Expertos en física en el mundo viviente

A lo largo del mundo biológico, las células, las plantas y los animales muestran dominio de la dinámica: la física del movimiento. Retirar estos movimientos exitosos a menudo implica una coordinación precisa de diferentes leyes físicas.

Elasticidad de las damiselas

Todos sabemos acerca de las libélulas (la especialidad de Günter Bechly), esos brillantes insectos voladores que componen el deleite de niños y adultos. Las damiselas son similares, excepto ligeramente más pequeños y más delgados. Podríamos dedicar un tiempo a hablar sobre el uso increíble de estos insectos de la navegación por flujo óptico, las técnicas de búsqueda predictiva u otras capacidades que inspiran a los ingenieros humanos. Hoy, aprendamos sobre otro rasgo que requiere el dominio de la física: la flexibilidad de las articulaciones en sus alas. Un nuevo artículo en PLOS ONE reveló una proteína increíble que hace que las alas sean elásticas y flexibles. En “Propiedades morfológicas y mecánicas de las articulaciones flexibles de resilina en las alas de la damisela”, presentan la proteína resilina:

El objetivo principal de este estudio es el elemento flexible que se ha encontrado en las alas de los caballitos del diablo, llamado resilina. La resilina es la proteína similar al caucho que se encuentra en las regiones especializadas de la cutícula de la mayoría de los insectos y que proporciona baja rigidez, alta tensión y un almacenamiento de energía eficiente que funciona en el vuelo de los insectos. Weis-Fogh describió por primera vez la resilina de los sistemas de vuelo de langostas y libélulas, se describió que era similar al caucho isotrópico hinchado, pero su comportamiento elástico es diferente a cualquier otro polímero natural o sintético. Además, se demostró que la resilina tiene propiedades mecánicas notables cuando son dos décadas [es decir, órdenes de magnitud] más altas que las de la elastina, lo que sugiere que la resilina es un biopolímero más móvil. [Énfasis añadido.]

Un ala de insecto necesita lograr la compensación óptima de elasticidad y durabilidad. No puede romperse demasiado fácilmente con el viento, pero tampoco puede ser demasiado rígido. La proteína resilina tiene las propiedades ideales para la flexibilidad y el almacenamiento de energía. Puede deformarse y luego volver a su posición original con una respuesta tipo resorte. “La Resilina funciona como un muelle elástico que demuestra una extensibilidad y elasticidad extraordinaria”, dicen los cuatro autores. La elasticidad proviene de la colocación precisa de los aminoácidos correctos en la secuencia.

Usando microscopía de fuerza atómica y otras técnicas, los investigadores midieron las propiedades físicas de la resilina que le dan esas propiedades ideales, permitiendo que las alas se flexionen y obtengan la mayor cantidad de energía posible. Hay más que solo la disponibilidad de resilina para el insecto. Los investigadores también descubrieron que la distribución de la resilina varía a lo largo del ala, lo que proporciona la flexibilidad donde más se necesita. Ese es un principio de diseño separado del material solo:

El análisis estructural reveló que la flexibilidad de las alas variaba de un área a otra, y el patrón de distribución de resilina era el mecanismo que controlaba las características del ala… Además, las imágenes del AFM revelaron nanoestructuras de resilina de tamaños variados y permitieron el cálculo de valores de elasticidad en cada sección del ala; articulación de membrana, móvil e inmóvil en Rhinocypha spp…. Si bien los estudios sobre sedas y elastina recibieron mucha atención en la última década, esto ahora ha cambiado [sic] para centrarse en la resilina recombinante; propiedades mecánicas de estructura de la resilina con una aplicación potencialmente mayor en una variedad de campos.

Como es común en los trabajos que tratan sobre diseños naturales, la biomimética ha superado a la evolución como el foco de interés. Los autores están emocionados de pensar en cómo su descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a utilizar esta proteína elástica “notable” para “una mayor aplicación en una variedad de campos”. ¿Flubber, tal vez? ¡La naturaleza lo tenía primero!

Campeones del salto

¿Quién podría olvidar los notables engranajes del saltamontes que escribimos hace unos cinco años que almacenan energía elástica para sus saltos rápidos? Bueno, Current Biology publicó una interesante “Guía rápida” para “los resortes saltarines de los insectos” que muestra que hay más de una forma de saltar. Aunque Sutton y Burrows no mencionan los engranajes, sí comparten algunos hechos “¡Wow!” Sobre los saltadores de plantas:

Un saltamonte puede acelerar en menos de 1 milisegundo a una velocidad de despegue de 5 [metros por segundo], lo que requiere una potencia de salida (energía por tiempo dado) de decenas de miles de vatios por kilogramo de músculo.

¿Cómo pueden obtener esos superpoderes, cuando los músculos solo pueden generar 300 vatios por kilogramo? También hay otra limitación física: cuanto más rápido se contrae un músculo, menos energía puede generar, “agravando el problema”. Además, para un insecto saltador, la energía solo puede operar cuando está en contacto con el suelo. 

¿Cómo lo hacen estos insectos? Saltan usando resortes; dispositivos que permiten que la energía se almacene gradualmente en deformaciones mecánicas y luego se libere abruptamente.

En los insectos que usan resortes para saltar, las patas se mueven primero a la misma posición montada y las articulaciones bloqueadas. Los músculos productores de energía se contraen lentamente durante períodos de 100 milisegundos a unos segundos sin mover las piernas; en cambio, la fuerza generada distorsiona partes del esqueleto, que almacenan energía mecánica. La liberación repentina de estos resortes esqueléticos cargados alimenta los rápidos movimientos de propulsión de las patas. El retroceso elástico del resorte devuelve la energía almacenada muy rápidamente. El poder se amplifica porque casi toda la energía producida por la contracción lenta del músculo se devuelve a la pierna en un tiempo mucho más corto, entregando los miles de W kg-1 de potencia mecánica requerida para saltar.

Los autores lo comparan con estirar un arco de arquería y liberar la energía almacenada rápidamente. “Compara qué tan lejos puedes arrojar una flecha con qué tan lejos puedes disparar con un arco”, comentan. Los insectos conocidos que usan resortes para saltar incluyen pulgas, saltamontes, antílopes, chicharritas, escarabajos pulgas e “incluso en una cucaracha”, pero es probable que se descubran muchos más. Si ves un insecto que logra más de 300 vatios por kilogramo de músculo, probablemente esté usando un mecanismo de resorte. Y ahora, una vez más, encontramos esa proteína resilina que acabamos de conocer:

Estos resortes son un compuesto de cutícula dura, altamente esclerotizada y la proteína resilina altamente elástica. Un material duro como la cutícula esclerotizada puede almacenar energía considerable aunque se deforme solo por una pequeña cantidad, pero es susceptible de fracturarse. La resilina, por otro lado, es mucho más suave, almacena mucha menos energía cuando se deforma una cantidad similar, pero es resistente y puede forzar grandes cantidades si es necesario. Regresa rápida y confiablemente a su forma original en caso de deformaciones repetidas.

Qué cosa más notable: la misma proteína se usa para funciones completamente diferentes en el ala de la damisela y en la pierna del Cercopoidea. Tenga en cuenta, también, que la resilina tiene que cooperar con las estructuras que la rodean. Por sí solo, no podría volar ni saltar. Al igual que en el artículo anterior, los autores terminan con biomimética: un enfoque de diseño. Imitar los saltos de insectos requerirá una investigación detallada, que demuestre que el diseño no es un obstáculo para la ciencia, sino una inspiración para la comprensión y aplicación científica:

La forma y la composición del material de estos resortes biológicos son muy diferentes de los resortes artificiales hechos por el hombre. Si deseamos aplicar lecciones biológicas al diseño moderno de resortes, debemos abordar tres preguntas sobresalientes. En primer lugar, ¿cómo afecta la geometría de los resortes biológicos a su capacidad para doblar, almacenar y liberar energía? ¿Cómo se adaptan los diferentes resortes para satisfacer las necesidades específicas de diferentes insectos? Finalmente, ¿qué contribuciones hacen los materiales de componentes duros y blandos a las propiedades de los resortes que permiten un almacenamiento y liberación de energía tan confiable?

Ese es otro ejemplo de lo que dijimos al principio: lograr estas hazañas de dinámica “implica una coordinación precisa de diferentes leyes físicas”. En este caso, se involucraron la ciencia de los materiales, la energética, la elasticidad, la aceleración y más. Incluso entonces, nada funcionaría sin la programación del cerebro para usarlo.

Giroscopios de plantas
Las plantas parecen tan pasivas, simplemente soplan en el viento, sin ningún lugar adonde ir. Sabemos, sin embargo, que ciertas plantas pueden moverse rápidamente al almacenar la presión de la turgencia, como Dionaea muscipula. Hay un área en botánica que realmente pone la dinamita en dinámica: dispersión de semillas. Un nuevo y fascinante estudio del Pomona College y el Rancho Santa Ana Botanic Garden, divulgado por Phys.org, revela un ejemplo muy inusual: ¡una planta que ha dominado el lanzamiento de Frisbee! Y es un candidato poco probable: la petunia salvaje Ruellia ciliatiflora – “en realidad no está muy relacionada con las petunias, aunque sí produce flores bonitas”. (Oye, es hora de plantar las plantas anuales de su jardín para obtener el color de la primavera). ¿Pequeña flor dispersa sus semillas a grandes distancias? ¡Prepárate para algunas expresiones más “¡Guau!”, Porque tenemos otro récord mundial para compartir:

Lo más llamativo de la planta es la forma en que dispersa sus semillas, arrojándolas a grandes distancias cuando la fruta está expuesta al agua. Pero hasta ahora, se ha hecho poca investigación para descubrir cómo la flor los arroja hasta ahora. Para obtener más información, los investigadores llevaron algunas de las plantas a su laboratorio y filmaron la dispersión de semillas utilizando una cámara de alta velocidad.

Los investigadores descubrieron que hay múltiples factores en juego. Uno es el material similar al pegamento que mantiene las semillas en su lugar, otro es la forma del disco de las semillas. Los pequeños ganchos detrás de las semillas también ayudan a lanzarlas. Quizás lo más importante es que el espín se desarrolla debido a la forma en que se arroja la semilla. Al desacelerar la acción, los investigadores observaron que las semillas giran hasta 1.660 veces por segundo, lo que las convierte en los hilanderos más rápidos conocidos en la naturaleza.

Más rápido que un disco giratorio, esta planta acelera el momento angular de sus semillas a esta velocidad increíble, más rápido que cualquier animal (incluido un campeón de disco volador humano), dando a la semilla más sustentación y distancia. ¿Cómo lo hace? Los autores no dijeron. Encontraron que el giro rápido tiene un propósito: un sorprendente efecto giroscópico:

Los videos ofrecieron evidencia de la ayuda que obtienen las semillas al girar – algunos de los expulsados ​​no giraron, y solo viajaron la mitad que los que sí lo hicieron. Y aquellos que lo hicieron pudieron viajar hasta siete metros y se lanzaron a velocidades de hasta 22 millas por hora. Curiosamente, giran verticalmente y en sentido antihorario, como un disco volador de su lado. El giro, encontraron los investigadores, resultó en un efecto giroscópico, manteniendo las semillas estabilizadas, mientras que el retroceso produjo menos resistencia, manteniendo las semillas en el aire por más tiempo y por lo tanto les permite volar más lejos.

Eso es increíble. ¿Quién hubiera pensado que una planta podría lanzar semillas a 22 mph con un giro de 1,660 rotaciones por segundo? Esas semillas debieron parecer como una bala borrosa antes de que la cámara de alta velocidad revelara el secreto. Una vez más, vemos que esta planta tuvo que utilizar múltiples leyes de la física para tener éxito: propiedades de los materiales, efectos giroscópicos, aerodinámica e hidrodinámica (ya que el agua está involucrada). ¿Cuántas mutaciones tomó eso?

Estos tres ejemplos muestran que hay un mundo de diseño que debe ser revelado. Si obtiene un título en biomimética o física, nunca pierda su inspiración en el ingenio de los diseños vivos. Ellos son los verdaderos doctores. Los científicos son sus estudiantes.


Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News

Foto: A damselfly, por fir0002 | flagstaffotos.com.auCanon 20D + Sigma 150 mm f / 2.8 + Canon MT 24-EX (Trabajo propio) [GFDL 1.2], a través de Wikimedia Commons.