Las aves voladoras utilizan sus pulmones para mejorar su vuelo

Los investigadores informan por primera vez que las aves planeadoras utilizan sus pulmones para mejorar su vuelo de una manera que ha evolucionado con el tiempo.

Las aves voladoras, como las águilas pescadoras, las águilas, los halcones e incluso los buitres, pueden permanecer en el aire aparentemente para siempre, y rara vez baten sus alas. Corren siguiendo las corrientes de aire ascendentes de una manera que ha fascinado a humanos y científicos durante siglos.

El nuevo estudio en Naturaleza En resumen, descubre que, a diferencia de los pulmones de los mamíferos, los pulmones de las aves hacen más que simplemente respirar. Se cree que un saco lleno de aire en los pulmones de las aves aumenta la fuerza que las aves utilizan para fortalecer sus músculos de vuelo mientras se elevan.

«Se sabe desde hace mucho tiempo que la respiración está funcionalmente relacionada con la locomoción, y se ha demostrado que el aleteo mejora la ventilación», dice Emma Schachner, profesora asistente de la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de Florida.

«Pero nuestros hallazgos muestran que en algunas especies también ocurre lo contrario. Hemos demostrado que un componente del sistema respiratorio influye y modifica el rendimiento del aparato de vuelo en las aves planeadoras, que utilizan sus pulmones para modificar la biomecánica de sus músculos de vuelo».

Los pulmones de los mamíferos son flexibles y están ventilados por mareas, es decir, el aire entra y sale por el mismo camino.

Por el contrario, las aves tienen una forma única de respirar: tienen un pulmón vertical al que se bombea aire a través de él en una dirección constante mediante una serie de bolsas de aire similares a globos que se expanden y eliminan. Las ramas de estas bolsas de aire son muchas pequeñas extensiones llamadas divertículos, que varían en número y tamaño según las especies de aves y cuyas funciones aún no se conocen bien.

Schachner descubrió el saco aéreo único, conocido como divertículo subpectoral, o SPD, por accidente mientras trabajaba en otro proyecto relacionado con la anatomía de los halcones de cola roja. Cuando observó las tomografías computarizadas, notó una enorme hinchazón que se encuentra entre el pectoral (el músculo que aplana el movimiento descendente) y el músculo supracoracoideo, o el músculo que aplana el movimiento ascendente. Ambos músculos están ubicados en la parte frontal del pecho del ave.

La observación llevó a Schachner a plantear la hipótesis de que esta bolsa de aire podría ser importante para la mecánica del movimiento. Para probar su hipótesis, trabajó con dos colaboradores clave, incluido Andrew Moore, biólogo evolutivo de la Universidad Stony Brook.

Los investigadores examinaron la presencia o ausencia del saco aéreo en 68 especies de aves que generalmente representan una diversidad de aves vivas para evaluar si el vuelo elevado y la estructura única están correlacionados evolutivamente.

El conjunto de datos consistió en gran parte en una colección de micro tomografías computarizadas de aves vivas proporcionadas por Scott Echols, un especialista en cirugía aviar de Utah, que había adquirido las imágenes con fines no clínicos.

Sus análisis fueron inequívocos: el SPD ha evolucionado en linajes en alza al menos siete veces diferentes y está ausente en todas las aves que no están en alza.

«Este modelo evolutivo sugiere firmemente que esta estructura única es funcionalmente importante para el vuelo», dice Schachner.

Para comprender mejor el impacto del airbag en la mecánica del vuelo, Schachner trabajó con Karl Bates de la Universidad de Liverpool en el Reino Unido, para modelar digitalmente su efecto en el músculo pectoral, centrándose en los halcones de cola roja y Swainson.

«Medir el comportamiento del SPD en un halcón real mientras se eleva hacia el cielo es casi imposible, por lo que construimos un modelo informático del SPD, los huesos y los músculos del ala para obtener los primeros conocimientos sobre cómo podrían interactuar. » dice Bates. «Este modelo informático también nos permitió cambiar la anatomía del halcón, específicamente eliminar el SPD (una vez más, algo que no podemos hacer en un ave real) para comprender mejor su impacto en el vuelo».

Los modelos informáticos sugieren que el inflado de la bolsa de aire aumenta el brazo de palanca del músculo pectoral, de la misma manera que usar un destornillador para abrir una lata de pintura proporciona un mejor apalancamiento que usar una moneda.

Además, el equipo descubrió que la anatomía del músculo pectoral de las aves que planean difiere significativamente de la de las aves que no vuelan en formas que mejoran la generación de fuerza. En conjunto, estos resultados proporcionan evidencia sólida de que el SPD optimiza la función del músculo pectoral en aves en vuelo al mejorar su capacidad para mantener las alas en una posición estática y horizontal.

«Parte de lo que hace que este descubrimiento sea tan importante es que cambia nuestra forma de pensar sobre la interacción entre la locomoción y la respiración», dice Schachner. «A partir de estudios anteriores, sabemos que la locomoción, como correr o batir las alas, mejora la ventilación pulmonar. Pero ahora hemos demostrado lo contrario: el pulmón también es capaz de modificar fundamentalmente la forma en que funciona la locomoción en las aves que planean».

Schachner y su equipo descartaron otras posibilidades para el funcionamiento del SPD. Al observar tomografías computarizadas de halcones de cola roja vivos, sedados mientras respiraban, demostraron que las aves pueden colapsar voluntariamente el saco de aire y aún respirar, y también pueden abrirlo y cerrarlo de forma independiente.

«La historia evolutiva aquí no podría ser más clara», dice Moore. “Nuestros datos indican que el SPD sólo evoluciona en aves reproductoras, y lo ha hecho al menos siete veces de forma independiente en linajes reproductores relacionados lejanamente. Entonces, ya sea que estés mirando una gaviota occidental, un buitre, una pardela sombría, un águila calva o un pelícano pardo, todos tienen SPD que mejora su capacidad de volar”.

La investigación también sugiere que los pulmones de las aves pueden tener muchas otras funciones no respiratorias desconocidas e interesantes que aún tenemos que encontrar, dice Schachner.

«Las aves son muy diversas. Piensa en lo diferente que es un avestruz de un colibrí o un pingüino”, dice. «Es probable que sus pulmones estén involucrados en una gama realmente fascinante de actividades funcionales y de comportamiento que están esperando ser descubiertas».

El Programa de Mejora de la Investigación de la Universidad Estatal de Luisiana y la Beca Gatorade de la Universidad de Florida financiaron el trabajo.

Fuente: Universidad de Florida