Resumen (31 de diciembre de 2005): Los investigadores de la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke y de la Universidad del Estado de Pensilvania han elaborado una sencilla teoría física capaz de dar cuenta de forma unitaria de cómo se mueven los animales de cada especie desde los insectos a los peces. El equipo científico dice que todos los animales siguen el mismo modelo físico en su diseño.





Basado en una publicación de la Universidad de Duke

Adrian Bejan. Créditos: Universidad de Duke

Los investigadores de la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke y de la Universidad del Estado de Pensilvania han elaborado una sencilla teoría física capaz de dar cuenta de forma unitaria de cómo se mueven los animales de cada especie desde los insectos a los peces. El equipo científico dice que todos los animales siguen el mismo modelo físico en su diseño.

Los investigadores demuestran que la llamada 'teoría constructivista' puede explicar características básicas de locomoción de cada criatura –la rapidez con que se desplazan de un lugar a otro y la rapidez y energía con que caminan, vuelan o reman en relación a su masa. La teoría construtivista es una potente aproximación analítica a la descripción del movimiento o circulación en la naturaleza.

Los científicos dicen que sus hallazgos tienen importantes implicaciones para el conocimiento de los factores que guían la evolución sugiriendo que muchas importantes características morfofuncionales de los animales y su locomoción son predecibles por la física.

Los hallazgos, publicados en la edición de enero de 2006 de 'The Journal of Experimental Biology' –Revista de Biología Experimental- cuestiona la noción de que existen diferencias fundamentales entre formas aparentemente no relacionadas de locomoción. Los hallazgos también brindan una explicación para las notables semejanzas universales en el diseño de los animales que han traído de cabeza durante mucho tiempo a los científicos, dicen los investigadores.

'Las semejanzas entre animales que a simple vista son muy diferentes son no coincidencias', dice Adrian Bejan, J.A. Jones profesor de ingeniería mecánica en la Escuala Pratt de Duke. 'De hecho, la locomoción animal no es diferente de otras taxias, animadas o inanimadas: todas se desarrollan en el espacio, lo cual significa que los animales se mueven de modo tal que recorren la mayor distancia gastando la menor cantidad de energía, dijo.

'A partir de una física sencilla, basada sólo en la gravedad, la densidad y la masa, se pueden explicar, dentro de un orden de magnitud, muchas variedades de vuelo, natación o carrera', añadió James Marden, profesor de biología en el Estado de Penn. 'No importa si el animal tiene ocho, cuatro o dos patas, o hasta si es un animal nadador y no tiene patas.'

Concebida primero por Bejan y publicada en 1996, la ley constructivista se erige sobre el principio básico de que los sistemas de movimiento evolucionan para minimizar imperfecciones –energía gastada en la fricción u otras formas de resistencia—de manera que se pierda la menor cantidad de energía útil.

La teoría se aplica a casi todas las cosas que se mueven, dijo Bejan. Por ejemplo, su primer trabajo examinaba cómo esta ley explica la circulación de tráfico, la refrigeración de electrónica de pequeña escala y las corrientes fluviales.

Los investigadores, financiados por la Fundación Nacional para la Ciencia, declaran que la ley construtivista predice relaciones universales entre la masa de los cuerpos de los animales y sus velocidades, así como la frecuencia y fuerza de las zancadas, golpes u ondulaciones que impulsan sus cuerpos.

'Correr, nadar o volar son acciones que ocurren en muy diferentes entornos y, asimismo, implican una mecánica somática totalmente diferente', dijo Bejan sobre la aplicación de la ley constructivista. 'No obstante, hay fuertes coincidencias en algunas características funcionales de corredores, nadadores y voladores.'

Por ejemplo, la frecuencia de zancada de los vertebrados corredores guarda con la masa de éstos la misma relación que se da en la natación de los peces. De forma parecida, la velocidad de los corredores sigue los mismos principios que la velocidad de los pájaros en vuelo.

El maratón. Créditos: euro2002.dk

La fuerza generada por los 'motores' musculares de los corredores, nadadores y voladores también se ajusta sorprendentemente con poca variación a un valor universal que depende sólo de la masa muscular, dijo Marden. El porqué de esta relación sigue siendo un misterio, dijo.

En defecto de una teoría unificada para tales formas de diseño, los biólogos han buscado una respuesta en los límites mecánicos, dicen los investigadores. Muchos autores han sugerido que los efectos de la escala se derivan de factores de seguridad biomecánica: por ejemplo, la necesidad de evitar fallos prematuros.

Marden dijo que se encontró por primera vez con el problema en los años ochenta cuando estudiaba la variabilidad en la rendimiento de vuelo de los insectos y otros seres vivos. Les ató pesos y obtuvo un 'extraño resultado universal'. 'Todos los organimos con los que experimentó –aves, murciélagos, insectos—pudieron levantar aproximadamente el mismo peso en relación al tamaño de sus músculos de vuelo con independencia de muchas otras diferencias biológicas.

'El tamaño de las alas no importaba; ninguna otra cosa parecía tener importancia.' –dijo Marden. 'Era fascinante, pero no había una explicación para este coincidencia cuando los animales parecían diferir en tantos aspectos.'

Años después, un estudiante de Marden sugirió que se analizase la función de los reactores con la finalidad de determinar si también seguían el mismo principio. Aunque Marden dijo que al principio rechazó la idea por ridícula, un informe de 2002 de ambos en 'Procedimientos de la Academia Nacional de las Ciencias' demostraba que el vuelo de insectos, aves y murciélagos, animales corredores y nadadores, motores de explosión, motores eléctricos y reactores seguían todos ellos el mismo patrón.

'Hallamos que todos los motores usados por los seres humanos y animales para desplazarse tienen un límite superior común de potencia neta de masa específica que es independiente de materiales y mecanismos', dijo Marden.

Sin saberlo Marden, Bejan ya había aplicado su teoría constructivista a similares principios de vuelo, la relación de la masa con la velocidad de vuelo de insectos, aves y aeroplanos, desde una mosca doméstica a un Boeing 747. El resultado fue publicado primero en el libro de Bejan 'Forma y estructura: de la ingeniería a la naturaleza' en el año 2000 por la Cambridge University Press.

Un encuentro fortuito de Bejan y Marden en una conferencia en el año 2004 los llevó a extender la teoría constructivista de Bejan del vuelo a la carrera. La teoría muestra que, para mantener una velocidad constante, tanto corredores como voladores deben gastar la misma energía para vencer dos mecanismos de destrucción del trabajo –la energía se gasta en cada salto y aterrizaje, o con cada elevación y caída en el aire, y se pierde en la fricción contra la tierra o el aire.

'Correr o volar a velocidades óptimas es encontrar un equilibro entre pérdida de energía vertical y horizontal', dijo Bejan. Sencillas ecuaciones basadas en esta idea predijeron con gran precisión las velocidades actuales de la carrera de los animales en una variedad de terrenos y el estudio reveló las frecuencias de batido de alas del vuelo de las aves, murciélagos e insectos.

'Pero la natación nos resultaba desconcertante', dio Bejan. 'Todos sabemos que en el agua los peces son ingrávidos.'

En otras palabras, los peces son neutralmente flotantes, o casi, en el sentido de que su tendencia a flotar contrarresta la fuerza de gravedad, y ni se hunden ni se levantan. Esencialmente, entonces, los científicos han considerado que los peces se mueven como si la gravedad no les afectase.

Basándose en estos datos, los nadadores exhiben la misma relación cuerpo-masa que los corredores y los voladores. 'La cuestión era: ¿Cómo podía una teoría que considera la gravedad aplicarse a la natación de los peces?', dijo Marden.

La progresión de la tierra al mar, de patas a aletas, de andar a nadar. "Los detractores de mis ideas plantean, por ejemplo cuestiones como las siguientes: ¿Cómo pudo transformarse un animal carnívoro terrestre en uno de hábitos acuáticos; cómo pudo dicho animal sobrevivir en el estadio de transición de uno a otro medio?...Los criadores frecuentemente hablan de la organización animal como de algo completamente plástico, modelable casi a voluntad". -Darwin: El origen de las especies.

Finalmente Bejan encontró la respuesta. Si bien los peces son neutralmente flotantes, tienen que desplazar el agua de su camino para avanzar, dijo. El agua levanta en la superficie un fenómeno que frecuentemente es imperceptible mientras puede extenderse por un lago, río u océano entero.

'El agua puede solamente ascender porque el fondo y las paredes del canal son rígidas', dijo Bejan. 'Este efecto, aunque indetectable, es la huella del pez.'

Los peces deben, por lo tanto, trabajar contra la gravedad para levantar una cantidad de agua igual a su propia masa cada vez que avanzan.

'Lo anterior coloca a los peces en el mismo dominio físico que a los corredores y voladores', dio Marden.

'El hecho de que las mismas proporciones gobiernen la carrera, el vuelo y la natación no es una coincidencia; más bien es la ilustración del hecho de que opera un principio universal', dijo Bejan. 'La carrera requiere el mínimo alimento cuando durante cada ciclo una cierta cantidad de trabajo es destruido por el impacto vertical y una cierta cantidad de fricción horizontal. El mismo acto del balanceo es responsable de un óptimo vuelo y natación.

'Todos los animales, con independencia de su hábitat, mezclan aire y agua mucho más eficientemente de lo que podrían en ausencia de una estructura de circulación', añadió.

Los hallazgos pueden tener implicaciones para el conocimiento de la evolución de los animales, dijo Marden. Una visión de la evolución mantiene que no es un proceso puramente determinístico; esta historia está llena de azares y de contingencias históricas. Es idea mantenida por Steven Jay Gould y otros que si fuese posible 'rebobinar la cinta' y pasarla de nuevo, la evolución seguiría un camino totalmente diferente, dijo Marden.

'Nuestro hallazgo de que la locomoción animal es coherente con la teoría constructivista nos dice que –incluso aunque no podamos predecir exactamente cómo serían los animales si reiniciásemos la evolución en la Tierra, o si acaeciese en otro planeta –con una gravedad y densidad de sus tejidos dadas, resultarían evolutivamente otra vez los mismos patrones básicos de diseño' –dijo Marden.