La propulsión proviene del movimiento de la cola dentro de la casa de moco
Para construir sistemas de bombeo más eficientes, los ingenieros podrían inspirarse en una pequeña criatura marina que se alimenta por filtración encerrada en una estructura gelatinosa conocida como "casa de moco" o "palacio de mocos".
Una nueva investigación de la Universidad de Oregon muestra que el movimiento ondulatorio de la cola del animal dentro de la cómoda cámara impulsa el líquido y las partículas de comida constantemente hacia adelante, más cerca de la boca. El diseño único de esa bomba biológica podría servir de inspiración para nuevos tipos de bombas artificiales para aplicaciones como el tratamiento de aguas residuales.
"Las bombas están en todas partes en la naturaleza, pero esta bomba es única en impulsar fluido a través de un filtro golpeando una cola dentro de una cámara sellada", dijo Kelly Sutherland, bióloga del Instituto de Biología Marina de Oregón de la UO. "Además, es fascinante observar a los animales".
El estudio analizó una especie llamada Oikopleura dioica, que pertenece a un grupo de pequeños animales que se alimentan por filtración llamados larváceos. Esas criaturas, de aproximadamente un milímetro de largo, parecen renacuajos en miniatura incluso de adultos. Sus sinuosas colas los impulsan a través del océano y también les ayudan a filtrar el alimento, recogiendo pequeñas partículas de alimento en filtros de malla de moco.
En conjunto, tienen un enorme impacto en los ecosistemas oceánicos; su potente mecanismo de bombeo elimina partículas a un ritmo enorme e incluso extrae microplásticos del agua.
Cuando llega el momento de comer, los larváceos secretan una envoltura que rodea su cuerpo y usan sus colas para inflarla como si inflaran un juguete para la piscina. Esta casa de moco tiene filtros que atrapan las partículas de comida y las dirigen hacia la boca.
Luego, cuando termina, el animal abandona la casa de moco, deslizándose hacia afuera a través de una trampilla de escape y dejando que los restos de moco se hundan lentamente. Un larváceo producirá y eliminará una casa de moco muchas veces al día.
Imagen derecha: El flujo a través de la casa apendicular es impulsado por el batir de la cola. Esquema de la morfología de la casa en vistas lateral (a) y dorsal (b). La cola está conectada al tronco y situada dentro de una cámara de cola. El líquido con partículas de comida en suspensión ingresa a la casa a través de dos filtros de entrada (if), que filtran de manera gruesa las partículas grandes. El flujo pasa a través de la cámara de cola y a través de dos filtros concentradores de alimentos (fcf).
"Es genial. Es una estructura bastante compleja", dijo Terra Hiebert, investigador asociado en el laboratorio de Sutherland que dirigió el análisis.
Para comprender más acerca de cómo se alimenta este larváceo en particular, Sutherland y sus colegas viajaron a un centro de investigación especializado en Bergen, Noruega, que cría estas criaturas. Utilizaron un microscopio y una cámara de vídeo de alta velocidad para rastrear el flujo de fluido y pequeñas partículas alrededor de los larváceos en diferentes condiciones.
La adición de la casa de moco alrededor de la cola cambió la forma en que fluyen el agua y las partículas, creando un sistema de bombeo único, revelaron los vídeos.
En su estado de natación libre, mover la cola y doblar el cuerpo de lado a lado impulsa al animal hacia adelante en el agua. Pero cuando la casa mucosa encierra la cola, la dinámica cambia. El animal permanece relativamente estacionario en el océano, mientras que el agua y las partículas se mueven paralelas a la cola, impulsadas a través de los filtros de malla de moco y guiadas hacia la boca del animal.
Los investigadores encontraron que la diferencia se debe a la forma en que la cola encaja perfectamente dentro de la casa de moco, tocando los lados en varios lugares. A medida que la cola se mueve hacia adelante y hacia atrás, sella y abre la capa mucosa en puntos de unión específicos, como el velcro.
El sello genera presión que empuja el fluido continuamente hacia adelante e impide el flujo hacia atrás. A medida que las partículas se acumulan en los filtros, la siguiente ola de líquido las empuja hacia adelante y las canaliza hacia la boca del animal.
Imagen: Comparación simplificada de la bomba apendicular (a) y un ejemplo de bomba peristáltica (b, bomba de rodillos después de [1]); Las regiones grises indican el fluido transportado y las regiones blancas muestran cámaras de desplazamiento, resultantes del contacto o la compresión de las paredes del tubo, que separan parcelas de fluido discretas.
"Utilizan esta estrategia de bombeo relativamente única, con una cola sinusoidal y un ajuste perfecto dentro de la cámara", dijo Hiebert, utilizando un término para una cola en forma de onda. "Debido al ajuste perfecto, hay muy poco desplazamiento de agua hacia atrás".
El sistema de filtración de los larváceos es un ejemplo de bomba peristáltica, un tipo de sistema que se utiliza a menudo en plantas de tratamiento de agua y otros entornos industriales. En la mayoría de las bombas peristálticas, el movimiento hacia adelante del líquido proviene de una compresión externa, como en el colon, donde las contracciones rítmicas en los intestinos empujan los desechos a través del sistema. Pero en estos pequeños filtradores, la propulsión proviene del movimiento de algo dentro de la bomba, en este caso, la cola.
Los investigadores sugieren que ese podría ser un diseño más eficiente que proteja las partes móviles de una bomba, reduciendo su riesgo de desgaste.
"Esta nueva comprensión del bombeo de larváceos nos ayuda a comprender el éxito ecológico de un organismo muy extendido e incluso puede inspirar la próxima generación de filtros de agua o aire en el entorno construido", dijo Sutherland.
La investigación se describe en un artículo publicado el 15 de noviembre en el Journal of the Royal Society Interface: The hydrodynamics and kinematics of the appendicularian tail underpin peristaltic pumping
