiera y se desprenda de las superficies. Estos procesos son impulsados por el sistema vascular acuífero de la estrella de mar, el mismo que utilizan para transportar nutrientes por todo el cuerpo, de forma similar a como otros organismos utilizan la sangre.
La principal especie observada por el equipo en el nuevo estudio es Asterias rubens, también conocida como estrella de mar común. Los pies ambulacrales de A. rubens están dispuestos en cuatro filas en la parte inferior de cada brazo, formando una red de apéndices que interactúan para permitir el reptamiento.
El equipo de investigación que participó en el nuevo estudio buscó comprender los mecanismos de la locomoción coordinada y adaptativa facilitada por los movimientos colectivos de los pies ambulacrales.
En particular, buscaban responder a la pregunta: "¿La coordinación de los pies ambulacrales está orquestada principalmente por un generador de patrones central, o surge del control descentralizado y del acoplamiento biomecánico pasivo entre los pies a través del cuerpo de la estrella de mar?".
El momento de la adhesión es importante
El equipo utilizó una técnica llamada imágenes de reflexión interna total frustrada (FTIR) para visualizar y cuantificar la adhesión y el desprendimiento de los pies ambulacrales en tiempo real. En este proceso, un vidrio altamente refractivo se ilumina al contacto con los pies de la estrella de mar mientras se desplaza.
Esto permitió al equipo medir el tiempo que cada pie permanecía en contacto con la superficie y cuántos estaban en contacto en un momento dado. También se consideraron la velocidad, el peso y el tamaño de la estrella de mar.
Los investigadores descubrieron que las estrellas de mar regulaban su velocidad de arrastre ajustando el tiempo de adhesión de cada pie ambulacral, y no modificando el número de patas en contacto. También descubrieron que el movimiento se producía en tres etapas.
El ciclo de locomoción comienza con la etapa de fijación, durante la cual el pie ambulacral se aproxima al sustrato en ángulo, lo que resulta en una forma de contacto elíptica y un índice de circularidad inferior a uno. A esto le sigue la etapa de adhesión, donde el pie ambulacral permanece firmemente unido al sustrato, denominada tiempo de adhesión, que se caracteriza por un índice de circularidad cercano a uno, lo que refleja un contacto casi perfecto. Finalmente, en la etapa de desprendimiento, el pie ambulacral se separa del sustrato preparándose para el siguiente ciclo de movimiento, explican los autores del estudio.
Los tiempos de contacto más largos se asociaron con un movimiento más lento, lo que significa que la capacidad de las estrellas de mar para desprenderse rápidamente de sus pies ambulacrales es necesaria para alcanzar velocidades de reptación más altas. Los tiempos totales de contacto durante la locomoción se mantuvieron típicamente por debajo de un minuto, oscilando entre 3 y 20 segundos.
Otro hallazgo interesante fue que las estrellas de mar más grandes no tenían pies ambulacrales individuales más grandes proporcionalmente a su masa corporal. En cambio, parecían mejorar la adherencia al aumentar el número de pies ambulacrales utilizados.
Imagen derecha: Vista superior de Asterias rubens equipada con una mochila impresa en 3D. Crédito: Amandine Deridoux
Estrellas de mar con pequeñas mochilas y arrastrándose boca abajo
Experimentos adicionales del estudio incluyeron uno en el que los investigadores colocaron pequeñas mochilas impresas en 3D sobre las estrellas de mar para aumentar su peso, y otro en el que se midieron los cambios de adherencia con las estrellas de mar arrastrándose boca abajo. Ambos experimentos sirvieron para alterar la forma en que la gravedad actúa sobre las estrellas de mar y determinar cómo las patas ambulacrales soportan la carga adicional.
Los experimentos revelaron que tanto el aumento de la masa corporal como la postura invertida conducen a tiempos de adhesión del pie ambulacral más largos y a un movimiento más lento. Los modelos biomecánicos de ambos experimentos validaron estas conclusiones. Estos resultados indican que la locomoción de las estrellas de mar surge de la retroalimentación mecánica local, y cada pie ambulacral ajusta su comportamiento de forma autónoma, todo ello sin coordinación central
Los autores del estudio escriben: "En conjunto, nuestros hallazgos identifican el tiempo de adhesión del pie ambulacral como un parámetro clave, dependiente de la masa, que rige la locomoción de las estrellas de mar. Este mecanismo proporciona una estrategia flexible para equilibrar la estabilidad y la velocidad entre individuos y condiciones ambientales. Al demostrar que la locomoción adaptativa puede surgir de una retroalimentación mecánica puramente local, sin un generador de patrones central, nuestro trabajo revela un principio de control descentralizado en un organismo sin cerebro".
El equipo afirma que estos hallazgos podrían aplicarse a la robótica y a la tecnología bioinspirada. En particular, estos conocimientos podrían conducir al diseño de sistemas robóticos blandos y multicontacto.
El estudio se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: Tube feet dynamics drive adaptation in sea star locomotion
