Colibrí con C, con c de Ciencia


La anterior es una magnífica fotografía macro realizada por Chris Morgan. Se trata de un ejemplar de las aves más pequeñas del mundo: los colibríes. Estas aves pertenecen a la familia Trochilidae y son endémicas del continente americano. Dado que en Sudamérica existe la mayor diversidad de estos organismos, y debido también a diversas evidencias genéticas, se cree que los colibríes son de origen sudamericano, desde donde empezaron a emigrar y diversificarse hace 12.5 millones de años, aproximadamente.

Los colibríes han cautivado al hombre desde hace mucho tiempo gracias a su hermoso plumaje iridiscente y delicado. En el México prehispánico, el colibrí se reconocía como el animal en el cual reencarnaban los guerreros caídos en combate, quienes después de la muerte servirían al dios Huitzilopochtli. Huitzilopochtli es uno de los principales dioses aztecas y se representa cubierto en plumas de colibrí de color verde. Algunos historiadores creen que el nombre de este dios proviene de las raíces náhuatl Huitzilin (colibrí) y opochtli (zurdo, izquierdo):

Huitzilopochtli, con su penacho verde y casco con pico alargado. El dios colibrí, deidad de las guerras y del Sol.

Y aunque las culturas antiguas del nuevo mundo reconocían al colibrí como de suma importancia, en Europa la fascinación por las plumas de colibríes fue tanta que éstos estuvieron al borde de la extinción debido a la caza desmedida en la búsqueda de plumajes exóticos para confeccionar sombreros. Al respecto, Colin McDowell relata que: “[existía en Londres] un proveedor de plumas de ave en 1892 que recibía embarcos de 6,000 plumas de aves del paraíso, 40,000 plumas de colibrí y 360,000 plumas de varias especies de ave del Este Indio (…)

Además de su plumaje, los colibríes nos cautivan también con su vuelo: la capacidad de mantenerse suspendidos en el aire, así como de volar hacia atrás, es una característica propia de esta familia y no está presente en otras aves:

Las alas del colibrí pueden batirse hasta 200 veces por segundo, aunque en colibríes de tamaño muy pequeño este número es incluso mayor para soportar al peso del colibrí con un ala de área superficial más pequeña. Curiosamente, la mayor parte del tiempo que un colibrí se mantiene en el aire lo pasa “suspendido” al alimentarse del néctar de las flores. En esta actividad consume el 90% de su tiempo de vuelo, y en consecuencia, la mayor cantidad de energía. Debido a la gran demanda energética para mantener en vuelo a un colibrí, la dieta de estas peculiares aves consiste principalmente de néctar de flores, una fuente muy rica en azúcares, los cuales se pueden metabolizar rápidamente para obtener energía a partir de ellos. Pero el metabolismo de azúcares también demanda un gran consumo de oxígeno. De hecho, los colibríes son los animales que consumen mayor cantidad de oxígeno por gramo de masa muscular: sólo para tener una idea, durante el vuelo un colibrí consume hasta 10 veces más oxígeno por gramo de masa muscular que un atleta de alto rendimiento.
Considerando el dato anterior, es sorprendente que existan colibríes que se han adaptado a las alturas, en donde la disponibilidad del oxígeno es menor. Para contender con esta aparente falta de oxígeno, los colibríes de algunas especies, como Aglaeactis castelnaudii, endémica de las montañas boscosas de Perú, se adaptaron mediante la mutación de ciertos aminoácidos en las hemoglobinas. La hemoglobina es una proteína cuya función principal consiste transportar oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos metabolicamente activos, en su viaje de regreso a los pulmones la hemoglobina transporta CO2 y otras moléculas de desecho que serán exhaladas mediante la respiración. Aunque las hemoglobinas son proteínas de cientos de aminoácidos, sólo unos cuantos participan en la unión directa con el oxígeno. Son precisamente esos aminoácidos los que en los colibríes que viven en grandes alturas están sustituidos por otros que se unen con mayor afinidad al O2, de esta manera, aunque existe menor oxígeno en el ambiente, el poco que está disponible se une más eficazmente a la hemoglobina y puede suplir las necesidades energéticas de un metabolismo tan activo.

Aglaeactis castelnaudii y otros colibríes que viven miles de metros sobre el nivel del mar se adaptaron a la poca disponibilidad del oxígeno en las alturas mediante la sustitución de algunos aminoácidos de las hemoglobinas, de manera que esta proteína es más afín al oxígeno. Fotografía por Kristian Svensson.

 Pero además de todas las peculiaridades metabólicas, los colibríes también han sido un desafío para los físicos que estudian dinámica de fluidos y aerodinámica. La principal pregunta que los investigadores se han hecho al respecto, es cómo un ave tan pequeña es capaz de maniobrar en el aire con tanta agilidad. Para responder a esta pregunta se han utilizado diversas aproximaciones, pero la verdadera revolución llegó con el uso de cámaras de alta velocidad. Con estos equipos y mediante la técnica de velocímetría por imagen digital de partículas el Dr. Douglas R. Warrick descubrió que los colibríes generan el 75% del impulso que necesitan para mantenerse suspendidos cuando mueven las alas hacia abajo y el 25% restante cuando aletean hacia arriba. Este dato contradijo a la hipótesis prevalente hasta entonces, que sostenía que al igual que los insectos voladores, los colibríes generaban el mismo impulso al aletear hacia arriba o hacia abajo. Uno de los resultados del Dr. Warrick que muestra las diferencias entre el aleteo hacia arriba o hacia abajo es el siguiente, en el cual se observa cómo el aire se mueve de manera distinta cuando el ala va en dirección hacia adelante (figura a) o hacia atrás (figura b):

La inclinación del ala del colibrí cuando aletea hacia abajo/frente (a) o hacia arriba/atrás (b) generan impulsos diferentes. Imagen utilizada con permiso de Macmillan Publishers Ltd, Nature Vol. 435: 1094-1097. Ⓒ 2005

Los resultados anteriores fueron obtenidos en un ambiente sin turbulencias, de modo que la dirección del aire en las fotografías está determinada principalmente por el aleteo del colibrí; pero sabemos que en “la vida real” los colibríes y todas las aves e insectos voladores tienen que lidiar con distintos cambios en la presión, velocidad y dirección del viento. ¿Cómo reacciona un colibrí ante estas variables? ¿imponen esas condiciones adversas un patrón de aleteo distinto en los colibríes? ¿aumenta su tasa metabólica? para contestar a estas preguntas, investigadores de California estudiaron el flujo de aire alrededor de las alas de colibrí en distintas condiciones de velocidad, flujo, dirección, etc. Los resultados muestran que cuando las turbulencias de aire son pequeñas, el colibrí practicamente se mantiene suspendido en el aire como si esas turbulencias no existieran, pero cuando esas turbulencias interaccionan con ambas alas, entonces el colibrí modula su posición al ajustar la velocidad del aleteo y la posición de la cola:

Finalmente, esos datos se integraron en un modelo computacional que muestra el flujo de aire alrededor de las alas de los colibríes. Con ese modelo me despido, ¡hasta la próxima!

 

Agradecimientos

* Gracias a Chris Morgan por el permiso para utilizar sus excelentes fotografías de colibríes en esta entrada del blog. Morgan es un apasionado de la fotografía y puedes encontrar otras tomas increíbles de aves en este álbum de Flickr.

* Gracias también a Kristian Svensson, quien me proporcionó permiso para usar su fotografía del colibrí Aglaeactis castelnaudii. Puedes admirar más de las fotografías de Kristian en su página de Flickr. Él cuenta con un album dedicado a los colibríes que puedes visitar en este enlace.

* Gracias a la revista Nature por concederme una licencia para reproducir las imágenes a y b del flujo de aire durante el aleteo de los colibríes. El artículo original se encuentra aquí, aunque desafortunadamente sólo se puede acceder a él mediante una suscripción a la revista o pagando por leer ese artículo en particular.

* Gracias a la revista Interface, de la Royal Society por colocar como acceso libre el material suplementario que cierra a esta entrada del blog (el último vídeo en YouTube y el GIF del modelo). El artículo original se puede consultar aquí, aunque nuevamente, la versión completa está disponible sólo mediante el pago por suscripción.

Bueno, ahora sí, hasta la próxima:

Los colibríes, como creían los Aztecas, son guerreros. Foto cortesía de Chris Morgan.

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Acerca de RodAG_

Casado con la ciencia (pero tengo un affair con las artes). Apuesta: eLearning, Open Access/Source. Sharing is caring. @RodAG_ en twitter.
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Una respuesta a Colibrí con C, con c de Ciencia

  1. andy Arnold dijo:

    Amo los colibríes

    Me gusta

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