Investigadores estudian pollos, avestruces y pingüinos para aprender cómo evolucionaron las plumas de vuelo
Los expertos esperan que estos principios arquitectónicos bioinspirados puedan ser útiles en el diseño de tecnología futura.
Si observas detenidamente las plumas de un pollo, encontrarás muchas formas diferentes dentro del mismo pájaro, incluso dentro de una sola pluma. La diversidad de formas y funciones de plumas se expande enormemente cuando considera las plumas de las aves, desde avestruces hasta pingüinos y colibríes. Ahora, los investigadores que informaron en la revista Cell han adoptado un enfoque multidisciplinario para comprender cómo se hacen todas esas plumas.
"Siempre nos preguntamos cómo pueden volar las aves y de diferentes maneras", dice el autor correspondiente Cheng-Ming Chuong de la Universidad del Sur de California, Los Ángeles. "Algunos se elevan como las águilas, mientras que otros requieren un aleteo rápido de las alas como los colibríes". Algunas aves, incluidas las avestruces y los pingüinos, no vuelan en absoluto.
"Tales diferencias en los estilos de vuelo se deben en gran medida a las características de sus plumas de vuelo", agrega Chuong. "Queríamos aprender cómo se hacen las plumas de vuelo para poder entender mejor la naturaleza y aprender los principios de la arquitectura bioinspirada".
En el nuevo estudio, los investigadores reunieron un equipo multidisciplinario para observar las plumas de muchas maneras diferentes, desde sus propiedades biofísicas hasta la biología molecular subyacente que permite su formación a partir de células madre en la piel. Examinaron las plumas de avestruces no voladoras, pollos voladores de corta distancia, patos voladores y águilas, y gorriones voladores de alta frecuencia. Estudiaron los extremos al incluir colibríes y pingüinos. Para comprender mejor cómo han evolucionado y cambiado las plumas a lo largo del tiempo evolutivo, el equipo también buscó plumas que tienen casi 100 millones de años, que se encuentran incrustadas y preservadas en ámbar en Myanmar.
Con base en sus hallazgos, los investigadores explican que la estructura modular de las plumas permitió a las aves adaptarse a lo largo del tiempo evolutivo, ayudándoles a tener éxito en los diferentes entornos en los que viven las aves hoy en día. Su estructura también permite la especialización de plumas en diferentes partes del cuerpo de un ave individual.
La pluma de vuelo está hecha de dos módulos arquitectónicos altamente adaptables: el eje central o raquis y la aleta periférica. El raquis es una viga compuesta hecha de una médula porosa que mantiene la luz de las plumas rodeada por una corteza rígida que agrega fuerza. Sus estudios muestran que estos dos componentes del raquis permiten diseños altamente flexibles que permiten volar o moverse de diferentes maneras. Los investigadores también revelaron las señales moleculares subyacentes, incluidas Bmp y Ski, que guían el desarrollo de esas características de diseño.
Adjunto al raquis está la veleta de plumas. La veleta es la parte de la pluma compuesta de muchas púas suaves que se unen. Los investigadores informan que la veleta se desarrolla utilizando principios similares al corte de papel. Como tal, una sola hoja epitelial produce una serie de diseños diversos y ramificados con púas individuales, cada uno con muchas pequeñas enganches que mantienen la paleta unida en un plano utilizando un mecanismo similar a un velcro. Sus estudios muestran que los gradientes en otra vía de señalización (Wnt2b) juegan un papel importante en la formación de esas púas.
Para mirar hacia atrás en el tiempo, los investigadores estudiaron fósiles ámbar recientemente descubiertos, lo que les permitió explorar delicadas estructuras tridimensionales de plumas. Sus estudios muestran que las plumas antiguas tenían la misma arquitectura básica pero con características más primitivas. Por ejemplo, las púas adyacentes formaron la veleta con bárbulas superpuestas, sin el mecanismo de gancho en forma de velcro que se encuentra en las aves vivas.
"Hemos aprendido cómo una piel simple puede transformarse en una pluma, cómo una estructura de plumas prototípica puede transformarse en plumas suaves, de contorno o de vuelo, y cómo una pluma de vuelo puede ser modulada para adaptarse a diferentes modos de vuelo requeridos para diferentes ambientes de vida ", dice Chuong. "En cada esquina y en diferentes escalas morfológicas, nos sorprendió cómo la elegante adaptación de la arquitectura prototipo puede ayudar a diferentes aves a adaptarse a diferentes entornos nuevos".
Los investigadores dicen que, además de ayudar a comprender cómo las aves se han adaptado con el tiempo, esperan que estos principios arquitectónicos bioinspirados que hayan descubierto puedan ser útiles en el diseño de tecnología futura. Señalan que los materiales compuestos del futuro podrían contribuir a la construcción de drones voladores ligeros pero robustos, turbinas eólicas duraderas y resistentes, o mejores implantes médicos y dispositivos protésicos. @mundiario
