Aves em fuga: o que torna as avestruzes tão rápidas? Understand article

Traduzido por Rita Campos. O que torna as avestruzes corredores tão velozes? Nina Schaller passou quase uma década a investigar o assunto.

Ao admiramos uma gaivota a voar ou um pinguim a mergulhar, raramente pensamos que estes animais emplumados têm algo raro em comum connosco: enquanto a maior parte dos animais se move em quatro, seis ou mais pernas, as aves e os humanos são os únicos verdadeiros bípedes.

A evolução resolveu o desafio da locomoção em duas pernas de duas formas: os humanos são plantígrados (colocamos o pé todo no chão quando caminhamos ou corremos), as aves são digitígradas (caminham na ponta dos dedos, ou dígitos).

Algumas espécies de aves conseguem correr não só mais rápido que os humanos mas inclusive mais rápido do que outras aves conseguem voar. A corredora de longa distância mais rápida é a avestruz africana (Struthio camelus). A uma velocidade constante de 60 km/h e uma velocidade máxima de 70 km/h, pode correr os 42 km da maratona Olímpica em 40 minutos, por oposição às duas horas que um humano necessita. Esta notável combinação de velocidade e resistência permite que a avestruz percorra grandes distâncias para encontrar pastagens frescas ou para se distanciar de hienas famintas.

Há muito que os cientistas há muito exploram os desafios da locomoção terrestre, particularmente as capacidade corredoras dos cães e dos cavalos de corrida. No entanto, os estudos sobre as formas de locomoção das aves tipicamente exploram a dinâmica do voo e prestam pouca atenção às espécies com capacidades cursoriais (as que se especializaram na corrida).

Após terminar a minha licenciatura em Biologia, em 2002, fui voluntária no Jardim Zoológico de Frankfurt, na Alemanha, onde me fascinei pelas capacidades corredoras das avestruzes e decidi investigá-las. A hipótese para a minha investigação de doutoramento era que o sistema locomotor da avestruz transmite força para o solo com um grau de eficiência elevado, maximizando a produção de energia (velocidade e resistência) e minimizando os requisitos energéticos (trabalho muscular e metabólico).

Para testar a minha ideia, decidi estudar a forma e a função do sistema locomotor da avestruz. Através de dissecações, explorei a anatomia da avestruz, procurando por estruturas especializadas nos membros que pudessem reduzir os custos metabólicos da locomoção. Simultaneamente, estudei a biomecânica das avestruzes vivas: como é que as forças físicas actuam na sua anatomia enquanto as avestruzes se movem?

Para conseguir uma melhor observação da sequência natural do movimento, criei três avestruzes num grande cercado ao ar livre e, durante quatro anos, habituei-as à minha presença e à sua pista de corrida experimental. A confiança mútua era crucial: um pontapé de uma avestruz pode matar um leão.

Maximizando a velocidade: pernas longas e leves

Nos animais corredores, as velocidades máximas são conseguidas aumentando o tamanho e a frequência dos passos. Pernas mais compridas podem mover-se ainda mais e, se a massa muscular das pernas estiver localizada proximalmente (perto do corpo), a perna pode então balançar mais rapidamente, da mesma forma que num metrónomo mover um peso ajustável para mais perto do eixo aumenta o tempo do compasso.

Para investigar este princípio, comparei os comprimentos dos segmentos das pernas (Figura 1) e a distribuição da massa muscular em espécies de aves corredoras rápidas de solo. De todas as aves cursoriais, a avestruz possui as pernas mais compridas relativamente ao seu tamanho e tem a maior distância entre pés quando corre: 5 m. Adicionalmente, num maior grau que noutras espécies, tem a maior parte da sua musculatura localizada na zona superior do osso da coxa e anca, enquanto os elementos móveis da sua perna são comparativamente mais leves, movimentados por tendões longos e delgados (Figura 2). Este arranjo optimiza a perna da avestruz para a locomoção a alta velocidade, dando-lhe um comprimento de passo longo e uma frequência de passo elevada.

Maximizando a resistência: articulações estáveis

Os humanos conseguem trepar às árvores ou dançar ballet graças a uma grande variedade de movimentos das articulações mas esta flexibilidade tem um custo. Quando corremos, a força muscular é usada para a propulsão e para evitar movimentos laterais das articulações, levando a que haja uma elevada custo energético para uma determinada distância. Suspeitei que as avestruzes tivessem uma abordagem mais eficiente.

Ao contrário dos músculos e dos seus tendões, que consumem muita energia, os ligamentos podem actuar como um ‘colete das articulações’, limitando os movimentos laterais sem consumir energia. Para demonstrar que este mecanismo existia, filmei as minhas avestruzes a correr de vários ângulos, para registar a variedade de movimentos das suas pernas. Depois, repeti essas medições usando uma avestruz morta e intacta e por fim usando uma perna de avestruz dissecada, removendo os músculos e tendões e deixando apenas o esqueleto e os ligamentos das articulações. A variedade de movimentos laterais das articulações na avestruz viva e morta é quase idêntico. Em contraste, uma comparação semelhante em humanos revelaria uma enorme diferença na variedade de movimentos laterais, especialmente na articulação da anca, que é estabilizada pela acção dos músculos. As minhas medições mostraram que os ligamentos são os principais elementos a guiar a perna da avestruz na passada, permitindo que a força muscular seja usada quase exclusivamente na propulsão para a frente.

Ao manipular as pernas dissecadas das avestruzes fiz uma nova descoberta. Ao tentar flectir a articulação do tornozelo, tive que vencer alguma resistência – algo inesperado num membro sem vida e desprovido de músculos. Quando libertei a articulação esta estalou de volta para uma posição estendida, sugerindo que os ligamentos estavam a manter a perna da ave estendida de forma passiva. Para testar esta teoria, exerci pressão sobre a parte superior na perna dissecada e em posição erecta até a articulação do tornozelo colapsar na posição flectida (Figura 3). Foi necessário exercer uma força de 14 kg – 28 kg de peso que uma avestruz, sobre as duas pernas, não seria obrigada a suportar enquanto anda ou corre. Este teste mostrou que poupar energia metabólica usando os ligamentos como um mecanismo passivo de estabilização da perna é uma excelente estratégia de resistência locomotora.

Fazendo contacto com o solo

Já vimos que membros leves são uma condição prévia para uma locomoção rápida e eficiente e que uma das maneiras pela qual as avestruzes conseguem isso é concentrando a massa muscular da perna junto à articulação da anca. O mesmo pode ser observado noutros animais cursoriais; os cavalos modernos, por exemplo, evoluíram a partir de um antepassado com cinco dedos para galopar sobre a unha do dedo do meio – o casco. As avestruzes sofreram uma evolução semelhante: enquanto a maior parte das aves tem quatro dedos e a maioria das grandes aves não voadoras tem apenas três, a avestruz é a única ave que caminha sobre apenas dois dedos (Figura 1). Além disso, é a única ave que caminha nas pontas dos pés.

Perguntei-me como esta, a maior e mais pesada ave viva, alcançava o equilíbrio e a aderência correndo a velocidades elevadas na ponta dos pés. Como não existe um método estabelecido para investigar a função do pé em aves vivas, usei uma placa de pressão, usado regularmente por ortopedistas para analisar a distribuição da pressão nos pés humanos. Treinei as minhas avestruzes para caminharem e correrem sobre a placa, registando os dados sobre a pressão do ‘pé’ durante o contacto com o solo em tempo real e em alta resolução. Isto mostrou que o dedo grande suporta a maior parte da massa muscular enquanto o dedo mais pequeno impede que a avestruz perca o equilíbrio, actuando como um navegador, especialmente durante a caminhada lenta.

A velocidades elevadas, a sola mole dos pés amortece o stress do impacto, enquanto a postura em ponta dos pés actua como uma mola que confere um efeito amortecedor adicional (setas vermelhas na Figura 4). Durante a marcha, as garras quase não contactam com o solo mas quando a ave corre exerce uma pressão de cerca de 40 kg/cm². As garras penetram no solo como um espigão, assegurando uma aderência segura a 70 km/h – velocidade máxima com gasto energético mínimo, ideal para corridas de resistência no solo das savanas Africanas (Figura 5).

Aplicações práticas

A minha investigação levou-nos mais longe no que respeita ao nosso entendimento sobre como a avestruz é capaz de correr tão depressa durante tanto tempo. A agora que somos capazes de compreender estas estratégias biomecânicas, aperfeiçoadas ao longo de 60 milhões de anos de evolução, poderemos tentar adaptá-las a tecnologias modernas, tais como a robótica bípede, sistemas de suspensão e engenharia de estabilização de articulações. Algumas das minhas descobertas serviram já de inspiração a quem desenvolve próteses humanas ‘inteligentes’ para adaptar características das pernas e pés das avestruzes, o que poderá permitir que amputados possam ter uma ampla gama de funções e capacidade de manobra.

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