En biología, los diseños más sorprendentes a menudo se encuentran en cosas pequeñas. De hecho, a menudo parece que cuanto más cerca tienes que mirar, mayor es la maravilla. Es como si alguien lo pusiera allí para esconderse, esperándonos. Aquí hay algunos muchachitos que vale la pena conocer, entre los insectos y los crustáceos.

Cercopoideos o chicharritas

«Los insectos Cercopoideos pueden realizar saltos explosivos con algunas de las aceleraciones más altas conocidas entre los animales», dicen tres científicos en PNAS. Los pequeños hemípteros pueden soportar 400 g mientras aceleran a 4.000 m/s2. Pertenecen a un suborden y familia diferente a los fulgoromorfos de los que escribieron aquí, cuyas ninfas tienen engranajes en sus piernas para almacenar energía elástica para sus saltos.

Cualquier cosa con «dae» en su nombre es un buen lugar para buscar diseño. Estos científicos querían saber cómo la Cercopoidea despegan de las superficies lisas de las plantas. ¿Cómo se agarran a la superficie resbaladiza? Los investigadores descubrieron un mecanismo no reportado previamente. Les hizo pensar en aplicaciones potenciales para la ingeniería.

Los mecanismos de fijación de los animales trepadores proporcionan inspiración para los biomiméticos, pero muchas adaptaciones naturales aún están sin explorar. Se sabe que los animales se agarran entrelazando garras con superficies ásperas, o acoplando almohadillas adhesivas en sustratos lisos. Aquí informamos que los insectos pueden usar un tercer mecanismo de fijación fundamentalmente diferente en las superficies de las plantas. Al acelerar para saltar, las Cercopoidea producen tracción al perforar las superficies de las plantas con afiladas espinas enriquecidas con metal en sus patas traseras, deformando la cutícula plásticamente y dejando atrás agujeros microscópicos, como un nano-centro de indentación. Este mecanismo depende de la dureza del sustrato y requiere adaptaciones especiales de la cutícula en las puntas de la columna. La perforación puede representar una estrategia generalizada de apego entre los insectos que viven en las plantas, una inspiración prometedora para las novedosas pinzas y escaladoras robóticas. [Énfasis añadido.]

Los investigadores querían saber por qué las Cercopoidea usan un mecanismo diferente al de los saltamontes, que son miembros de una familia diferente de hemipteros. Los saltamontes usan almohadillas suaves, pero tienen patas más cortas, lo que podría dificultar la perforación de las superficies de las hojas. Las espinas Cercopoideas, enriquecidas con zinc en la cutícula para fortalecerlas, son muy efectivas para perforar sin deformar la hoja. Sin embargo, también están bien afinados para no perforar demasiado, lo que inhibiría la eliminación rápida de la superficie durante el despegue. Esta pista tiene beneficios potenciales en la tienda de comestibles:

Generalmente, el agarre de materiales lisos y plásticos es un desafío de ingeniería con muchas aplicaciones potenciales. Las pinzas de agujas se han utilizado para manipular productos alimenticios blandos como la carne y los pasteles, pero también se pueden adaptar para manipular envases de plástico y cartón. El estudio de la biomecánica detallada del agarre basado en penetración en sistemas naturales y las adaptaciones relevantes en plantas e insectos puede proporcionar información para el diseño de nuevas pinzas biomiméticas.

Elatéridos

Otro insecto notable es el llamado escarabajo clic, capaz de enderezarse rápidamente sin usar sus extremidades si cae boca abajo. En un proyecto de clase en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois, los estudiantes fueron al bosque a recolectar cuatro especies de escarabajos clic y estudiaron este mecanismo inusual, pensando que el truco podría ayudar a los diseñadores de robots a crear robots autocontrolados. Mire el video clip de su proyecto de clase (pero apague la música épica que no coincide; solo mire el texto). Un estudiante está claramente fascinado al ver que el insecto se eleva en el aire y vuelve a ponerse de pie. ¿Como funciona?

Dijo Alleyne que los escarabajos tienen un mecanismo de bisagra único entre sus cabezas y abdominales que produce un sonido de clic cuando se inician y les permite saltar en el aire y volver a ponerse de pie cuando son derribados.

Los estudiantes hicieron un prototipo robótico basado en el diseño de ajuste de bisagra. Obtuvo el segundo lugar en «el desafío internacional BIOMinnovate Challenge, en París, Francia, una exposición de investigación que presenta un diseño de inspiración biológica en ingeniería, medicina y arquitectura».

Termitas

Otro artículo en PNAS sobre la «Morfogénesis de los montículos de termitas» encuentra inspiración para el diseño arquitectónico. Las termitas exhiben una organización social impresionante, actuando casi como un organismo distribuido. Hay una extraña retroalimentación entre los animales y el medio ambiente.

Los montículos de termitas son el resultado del comportamiento colectivo de las termitas que trabajan para modificar su entorno físico, lo que a su vez afecta su comportamiento. Durante la construcción del montículo, factores ambientales como el flujo de calor y el intercambio de gases afectan el comportamiento de las termitas en el edificio, y el cambio resultante en la geometría del montículo a su vez modifica la respuesta del entorno interno del montículo a las oscilaciones térmicas externas. Nuestro estudio destaca los principios de la arquitectura animal autoorganizada impulsada por el acoplamiento de la física ambiental al comportamiento de los organismos y podría servir como una inspiración natural para el diseño de arquitecturas humanas sostenibles.

Los montículos de diferentes especies «muestran morfologías variadas pero distintivas que varían ampliamente en tamaño y forma», posiblemente debido a la adaptación a diferentes entornos. Todos ellos, sin embargo, sobresalen en la capacidad de «regular la temperatura del montículo, la humedad y las concentraciones de gas«, y lo hacen utilizando recursos naturales, sin termostatos o sensores eléctricos.

Las llamadas «termitas de la brújula» siempre orientan sus montículos hacia el norte / sur, lo que indica un sentido magnético que se encuentra en el salmón, las tortugas marinas y otros animales muy diferentes. «Los montículos de termitas son uno de los ejemplos más notables de arquitecturas animales autoorganizadas«, dicen los autores, «y la gama de formas y tamaños que exhiben han emocionado la imaginación de los científicos durante mucho tiempo«.

Eufausiáceos

Estos pequeños crustáceos controlan el mundo, de alguna manera. Encontrados en todos los océanos del mundo, migran hacia arriba durante la noche para alimentarse y hacia abajo durante el día. Un video de la National Science Foundation, publicado por Phys.org, muestra cómo una gran cantidad de eufausiáceos se suman a una fuerza poderosa para mezclar el agua del océano, tal vez tan importante como los vientos y las mareas.

El investigador de Stanford John Dabiri y su equipo los estudiaron en el laboratorio. Debido a que los eufausiáceos son fototácticos (moviéndose hacia la luz), el equipo podría controlar la dirección de sus movimientos y medir las fuerzas que producen en una columna de agua. Los nadadores individuales generan remolinos que son mucho más grandes que el tamaño de su cuerpo, y esas corrientes se suman. Llegaron a la conclusión de que millones «o trillones» de estos pequeños organismos, nadando juntos, «están jugando un papel importante en la mezcla oceánica, que debería afectar los cálculos futuros sobre la circulación oceánica y el clima global».

Los defensores del Diseño Inteligente podrían investigar esto, y considerar si un exoplaneta acuoso sería menos habitable sin esta máquina de agitación viva.

Ostrácodos

Podrías llamarlos «luciérnagas marinas». Los científicos de la UC Santa Bárbara, que querían comprender las «deslumbrantes exhibiciones de luz» de los ostrácodos, encontraron dos mecanismos en funcionamiento.

Los ostrácodos son animales peculiares. No más grandes que una semilla de ajonjolí, estos crustáceos tienen una cáscara parecida a la almeja y a menudo carecen de agallas. Al igual que muchas criaturas marinas, varios ostrácodos aprovechan la bioluminiscencia para evitar la depredación y atraer parejas…


Para crear sus deslumbrantes exhibiciones de luz, los ostrácodos cipridínidos expulsan un poco de moco inyectado con una enzima y un reactivo, y luego se alejan de la esfera brillante para repetir el acto nuevamente. El resultado es un rastro de elipsis que se desvanecen, o fuego fatuo que cuelgan en la columna de agua. Y la longitud de cada uno de estos pulsos es un componente importante de la pantalla de cortejo. Algunos son rápidos como un flash de antaño, dijo Hensley, mientras que otros permanecen en el agua.

El reportero Harrison Tasoff comenta: «La evolución es un proceso rico y dinámico». Sí, de hecho. En Darwin Devolves, como muestra Michael Behe ​​en su nuevo libro con ese título, ¡los ancestros de estos animales deben haber sido diseñados aún mejor!

Conclusiones

Estos son solo algunos de los cientos de ejemplos de diseños biológicos que inspiran la investigación en laboratorios y universidades. El diseño complejo y eficiente se encuentra en toda la biosfera, desde los mamíferos más altos y las ballenas más grandes hasta estos insectos y crustáceos en miniatura, y hasta las moléculas en las nanomáquinas celulares. La biomimética es una suerte inesperada y transversal de una oportunidad para mamólogos, biólogos marinos, botánicos, entomólogos, ornitólogos, biólogos e ingenieros, por nombrar algunos.

Como de costumbre, la especulación evolutiva en estos informes varió inversamente con el análisis detallado de los mecanismos detrás de las capacidades de estos pequeños animales. La investigación biomimética también está atrayendo fondos y ganando premios. Entonces, ¿el pensamiento de diseño es bueno para la ciencia? Así parece.

Foto: A froghopper, por Kaldari [dominio público], a través de Wikimedia Commons.

Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News