updated 1:39 PM CEST, Sep 28, 2016

¿Cómo nadan los peces?

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propiedades mecánicas de la natación de los peces

Es una pregunta simple, pero no hay una respuesta simple

Investigadores examinan las bases mecánicas para la aparición de los nadadores ondulatorios

Investigadores de la Universidad de Northwestern han puesto de manifiesto algunas de las propiedades mecánicas que permiten a los peces llevar a cabo sus complejos movimientos. Sus hallazgos, publicados el 13 de junio en la revista PLOS Computational Biology, podrían proporcionar conocimientos sobre la biología evolutiva y conducir a una comprensión del control neural del movimiento y el desarrollo de vehículos submarinos bio-inspirados.

"Si pudiéramos jugar a ser Dios y crear un nadador ondulatorio, ¿de que dureza debería ser su cuerpo? ¿A qué frecuencia de ondulación del cuerpo se movería a su velocidad máxima? ¿Cómo funcionaría el cerebro que controla los movimientos?" dijo Neelesh Patankar, profesor de ingeniería mecánica en la Escuela McCormick de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad del Noroeste. "Hace miles de años, los nadadores ondulatorios como las anguilas, que tenían las propiedades mecánicas adecuadas, fueron las que sobrevivieron".

Los investigadores utilizaron métodos computacionales para probar sus hipótesis sobre las características evolutivas preferidas. Por ejemplo, las especies con baja frecuencia de activación muscular y alta rigidez del cuerpo son las más exitosas, encontraron los investigadores para los valores óptimos de cada propiedad.

natación ondulatoria de la anguila"La rigidez que prevemos para las mejores características de natación es, de hecho, la misma rigidez que la determinada experimentalmente en nadadores ondulatorios con columna vertebral", dijo Amneet Bhalla, estudiante graduado en ingeniería mecánica de McCormick y uno de los autores del artículo.

"Por lo tanto, nuestros resultados sugieren que los precursores de la columna vertebral habrían dado lugar a los animales con la rigidez apropiada del cuerpo", agregó Patankar. "Nuestra hipótesis es que esto habría sido mecánicamente beneficioso para la aparición evolutiva de los vertebrados nadadores".

Además, las especies deben ser resistentes a pequeños cambios en las características físicas de una generación a la siguiente. Los investigadores confirmaron que la capacidad para nadar, aunque depende de parámetros mecánicos, no es sensible a los cambios generacionales de menor importancia, siempre y cuando la rigidez del cuerpo esté por encima de un cierto valor. La capacidad de nadar rápidamente es insensible al valor de la rigidez, encontraron los investigadores.

Por último, haciendo una conexión con el control neuronal del movimiento, los investigadores analizaron la curvatura de sus ondulaciones para determinar si eran el resultado de una pareja de flexión única, o si eran necesarias parejas de flexión precisas en cada punto a lo largo de su cuerpo. Averiguaron que un patrón de simple movimiento da lugar a una deformación de aspecto complicado.

"Esto sugiere que el animal no necesita un control preciso de sus movimientos", dijo Patankar.

Para hacer estas determinaciones, los investigadores aplicaron en el cuerpo de los peces un concepto de la física común conocido como "amortiguador de masa y resorte" - un modelo que se aplica a todo, desde la suspensión en las cabina de Slinkies, hasta para determinar el movimiento en los sistemas que están perdiendo energía.

Este nuevo enfoque es la primera vez que unifica los conceptos de natación activa y pasiva - natación en la que la fuerza proviene de dentro de los peces (activa) o del agua circundante (pasiva) - mediante el cálculo de las condiciones necesarias para que el pez nade tanto activa como pasivamente.

Artículo centífico: A Forced Damped Oscillation Framework for Undulatory Swimming Provides New Insights into How Propulsion Arises in Active and Passive Swimming