updated 12:54 PM CEST, Oct 1, 2016

Las medusas utilizan un sorprendente truco para nadar

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natación de las medusas por succión

Propulsión a base de succión como base para la natación eficiente de los animales

Los movimientos ondulantes de estas antiguas criaturas causan que el agua para tire de ellas

Hace millones de años, incluso antes de que los continentes se hubiesen asentado en su lugar, las medusas ya estaban nadando los océanos con los mismos movimientos pulsantes que observamos hoy

A través de experimentos inteligentes y perspicaces de matemáticas, un equipo de investigación interdisciplinario ha revelado una sorprendente verdad acerca de cómo las medusas y las lampreas, otras antiguas especies que ondulan como las anguilas, se mueven a través del agua con una eficiencia sin igual.

"Confunde todas nuestras suposiciones", dijo John Dabiri, profesor de ingeniería civil y ambiental y de ingeniería mecánica en Stanford. "Pero nuestros experimentos muestran que las lampreas y las medusas de hecho chupan el agua hacia sí mismas para seguir adelante en lugar de empujar contra el agua detrás de ellas, como se había supuesto anteriormente".

Esta nueva comprensión del movimiento en los fluidos se publica en un artículo de Nature Communications que Dabiri coautoría con Brad Gemmell de la Universidad del Sur de Florida, Sean Colin de la Universidad Roger Williams y John Costello, del Providence College.

Una nueva hipótesis

Dabiri, un ingeniero, y sus colaboradores, todos biólogos afiliados con el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts, han pasado años estudiando los sistemas de propulsión de las medusas y las lampreas, similares a las anguilas. Hace mucho tiempo ambos animales se convirtieron en eficientes nadadores. Cada pulsación mínima o movimiento ondulante les ayuda a cubrir una distancia significativa.

El estudio de la naturaleza en busca de pistas para mejorar las tecnologías humanas a medida forma parte de un campo llamado biomimética, y los colaboradores interdisciplinarios originalmente se dispusieron a buscar ideas que pudiesen mejorar el diseño de submarinos, barcos y similares.

Hace unos tres años, Dabiri comenzó a sospechar que los científicos fundamentalmente han mal entendido la propulsión bajo el agua que se mueve hacia adelante, y para los mejores nadadores de la naturaleza era mucho más complicado hacer girar una hélice o patear los pies - en una manera de hablar - empujando contra el agua detrás.

En cambio, muestran que, cuando la lamprea se desliza a lo largo, crea una bolsa de agua a baja presión dentro de cada curva de su cuerpo. El agua por delante de las carreras de la lamprea en esta curva de baja presión el flujo de agua tira de la lamprea adelante.

La propulsión de las medusas es similar. Cuando la medusa abre y cierra la cúpula en forma de paraguas, el agua tira de popa antes que el animal, impulsando a las medusas hacia adelante.

natación de las medusas por succión

Medir lo inmensurable

Para hacer su caso, Dabiri y sus colaboradores diseñaron un experimento que les permitió utilizar una ecuación de 260 años de edad, que ayuda a los científicos a explicar el comportamiento teórico de los fluidos alrededor de objetos sólidos, como la natación de los animales.

Esto es difícil porque los sólidos y los líquidos son muy diferentes.

"Las interacciones entre objetos sólidos suelen ser sencillas, como dos bolas de billar rebotan entre sí, y por lo tanto se puede calcular las fuerzas sin mucha dificultad", dijo Dabiri. "Pero en un fluido cada molécula es como una bola de billar y son prácticamente innumerables. No hay una forma sencilla de calcular todas esas interacciones".

En 1755, el matemático Leonard Euler creó una ecuación para describir el movimiento del fluido. Se reducía a la interacción de tres variables: el tiempo, la velocidad del flujo y la presión ejercida por cada molécula del líquido en sus vecinas. El tiempo y el flujo eran fáciles de medir incluso entonces, pero la presión es mucho más difícil de medir, especialmente cuando un animal nada a través del fluido.

Así que el equipo de Dabiri creó un sistema experimental que les permitió aproximar con precisión esta variable de presión, y fue por este logro que escriben el artículo.

"Todo el mundo es consciente de que la ecuación de Euler puede describir con eficacia el movimiento del fluido, pero la extracción de la presión de la ecuación en los experimentos del mundo real ha sido un desafío de larga data", dijo Dabiri.

natación de las medusasComenzaron con un tanque rectangular de acrílico de alrededor de 1 pie de ancho, 4 pies de largo y 6 pulgadas de profundidad. En el agua flotaban millones de pequeñas cuentas de vidrio huecas que servían como sustitutos de las moléculas de agua. Colocaron dos láseres opuestos entre sí en los lados delgados del rectángulo, con unas cámaras digitales de alta velocidad establecidas junto al láser.

Cuando pequeñas medusas y lampreas nadaron a través del tanque, sus movimientos perturbaron las cuentas de vidrio, cuyas posiciones fueron rastreadas por los láseres y grabadas por las cámaras digitales en fracciones de segundo. El experimento se convirtió en un ejercicio de cálculo.

El tiempo y el flujo pueden medirse con precisión para las perlas en cada momento. Haciendo miles y miles de cálculos, el equipo utilizó estas dos variables precisas para resolver la tercera variable de presión difícil de alcanzar. Alimentaron estos resultados en un equipo que transformó la montaña de datos en una representación visual de las fuerzas de presión en el juego.

A partir de esta imagen, se hizo evidente que los bolsillos de baja presión creados en el borde interior de cada movimiento ondulante de los animales eran el conductor dominante de la propulsión, tirando el agua hacia el animal a moverse hacia adelante.

Como prueba adicional, los investigadores compararon dos lotes de lampreas de la misma especie. El lote de control hacía un ondulado natural. En el lote experimental se modificaron de manera que sólo se movía su cola con un movimiento de retroceso con el pie menos eficiente, no muy diferente de los nadadores humanos.

"Las ondulaciones del cuerpo de las lampreas normales las distinguen como mucho mejores nadadores que tú y que yo", dijo Dabiri. "Los nadadores humanos generan alta presión en lugar de succión. Eso es suficiente para conseguir moverse a través de la piscina, pero requiere mucha más energía que la acción de succión de las lampreas y medusas".

Vehículos submarinos avanzados

Los nuevos entendimientos biomiméticos podrían proporcionar la base para avances significativos en el diseño de vehículos subacúaticos.

"Durante casi 100 años, se ha asumido que imitar una piscina natural significaba encontrar maneras de generar altas presiones para impulsar el agua hacia atrás para el empuje", dijo Dabiri. "Ahora nos damos cuenta de que lo hemos hecho mal, por lo que la búsqueda se centra en formas de generar succión de baja presión para lograr una propulsión bajo el agua más eficiente".

Costello, un experto en medusas, dijo que los nuevos hallazgos muestran el mecanismo seleccionado por la evolución para optimizar la distancia-por-esfuerzo en los animales bajo el agua.

"Los animales que se mueven en los fluidos casi siempre tienen un uso flexible, en lugar de estructuras propulsoras rígidas", dijo. "Este trabajo abre la puerta a la comprensión de por qué la evolución ha convergido en patrones de flexión en particular".

Artículo científico: Suction-based propulsion as a basis for efficient animal swimming