Pájaros a la carrera: ¿Qué hace que los avestruces sean tan rápidas? Understand article

Traducido por Jorge J. Pérez-Maceira. ¿Qué hace que los avestruces sean rápidos corriendo? Nina Schaller ha pasado casi una década investigando.

Al admirar a una gaviota volando, o a un pingüino buceando, raramente consideramos que estos emplumados animales tiene algo muy raro en común con nosotros: mientras que la mayoría de los otros animales se mueven sobre cuatro, seis o más patas, las aves y los humanos somos los únicos bípedos verdaderos.

La evolución ha resuelto el desafío de avanzar en dos patas de dos maneras: los seres humanos somos plantígrados (ponemos todo el pie en el suelo cuando caminamos o corremos), mientras que las aves son digitígrados (que caminas sobre los dedos o dígitos).

Algunas especies de aves pueden correr no sólo más rápido que los humanos, si no más rápido que sus equivalentes volando. El más rápido corredor de larga distancia es el avestruz africano (Struthio camelus). A unos estables 60 km/h con velocidades máximas superiores a 70 km/h, podrían correr los 42km del maratón Olímpico en 40 minutos en lugar de las dos horas que necesita un ser humano. Esta extraordinaria combinación de velocidad y resistencia permite al avestruz cubrir grandes distancias en busca de pastos frescos o dejar atrás a las hienas hambrientas.

Los científicos han explorado los retos de la locomoción terrestre, en particular las habilidades corredoras de perros y de caballos de carreras. Sin embargo, los estudios sobre los modos de locomoción de aves típicamente han explorado la dinámica de vuelo prestando poca atención a las especies cursoriales (que están especializadas en correr).

Después de terminar mi licenciatura en biología en 2002, me ofrecí como voluntaria en el zoológico de Frankfurt en Alemania donde quedé fascinada por la capacidad de correr del avestruz y decidí investigarlo. La hipótesis de investigación para mi tesis doctoral fue que el sistema locomotor del avestruz transmite la potencia al suelo con un alto grado de eficiencia, maximizando el rendimiento energético (velocidad y resistencia) y reduciendo al mínimo la demanda de energía (trabajo muscular y metabólico).

Para probar mi idea, me decidí a estudiar la forma y función del aparato locomotor del avestruz. Usando la disección, exploré la anatomía del avestruz, buscando estructuras especializadas de las extremidades que podrían reducir el coste metabólico de la locomoción. Al mismo tiempo, estudié la biomecánica de los avestruces vivos: cómo las fuerzas físicas actúan en su anatomía cuando se mueven.

Para permitir una estrecha observación de las secuencias de movimiento natural, crié a mano tres avestruces en un recinto al aire libre, durante cuatro años, para habituarlos a mí y al circuito experimental. La confianza mutua es crucial: una patada de un avestruz puede matar a un león.

Maximizar la velocidad: las piernas largas y ligeras

En un animal corriendo, las velocidades más altas se consiguen mediante el aumento de la longitud y de la frecuencia de pasos. Las piernas más largas pueden oscilar aún más, y si la masa de la pierna del músculo está localizada proximalmente (cerca del cuerpo), la pata puede oscilar más rápido, de la misma manera que el movimiento del peso ajustable de un metrónomo cerca del pivote aumenta el tempo.

Para investigar este principio, comparé la longitud de los segmentos de la pierna (Figura 1) y la distribución de la masa muscular mientras corrían rápidamente, de aves que habitan en el suelo. De todas las aves corredoras, el avestruz posee las piernas más largas en relación a su tamaño y tiene la mayor longitud de paso cuando corren: 5m. Además, a un grado mayor que otras especies de aves, tienen la mayoría de la musculatura de las patas localizada muy arriba en el hueso del muslo y la cadera, mientras que los elementos inferiores oscilantes de su pierna son comparativamente ligeros, movidos por tendones largos y reducidos en masa (Figura 2). Esta disposición optimiza la pata del avestruz para la locomoción a alta velocidad, dándole tanto un paso largo como una frecuencia de paso alta.

Maximizar la resistencia: las articulaciones estables

Una amplia gama de movimientos de la articulación permite a los seres humanos trepar a los árboles o bailar ballet, pero esta flexibilidad tiene un costo. Cuando corremos, la fuerza muscular se utiliza para la propulsión, pero también para evitar el movimiento lateral de las articulaciones, lo que aumenta nuestras necesidades de energía sobre una distancia dada. Yo sospechaba que los avestruces tenían un enfoque más eficiente.

A diferencia de la energía que consumen los músculos y los tendones, los ligamentos pueden actuar como un ‘corsé de la articulación’, lo que limita el movimiento hacia los lados sin consumir energía. Para demostrar que este mecanismo estaba presente, filme a mis avestruces corriendo desde varios ángulos para registrar el rango de movimientos de las piernas. Luego repetí estas medidas en un avestruz intacto muerto, y finalmente con la disección de una pata de avestruz donde todos los músculos y tendones fueron extraídos, quedando sólo el esqueleto y los ligamentos de las articulaciones. El rango de movimiento lateral en las muestras de avestruz vivo o muerto fue casi idéntico. En contraste, la comparación similar en humanos reveló una gran diferencia en el rango de movimiento lateral, especialmente, en la articulación de la cadera, que se estabiliza mediante la acción muscular. Mis mediciones mostraron que los ligamentos son los elementos principales que guían la pata de la avestruz a través de la zancada, lo que permite la potencia muscular se dedique casi exclusivamente a transmitir la propulsión.

Cuando manipulaba las patas diseccionadas de los avestruces, hice un nuevo descubrimiento. Cuando trataba de flexionar la articulación del tobillo, tuve que vencer una cierta resistencia – un hallazgo inesperado en una extremidad sin vida carente de los músculos. Cuando liberé la articulación, volvió a una posición extendida, lo que sugiere que los ligamentos mantienen pasivamente la pata del ave extendida. Para probar esta teoría, ejercí presión desde arriba en la pierna quieta y diseccionada hasta que la articulación del tobillo se desplomó en una posición flexionada (Figura 3). Se requieren 14 kg de fuerza hacia abajo – 28 kg de peso que un avestruz parado en las dos piernas estaría obligada a apoyar activamente al caminar o correr. Este experimento demostró que el ahorro de energía metabólica mediante ligamentos como un mecanismo pasivo-estabilizador de la pierna es una estrategia locomotriz resistencia excelente.

Toma de contacto con el suelo

Hemos visto que los miembros ligeros son una condición previa para la rápida, eficiente locomoción y de la única vía para que el avestruz logre esto es mediante la concentración de la masa muscular de la pierna cerca de la cadera. Otra estrategia para la reducción de la masa inferior de la pierna implica la morfología especializada y la posición de los pies. Esto también se puede observar en otros animales corredores; como los caballos modernos, por ejemplo, que han evolucionado a partir de antepasados de cinco dedos para galopar en la uña de su dedo medio – la pezuña. El avestruz ha experimentado una evolución similar: mientras que la mayoría de las aves tienen cuatro dedos del pie y la mayoría de las grandes aves no voladoras tienen sólo tres, el avestruz es la única entre las aves que tiene sólo dos dedos en los pies (Figura 1). Además, es la única ave que camina sobre las puntas de sus dedos de los pies.

Me preguntaba cómo esta, el ave viviente más grande y pesado, se las arregla para el equilibrio y el agarre a alta velocidad en la punta de los pies. Dado que no existe un método establecido para investigar la función del dedo en aves vivas, usé una placa de presión, comúnmente usadas por los ortopedistas para analizar la distribución de la presión en los pies humanos. Entrené mis avestruces para caminar y correr sobre la placa, capturando en alta resolución a tiempo real los datos de la presión del “pie” del avestruz durante el contacto con el suelo. Esto demostró que el dedo gordo del pie soporta la mayoría de la masa corporal, mientras que el dedo más pequeño evita que el avestruz pierda el equilibro al actuar como un estabilizador, especialmente durante el lento caminar.

A altas velocidades, las plantas de los pies amortiguan suavemente las tensiones del impacto, mientras que el resorte de la postura de puntillas actúa como un amortiguador adicional del impacto (flechas rojas en la Figura 4). La garra apenas hace contacto con el suelo durante la marcha, pero ejerce presiones de hasta 40 kg/cm² cuando el ave corre. La garra penetra en el suelo como un pico de martillo para asegurar un agarre fiable a 70 km/h – velocidad máxima con minimización de energía, ideal para la carrera de resistencia en el nivel de suelo de la sabana africana (Figura 5).

Aplicaciones prácticas

Mi investigación ha recorrido un largo camino para mejor nuestra compresión de cómo el avestruz corre tan rápido durante tanto tiempo. Ahora que entendemos estas estrategias biomecánicas, perfeccionadas más de 60 millones de años de evolución, podemos ser capaces de adaptarlas en las nuevas tecnologías como robótica bípeda, sistemas de suspensión, y en ingeniería de estabilización común. Ya, algunos de mis hallazgos han inspirado a los desarrolladores de prótesis “inteligentes” humanas para adaptarse a las características de las patas y de los pies de los avestruces, que puede permitir a amputados una gama más amplia de la función y la maniobrabilidad.

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