Traducido por Jorge J. Pérez-Maceira

Imaxe cortesía de John Carnemolla / iStockphoto

¿Qué fai que os avestruces sexan rápidos correndo? Nina Schaller pasou case unha década investigando. Ao admirar a unha gaviota voando, ou a un pingüino buceando, raramente consideramos que estes emplumados animais ten algo moi raro en común connosco: mentres que a maioría dos outros animais móvense sobre catro, seis ou máis patas, as aves e os humanos somos os únicos bípedos verdadeiros.

A evolución resolveu o desafío de avanzar en dúas patas de dous xeitos: os seres humanos somos plantígrados (poñemos todo o pé no chan cando camiñamos ou corremos), mentres que as aves son dixitígrados (que camiñas sobre os dedos ou díxitos).

Algunhas especies de aves poden correr non só máis rápido que os humanos, si non máis rápido que os seus equivalentes voando. O máis rápido corredor de longa distancia é o avestruz africano (Struthio camelus). A uns estables 60 km/h con velocidades máximas superiores a 70 km/h, poderían correr os 42 km do maratón Olímpico en 40 minutos en lugar das dúas horas que necesita un ser humano. Esta extraordinaria combinación de velocidade e resistencia permite ao avestruz cubrir grandes distancias en busca de pastos frescos ou deixar atrás ás hienas famentas.

Os científicos exploraron os retos da locomoción terrestre, en particular as habilidades corredoras de cans e de cabalos de carreiras. Con todo, os estudos sobre os modos de locomoción de aves típicamente exploraron a dinámica de voo prestando pouca atención ás especies cursoriales (que están especializadas en correr). Logo de terminar o miña licenciatura en biología en 2002, ofrecinme como voluntaria no zoolóxico de Frankfurt en Alemania onde quedei fascinada pola capacidade de correr do avestruz e decidín investigalo. A hipótese de investigación para a miña tese doctoral foi que o sistema locomotor do avestruz transmite a potencia ao chan cun alto grado de eficiencia, maximizando o rendemento enerxético (velocidade e resistencia) e reducindo ao mínimo a demanda de enerxía (traballo muscular e metabólico).

Nina e unha das súas cativas compañeiras de traballo, Tiffy Imaxe cortesía de Gisela Löffler for Bild der Wissenschaft

Con 10 semanas de idade, os pollos de avestruz no seu Novo fogar Imaxe cortesía de Jürgen Gass

Para probar a miña idea, decidinme a estudar a forma e función do aparello locomotor do avestruz. Usando a disección, explorei a anatomía do avestruz, buscando estruturas especializadas das extremidades que poderían reducir o custo metabólico da locomoción. Ao mesmo tempo, estudiei a biomecánica dos avestruces vivos: como as forzas físicas actúan na súa anatomía cando se moven. Para permitir unha estreita observación das secuencias de movemento natural, criei a man tres avestruces nun recinto ao aire libre, durante catro anos, para habitualos a min e ao circuíto experimental. A confianza mutua é crucial: unha patada dun avestruz pode matar a un león.

Maximizar a velocidade: as pernas longas e lixeiras

Nun animal correndo, as velocidades máis altas conséguense mediante o aumento da lonxitude e da frecuencia de pasos. As pernas máis longas poden oscilar aínda máis, e si a masa da perna do músculo está localizada proximalmente (cerca do corpo), a pata pode oscilar máis rápido, da mesma xeito que o movemento do peso axustable dun metrónomo preto do pivote aumenta o tempo.

Para investigar este principio, comparei a lonxitude dos segmentos da perna (Figura 1) e a distribución da masa muscular mentres corrían rápidamente, de aves que habitan no chan. De todas as aves corredoras, o avestruz posúe as pernas máis longas en relación ao seu tamaño e ten a maior lonxitude de paso cando corren: 5m. Ademais, a un grado maior que outras especies de aves, teñen a maioría da musculatura das patas localizada moi arriba no óso da coxa e a cadeira, mentres que os elementos inferiores oscilantes da súa perna son comparativamente lixeiros, movidos por tendóns longos e reducidos en masa (Figura 2). Esta disposición optimiza a pata do avestruz para a locomoción a alta velocidade, dándolle tanto un paso longo como unha frecuencia de paso alta.

Maximizar a resistencia: as articulacións estables

Unha ampla gama de movementos da articulación permite aos seres humanos subir ás árbores ou bailar ballet, pero esta flexibilidad ten un costo. Cando corremos, a forza muscular utilízase para a propulsión, pero tamén para evitar o movemento lateral das articulaciones, o que aumenta as nosas necesidades de enerxía sobre unha distancia dada. Eu sospeitaba que os avestruces tiñan un enfoque máis eficiente.

A diferenza da enerxía que consumen os músculos e os tendóns, os ligamentos poden actuar como un ‘corsé da articulación’, o que limita o movemento cara aos lados sen consumir enerxía. Para demostrar que este mecanismo estaba presente, filmei ás miñas avestruces correndo desde varios ángulos para rexistrar o rango de movementos das pernas. Logo repetín estas medidas nun avestruz intacto morto, e finalmente coa disección dunha pata de avestruz onde todos os músculos e tendóns foron extraídos, quedando só o esqueleto e os ligamentos das articulaciones. O rango de movemento lateral nas mostras de avestruz vivo ou morto foi case idéntico. En contraste, a comparación similar en humanos revelou unha gran diferenza no rango de movemento lateral, especialmente, na articulación da cadeira, que se estabiliza mediante a acción muscular. As miñas medicións mostraron que os ligamentos son os elementos principais que guían a pata da avestruz a través da zancada, o que permite a potencia muscular dedíquese case exclusivamente a transmitir a propulsión. Cando manipulaba as patas diseccionadas dos avestruces, fixen un novo descubrimento. Cando trataba de flexionar a articulación do tobillo, tiven que vencer unha certa resistencia – un achado inesperado nunha extremidad sen vida carente dos músculos. Cando liberei a articulación, volveu a unha posición estendida, o que suxire que os ligamentos manteñen pasivamente a pata do ave estendida. Para probar esta teoría, exercín presión desde arriba na perna queda e diseccionada ata que a articulación do tobillo esborrallouse nunha posición flexionada (Figura 3). Requírense 14 kg de forza cara abaixo – 28 kg de peso que un avestruz parado nas dúas pernas estaría obrigada a apoiar activamente ao camiñar ou correr.

Figura 3: Experimento que mostra a capacidade dos ligamentos do tobillo conxuntos para apoiar pasivamente o peso desde arriba (só o lazo esquerdo da perna esquerda móstrase). A articulación do tobillo está contorneada con protuberancias óseas (en verde) a cada lado. Cando a articulación está completamente estendida (168º), os ligamentos en cada lado (en vermello) ténsanse porque pasan sobre esta protuberancia, estabilizando así a articulación. Cando o avestruz levanta os seus dedos dos pés do chan, a articulación do tobillo se flexiona por baixo de 140º e os ligamentos (en laranxa) están libres para deslizarse ao redor dos salintes: o mecanismo de estabilización está relaxado. Faga clic na imaxe para ampliar Imaxe cortesía de Nina Schaller

Este experimento demostrou que o aforro de enerxía metabólica mediante ligamentos como un mecanismo pasivo-estabilizador da perna é unha excelente estratexia de resistencia locomotriz.

Toma de contacto co chan

Figura 4: “Pé” dereito dun avestruz. De esquerda a dereita: Posición parada promedio cos dedos laterales máis pequenos estabilizadores; esqueleto do pé (flechas vermellas indican articulación do dedo elevada); o “pé” visto desde arriba; o “pé” visto desde abaixo. Distal = lonxe do corpo; Proximal = cerca do corpo. Faga clic na imaxe para ampliar Imaxe cortesía de Nina Schaller

Vimos que os membros lixeiros son unha condición previa para a rápida, eficiente locomoción e da única vía para que o avestruz logre isto é mediante a concentración da masa muscular da perna preto da cadeira. Outra estratexia para a redución da masa inferior da perna implica a morfología especializada e a posición dos pés. Isto tamén se pode observar noutros animais corredores; como os cabalos modernos, por exemplo, que evolucionaron a partir de antepasados de cinco dedos para galopar na uña do seu dedo medio – a pezuña. O avestruz experimentou unha evolución similar: mentres que a maioría das aves teñen catro dedos do pé e a maioría das grandes aves non voladoras teñen só tres, o avestruz é a única entre as aves que ten só dous dedos nos pés (Figura 1). Ademais, é a única ave que camiña sobre as puntas dos seus dedos dos pés.

Preguntábame como esta, o ave viviente máis grande e pesado, arránxase para o equilibrio e o agarre a alta velocidade na punta dos pés. Dado que non existe un método establecido para investigar a función do dedo en aves vivas, usei unha placa de presión, comúnmente usadas polos ortopedistas para analizar a distribución da presión nos pés humanos. Adestrei as miñas avestruces para camiñar e correr sobre a placa, capturando en alta resolución a tempo real os datos da presión do “pé” do avestruz durante o contacto co chan. Isto demostrou que o dedo gordo do pé soporta a maioría da masa corporal, mentres que o dedo máis pequeno evita que o avestruz perda o equilibro ao actuar como un estabilizador, especialmente durante o lento camiñar.

Figura 5: Perfil de distribución de carga do “pé” dereito dun avestruz gravado cunha placa de presión. As áreas en vermello indican carga moi alta, as de cor azul escuro indican menor carga. Faga clic na imaxe para ampliar Imaxe cortesía de Nina Schaller

A altas velocidades, as plantas dos pés amortiguan suavemente as tensións do impacto, mentres que o resorte da postura no bico dos pés actúa como un amortiguador adicional do impacto (flechas vermellas na Figura 4). A garra apenas fai contacto co chan durante a marcha, pero exerce presións de ata 40 kg/cm² cando o ave corre. A garra penetra no chan como un pico de martillo para asegurar un agarre fiable a 70 km/h – velocidade máxima con minimización de enerxía, ideal para a carreira de resistencia no nivel de chan da sabana africana (Figura 5).

Aplicacións prácticas

A miña investigación percorreu un longo camiño para mellor nosa compresión de como o avestruz corre tan rápido durante tanto tempo. Agora que entendemos estas estratexias biomecánicas, perfeccionadas máis de 60 millóns de anos de evolución, podemos ser capaces de adaptalas nas novas tecnoloxías como robótica bípeda, sistemas de suspensión, e en inxeniería de estabilización común. Xa, algúns dos meus achados inspiraron aos desarrolladores de prótesis “intelixentes” humana spara adaptarse ás características das patas e dos pés dos avestruces, que pode permitir a amputados unha gama máis ampla da función e a maniobrabilidad.

Recursos

As “Confesións dun avestruz” danse o punto de vista do avestruz, e inclúense enlaces a outros recursos. Ver: http://tolweb.org/treehouses/?treehouse_id=3303

Esta lección introductoria sobre avestruces consiste nun ensaio e un concurso para os estudantes. É adecuado para primeiro ciclo de secundaria. Ver: www.lessonsnips.com/lesson/ostriches

Unha actividade similar para alumnos de primaria pódese atopar aquí: www.enchantedlearning.com/subjects/birds/printouts/Ostrichquiz.shtml

A “National Geographic kids” ten unha páxina multimedia de “Creature Features” (Características de criaturas) dos avestruces. Ver: http://kids.nationalgeographic.com/kids/animals/
creaturefeature/ostrich

Para unha introdución á biomecánica do camiñar, ver: www.pt.ntu.edu.tw/hmchai/BM03/BMClinic/Walk.htm

As actividades da Sociedade para a Biología Comparada e Integral (Society for Integrative and Comparative Biology) sobre a biomecánica de ósos e articulaciones foron desenvolvidas para os estudantes universitarios, pero pódense adaptar fácilmente para os estudantes de cursos máis altos de secundaria. Para construír os modelos das articulaciones, consulte: www.sicb.org/dl/biomechanicsdetails.php3?id=19

Para ter unha visión de diapositivas da locomoción humana e a súa biomecánica, con vínculos co deporte, ver: http://tinyurl.com/c2yrxca

Para descargar a presentación, vostede necesitará unha conta de correo electrónico de Google.

Si che gustou a lectura deste artículo, gustarache ver a colección completa de artigos científicos de vangarda publicados en Science in School. Ver: www.scienceinschool.org/cuttingedge

Logo de terminar os seus estudos de bioloxía na Universidade de Heidelberg, Alemania, Nina Schaller ofreceuse voluntaria no Zoolóxico de Frankfurt, onde un excepcionalmente amable avestruz espertou o seu interese neste vertebrado terrestre único. Durante os últimos nove anos, estudou a forma de correr sen precedentes do ave viviente máis grande. Ela abriu en campo cos avestruces e colaborou con universidades e institucións de investigación en Amberes, Bélgica; Viena, Austria; Frankfurt e Múnich, Alemania; e Toronto, Canadá. O enfoque interdisciplinario de Nina levou ao descubrimento das estratexias de conservación da enerxía que explican como o avestruz gestiona a vida no carril rápido.

Revisión

A declaración sorprendente, pero obvia, que “os paxaros e os humanos son os únicos bípedos verdadeiros” dá conta da investigación que Nina Schaller estivo facendo durante case unha década. Ela ofrécenos unha imaxe da aproximación multidisciplinar a un fenómeno complexo – a velocidade excepcional e a resistencia do avestruz – a investigación da biomecánica e a eficiencia do funcionamento do ave por medio da anatomía (disección) e a fisioloxía (estudo funcional). Os recursos que aparecen, ademais, proporcionan unha gran cantidade de material de información e ensino sobre o avestruz e a locomoción humana.

O artigo sería unha forma interesante e útil para abordar temas da bioloxía (biomecánica – ósos, músculos, tendóns e ligamentos; evolución – homoloxía e analoxía) e física (eficiencia, forza, velocidade, resortes e movemento), tanto en ensino secundario como en bachillerato. Por exemplo, podería ser utilizado para facer fronte á biomecánica do camiñar e correr de diferentes especies, a evolución da locomoción bípeda nas aves e os seres humanos, e os aspectos funcionales das prótesis de membros inferiores (por exemplo os utilizados polo corredor de spring Oscar Pistorius). Tamén podería proporcionar valiosa lectura de fondo antes dunha visita a un museo de historia natural ou un zoo, ou a un laboratorio de robótica.

Inclúense preguntas adecuadas de compresión :

1. A hipótese da investigación de Nina Schaller era que o sistema locomotor do avestruz:
1. maximiza o rendemento enerxético e a demanda de energía
2. minimiza o gasto enerxético e aumenta a demanda de enerxía
3. maximiza o rendemento enerxético e reduce ao mínimo a demanda de enerxía
4. minimiza o gasto enerxético e a demanda de enerxía
2. As patas de avestruz teñen
1. a musculatura localizada elevada no óso da coxa e os tendóns curtos
2. a musculatura localizada elevada no óso da coxa e os tendóns longos
3. a musculatura tola lizada baixa no óso do muso e os tendóns curtos
4. a musculatura localizada baixa no óso da coxa e os tendóns longos.

Giulia Realdon, Italia

---

Recomendaciones do revisor: Bioloxía, Física, Biomecánica, Evolución, Movemento Idade 10+