El genoma de las aves

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Sinornythosaurus. Vivió hace 130 millones de años, de 1,3 metros y con alas, cubierto de plumas. Aún no volaba.

 

Todos los seres vivos son diferentes, en realidad únicos. Esto es una obviedad, pero lo que ya no resulta tan evidente es que cada uno de ellos contiene información en sus propias células que lo define y caracteriza. Descifrar el código que hace que un pájaro sea un pájaro y no un ratón podría darnos alguna información sobre el vuelo. Quizá no.

El ADN (ácido desoxirribonucleico) en el núcleo de nuestras células —organizado en genes y cromosomas— es el responsable de la singularidad de cada hombre (homo sapiens) y almacena la información necesaria para fabricar los elementos esenciales de otras células como las proteínas y las moléculas de ácido ribonucleico. En el núcleo de las células del hombre hay 46 cromosomas (23 pares) y cada cromosoma posee un número de genes que varía de 300 a 4 000; los cromosomas contienen unos 25 000-30 000 genes. El ADN, que forma los genes y cromosomas, tiene una estructura de doble hélice caracterizada por la secuencia de pares de bases (adenina-timina y guanina-citosina).

La secuencia de los aproximadamente 3000 millones de pares de bases (3 Gb), del ADN de los cromosomas, es la que define todas las propiedades de cada ser humano. Ningún homo sapiens es idéntico a otro, aunque comparta muchos elementos comunes con los de su especie y bastantes más de los que podríamos imaginar con los de otras especies.

Sin embargo, los genes ocupan el 30% de la secuencia y el resto (70%) de los pares de bases forman secuencias entre genes. Los genes contienen información que determina la configuración y características de los individuos, como el color de los ojos o la forma de hablar, y la funcionalidad de las secuencias entre genes es menos conocida.

En el año 1990 se inició el proyecto de codificación del genoma humano y en 2005 se concluyó el estudio. En total se secuenciaron unos 28 000 genes.

Así pues, hoy sabemos que una secuencia de aproximadamente 3 Gb sirve para definir a un homo sapiens concreto. Sin embargo, el genoma de dos hombres tan solo se diferencia en un 0,1%, en un 99,9% somos todos iguales. Pero quizá lo más sorprendente, es que el homo sapiens comparte con el chimpancé hasta el 96% del material genético, con los gatos domésticos de Abisinia el 90%, el 85% con los ratones y con un simple plátano el 60%.

Todos los seres vivos pueden definirse como una secuencia de pares de bases cuya longitud es variable. Como las cuatro bases que forman el ADN se emparejan siempre igual —adenina (A) con timina (T) y guanina (G) con citosina (C)— esta secuencia se expresa mediante una larguísima palabra en la que en cada posición tan solo hay una de cuatro letras: ATGCAGGTATTGC…

En noviembre de 2018 se anunció en Londres el Earth BioGenome Project (EBP) cuyo objetivo es el de secuenciar el código genético de todas las especies conocidas de animales, plantas, protozoos y hongos (1,5 millones). El plazo estimado para este proyecto es de 10 años y su coste de 4,7 miles de millones de dólares.

El estudio del genoma de las aves se inició con anterioridad. En 2010 se lanzó el proyecto Bird 10 000 Genomes (B10K), con el objetivo de analizar el genoma de todas las especies en un plazo de 10 años. A finales de 2014 se publicaron los resultados del estudio de secuenciación de los genomas de 48 especies de aves. El trabajo, liderado por la Universidad de Copenhague y por el BGI de China, se realizó a lo largo de cuatro años y también analizó genomas de cocodrilos.

Los estudios del genoma de las aves que se han realizado hasta la fecha demuestran que es más pequeño que el de los mamíferos (oscila entre 0,91 Gb en el colibrí gorginegro y 1.3 Gb en el avestruz). Los cromosomas también son de menor tamaño y las secuencias de bases que separan los genes más cortas. En los organismos eucariontes —que tienen células con núcleo y citoplasma, como las aves y mamíferos— el tamaño del genoma no determina su grado de complejidad. Algunas amebas contienen 200 veces más DNA que los seres humanos y sus genomas pueden alcanzar los 600 Gb. Por tanto, los pájaros no cuentan con un genoma más reducido que el de los hombres porque sus organismos sean menos complejos. Una explicación es que un tamaño más reducido les permite estar dotados de células, y núcleos en las mismas, más pequeños, con una relación de volumen y superficie mayor lo que favorece una tasa metabólica más elevada. Además, el tamaño del genoma de sus ancestros, algunos dinosaurios, era superior al de las aves actuales; es decir, el proceso evolutivo lo ha menguado.

Las aves, los dinosaurios y los cocodrilos tienen un antepasado común: los arcosaurios. Los dinosaurios desaparecieron hace más de 60 millones de años y los cocodrilos han evolucionado muy poco mientras que las aves se han diversificado mucho y su evolución ha sido muy rápida. Pero, antes de que empezaran a volar se produjeron cambios importantes en su genoma que los preparó para esta actividad. Al comparar los genes de los animales con dientes y los que no los poseen, como los pájaros, los científicos han determinado que cinco genes son responsables de la dentición. Estos genes dejaron de funcionar en el genoma de las aves, antes de que empezaran a volar. De igual forma sus huesos se ahuecaron y sus pulmones cambiaron lo que sirvió para aligerar el peso de sus cuerpos y desarrollar una mayor tasa metabólica, aspectos necesarios para el vuelo.

Los cromosomas que determinan el sexo de las aves están invertidos con respecto a los de los hombres: las hembras tienen dos distintos y los hombres dos iguales. En algunos pájaros, como los cuervos, los cromosomas de ambos sexos se parecen mucho y en otros, como los pavos reales, son bastante diferentes lo que se traduce en un dimorfismo sexual más acusado.

De los muchos estudios que se han efectuado sobre el genoma de las aves, el de la universidad de Harward de Allison J Shultz y Timothy B Sackton concluye que el proceso evolutivo de selección natural tiende a fortalecer determinados genes y que precisamente estos son responsables de la defensa frente a agentes patógenos externos, el metabolismo de los lípidos y el proceso de las imágenes. En el estudio se analizaron 11 000 genes de 39 especies de pájaros. Una potente musculatura, que absorbe gran cantidad de energía, y un sistema de visión muy sofisticado son dos cualidades imprescindibles para que un ave pueda practicar con éxito el vuelo.

Las mutaciones genéticas, combinadas con la selección natural, la cual opera en función del entorno en el que se mueven los individuos, determina el sentido de la evolución. En algún momento algunos dinosaurios intentaron practicar el vuelo; no sabemos si lanzándose desde los árboles o promontorios, o tratando de prolongar sus saltos en tierra después de una carrera que los impulsara. El empeño en volar que pusieron estas especies primitivas determinó que la evolución transformara sus cuerpos hasta convertirse en aves. Aún no se ha descubierto el gen que determina ese deseo de volar, necesario, para que generación tras generación el proceso evolutivo pueda hacer su trabajo.

 

 

El libro del vuelo de las aves

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El libro del vuelo de las aves se encuentra disponible impreso y en edición electrónica, para localizarlo haga click en el siguiente enlace: libros de Francisco Escartí

En la naturaleza, los animales ejecutan el vuelo siguiendo patrones distintos, que dependen del peso del volador. La inmensa mayoría de los seres vivos que vuelan son insectos, por lo que podemos asegurar que el vuelo de las aves —y en particular el de las de mayor tamaño— es un fenómeno bastante singular. A los voladores (naturales o artificiales) que aletean para volar se les denomina ‘ornitópteros’; los pájaros son ornitópteros y sus alas ejecutan movimientos realmente complejos.

Hasta finales del siglo XIX no se llegó a entender del todo cómo el movimiento de las alas de los pájaros les permite generar las fuerzas de sustentación para equilibrar su peso y empuje para avanzar. Fue el científico francés Étienne-Jules Marey quien, en su libro Le vol des oiseaux (París, 1890), describió por primera vez con detalle todos los aspectos relacionados con el vuelo de estos animales.

A lo largo de la primera mitad del siglo XX muy pocos estudiosos se ocuparon de este asunto. Sin embargo, a partir de 1960 se desarrollaron modelos matemáticos y técnicas experimentales que utilizaron túneles de viento, cinematografía, rayos X y radares, para observar el movimiento del esqueleto y los músculos de los pájaros en vuelo. Se ha podido medir la fuerza muscular y el consumo energético de ejemplares en pleno vuelo. El uso de los GPS ha permitido estudiar con detalle los movimientos migratorios de algunas aves. Mediante pequeños sensores ha sido posible grabar la evolución del ritmo cardíaco en las distintas fases del vuelo. El análisis de la disminución de la concentración de isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno, inyectados en la sangre de las aves, se ha empleado para evaluar el nivel de intercambio de gases, un factor que determina el consumo de energía del animal. Durante los últimos 50 años, los científicos han recopilado una ingente masa de datos relacionada con el vuelo de las aves, aunque aún quedan muchos aspectos por esclarecer.

Siempre se establecen analogías entre el vuelo animal y el de las aeronaves construidas por los hombres. La diferencia fundamental estriba en el peso. El peso de muy pocos pájaros supera los 10 kilogramos y en todos los aviones comerciales de pasajeros pasa de las 10 toneladas (442 toneladas en el caso del Boeing 747-8). Las aeronaves comerciales tienen un peso que excede el de los pájaros en tres órdenes de magnitud. En cuanto a la forma de volar, las aeronaves cuentan con alas fijas que sirven para generar la fuerza que contrarresta el peso y motores que aportan la potencia necesaria para producir el empuje que les permite avanzar. Las aves emplean sus alas para realizar, de forma simultánea, las dos tareas: equilibrar su peso y propulsarse.

Pero ¿cómo utilizan las aves sus alas para sustentarse y, al mismo tiempo, para crear el impulso que les permite volar sin perder altura? En el movimiento de aleteo descendente el ala no forma un plano sino que sufre una torsión. La fuerza aerodinámica resultante en las puntas del ala tiene la dirección del vuelo, hacia adelante, mientras que la fuerza aerodinámica de sustentación en la parte central es hacia arriba. Así es como un pájaro consigue generar la fuerza de empuje para avanzar, venciendo la resistencia, y la de sustentación para compensar el peso.

Aparentemente las hélices son un mecanismo más sencillo y eficaz para generar el empuje que el sistema de torsión de las alas. Quizá no sea así, pero lo que sí es cierto es que la naturaleza no puede construir hélices porque no ha inventado, todavía, juntas rotatorias capaces de llevar la sangre a lo que serían las palas de esos inexistentes miembros; así es que se ha visto obligada a discurrir el modo de emplear las alas para propulsar a sus pájaros.

Del vuelo de las aves cabe destacar su capacidad para desarrollar tanta potencia durante largos periodos de tiempo que pueden durar varios días, la cantidad de especies que migran, su excepcional sentido de la orientación y la navegación, la habilidad para cambiar la forma de su cuerpo, su destreza para extraer energía del aire y la complejidad de la aerodinámica no estacionaria que gobierna su forma de volar.

Un atleta bien entrenado, que pese 75 kilogramos, es capaz de producir unos 250 vatios durante algunas horas. Sin embargo, un cisne blanco de poco más de 10 kilogramos necesita 300 vatios para mantenerse en vuelo. El ejercicio del vuelo es mucho más exigente, en cuanto a requerimientos de potencia, que nadar o caminar, sobre todo cuando aumenta el peso de los individuos. De otra parte, el vuelo es desde un punto de vista energético, un sistema de transporte muy eficiente. Si comparamos una ardilla y un mirlo, del mismo peso, con unas 125 calorías de presupuesto energético, la ardilla correrá una distancia de unos 500 metros y el mirlo volará 2000 metros. Pero, la mayor eficiencia energética exige a cambio una capacidad de generar potencia muy elevada y, lo que es aún más difícil: mantener dicha situación durante un tiempo prolongado. Como los animales queman azúcar, hidratos de carbono y grasas para producir energía, lo normal es que durante un trayecto sin escalas consuman sus reservas, lo que hace que los pájaros tengan que ser capaces de acumular gran cantidad de grasa antes de emprender un viaje largo. De hecho, muchos de ellos pueden sobrealimentarse hasta doblar el peso, antes de iniciar sus vuelos migratorios.

La producción de un nivel elevado de potencia implica que el organismo de las aves posea unas características que son muy poco compatibles con la longevidad. La vida de los pájaros no es muy larga y además está llena de peligros. La elevada tasa de combustión, que requiere oxígeno y combustibles, es posible gracias a un sistema respiratorio que se extiende por todo el cuerpo y ocupa hasta el 20% del mismo (mientras que en los mamíferos esta cifra es del orden del 5%) y a un aparato circulatorio que puede bombear sangre a un ritmo de 500 pulsaciones por minuto y funciona a una presión elevada. Pero no basta con almacenar y transportar oxígeno y grasas, los músculos necesitan para trabajar trifosfato de adenosina (ATP) que a su vez se produce a partir de las reservas. No es suficiente almacenar la grasa sino que para que los músculos funcionen es necesario que los pájaros posean células ricas en mitocondrias que son las responsables de usar los nutrientes para generar el ATP.

Para volar, los pájaros poseen cuerpos muy especializados, capaces de generar mucha potencia de un modo sostenido.

Los vuelos migratorios son otra de las características que hace que las aves sean unos animales excepcionales. Aunque los científicos lo sospechaban, hasta hace muy poco tiempo no se había podido constatar, de modo fehaciente gracias a los GPS, que algunas aves migratorias, como la becasina de cola barrada, son capaces de recorrer más de 11 000 kilómetros en un vuelo ininterrumpido: de Alaska a Nueva Zelanda. En estos viajes pierden la mitad de su peso y muchos individuos la vida. Lo que se desconoce es el motivo que impulsa a estos animales a cruzar el globo terrestre dos veces, todos los años. De Nueva Zelanda, viajan por el Pacífico al norte de China y de allí regresan otra vez a Alaska para repetir el circuito la temporada siguiente. Estos pájaros no son los únicos que siguen esa ruta, hay más, y sin llegar a esos extremos hay muchísimas especies que migran del norte de Eurasia al África tropical y a Sudáfrica, y otras lo hacen de norte a sur y viceversa, en el continente americano. Es difícil explicar que todos los años tantas especies de voladores emprendan esos largos periplos, tan peligrosos para ellos.

El ejercicio de las migraciones obliga a estos pájaros a poseer mecanismos de orientación muy sofisticados. Sabemos que han desarrollado varios sistemas para determinar rumbos: detectan la inclinación y la intensidad del campo magnético terrestre, reconocen la posición de las estrellas y la del sol y son capaces de diferenciar la luz polarizada. También poseen cierta capacidad de navegación inercial. En principio, con las brújulas las aves podrían seguir un rumbo y auxiliarse del reconocimiento visual del terreno para corregirlo y llegar a su destino. La navegación inercial también les permitiría, con la ayuda del reconocimiento visual, alcanzar sus objetivos. Es más complicado pensar que volando sobre el mar, con escasas referencias visuales, los pájaros sepan corregir el necesario abatimiento de las corrientes de aire, sobre todo en trayectos de miles de kilómetros. Es por eso, por lo que se supone que las aves cuentan con mecanismos capaces de indicarles, además del rumbo, una referencia más o menos exacta del lugar en donde se encuentran en cada momento. Eso significaría que disponen de una especie de GPS interno.

En cualquier sistema de navegación, para situarnos sobre la superficie de la Tierra, la complejidad está en la determinación de la longitud (ángulo medido sobre el paralelo del lugar a un meridiano de referencia, que suele ser Greenwich). La latitud (ángulo medido sobre el meridiano del lugar al Ecuador) la podemos deducir directamente de la altura de la estrella Polar, al menos en el hemisferio Norte, o de la del sol al mediodía, sabiendo en qué época del año estamos, en ambos hemisferios. La determinación de la longitud se resuelve llevando a bordo un reloj con la hora de Greenwich. La diferencia horaria entre las 12:00 horas locales y la que marca el reloj de referencia cuando el sol pasa por el meridiano de nuestro lugar (posición más alta), nos permite calcular la longitud del meridiano en que nos hallamos, ya que el sol recorre 15 grados cada hora. Es posible que los pájaros utilicen su reloj interno durante las migraciones, el ciclo circadiano, para determinar la longitud geográfica de su posición, al menos con respecto al punto de partida; pero no se sabe si emplean este mecanismo u otro para posicionarse con cierta exactitud sobre la Tierra. Caben otras posibilidades, que trato en este libro, porque la navegación de los pájaros continúa siendo un asunto del que no se tiene un conocimiento muy preciso.

Los pájaros son capaces de adaptar la forma de su cuerpo a las necesidades del vuelo con rapidez y continuamente. Esa geometría variable es quizá el elemento que los diferencia sustancialmente de los aviones que fabrica el hombre. Son animales cuyo vuelo es muy inestable ya que deben de actuar de forma constante sobre las distintas partes de su cuerpo para mantenerse dentro de lo que constituye su envolvente de vuelo. A la vez que esta característica los hace muy eficientes, requiere que estén dotados de un complicado sistema de control. Necesitan sensores muy precisos (vista, oído, aceleraciones y presión) que le informen de su posición, velocidad y fuerzas a las que están sometidas las distintas partes de su cuerpo; también deben contar con un sistema nervioso muy rápido que transmita esta información a su cerebro, para que la procese de forma automática y envíe a los músculos la respuesta necesaria de acuerdo a las circunstancias. Estas funciones marcan una gran divergencia entre el modo de operar de un aeroplano comercial y el de un simple pájaro; mientras que el piloto del aeroplano maneja una máquina estable con un número muy limitado de controles y poca capacidad de actuación sobre la geometría de su aeronave, el pájaro tiene que procesar, automáticamente, muchos datos, para mantenerse en vuelo.

Otro aspecto del vuelo, que caracteriza a muchos pájaros es la capacidad que tienen para extraer energía del viento. En la atmósfera, sobre tierra, existen térmicas ascendentes y corrientes de montaña que generan ondas y rotores; sobre el mar hay gradientes de velocidad en altura muy acusados, en particular cerca de la superficie del mar se crean capas en las que la velocidad del aire aumenta mucho con pequeñas variaciones de la altura; tanto en tierra como en el mar, hay corrientes ascendentes generadas por obstáculos bien sean olas, barcos, promontorios o construcciones. Muchos pájaros, como los cóndores y buitres leonados, son maestros en la extracción de la energía de las térmicas, y otros, como los albatros, dominan la técnica de aprovechar los gradientes de velocidad en altura, cerca de la superficie de las olas. Estos pájaros planeadores son capaces de pasar muchas horas volando sin batir las alas y recorrer centenares de kilómetros con un esfuerzo mínimo. Las aves planeadoras pueden mantenerse en el aire en busca de alimento durante largos periodos de tiempo sin apenas mover las alas: los carroñeros buscan animales muertos, los depredadores conejos, serpientes o incluso otros pájaros, y las aves oceánicas peces. Hay también pájaros, como las cigüeñas, que en sus largas migraciones utilizan el planeo para desplazarse con ahorro de energía; estas aves evitan cruzar los mares, donde las térmicas son inexistentes o muy débiles, por eso en Europa los pasos migratorios se concentran en las costas del Oriente Próximo y el estrecho de Gibraltar.

El aire ejerce sobre el pájaro un conjunto de fuerzas que le permiten volar. Cuando lo hace con las alas extendidas y fijas, como un aeroplano, las teorías aerodinámicas que se han desarrollado para los aviones son aplicables a las aves, pero con algunas salvedades. Es importante tener en cuenta un parámetro que se denomina número de Reynolds y que refleja la importancia relativa entre las fuerzas viscosas o de rozamiento y las inerciales, en el movimiento del aire alrededor de un cuerpo. En función del valor de este número, el comportamiento de las alas difiere de forma significativa. El número de Reynolds del flujo de aire en los aviones es del orden de millones, mientras que en el caso de los pájaros oscila entre 30 000 y 350 000.

El vuelo de aleteo, con batimiento de las alas, se considera que es bastante más trabajoso para el pájaro que el de planeo. Desde un punto de vista aerodinámico es muy complejo, especialmente a baja velocidad, durante los momentos del despegue y aterrizaje. Es muy difícil establecer un modelo genérico aplicable al vuelo ornitóptero y resulta más práctico analizar asuntos concretos del mismo. El estudio de las estelas, con pájaros adiestrados para volar en túneles de viento, ha mostrado aspectos muy interesantes de este tipo de vuelo. El hecho de que las fuerzas que el pájaro ejerce sobre el aire tienen que ser iguales a las que el aire ejerce sobre el pájaro, permite conocer estas últimas mediante el estudio del movimiento del aire alrededor del pájaro. Se han desarrollado técnicas que hacen uso de la fotografía con láser para determinar la velocidad de las partículas del aire que rodea a un pájaro que ha aprendido a volar en un túnel de viento. Los resultados de estos estudios han permitido avanzar mucho en el conocimiento del vuelo de aleteo durante los últimos años. A baja velocidad, con flujos cuyo número de Reynolds es pequeño el vuelo de aleteo se produce en situaciones en las que la corriente de aire no es estacionaria y los torbellinos asociados, así como las fuerzas de sustentación y resistencia tardan un tiempo en establecerse y cambiar. Gran parte de la sustentación de las alas, a baja velocidad y con ángulos de ataque elevados, se debe a los torbellinos que se forman en el borde de ataque del ala. La complejidad asociada al estudio aerodinámico del vuelo de pequeños ornitópteros a baja velocidad hace que los análisis concretos de situaciones puntuales adquieran mayor utilidad que el desarrollo de cualquier modelo que pretenda abordar la solución completa del problema.

Cuando estudiamos el vuelo de los pájaros es inevitable pensar que se trata de un ejercicio muy complicado. Tanto, que nos sorprendemos de que pueda ocurrir. Sin embargo, para un ave que lo hace todos los días, la práctica del vuelo es parte de su vida, al igual que lo es para los mamíferos terrestres desplazarnos sobre la superficie de nuestro planeta. No sabemos cómo lo hacemos, pero lo hacemos. Para el ave, el aire es el medio en el que se apoya y debe hallarlo tan consistente y seguro como lo es el suelo para nosotros. Los movimientos que le permiten volar son instintivos, automáticos, los produce un sistema nervioso ligado a más de un centenar de músculos que a su vez recibe instrucciones que elabora el pájaro con un nivel de consciencia más elevado.

Otro asunto de interés es qué puede enseñarnos el estudio del vuelo de los pájaros para construir nuestros futuros aviones. La respuesta se complica por el hecho de que si bien las aeronaves comerciales transportan carga de pago los pájaros no y además quizá aves y humanos tengamos prioridades muy distintas, en el ejercicio del vuelo, durante los años venideros.

Y para terminar esta introducción, diré que El libro del vuelo de las aves está escrito con la intención de que pueda leerlo cualquier persona que desee profundizar en el conocimiento del vuelo de los pájaros. Es un libro de divulgación y he tratado de evitar fórmulas y terminología científica, y le pido por anticipado al lector disculpas por las expresiones matemáticas que no he sabido evitar. Puede pasarlas por alto, sin merma de la comprensión del fondo de los asuntos que en el libro se tratan. La mayor parte de las fórmulas, así como los detalles sobre la anatomía de las aves, cuestiones relacionadas con la Aerodinámica y datos de vuelo de un conjunto de aves, los he incorporado en los anexos.

Los machos del combatiente

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Foto: Diergaarde_Blijdorp

El libro del vuelo de las aves se encuentra disponible impreso y en edición electrónica, para localizarlo haga click en el siguiente enlace: libros de Francisco Escartí

 

El pájaro combatiente (Philomacus pugnax), es un ave zancuda de una especie que produce tres clases de machos que poseen comportamientos sexuales muy diferentes. Estos pájaros crían en lugares acuosos del norte de Europa y Asia. Los machos no se ocupan demasiado de los polluelos y abandonan los criaderos a finales de junio, antes que las hembras que lo hacen con la descendencia al mes siguiente. Viajan en bandadas muy numerosas. Los machos ivernan en lugares menos alejados de los criaderos, a veces separados de las hembras que buscan lugares más cálidos; en sus migraciones pueden recorrer miles de kilómetros, desde el norte de Eurasia a los trópicos africanos.

Pero lo que hace muy singulares a estas aves son sus tres tipos de macho. Desde hace mucho tiempo tan solo se sabía que existieran dos de ellos, el descubrimiento del tercero data de 2006. Los machos que se conocían eran más grandes que las hembras, pesaban unos 180 gramos y sus alas poseían una envergadura de alrededor de 57 centímetros; sus patas y picos eran de un llamativo color naranja. Durante la época del apareamiento se cubrían con un abundante, vistoso y personalizado, plumaje. Las dos tipos de macho tradicionales son, el territorial y el satélite.

Los territoriales marcan un espacio físico que defienden con extrema agresividad. Las hembras, dentro de su recinto, les pertenecen y pelean con cualquier competidor que pretenda compartirlas con ellos. Los satélites se introducen en los espacios controlados por los territoriales, aprovechando las peleas del titular con otros satélites, y copula con la hembra del territorial. Los satélites también se benefician de otras hembras que ocasionalmente entran en las zonas de los territoriales. La presencia de estos copuladores furtivos causa serios disgustos al dueño del recinto, pero también sirve para que a su territorio acudan más hembras, muchas atraídas por la presencia de los satélites.

En 2006 se descubrió otra clase de macho al que se le puso el nombre de faeder. Esta palabra inglesa se utilizaba antaño para designar al padre (father). El faeder tiene aspecto físico de hembra, es más pequeño, y trata de hacerse pasar por una de ellas. En los momentos de descuido, cuando las hembras se agachan, el faeder aprovecha para sorprenderlas con un beso cloacal que es el modo de copular que tienen las aves. Hay veces que el territorial los confunde con una de sus hembras y copula con ellos, aunque hay expertos que opinan que no es la confusión sino el apetito lo que provoca la unión. En realidad, entre los machos la práctica homosexual es bastante frecuente y también sirve para estimular el deseo de las hembras.

La trilogía de machos combatientes es genética, cada macho nace con su propio distintivo para desempeñar el papel que la sabia y vieja naturaleza le ha encomendado. A unos les confiere la creencia de que disponen de un derecho natural a poseer, a otros la sabiduría y prudencia de liberarse de las obligaciones del mantenimiento de sus bienes y a los últimos el disfrute del placer, sin más. Dicen los expertos que las hembras sienten una especial predilección por los faeder.

 

 

Pájaros artificiales

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La foto no es de un pájaro real: es un dron tipo Robird de Clear-Flight-Solutions. Las aves lo confunden con un halcón peregrino y huyen de su presencia. En las proximidades de los aeropuertos sirve para evitar que las aeronaves colisionen con los pájaros.

La historia de los pájaros artificiales es casi tan antigua como la el conocimiento humano. ¿Volaban las palomas de madera de Arquitas de Tarento? El matemático Herón de Alejandría, así lo creyó, aunque eso fuera centenares de años después de la muerte del supuesto primer fabricante de drones de la historia. Es posible que las palomas de Arquitas se propulsaran mediante vapor de agua. El propio Herón diseñó pájaros artificiales que movían las alas y cantaban, gracias a mecanismos que se alimentaban mediante agua a presión que les llegaba a través de tuberías. Cuentan que a Carlos I de España, cuando ya se había retirado en Yuste, un famoso y sabio inventor, Juanelo Turriano, a quien nombró Relojero de la Corte, también le fabricó pájaros voladores. El ingeniero renacentista fabricó un famoso reloj, Cristalino, que marcaba la posición de los astros en todo momento. En el siglo XVIII un francés, Jacques Vaucanson, construyó un pato chapado en oro, capaz de imitar los movimientos y sonidos de un ánade, con gran precisión, además de ingerir grano y defecar a través de un detallado mecanismo que imitaba con precisión el aparato digestivo. Su compatriota Voltaire quedó prendado del invento. Sin embargo, han tenido que pasar muchos años hasta que podamos aseverar con seguridad que alguien ha construido un pájaro artificial que vuela como los naturales, batiendo las alas, sin hélices.

«Es un sueño de la humanidad volar como los pájaros». Son palabras de Markus Fischer, el joven que dirigió el equipo de Festo que construyó SmartBird. Un pájaro artificial, inspirado en la gaviota argéntea cuyas alas se mueven hacia arriba y abajo y son capaces de torcerse como las de las aves. Está construida con fibra de carbono y pesa unos 450 gramos, posee una envergadura de 2 metros, se alimenta con una batería de litio, lleva cuatro servos y es capaz de transmitir su posición a una estación de control —que gestiona un operador— y recibir órdenes desde la misma. Puede despegar, volar como un pájaro batiendo sus alas, y aterrizar. SmartBird es un invento del siglo XXI. No es el único, hay otros pájaros artificiales como el de Nico Nihenhuis, un holandés que ha diseñado y construido aves de presa artificiales (Robirds). Estos ingenios, dotados de un piloto automático, servirían para hacer que los verdaderos pájaros huyeran de las zonas de tránsito aéreo y evitar así las colisiones con las aeronaves.

Las universidades también se han ocupado durante los últimos años de los pájaros artificiales. El Israel Institute of Technology desarrolló un proyecto de pájaro mecánico (Birdinator), capaz de volar durante 10 minutos y transportar una pequeña carga de pago de unos 20 gramos. El proyecto ROBUR, en Francia, se desarrolló para estudiar la viabilidad y las ventajas de pequeños aviones no tripulados de alas batientes. La universidad de Maryland construyó, con fondos del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos, un robot (Robo Raven) muy ligero, equipado con una pequeña cámara, para misiones de vigilancia y reconocimiento. Es más silencioso que un helicóptero y pesa menos que una lata de cerveza. Desde hace más de una década, el profesor S.K. Gupta de dicha universidad ha estado trabajando en este tipo de desarrollos. Durante las pruebas de vuelo, el Robo Raven fue confundido por un halcón que lo atacó en varias ocasiones.

Hasta los fabricantes de juguetes han desarrollado pájaros voladores artificiales. Por menos de 100 dólares, la empresa francesa Avitron ofrece un robot que pesa 8,85 gramos, vuela en habitaciones cerradas y el exterior (según anuncia el fabricante) durante unos 8 minutos, y se alimenta con 6 baterías AA recargables.

A pesar de las dificultades de estos inventos, ya que los amplios conocimientos que poseemos sobre la aerodinámica aplicable a los aviones tienen escasa utilidad a la hora de estudiar el vuelo de los pájaros, sobre todo los pequeños ornitópteros (voladores de alas batientes), cada vez hay más organizaciones y empresas interesadas en desarrollar máquinas de volar de reducido tamaño que se muevan batiendo las alas. Parece que un aparato volador de gran envergadura y alas batientes es un ingenio muy complicado. Aunque incluso se ha realizado algún prototipo de pterosaurio artificial, no creo que una máquina cuyo peso sea superior a varios kilogramos tenga mucha utilidad. Con alas muy grandes, los ornitópteros  pierden sus ventajas de maniobrabilidad. Sin embargo, con pesos del orden de un kilogramo y menos, estos aparatos podrían desplazarse a gran velocidad, ser muy maniobrables y ejecutar misiones que difícilmente estarían al alcance de los drones de ala fija o de ala rotatoria. El problema es que estas máquinas plantean un reto tecnológico extraordinario. Sin embargo, muchos creen que en un plazo de 10 o 20 años podremos ver drones que vuelan con la misma seguridad y habilidad que los pájaros en nuestras ciudades, atareados en misiones de transporte urgente de gran variedad de productos. Bastaría con que dejáramos una ventana abierta en casa para recibir un paquete pocos minutos después de comprarlo, eso sí, mientras no sea demasiado grande.

La estrategia de vuelo de los pájaros planeadores terrestres

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El libro del vuelo de las aves se encuentra disponible impreso y en edición electrónica, para localizarlo haga click en el siguiente enlace: libros de Francisco Escartí

 

La habilidad de los pájaros planeadores terrestres para extraer del aire la energía que precisan para desplazarse es sorprendente. El buitre leonado es el gran maestro del planeo en el Viejo Mundo; tiene un aspecto algo siniestro, con ese cuello largo y desnudo de avestruz, los ojos saltones, las plumas desastradas y el pico ganchudo. Cuando alarga los brazos y extiende el plumaje, despliega casi tres metros de magníficas alas que le permiten remontar las corrientes térmicas ascendentes como ningún otro pájaro.

Por la mañana debe aguardar unas horas, después del amanecer, a que el sol caliente algunos pedazos de tierra. Hasta entonces descansa, con el corazón en reposo, a unas 40 pulsaciones por minuto. Es el ritmo cardiaco que se ajusta a su tasa de metabolismo basal. Conforme se adentra en las tareas que le deparan la nueva jornada y empieza a observar, desde su atalaya, el ir y venir de pájaros, cómo se acortan las sombras y nota el calor de los rayos del sol en el plumaje, el corazón aumenta su ritmo hasta las 80 pulsaciones.

El aire, recalentado por la tierra, forma pequeñas burbujas que se juntan en hilillos que ascienden por la atmósfera. Al principio lo hacen con dificultad, por la inversión de la capa de aire que se encuentra encima del suelo: a mayor altura, está más caliente. Y es que la noche ha enfriado la tierra mucho. Cuando los pequeños hilos ascendentes traspasan los estratos afectados por la inversión, suben mucho más deprisa y se enfrían, se condensan, se detienen y caen otra vez. Los cilindros que suben se unen y crean una columna de aire caliente que se abre y asciende hasta el punto en el que se origina una pequeña nube blanca, con la base arqueada: es un cúmulo.

El buitre leonado detecta el momento en el que el sol ya ha puesto en marcha lo que será el motor en sus vuelos. Ha llegado la hora de comenzar la jornada de trabajo. Se prepara para lanzarse al vacío, extiende los brazos, mueve las patas, agita las alas. Su corazón late a 180 pulsaciones por minuto. Da un salto y aletea con fuerza varias veces para ganar velocidad. El vuelo, con batimiento de las alas, le supone un esfuerzo casi insoportable; la frecuencia cardiaca se aproxima a los 400 latidos por minuto. Muy pronto abandona los aleteos y extiende las alas para planear. Su trayectoria le hace perder poca altura y al cabo de unos diez minutos el buitre asciende en espiral aprovechando la corriente de una térmica. La velocidad de ascenso no tiene por qué ser muy elevada, quizá 0,5 metros por segundo, aunque en algunos casos alcance los 3 o 4 metros por segundo. Mientras se eleva, describe una trayectoria helicoidal, con un radio de giro de unos 15 a 20 metros. Con las alas extendidas, cuando ya han transcurrido 10 minutos desde que dejó de planear, su corazón vuelve a latir a 80 pulsaciones por minuto. A ese ritmo funciona su víscera cardiaca, en el aire con las alas extendidas, sin batirlas, o en su atalaya, desde la que observa lo que ocurre a su alrededor, con las alas plegadas. Para el buitre leonado no es más costoso, desde el punto de vista energético, el vuelo de planeo que mantenerse erguido sobre las patas en un peñasco.

Cuando la térmica se desvanece o el pájaro considera que ha subido a la altura que deseaba, abandona el chorro de aire caliente para iniciar un planeo en cualquier dirección. Con un ángulo de planeo pequeño, de 2 a 3 grados, el pájaro puede realizar un trayecto horizontal cuya distancia sea 20 veces la altura inicial, antes de llegar al suelo; recorrerá 20 kilómetros si ha ascendido a 1000 metros. Sin embargo, el buitre regula el ángulo de planeo a voluntad, en función del plan que tenga para ese día. Para permanecer en el aire todo el día, sin batir las alas, antes de perder por completo su altura deberá introducirse en otra térmica. Y eso es exactamente lo que hace, siempre que puede: navegar de térmica en térmica, sin dejar que su corazón sobrepase las 80 pulsaciones por minuto.

El buitre leonado es quizá el maestro de los planeadores terrestres en Europa, Asia y África, y sus prestaciones cuando ejercita el vuelo sin aleteo, con las alas extendidas y fijas, son superiores a las de la mayoría de las aves planeadoras. Para casi todas ellas, el consumo energético en vuelo de planeo es del orden de 1,5 veces el metabolismo basal (mínimo necesario para mantener al organismo en absoluto reposo). Este factor se eleva a 7 para el vuelo con aleteo. Esta es la razón por la que los pájaros planeadores sienten una terrible aversión al vuelo con batimiento de las alas y no lo efectúen salvo si carecen de una alternativa.

Evitar el vuelo de aleteo, es un objetivo importante para las aves planeadoras. Al menos eso es lo que se deduce de las muchas observaciones que se han efectuado de estos pájaros; del tiempo que permanecen en el aire, durante una jornada completa, no suelen dedicar más del 3% al vuelo de aleteo. Para conseguirlo, y hacer compatible este objetivo con sus otros intereses diarios, cada especie ha desarrollado su propia estrategia.

En primer lugar, y antes de profundizar en las estrategias de planeo, es necesario explicar que este tipo de vuelo se caracteriza por un descenso del pájaro, a velocidad constante, siguiendo una trayectoria rectilínea que forma un determinado ángulo con la horizontal. Si elegimos un valor para el módulo de la velocidad del ave en un planeo, el pájaro podrá adoptar distintas configuraciones, con las alas y la cola más o menos extendidas, las patas desplegadas o recogidas, con lo que con una misma velocidad, la componente vertical de descenso de la velocidad, será mayor o menor, en función de la configuración que adopte el pájaro. Para cada velocidad, dentro del rango de vuelo del pájaro, existirá una configuración de despliegue de alas, cola, patas y posición del cuerpo, con la que la componente vertical de descenso de la velocidad será la mínima. La curva que muestra la mínima velocidad vertical de descenso, en función de la velocidad, se denomina polar. Podemos olvidarnos de esta curva y bastará con que recordemos que a cada velocidad del pájaro, le corresponde una velocidad mínima de descenso en el planeo.

Hay tres velocidades de planeo características: la mínima, la mejor y la de la teoría de MacCready, o la óptima. La mínima es la velocidad de planeo con la que se obtiene la menor velocidad de descenso. Con la mínima, el pájaro estará en el aire el mayor tiempo posible antes de llegar al suelo. La mejor es la velocidad de planeo en la que la relación entre las componentes horizontal y vertical de la velocidad es máxima. Por cada metro que descienda, el pájaro avanzará más metros con la velocidad mejor, que con ninguna otra. La mejor, es la velocidad que le permitirá ir más lejos.

La mínima maximiza el tiempo en el aire, la mejor la distancia recorrida ¿Para qué sirve la que resulta de la teoría de MacCready? Cuando un pájaro migra, por lo general procura que el tiempo del viaje sea lo más breve posible, ya que la experiencia migratoria está asociada a multitud de peligros. MacCready propuso una velocidad de planeo óptima; es la que optimiza la velocidad en un trayecto; la que permite realizarlo en el menor tiempo posible. Se supone que el pájaro se mueve en una dirección determinada, de térmica en térmica. La velocidad óptima de la teoría de MacCready tiene en cuenta los tiempos de ascenso en las térmicas y depende de la intensidad de las corrientes ascendentes que se supone igual para todas ellas.

Pondré el ejemplo concreto de un halcón. Para este pájaro las velocidades típicas de planeo anteriores serían, 7,32 m/s para la mínima, 13,51 m/s para la óptima y 10,38 m/s para la mejor. Si asciende 1200 metros en una térmica, con la velocidad mejor podría planear 12 408 metros, bastantes más que con la mínima (10 239 m) o con la óptima (11 603 m). Con la velocidad de planeo mínima permanecería en el aire 23 minutos, mientras que con la óptima, tan solo 14 minutos. Por el contrario, el desplazamiento a lo largo de su ruta sería mucho más lento con la velocidad de planeo mínima, ya que la velocidad de crucero real no pasaría de 3,9 m/s mientras que si elige el planeo óptimo podrá moverse a 5,6 m/s (teniendo en cuenta los tiempos que pierde en las térmicas).

El número de opciones de planeo que se le presenta a un pájaro cuando ha remontado una térmica es elevado, sobre todo si se considera el entorno y la misión que el pájaro pretende ejecutar en ese momento. Un volador tiene que resolver en su vida diaria problemas que a los corredores terrestres no se le plantean nunca.

Nir Horvitz (2014) y un grupo de científicos observaron las estrategias de planeo de 1346 pájaros de 12 especies distintas. Los autores del estudio introdujeron un concepto muy interesante: el índice de aversión al riesgo, del vuelo (RAFI).

Los científicos entendían que cuando un pájaro planeaba con la velocidad óptima corría el riesgo de no llegar a la siguiente térmica y verse en la costosa obligación de aletear durante un tramo hasta alcanzarla. Planear con la velocidad óptima, mostraba poca aversión al riesgo. Todo lo contrario podía decirse si el pájaro elegía la velocidad mejor, con la que tenía más probabilidades de alcanzar la siguiente térmica; una actitud conservadora que mostraba aversión al riesgo.

Con este criterio definieron el índice, de forma que si la velocidad de planeo del vuelo del pájaro era igual a la óptima, RAFI valía 0; en ese vuelo el ave no manifestaba ninguna aversión al riesgo, se mostraba muy arriesgada. Si la velocidad de planeo del vuelo era igual a la mejor, RAFI valía 1; el ave se mostraba muy conservadora, con gran aversión al riesgo. Para velocidades intermedias se otorgaban valores entre 0 y 1 al índice RAFI de ese vuelo.

Los resultados del experimento de Horvitz demostraron que los pájaros con mayor aversión al riesgo eran los que poseían una carga alar (relación entre el peso y la superficie de las alas: W/S) más elevada, mientras que los arriesgados contaban con una carga alar menor. Así pues, la cigüeña blanca (Ciconia ciconia, W/S=54,2 Newtons/m2) efectuó los vuelos con un RAFI=0,999, mientras que el busardo ratonero (Buteo buteo vulpinus, W/S=27,4 N/m2) los realizó con un RAFI=0,109. Justo en un valor intermedio se situó el águila pomerana (Aquila pomarina, W/S=38,4 N/m2, RAFI=0,39). Parece lógico que los pájaros a los que el vuelo de aleteo les suponga un gran esfuerzo, sean los menos proclives a asumir riesgos cuando tienen que realizar largos vuelos de planeo.

Pasarse el día entero en el aire, de térmica en térmica, con el corazón a 80 pulsaciones por minuto, es algo que los buitres leonados han aprendido a hacer sin apenas consumir energía mecánica; sin embargo, parece que supone un esfuerzo lógico de tal magnitud, que quizá consuma casi toda su materia pensante.

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Grandes aves planeadoras

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Las alas estrechas y alargadas, son desde el punto de vista aerodinámico, las más eficientes. Eso quiere decir que la relación entre sustentación (L) y resistencia (D) es más grande en este tipo de alas que en las cuadradas, anchas y cortas. Los grandes maestros del vuelo de planeo, los pájaros oceánicos, como los albatros, siguen con precisión el consejo de la Aerodinámica y poseen las alas más estrechas y largas de todas las aves conocidas. La relación de aspecto, es decir, el cociente entre la envergadura y la cuerda media de sus alas es del orden de 15 (Relación de aspecto AR=15). Para estos pájaros la fuerza de sustentación (L), perpendicular a la dirección del viento, es unas 20 veces superior a la fuerza de resistencia (D) en la dirección del viento. Han aprendido a pasar horas, incluso días enteros, sobre el mar, sin necesidad de batir las alas y conocen todos los misterios de las corrientes de aire que se mueven cerca de la superficie de las olas. A su costa, y aprovechando los gradientes de velocidad de estas corrientes, pueden navegar centenares de kilómetros sin aletear. Y son pájaros capaces de mantenerse en vuelo con vientos frescos, cuando las demás aves buscan un refugio donde guarecerse, incapaces de seguir volando. Los albatros son las grandes aves planeadoras oceánicas.

Es interesante constatar que las aves planeadoras que vuelan sobre la tierra son, desde el punto de vista aerodinámico, bastante diferentes. Casi todas ellas se aprovechan de las corrientes térmicas ascendentes para ganar altura, unas corrientes que no existen en el mar. Una vez que han logrado alcanzar la cima de la térmica planean en busca de la siguiente térmica. Para realizar giros cerrados y seguir la corriente de aire ascendente un volador debe tener una carga alar relativamente baja. La carga alar es la cantidad de peso que soportan sus alas por unidad de superficie. Si es alta, la velocidad de vuelo tiene que ser elevada y por tanto el radio de giro: grande. Los albatros se tienen que enfrentar a vientos frescos, por lo que su velocidad de vuelo es elevada, al igual que su carga alar: alrededor de 12 kilogramos por metro cuadrado. No tiene mayor importancia que en sus giros el radio sea relativamente amplio. Por el contrario los planeadores terrestres ascienden por las térmicas a muy baja velocidad y su carga alar debe ser significativamente más baja: entre 3-6 kilogramos por metro cuadrado, para volar despacio y efectuar giros cerrados dentro de la térmica. A igualdad de peso necesitan alas con mayor superficie por lo que resultarían muchísimo más largas que las de los oceánicos, si tuvieran la misma relación de aspecto (cociente entre envergadura y cuerda). Ese alargamiento les plantearía varios problemas: el primero estructural y el segundo de maniobrabilidad, con alas tan alargadas el aterrizaje y el despegue sería complicado en lugares boscosos poblados con otros individuos de su misma especie. El resultado final es que los grandes planeadores terrestres, buitres y cóndores, poseen alas con un alargamiento significativamente más reducido que el de los albatros (AR=4-8).

A primera vista, las alas de los planeadores terrestres serían mucho más ineficientes que las de los oceánicos debido a que su relación de aspecto es bastante más pequeña. Y es posible que sea así, aunque con algunas salvedades.

En la década de 1980 varios científicos (Withers, Hummel, Kerlinger, Norberg) llegaron a la conclusión de que muchos pájaros separaban las plumas primarias de las puntas de las alas cuando planeaban, en el plano horizontal y vertical, para disminuir la resistencia inducida. De esta forma se creaban ranuras en los extremos de las alas, cuyo efecto, al igual que los winglets de los aviones, es el de interferir los torbellinos que allí se desprenden. La resistencia inducida, desde el punto aerodinámico, es la que se considera asociada a la generación de sustentación y se sabe que en la medida en que aumenta el alargamiento del ala, disminuye. En la década de 1990 Vance A. Tucker, del departamento de Zoología de la universidad Duke, Durham, en Estados Unidos, demostró mediante experimentos en túneles de viento, en los que simuló el comportamiento de un ala similar a la de un busardo mixto (parabuteo unicinctus) con las rémiges abiertas en los extremos, que las ranuras disminuían la resistencia del ala. Desde entonces, todos los expertos están de acuerdo en que las aves planeadoras terrestres abren sus plumas primarias en los extremos de las alas para minimizar la resistencia inducida.

Los buitres del Nuevo y del Viejo Mundo, son los mejores planeadores terrestres. El buitre leonado pesa hasta 10 kilogramos y la envergadura de sus alas alcanza los 2,5 metros. Gracias a su extraordinaria vista, desde su atalaya observa una amplísima zona del terreno y cuando detecta la presencia de un animal muerto se dirige hacia él con las alas extendidas siguiendo una trayectoria muy precisa. La calvicie y el cuello desnudo le permite hundir la cabeza en el cuerpo de su víctima sin que apenas se ensucien sus plumas. Sus jugos digestivos son capaces de destruir casi todas las bacterias de los cuerpos enfermos que devoran. Las heces caen sobre sus patas y contienen sustancias que las esterilizan y las protegen de la contaminación que sufren en contacto con los restos orgánicos. La excelencia, como planeador terrestre, lo ha condenado a la necrofagia. Si tuviera las alas un poco más cuadradas sería capaz de maniobrar como las águilas y cazar animales vivos. Y si fueran aún más cortas sabría volar entre las ramas de los árboles en los bosques, como los gavilanes y los azores, persiguiendo a sus presas; pero entonces ya no podría encaramarse a las térmicas.

Todo tiene un precio.

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¿Cómo navegan y se orientan los pájaros?

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Los pájaros tienen la capacidad de dirigirse de forma muy precisa a un destino concreto. Han desarrollado un sistema de navegación eficiente, necesario para para realizar vuelos de largo recorrido. El ornitólogo danés, Finn Salomonsen, realizó experimentos con dos especies de golondrinas de mar: el charrán sombrío (sterna fuscata) y la tiñosa común o gaviotín de san Félix (anous stolidus). Tras separar de sus nidos, en las islas Tortugas del Golfo de México, a varios de estos individuos distancias de 832 a 1368 kilómetros, la mayor parte de ellos fueron capaces de regresar al punto de partida desde lugares ubicados en mar abierta. Pero quizá, el experimento de este tipo más sorprendente fue el de una pardela pinocheta (puffinus puffinus), que la trasladaron desde su nido —en la isla galesa de Skokholm— a Boston, Estados Unidos. Al cabo de 12 días, 12 horas y 31 minutos, y tras un vuelo ininterrumpido a través del Atlántico de 5000 kilómetros, regresó al lugar del que había partido. En los experimentos de desorientación, aunque a los pájaros se les anestesie durante el apartamiento o se les haga girar sobre sí mismos de forma continuada para marearlos, casi todos consiguen regresar al punto de partida.

La mayoría de los animales, en sus desplazamientos, suelen utilizar la visión y el oído para determinar el punto en que se encuentran y el camino que tienen que seguir para dirigirse al destino elegido. La vista les proporciona marcas y señales cuya posición relativa en la imagen debe guardar un orden que conoce para alcanzar su objetivo. A veces estas marcas son cadenas montañosas como los Apalaches, las Montañas Rocosas, la sierra Madre, los Andes, los Alpes, el Himalaya, o las montañas del Gran Valle del Rift. Estas grandes cordilleras señalan el camino a muchas aves durante sus largas migraciones, al igual que lo hacen los ríos y las líneas costeras. Conforme el animal se acerca a su destino, un lugar familiar cuyos alrededores ha memorizado con detalle, será capaz de reconocer una gran cantidad de marcas que le facilitarán la aproximación final al punto que desea alcanzar. En cuanto al oído, parece que todos los animales cuentan con un cierto sentido que les permite saber el rumbo que tendrían que tomar para regresar al punto del que han partido después de haber efectuado algunos cambios de dirección. Es como si poseyeran un pequeño sistema inercial que registra las aceleraciones que se producen cada vez que cambian el sentido de la marcha.

Sin embargo, ni el reconocimiento visual de marcas, ni la navegación inercial, ni el olfato, bastan para que los pájaros puedan llevar a cabo viajes de miles de kilómetros, con días claros y nublados, noches despejadas y brumosas, sobre la tierra o el mar, de noche y con vientos que pueden soplar en muchas direcciones. Se ha llegado a la conclusión de que además del reconocimiento de imágenes y un sistema de navegación inercial, las aves cuentan con brújulas magnéticas que les suministran información acerca del rumbo que siguen y el hemisferio en el que se encuentran, sus retinas captan luz polarizada con la que se orientan y ajustan sus brújulas internas, conocen las posiciones de las estrellas y saben determinar qué rumbo marca la huella del sol en el horizonte. Pueden hacer uso de todas estas habilidades o de algunas de ellas y establecer prioridades, en función de las circunstancias, para procesar los datos que les proporcionan.

Los experimentos de David Dickman y Le-Qing Wu del Baylor College de Houston, Tejas, con palomas bravías (2012), han demostrado que cuando estos pájaros se someten a cambios del campo magnético, generados artificialmente, hay un área de su cerebro que se muestra muy activa. Los resultados de su experimento constatan la existencia de un procesador de señales magnéticas en el cerebro de las palomas bravías. Además, las señales alcanzan su máxima amplitud cuando el campo magnético tiene la misma orientación que el terrestre. Pero, ¿dónde están los sensores que transmiten la información del campo magnético al cerebro? Quizá no estén en el mismo sitio en todas las aves, y se ha sugerido que podrían encontrarse en el pico, el oído o en la retina. Durante algún tiempo se pensó que las palomas tenían en el pico células muy ricas en hierro, con propiedades magnéticas; sin embargo los estudios más recientes apuntan a que las células magnéticas podrían residir en la retina. En la de algunos pájaros existe una proteína fotosensible denominada criptocromo. La proteína posee pares de electrones entrelazados, uno gira (espín) en un sentido y el otro en el contrario. Cuando la criptocromo recibe un haz de fotones (partículas luminosas) de luz verde o azul, uno de los electrones acoplados puede absorber la energía del fotón y abandonar la molécula. Quedan así radicales libres con espines opuestos, que son sensibles a los campos magnéticos. En función de su orientación, el campo magnético terrestre puede acelerar el proceso por el que los radicales vuelven a unirse con lo que se libera energía que el nervio óptico transporta al cerebro. El pájaro “vería” una especie de sombra o mancha superpuesta al paisaje, que le indicaría su rumbo de vuelo. Es posible que existan otros sensores, distintos a la criptocromo, que confieren a las aves un sexto sentido: el magnético; y podrían ser células que contengan magnetita ubicadas en el pico o el oído.

Además de la brújula magnética, los pájaros también se orientan con las estrellas. El etólogo Stephen Emlen realizó una serie de experimentos con azulejos índigo (paserina cyanea) que demostraron que dichos pájaros utilizaban las estrellas para orientarse al iniciar los vuelos migratorios. Los pájaros crecieron en una jaula con forma de tronco cónico invertido. En el círculo superior se proyectaba la imagen de las estrellas del hemisferio norte, girando alrededor de la Polar durante la noche. Cuando llegaba el momento de la migración se mostraban muy activos y trataban de salir en una dirección determinada que se podía ver por el lugar de la jaula que las aves marcaban en sus intentos fallidos por iniciar el vuelo. Emlen demostró que, para elegir el rumbo, tomaban como referencia la estrella Polar que, desde jóvenes aprendían a reconocer por permanecer quieta en el firmamento, en tanto que las otras giraban en torno a ella. Si hacía que las estrellas del planetario orbitaran alrededor de Betelgeuse, en vez de la Polar, los pájaros adultos tomaban a esta como referencia para determinar el rumbo del inicio de sus migraciones. Ni siquiera necesitaban verla, ya que les bastaba con observar la posición relativa de las otras estrellas y constelaciones. En cualquier caso, la habilidad para orientarse mediante las estrellas se adquiere a través del aprendizaje. Hay pájaros que migran por la noche y sabemos que se orientan principalmente gracias a las estrellas, como los azulejos índigo que estudió Emlen, los charlatanes (dolichonyx orxzivorus; Beason 1987), las currucas mosquitereas (sylvia borin; Weindler et al. 1997) y los gorriones sabaneros (passerculus sandwichensis; Able y Able 1996).

Las aves también utilizan la posición del sol para orientarse. En 1950, Kramer demostró por primera vez que algunos pájaros, como los estorninos europeos, utilizan la luz que proyecta el sol en el horizonte para determinar la dirección del vuelo. En su experimento utilizó espejos para alterar la posición de la marca solar y comprobó que los estorninos cambiaban el rumbo. Si adelantaba o retrasaba el sol artificial en 6 horas, con respecto al real, los estorninos cometían un error de 90 grados en el rumbo, lo que demostraba que se orientaban tomando la posición del sol como referencia. Para orientarse con el sol, el pájaro necesita un reloj interno porque en función de la hora, el sol indica una dirección distinta. A las doce del mediodía marca el sur, al amanecer, se acerca al este y durante la puesta al oeste. Para hacer un uso práctico de la posición del sol sobre el horizonte y deducir en un momento determinado la dirección que marca, es necesario saber qué hora es. Con estos dos datos, un pájaro puede orientarse. Todos los animales poseen un reloj interno que, con un periodo de aproximadamente 24 horas, marca el ciclo circadiano. En ausencia de estímulos externos, el ciclo circadiano, funciona en modo de libre curso, y es la genética de cada especie la que determina su periodicidad. Sin embargo, el ciclo se ajusta a las variaciones de luminosidad y calor, del entorno. Este ajuste implica que el ciclo adapta su periodo y fase al día solar. Cuando se producen cambios abruptos entre la fase del ciclo circadiano y la del entorno (desplazamientos que implican un cambio horario significativo o inducidos para la realización de experimentos), el ciclo circadiano se adapta a la nueva fase del entorno, aunque tarda un cierto tiempo en hacerlo porque no es capaz de adelantar o atrasar más de 60 a 90 minutos diarios.

La luz polarizada desempeña algún papel en los mecanismos de orientación que emplean las aves. La luz que llega a la atmósfera terrestre, desde el sol, es una radiación electromagnética en la que el campo eléctrico oscila de igual manera en cualquier plano que pase por la línea que marca la dirección que sigue. Cuando penetra en la atmósfera, las moléculas de vapor de agua que encuentra a su paso dispersan la luz. El campo eléctrico de los rayos luminosos que siguen la dirección que llevaba antes, después de interceptar la molécula, también vibra en todas las direcciones. Sin embargo, el campo eléctrico de los rayos de luz dispersados en otras direcciones ya no vibran en todas las direcciones. Para los que parten con un ángulo de noventa grados, solamente vibran en un plano. Este fenómenos se conoce como polarización de la luz y luz polarizada es aquella en la que el campo eléctrico no vibra en todos los planos. En los equinoccios, al amanecer o al atardecer, la luz pasa sobre un observador situado en la superficie de la Tierra en dirección este-oeste y en la opuesta; el plano perpendicular a esta dirección es el que contiene un porcentaje mayor de luz polarizada y por lo tanto la luz que proceda de puntos sobre la bóveda celeste hasta el horizonte situados en el plano norte sur será la que contenga un porcentaje mayor de polarización. Por el contrario, con el sol en su cénit al mediodía, la luz más polarizada es la que recibe el observador procedente del horizonte. A lo largo del día, la cantidad de luz polarizada que recibimos de la bóveda celeste sigue un patrón que cambia en función de la posición del sol.

Muchos animales poseen un sistema de visión capaz de detectar la luz polarizada, mediante los dobles conos de la retina, y algunos investigadores han demostrado que hay pájaros que la emplean para ajustar sus brújulas. No está claro que las aves hagan uso de la luz polarizada para orientarse durante el día, cuando está nublado y les resulta difícil determinar la posición del sol. Lo que sí se ha demostrado es que en determinados momentos de la jornada algunos pájaros recurren a la luz polarizada para corregir su rumbo. Los gorriones sabaneros (passerculus sandwichensis; Muheim et al. 2006), los zorzalitos de Swainson (catharus ustulatus; Cochran et al. 2004) y los gorriones gorgiblancos (zonotrichia albicollis; Muheim et al. 2009) utilizan la luz polarizada durante el amanecer y la puesta del sol para corregir sus brújulas magnéticas. En primavera y otoño, que es cuando suelen migrar las aves, al amanecer y al atardecer el sol se halla muy próximo al este y al oeste, respectivamente, por lo que la mayor cantidad de luz polarizada se recibe en el plano norte-sur, que contiene los rumbos que suelen seguir las aves migratorias.

La brújula magnética, las estrellas o la luz polarizada permiten que el pájaro siga un rumbo determinado, pero esos mecanismos no le garantizan que vaya a llegar a ninguna parte. Para navegar a un destino específico es necesario conocer el rumbo a seguir en todo momento, porque el rumbo inicial, debido al viento o a cualquier error en la orientación de partida y de navegación, deja de ser válido al poco tiempo de comenzar el viaje. Además, para dirigirse a un lugar determinado, desde otro en el que el pájaro no ha estado nunca, es necesario disponer de algún sistema que permita identificar un punto sobre la superficie terrestre sin ninguna ambigüedad. Nosotros utilizamos la latitud y la longitud que son arcos de circunferencia medidos desde el ecuador (latitud) y desde un meridiano de referencia (longitud). Al parecer los pájaros emplean un método bastante diferente. Casi todos los científicos que han estudiado los asuntos relacionados con la capacidad para orientarse de los pájaros coinciden en que estos animales poseen mecanismos muy sofisticados para percibir el campo magnético terrestre. De dicho campo detectan la intensidad, la inclinación (componente horizontal y vertical) y la declinación.

La intensidad del campo magnético terrestre, o fuerza, se mide en nanoteslas (nT) y varía sobre la superficie de la Tierra con valores comprendidos en la franja de 25 000 y 65 000 nT. Hay cartas que representan líneas que unen puntos de igual valor para alguna de las variables del campo magnético sobre la superficie de la Tierra. Las cartas de isodinámicas presentan líneas en las que la intensidad de campo es la misma; las hay para la intensidad total, vertical y horizontal. Las cartas de isoclinas muestran líneas en las que la inclinación magnética es constante. La inclinación es el ángulo, con respecto al plano horizontal, del vector que representa el campo magnético. Es hacia abajo en el hemisferio norte y hacia arriba en el sur y varía de (-90º) a (+90º) cuando nos movemos del polo norte al polo sur, siendo de 0º en el Ecuador. Las cartas de isógonas marcan las líneas en las que la declinación magnética es constante. La declinación es el ángulo que forma la dirección del campo magnético terrestre con el norte geográfico (positiva hacia el este, negativa en sentido contrario). Si observamos este tipo de cartas magnéticas de la Tierra podemos constatar que, en muchas partes del mundo dos de estas cartas muestran líneas que se cortan formando una especie de malla. Dicha malla define puntos sobre la Tierra caracterizados por dos valores del campo magnético únicos, al menos para cada hemisferio.

Si el ave posee la información de dichos valores, para dirigirse a ese lugar tiene que orientar su rumbo de modo que al desplazarse ambos aumenten o disminuyan según la magnitud que tengan en el destino; para lo que el pájaro necesita detectar el gradiente (la variación), de las variables del campo magnético. Cordula V. Mora y Verner P. Bingman, de la universidad estatal de Bowling Green, Ohio, han realizado experimentos con palomas (columba livia) que demuestran su capacidad para detectar las variaciones de la intensidad del campo magnético (2013). Las palomas de sus ensayos fueron capaces de aprender a moverse en el área experimental siguiendo la dirección en la que el campo magnético —creado artificialmente— aumentaba, o disminuía, para alcanzar el comedero en donde se hallaba el premio. A unas aves se las entrenó para buscaran el comedero en la dirección en la que el campo magnético aumentaba y a otras en la dirección en que disminuía. En ambos casos las palomas supieron encontrar el premio. Este experimento demuestra que la hipótesis de que las aves utilizan variables relacionadas con la intensidad del campo magnético terrestre para definir un mapa que les permita orientarse y navegar tiene un fundamento sólido, aunque aún se desconozca cómo funciona con detalle.

Los sistemas de orientación y navegación que utilizan las aves son muy complejos y el nivel de información que se tiene de los mismos es bastante limitado. Todo parece indicar que han desarrollado un sexto sentido, el magnético, cuya percepción podría estar relacionada con la vista o con el oído, incluso con ambos, y que desempeña un importante papel en la construcción de mapas que les permiten dirigirse a lugares conocidos desde sitios alejados en los que no han estado nunca. Pero este sentido no es la única herramienta que disponen para orientarse ya que los pájaros hacen uso de varios mecanismos para navegar, en función de la meteorología, sus hábitos de desplazamiento, nocturnos o diurnos, y preferencias de cada especie.

La potencia necesaria para el vuelo de las aves

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La aguja colipinta o becasina de cola barrada (limosa lapponica), en invierno, es un pájaro poco llamativo. Las plumas del pecho y la barriga de color blancuzco, el dorso gris y el cuerpo sobre dos patas no muy largas para ser un ave zancuda, le confieren un aspecto insignificante. Algo más distinguido se presenta durante la época de la reproducción, con el pecho de color rojo ladrillo. Tiene un pico muy largo, curvo hacia abajo y rosado en la punta, con el que atrapa insectos y pequeños crustáceos en las marismas arenosas donde vive, aunque también se alimenta con algunas plantas. Las hembras son más grandes que los machos que pesan unos 300 gramos, sus alas se extienden de punta a punta alrededor de 75 centímetros y su cuerpo mide unos 40 centímetros de longitud.

La becasina de cola barrada pone cuatro huevos en nidos escondidos entre los matorrales y los incuba durante veintiocho días. De mayo a octubre se ocupa de la reproducción y la crianza, época en la que vive en algunos lugares del oeste de Europa, las costas del Ártico, los países Escandinavos, Siberia y Alaska. Pasa el invierno en África occidental, el oeste de Europa o Nueva Zelanda y Australia y regresa en abril o principios de mayo a sus cuarteles de verano para reproducirse. Los viajes migratorios los hace en bandadas.

En 1985 y 1986, Theunis Piersma y Joop Jukema, observaron los vuelos migratorios de becasinas de cola barrada que invernaban en el Banco de Arguin en la costa Atlántica de Mauritania y pasaban la época de crianza en el Mar de las islas Wadden (Holanda). El vuelo desde África lo iniciaban estos pájaros entre el 25 y 27 de abril y llegaban al mar de Wadden del 27 al 3 de mayo. Para salvar tan considerable distancia, las becasinas se sometían en África a una dieta de engorde que les permitiese abordar la excursión con suficiente grasa en el cuerpo. La dieta hipercalórica —con la que ganaban 2,8 gramos diarios de peso los machos (y 3,5 las hembras)— comenzaba en marzo. Resulta llamativo que a su llegada a Holanda recuperaban el peso con mayor rapidez: 5,6 gramos diarios los machos y 7,5 las hembras; cuando aterrizaban en el Wadden estaban realmente flacos y tenían mayor necesidad de engordar.

Para el efectuar el viaje, de más de 4000 kilómetros, las becasinas no siguen la trayectoria más corta (ortodrómica) ni la que se corresponde con un rumbo constante (loxodrómica). Estos pájaros tienen en cuenta las corrientes de aire y ajustan su trayectoria para beneficiarse de los vientos favorables. El viento, normalmente, sopla con una intensidad y dirección, que varía con la altura, por lo que las becasinas tienen que acomodar su nivel de vuelo a estas variaciones para aprovechar la energía eólica. De hecho, a baja altitud, los vientos dominantes entre África y Holanda, a lo largo de la trayectoria que tienen que seguir las aves migratorias en primavera, son de componente norte, desfavorables a sus intereses.

Piersma y Jukema supusieron que sus pájaros eran capaces de estimar su velocidad observando un punto fijo en tierra, volar a alturas de 5000 metros y detectar la eficiencia de su vuelo para elegir el nivel óptimo. Si eso era cierto, los pájaros serían capaces de encontrar la trayectoria más eficiente. Los científicos estimaron —analizando la información meteorológica— que dicha ruta se encontraba ligeramente al este de la ortodrómica, tenía una longitud de 4300 kilómetros y se hallaba a 5500 metros de altura. A ese nivel, los pájaros podrían beneficiarse de un viento en cola de 18,1 kilómetros por hora. Como sabían que las becasinas, con el viento en calma, acostumbraban a volar a 57 kilómetros por hora en las migraciones, la velocidad con respecto a tierra a lo largo de esa ruta sería de 75 km/h, por lo que tardarían en recorrerla 57,3 horas.

De la evaluación de las diferencias de peso entre las aves que partieron de África y las que llegaron Holanda, determinaron que en el viaje las becasinas perdieron un promedio de 136 gramos de peso, los machos, y 178 gramos las hembras. Parte de esta masa es grasa (aproximadamente un 50%) que es la que aporta la energía necesaria para que trabajen los músculos. Con estos datos, Piersma y Jukema, estimaron que la energía liberada por la grasa consumida era de 3163 kilo julios en los machos y 3857 kilo julios en las hembras. Esta energía, durante el vuelo de 57,3 horas, equivale a una potencia de 55 kj/hora (15,6 vatios los machos) y 67 kj/hora (18,6 vatios las hembras).

En definitiva: las becasinas necesitan unos motores de 15-20 vatios, funcionando de modo interrumpido durante 57,3 horas para efectuar su largo viaje primaveral desde África a Holanda.

Piersma y Jukema compararon sus resultados, empíricos, con los que se obtienen mediante el cálculo de la potencia necesaria para el vuelo con nueve métodos distintos. En ocho de estos métodos la potencia se calcula con una fórmula en la que interviene la masa del animal, a lo que se añade, en algunos casos, otras características del volador como la superficie alar o la envergadura. Las fórmulas tratan de representar una función que se ajuste lo más posible a los datos que se han obtenido en una serie de experimentos con pájaros reales volando en túneles de viento o al aire libre. Estos ocho métodos se fundamentan en resultados de ensayos en los que se ha medido la potencia necesaria para el vuelo con distintos pájaros de diferente masa. En todos ellos, el elemento fundamental a tener en cuenta es la masa del pájaro y, en algunos, únicamente se utiliza esta variable. Hay otros en los que también se toma en consideración la superficie y la envergadura de las alas del pájaro. En todos los métodos las fórmulas expresan que la potencia necesaria para el vuelo es proporcional a la masa elevada a un exponente (alrededor de 0,66, si solo interviene la masa). Por tanto, la masa del volador es el elemento principal que se emplea en dichas fórmulas, que se resolvieron con un valor de 340,5 gramos, igual a la media de la masa de las hembras que participaron en el experimento anterior. El valor medio de la potencia hallada, al aplicar estos métodos, es de 75 Kj/hora (20,8 vatios); una cifra bastante próxima a la que obtuvieron Piersma y Jukema en su estudio: 67 kj/hora (18,6 vatios). Además de calcular la potencia necesaria para el vuelo, por estos ocho métodos basados en mediciones reales, los autores del experimento también aplicaron el modelo aerodinámico de Pennycuick (1989) que predecía una potencia de 73,5 Kj/h (20,4 vatios) si el pájaro volaba a su velocidad de potencia mínima, o de 92,5 Kj/h (25,7 vatios) si lo hacía a la velocidad de máximo alcance.

Los resultados del experimento de Piersma y Jukema estaban completamente en línea con los que podían obtenerse aplicando todo el conocimiento que, hasta ese momento, se tenía del vuelo de los pájaros. Es muy probable que la becasina desarrolle esos 20 vatios de potencia para efectuar su vuelo migratorio de primavera, de África a Holanda, por lo que el experimento no causó ninguna sorpresa. Tuvieron que transcurrir poco más de 20 años para que la becasina de cola barrada ocupara la primera plana de muchos periódicos.

En el año 2007, el biólogo norteamericano Bob Gill y Phil Battley, de la Universidad Massey de Nueva Zelanda, siguieron vía satélite el vuelo de 16 becasinas, a las que les habían colocado un equipo electrónico de seguimiento, desde Nueva Zelanda hasta el Mar Amarillo en China. Aunque la distancia es de 9 575 kilómetros, los pájaros efectuaron una ruta, sin escalas, de 11 026 kilómetros. Se trataba del vuelo animal más largo que jamás se había registrado. Aunque algunos científicos suponían que estos vuelos ocurrían en la realidad, no se pudieron constatar hasta que los ornitólogos dispusieron de radiolocalizadores con baterías de larga duración, suficientemente ligeros.

Fue un récord de corta duración. El estudio había terminado pero los transmisores siguieron instalados en los pájaros. Las baterías se agotaron tal y como estaba previsto, salvo la de una de las aves que continuaría emitiendo, vía satélite, su posición. A los científicos la suerte les deparaba una buena sorpresa. Las señales procedían del equipo que portaba una hembra de la bandada a la que se le había colocado el identificador E7. Después de reponerse en Asia, del largo vuelo desde Nueva Zelanda, reemprendió un viaje de 5000 kilómetros hasta Alaska. Allí pasó el verano y el 29 de agosto voló, sin hacer ninguna escala intermedia desde la península de Avinof,en la Alaska occidental, hasta el río Piako, cerca de Thames, en Nueva Zelanda. En total había recorrido 11 680 kilómetros, en 8,1 días, y su vuelo estableció otro nuevo record.

¿Cómo es posible volar durante casi nueve días consecutivos a más de 50 kilómetros por hora, sobre el mar, y acertar con un destino elegido que se encuentra a más de 11 000 kilómetros de distancia del punto de partida? Unas 70 000 becasinas lo hacen todos los años, de Alaska a Nueva Zelanda. Es un viaje peligroso, los expertos consideran que la mitad de las aves migratorias que recorren largas distancias perecen en el viaje; quizá un modo de reducir esta tasa de mortalidad consista en efectuar el traslado en una sola etapa.

Según Phil Battley, durante el vuelo pierden un 50% de su peso, saben dormir con la mitad del cerebro despierto, conocen las estrellas del cielo y su posición a lo largo de la noche, en ambos hemisferios, y son capaces de tomar la altura del sol durante el día.

El régimen general de vientos les favorece, con la excepción del tramo inicial. Esta dificultad la resuelven esperando a que se forme algún ciclón en el Golfo de Alaska para empezar el viaje. Una vez que llegan a la zona de los alisios, en ambos hemisferios, las corrientes les serán favorables. El peor tramo lo pasan en la zona ecuatorial por la falta de vientos, y allí se ven obligados a batir con más frecuencia las alas para mantener la velocidad de crucero.

Pero, lo más sorprendente es que desde aquel descubrimiento hemos aprendido que la aguja café o zarapito pico recto (limosa haemastica) que normalmente emigra de América del Norte a América del Sur, hay veces que se confunde: siempre hay alguna que aterriza en Nueva Zelanda como si de una becasina de cola barrada se tratase. Aún más, al parecer, el chorlito dorado (pluvialis fulva) también es capaz de volar de Alaska a Australia, a través del Pacífico, sin escalas. Por lo que la becasina no es el único pájaro capaz de cruzar, sin detenerse, el océano Pacífico.

Si comparamos los vuelos de las becasinas de Piersma y Joop Jukema, de Mauritania a Holanda, con el de la hembra E7, de Alaska a Nueva Zelanda, que observaron Gill y Battley en 2007, surgen preguntas difíciles de responder. Este último vuelo, tuvo una duración (194 h), casi tres veces superior a los primeros (57,3 h), en los que el consumo de masa de las hembras fue de 178 gramos de media. El peso de E7, al despegar de Alaska podía rondar los 600 gramos, incluidos los 27 gramos del equipo electrónico de seguimiento que llevaba a cuestas. Según el ingeniero aeronáutico francés, Breguet, el radio máximo de acción de un aeroplano depende de la relación entre sustentación (peso) y resistencia al avance (L/D) y el porcentaje de su peso de despegue atribuible al combustible. Da igual el peso total del aparato y no importa la velocidad de vuelo. Creo que, en términos generales, el criterio puede extenderse a los pájaros. E7 y sus colegas, que vuelan entre el Alaska y Nueva Zelanda, parece que son un poco más grandes que las becasinas que estudiaron Piersma y Jukema y quizá su morfología les otorgue alguna mejora en cuando al factor (L/D); también es posible que sus tejidos sean más ricos en grasas (mayor porcentaje de combustible en su masa al despegar). En cualquier caso, el factor (L/D) aumenta durante el vuelo en la medida en la que el pájaro adelgaza porque la superficie frontal disminuye. También es posible que estos pájaros elijan una velocidad de crucero (con respecto al aire) relativamente baja, más próxima a la de consumo mínimo que a la de máximo alcance, aprovechando que las corrientes de aire les aportan la velocidad adicional que necesitan para llegar a su destino volando a ese régimen.

La realidad, es que no sabemos cómo logran las becasinas, los zarapitos de pico recto y las agujas café, realizar ejercicios físicos que a escala humana resultan imposibles; pero, lo que sí parece cierto es que, para llevarlos a cabo, les basta un pequeño motor cuya potencia no debe exceder los 20 vatios.

Y es que la potencia que desarrollan las aves, para ejercer el vuelo moviendo las alas, oscila entre los 2 o 3 vatios que necesitan los pájaros pequeños como el jilguero o la golondrina común (19 gramos), hasta los casi 300 vatios de los más pesados, como el cisne blanco (10,8 kilogramos) y los gansos de gran tamaño. Pero, no es la potencia que son capaces de desarrollar lo que sorprende, sino el larguísimo tiempo que pueden sostenerla a costa de sus reservas energéticas y su extraordinaria habilidad para hacer un uso eficiente de ella.

El lagarto basilisco y el origen del vuelo animal

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El libro del vuelo de las aves se encuentra disponible impreso y en edición electrónica, para localizarlo haga click en el siguiente enlace: libros de Francisco Escartí

 

Ponerse hecho un basilisco es mostrarse enfadado, muy agresivo; eso es lo que solía decir mi abuela, pero no lo he vuelto a escuchar en mi vida. Los basiliscos son animales mitológicos capaces de matar con una simple mirada, de ahí viene su relación con los seres humanos cuando estos se encolerizan. Sin embargo, también se llaman basiliscos los lagartos de varias especies. El basilisco común goza de una extraña habilidad y es que puede andar sobre las aguas; por eso, en algunos lugares es conocido como lagarto Jesucristo o lagarto de Jesucristo.

Shi Ton Tonia Hsieh y George Lauder, de la universidad de Harvard (Massachusetts), han explicado cómo estos lagartos Jesucristo se desplazan sobre la superficie del agua. Golpean verticalmente el líquido con sus pies, luego los mueven rápidamente hacia atrás y después los sacan del agua para llevarlos a la posición inicial. Lo más llamativo es que cuando el pie entra en el agua se crea una bolsa de aire, entre la superficie de la planta del pie del animal y el medio acuoso, que se deshace, antes de que lo abandone, mientras se mueve hacia atrás. De esta forma son capaces de recorrer distancias de unos 4,5 metros a una velocidad de 1,5 metros por segundo. Cuando pierden velocidad se hunden y nadan como cualquier otro animal. Estos lagartos, de adultos, pueden pesar unos 200 gramos.

Desde hace ya muchos años los científicos debaten sobre el origen del vuelo animal. Unos defienden la teoría de que fueron trepadores los que desarrollaron las alas para lanzarse desde los árboles contra sus presas y otros que los animales cazadores de insectos empezaron a utilizar estos apéndices para atrapar a sus víctimas o escapar de los enemigos. La discusión acerca de cómo se inició el vuelo tuvo su origen poco después del descubrimiento de lo que, durante mucho tiempo, fue el ancestro más antiguo conocido de los actuales pájaros: Archaeopteryx. Este animal vivió hace unos 150 millones de años en lo que hoy es el sur de Alemania y que entonces era un archipiélago de islas en las que el clima se asemejaba al de nuestros trópicos. En total, se han encontrado doce fósiles del Archaeopteryx y una pluma, en Solnhofen (Alemania), que podría pertenecer, o no, a estos animales. El primer hallazgo data del año 1860-61.

Las dos teorías sobre el origen del vuelo animal tratan de encontrar apoyo en la estructura de Archaeopteryx. Los defensores de la teoría arbórea argumentan que las garras en las manos y los pies de este lagarto se asemejan a las de los pájaros que trepan a los árboles. Sus oponentes esgrimen que las patas de Archaeopteryx indican que fue un gran corredor. Sin embargo la hipótesis de los cazadores pedestres tiene el inconveniente de que, al saltar, el animal pierde velocidad, algo indeseable tanto para un depredador como para el que huye de algún enemigo. El salto solamente tiene sentido como maniobra evasiva si es para lanzarse por un acantilado, pero en el archipiélago donde vivió Archaeopteryx no abundaban los roquedos. Además, el crecimiento de las alas no favorece la velocidad, característica esencial de los andadores. Y para complicar las cosas: en el sur de Alemania tampoco había muchos árboles hace 150 millones de años.

John J. Videler, en su libro Avian Flight, apunta una tercera vía evolutiva que pudo seguir el Archaeopteryx para que sus descendientes llegasen a volar. Según él: «los ancestros del Archaeopteryx eran dinosaurios Jesucristo capaces de explotar el truco de correr sobre el agua para escapar de los depredadores y viajar entre islas en las lagunas de coral de la Europa Central de hace 150 millones de años. En un principio utilizaban los brazos para mantener el equilibrio mientras corrían sobre el agua. De forma gradual los brazos evolucionaron para convertirse en alas que generaban sustentación capaz de incrementar la distancia cubierta con mayores pesos corporales».

Del estudio del fósil del Archaeopteryx de Berlín se deduce que su peso rondaba los 0,25 kilogramos y sus alas, con un área de 0,06 metros cuadrados, eran relativamente grandes. Tenían doce plumas primarias (las que se insertan en la mano) con tres dedos, que cubrían un 40% del ala. No poseían la capacidad de generar empuje, al no poder batirlas el animal, pero los Archaeopteryx sí extendían y replegaban las primarias con lo que variaban la forma y superficie del ala. Eran unas alas diseñadas para generar sustentación con un ángulo de ataque muy grande, sin entrar en pérdida. Y además de las alas, estos animales, poseían una amplia cola que también aportaría sustentación y equilibrio durante la marcha a gran velocidad sobre el agua. La grajilla (corvus monedula) es el ave actual cuyo peso y alas se asemejan más al Archaeopteryx.

Videler también nos recuerda en su libro que hay aves capaces de andar sobre el agua, como los somormujos. Estos pájaros lo hacen durante sus danzas nupciales, previas al emparejamiento, y utilizan técnicas diferentes a las de los lagartos basiliscos. Incluso pudiera ser que los Archaeopteryx emplearan un método original, que desconocemos, para correr sobre la superficie del mar. Su hipótesis es que los ancestros de nuestros pájaros ni caminaban sobre la tierra firme ni se lanzaban de los árboles, simplemente andaban sobre las aguas con unos apéndices estirados que les ayudaron a mejorar sus correrías, primero aliviando el peso y, más tarde, cuando aprendieron a batirlas, ganando velocidad.

Los lagartos basiliscos de 200 gramos corren sobre el agua a 5,4 kilómetros por hora y las grajillas del mismo peso vuelan a 45 km/h. Si algo parecido a un lagarto, con alas, llegó a convertirse en grajilla es perfectamente posible, aunque va a ser difícil que lleguemos a saberlo con seguridad.

Los voladores más pesados

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El ingeniero ruso Sikorsky inició la saga de los grandes aeroplanos con su Russky Vityaz, con el que el propio inventor logró volar el 10 de mayo de 1913. La aeronave podía levantarse del suelo con 4940 kilogramos de peso total y era un biplano con 120 metros cuadrados de superficie alar. Su diseñador lo concibió para que la manejaran seis tripulantes y transportara a siete pasajeros. Era un avión monstruosamente grande para una época en la que los aeroplanos apenas habían sido capaces de elevarse con más de 600 kilogramos a cuestas. Igor Sikorsky había empezado con un aeroplano con dos motores, el Le Grand, que después transformaría en cuatrimotor. Desgraciadamente esta aeronave tuvo una corta vida porque el 23 de junio, del mismo año en que nació, quedó dañada seriamente por el impacto de un motor que se desprendió de un Morane que aterrizó cerca de donde estaba aparcada. Sikorsky no reparó a Russky Vityaz porque quería concentrar todas sus energías en el desarrollo de su nuevo proyecto: el Ilya Muromets. Los rusos mantendrían la obsesión por los aviones grandes y, a finales del siglo XX, Antonov fabricó el AN-225, el avión más pesado de la historia de la aviación.

A los cuerpos pesados, el vuelo se les hace difícil. La explicación es muy sencilla porque conforme agrandamos el cuerpo de un volador (manteniendo sus proporciones), el volumen y por tanto, el peso, crece más deprisa que la superficie de sus alas. La relación entre su peso y la superficie de las alas (carga alar) aumenta con el tamaño del volador, hasta que es tan grande que pierde la capacidad de navegar por el espacio.

Si observamos a los pájaros actuales casi no hay especies que superen los diez kilogramos de peso, lo que confirma la teoría acerca de las dificultades que plantea el vuelo a los cuerpos pesados. Hace unos 65 millones de años desaparecieron de la Tierra los animales más grandes que jamás volaron. A pesar de la controversia científica que han suscitado los pterosaurios, parece confirmarse la teoría de que los Quetzalcoatlus northropi pesaban unos 65 kilogramos y sus alas, de punta a punta (envergadura), medían más de 10 metros. Estos magníficos ejemplares desaparecieron para siempre y hoy las especies de aves capaces de volar, que pueblan nuestro planeta, apenas alcanzan la sexta parte del peso de aquellos voladores.

Los pájaros pequeños, como el jilguero europeo y la golondrina común (de unos 16 gramos de peso) tienen alas que soportan un peso del orden de 1,2-1,7 kilogramos por metro cuadrado. El peso dividido por la superficie de las alas es un parámetro importante en cualquier volador, que se denomina carga alar. Estos pájaros tan livianos vuelan a velocidades de 36-46 kilómetros por hora.

Entre las aves más pesadas se encuentran los cisnes. El cisne chico y el cisne vulgar pesan de 6,7 a 10,8 kilogramos y sus cargas alares son del orden de 14,7-16,6 kilogramos por metro cuadrado. Tal y como era de suponer, conforme aumenta el peso del animal la superficie de las alas no crece en la misma proporción y por tanto la carga alar aumenta. El incremento de la carga alar, entre al golondrina y el cisne, es muy significativo (se multiplica por diez, aproximadamente). Para compensar esta pérdida de superficie en las alas, el pájaro más pesado tiene que volar, a la misma altura, más deprisa, porque sabemos que la sustentación es proporcional a la superficie del ala y al cuadrado de la velocidad. Sin embargo, los cisnes vuelan a una velocidad de 58,3-66,6 kilómetros hora, más deprisa que los jilgueros (46 Km/h), pero no tres veces más deprisa que es lo que parece que debería ocurrir.

¿Cómo es posible que con tan poco incremento de velocidad, con respecto a los jilgueros, los cisnes puedan mantenerse en vuelo? Es algo que no está nada claro.

Si observamos lo que ocurre con los aviones, podemos constatar que el Boeing 737-600 (66 toneladas de máximo peso de despegue) y el Airbus A-320 (73,5 toneladas de máximo peso de despegue) tienen una carga alar de 528-599 kilogramos por metro cuadrado, respectivamente, y su velocidad de crucero es de unos 850 kilómetros por hora. El Boeing 747-400 ER (412 toneladas) y el Airbus A380 (590 toneladas), con cargas alares de 762-698 kilogramos por metro cuadrado, también respectivamente, mantienen velocidades de crucero de unos 900 kilómetros por hora. En este caso existe una clara proporción entre el incremento de la velocidad de crucero, en relación con el de la carga alar. Con los aviones ocurre, como en los pájaros, que con el peso del volador aumenta la carga alar y la velocidad de crucero, pero —a diferencia de ellos— el incremento de velocidad se ajusta más al supuesto de que la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad.

Pájaros y aviones son capaces de mantenerse en vuelo dentro de un amplio rango de velocidades. En el caso de las aeronaves de ala fija, la sustentación además de ser proporcional a la superficie de las alas y al cuadrado de la velocidad, también lo es a la forma del perfil del ala, al ángulo con que recibe el aire (ángulo de ataque) —cuando mayor sea este ángulo, mayor es la sustentación (hasta un valor de unos 20 grados, a partir del cual el ala entra en pérdida)— y a la densidad del aire. A poca velocidad, los aviones aumentan la sustentación con dispositivos hipersustentadores (flaps) y presentando un mayor ángulo de ataque; sin embargo, con ángulos de ataque elevados el perfil del ala ofrece una gran resistencia al avance. Conforme aumenta la altitud de vuelo la densidad del aire disminuye, lo que también afecta de forma directa la sustentación. A 9000 metros de altura la densidad del aire es una tercera parte de la que tiene a nivel del mar (1,2 kilogramos por metro cúbico), en condiciones estándar.

El aumento del peso, en un avión comercial, exige alas de mayor tamaño lo que plantea problemas estructurales y operativos. Por esos motivos, es difícil construir aeronaves cuya carga alar exceda los 800 kilogramos por metro cuadrado. Para esos valores de la carga alar la velocidad del vuelo de crucero ideal debería superar los 900 kilómetros por hora, operando a unos 30 000 pies de altitud. En esas condiciones el avión se aproxima a la velocidad del sonido en cuyo umbral la resistencia aumenta de forma brusca y considerable y puede considerarse como un límite operativo. De acuerdo con todo lo anterior, aeronaves de 600 toneladas de peso máximo de despegue, como el Airbus A380, se encuentran muy cerca del límite del peso máximo práctico. La aeronave más pesada que existe en la actualidad es el Antonov AN-225, Mriya, de la que se ha fabricado una sola unidad y es capaz de levantar 640 toneladas de peso máximo de despegue. Su velocidad de crucero es de 800 kilómetros por hora, pero su consumo de combustible es muy elevado.

Con respecto a los pájaros, que baten las alas, hemos visto que los más pesados vuelan bastante más despacio de lo que se supone que tendrían que hacer utilizando un modelo de ala fija. Algunos estudiosos dicen que los gansos vuelan casi al borde de la pérdida aerodinámica, con un ángulo de ataque considerable, lo que les obliga a realizar un gran esfuerzo. Quizá sea así, pero la realidad es que sabemos muy poco del vuelo de las aves pesadas que de forma milagrosa consiguen unas prestaciones excepcionales.

De momento parece que es difícil encontrar pájaros que vuelen con un peso superior a los 10 kilogramos y aeronaves que levanten más de 600 toneladas en el despegue, algo que en el caso de los aviones se explica bien, pero que no está del todo claro en el de las aves.