Física

La ganga de Namaqua es inusual, cuando se trata de aves, ya que las plumas de su vientre están diseñadas para absorber agua en lugar de mantenerla fuera. Ahora Jochen Mueller de la Universidad Johns Hopkins, Maryland, y Lorna Gibson del Instituto Tecnológico de Massachusetts han descubierto los detalles de esta capacidad de succión de agua [1]. Los resultados podrían ayudar a comprender desde una perspectiva evolutiva cómo y por qué estas aves desarrollaron esta habilidad. El trabajo también podría inspirar diseños de materiales artificiales que puedan almacenar y liberar agua de manera eficiente.

"La capacidad de transporte de agua fría de la ganga de arena siempre surge en las clases de ornitología", dice Allison Shultz, curadora de ornitología en el Museo Nacional de Historia del condado de Los Ángeles, que proporcionó muestras de plumas a Mueller y Gibson. "Pero el mecanismo de cómo funciona nunca se había explorado de manera detallada. Eso hace que este nuevo trabajo sea realmente emocionante", dice.

En 1896, Edmund Meade-Waldo, un ornitólogo y conservacionista británico, notó un comportamiento extraño entre las gangas cautivas que estaba criando. Los pájaros adultos machos caminaban hacia las fuentes de agua en sus recintos, se sentaban en esa agua y luego caminaban con sus panzas hinchadas hacia sus crías. Luego, los polluelos se metían debajo del vientre de las aves adultas y ponían sus picos en las plumas de la barriga. Los papás parecían estar trayendo agua para beber a sus pollitos.

Meade-Waldo compartió las observaciones con otros ornitólogos, pero la idea de que los polluelos de ganga de arena "chupan el agua del pecho [de un pájaro macho]", como escribió Meade-Waldo, fue recibida con extremo escepticismo. "Nadie le creyó", dice Mueller. "Se consideró un comportamiento loco".

Durante los siguientes 70 años, otros observadores proporcionaron informes similares, pero no fue hasta 1967 que se le dio crédito real a la idea. Dos biólogos de la Universidad de Cornell realizaron experimentos con especímenes y plumas de gangas muertas y descubrieron que las gangas machos podían retener en las plumas del vientre alrededor del 15 % de su peso corporal en agua. Estas aves, que viven principalmente en el sudoeste de África, a menudo anidan a una distancia de hasta 30 km del abrevadero más cercano, y los biólogos de Cornell estimaron que una ganga de arena macho podría retener más de la mitad del agua absorbida en sus plumas durante el vuelo de aproximadamente 30 minutos entre el fuente y su nido. Eso dejó mucho líquido para dar a los pollitos, que no pueden volar durante su primer mes de vida.

Entonces, ¿cómo capturan agua las gangas, la mantienen en sus vientres durante largas distancias y luego se la liberan a sus crías? Los biólogos de Cornell tenían algunas ideas, pero sin el uso de tecnologías modernas, los detalles permanecieron turbios. En su estudio, Mueller y Gibson tomaron las plumas del vientre de machos adultos de ganga Namaqua y realizaron varios experimentos de humectación, así como pruebas estructurales utilizando un microscopio electrónico de barrido y una máquina de tomografía computarizada.

Lo primero que notó el dúo fue la estructura inusual de las plumas, algo que los científicos anteriores habían documentado, pero no capturado en detalle. Como la mayoría de las plumas de las aves, las de la ganga tienen un eje principal en el centro y una veleta esponjosa que se extiende hacia afuera. Dentro de esta paleta hay una miríada de púas, las hebras individuales de material de plumas, que luego se subdividen en bárbulas. Para un petirrojo, por ejemplo, estas bárbulas son rectas con un gancho al final. Para la ganga de arena, sin embargo, Mueller y Gibson observaron bárbulas dobladas que se enroscan helicoidalmente para formar una bobina y luego se extienden en línea recta.

Cuando se sumergía en agua, el dúo observó que las bárbulas de la ganga de arena se desenrollaban y giraban de modo que las de las púas opuestas se superponían para crear un denso "bosque" de fibras. Levantando la pluma desenrollada fuera del agua, las bárbulas retuvieron esta estructura forestal, atrapando el agua en la superficie superior. Al secarse la pluma volvió a su estado original. "El cambio de forma de la bárbula es completamente reversible", dice Mueller.

La capacidad de las bárbulas para enrollarse y desenrollarse proviene, dice Mueller, de su estructura molecular. Las bárbulas de las plumas de las aves están hechas de queratina, el mismo material que se encuentra en el cabello y las uñas. En la ganga, esta queratina existe tanto en fase amorfa como cristalina. Estas diferentes fases se hinchan en cantidades diferentes cuando se encuentran con el agua, lo que lleva a un cambio de forma. "Un lado de las bárbulas se hincha más que el otro, lo que provoca que se desenrosque", dice Mueller.

Los cálculos realizados por el equipo muestran que la capacidad de retención de agua de las plumas proviene del mismo efecto de tensión superficial que se observa en la capilaridad, donde el agua fluye por un tubo. El espacio entre dos púas actúa como un tubo que atrae el agua y evita que se derrame mientras el pájaro vuela. "Las dimensiones de las características de la pluma se alinean con lo que esperaríamos de un diseño optimizado", dice Mueller. "Eso fue una sorpresa".

"Algunos de los avances realmente emocionantes en la comprensión de la biología se producen cuando personas de campos externos, como la ingeniería, llegan con una nueva perspectiva y las últimas y mejores herramientas analíticas", dice Shultz. Ella señala que antes de enterarse de este estudio, no habría pensado en probar la morfología de las plumas bajo el agua; no es un paso que un curador normalmente toma. "Este trabajo muestra la importancia de estudiar los objetos en el contexto en el que se utilizan en la naturaleza", dice.

–Katherine Wright

Katherine Wright es la editora adjunta de Physics Magazine.

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