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Aleta

Las aletas generalmente funcionan como láminas que proporcionan elevación o empuje, o brindan la capacidad de dirigir o estabilizar el movimiento en el agua o el aire.

Una aleta es un componente delgado o apéndice unido a un cuerpo o estructura más grande. [1] Las aletas generalmente funcionan como láminas que producen sustentación o empuje , o brindan la capacidad de dirigir o estabilizar el movimiento mientras se viaja en agua, aire u otros fluidos . Las aletas también se utilizan para aumentar las áreas de superficie con fines de transferencia de calor , o simplemente como ornamentación. [2] [3]

Las aletas se desarrollaron por primera vez en los peces como un medio de locomoción. Las aletas de los peces se utilizan para generar empuje y controlar el movimiento posterior. Los peces y otros animales acuáticos, como los cetáceos , se impulsan y dirigen activamente con las aletas pectorales y caudales . Mientras nadan, utilizan otras aletas, como las aletas dorsales y anales , para lograr estabilidad y refinar sus maniobras. [4] [5]

Las aletas de las colas de los cetáceos, ictiosaurios , metriorrínquidos , mosasaurios y plesiosaurios se llaman aletas caudales .

Generación de empuje

Las aletas con forma de lámina generan empuje cuando se mueven, la elevación de la aleta pone el agua o el aire en movimiento y empuja la aleta en la dirección opuesta. Los animales acuáticos obtienen un empuje significativo al mover las aletas hacia adelante y hacia atrás en el agua. A menudo se usa la aleta caudal , pero algunos animales acuáticos generan empuje a partir de las aletas pectorales . [4] Las aletas también pueden generar empuje si se giran en el aire o el agua. Las turbinas y las hélices (y a veces los ventiladores y las bombas ) utilizan una serie de aletas giratorias, también llamadas láminas, alas, brazos o palas. Las hélices utilizan las aletas para traducir la fuerza de torsión en empuje lateral, impulsando así una aeronave o un barco. [6] Las turbinas funcionan a la inversa, utilizando la elevación de las palas para generar par y potencia a partir de gases o agua en movimiento. [7]

Las aletas móviles pueden proporcionar empuje.

La cavitación puede ser un problema en aplicaciones de alta potencia, lo que provoca daños en las hélices o turbinas, así como ruido y pérdida de potencia. [8] La cavitación se produce cuando la presión negativa hace que se formen burbujas (cavidades) en un líquido, que luego colapsan de forma rápida y violenta. Puede causar daños y desgaste importantes. [8] También pueden producirse daños por cavitación en las aletas caudales de animales marinos que nadan con potencia, como los delfines y el atún. Es más probable que la cavitación se produzca cerca de la superficie del océano, donde la presión del agua ambiente es relativamente baja. Incluso si tienen la potencia para nadar más rápido, los delfines pueden tener que limitar su velocidad porque las burbujas de cavitación que colapsan en su cola son demasiado dolorosas. [9] La cavitación también ralentiza al atún, pero por una razón diferente. A diferencia de los delfines, estos peces no sienten las burbujas, porque tienen aletas óseas sin terminaciones nerviosas. Sin embargo, no pueden nadar más rápido porque las burbujas de cavitación crean una película de vapor alrededor de sus aletas que limita su velocidad. Se han encontrado lesiones en el atún que son compatibles con daños por cavitación. [9]

Los peces escómbridos (atún, caballa y bonito) son nadadores especialmente eficientes. A lo largo del margen de la parte posterior de sus cuerpos hay una línea de pequeñas aletas no retráctiles y sin radios, conocidas como aletillas . Se ha especulado mucho sobre la función de estas aletillas. Las investigaciones realizadas en 2000 y 2001 por Nauen y Lauder indicaron que "las aletillas tienen un efecto hidrodinámico en el flujo local durante la natación constante" y que "la aletilla más posterior está orientada para redirigir el flujo hacia el vórtice de la cola en desarrollo, lo que puede aumentar el empuje producido por la cola de la caballa nadadora". [10] [11] [12]

Los peces utilizan múltiples aletas, por lo que es posible que una aleta determinada pueda tener una interacción hidrodinámica con otra aleta. En particular, las aletas inmediatamente anteriores a la aleta caudal (cola) pueden ser aletas próximas que pueden afectar directamente la dinámica del flujo en la aleta caudal. En 2011, investigadores que utilizaron técnicas de imágenes volumétricas pudieron generar "las primeras vistas tridimensionales instantáneas de las estructuras de estela tal como las producen los peces que nadan libremente". Descubrieron que "los continuos movimientos de la cola dieron como resultado la formación de una cadena vinculada de anillos de vórtices" y que "las estelas de las aletas dorsal y anal son arrastradas rápidamente por la estela de la aleta caudal, aproximadamente en el lapso de tiempo de un movimiento de la cola posterior". [13]

Control de movimiento

Las aletas son utilizadas por los animales acuáticos, como esta orca , para generar empuje y controlar el movimiento posterior. [14] [15]

Una vez que se ha establecido el movimiento, el movimiento en sí puede controlarse con el uso de otras aletas. [4] [16] [17] Los barcos controlan la dirección (guiñada) con timones similares a aletas, y el balanceo con aletas estabilizadoras y de quilla. [16] Los aviones logran resultados similares con pequeñas aletas especializadas que cambian la forma de sus alas y aletas de cola. [17]

Se utilizan aletas especializadas para controlar el movimiento.
Aleta caudal de un gran tiburón blanco

Las aletas estabilizadoras se utilizan como plumas en flechas y algunos dardos , [22] y en la parte trasera de algunas bombas , misiles , cohetes y torpedos autopropulsados . [23] [24] Estas suelen ser planas y tienen forma de pequeñas alas, aunque a veces se utilizan aletas de rejilla . [25] Las aletas estáticas también se han utilizado para un satélite, GOCE .

Las aletas de cola estáticas se utilizan como estabilizadores.

Regulación de temperatura

Las aletas de ingeniería también se utilizan como aletas de transferencia de calor para regular la temperatura en disipadores de calor o radiadores de aletas . [26] [27]

Las aletas pueden regular la temperatura.

Ornamentación y otros usos

En biología, las aletas pueden tener un significado adaptativo como adornos sexuales. Durante el cortejo, la hembra del cíclido Pelvicachromis taeniatus exhibe una aleta pélvica violeta, grande y visualmente llamativa . "Los investigadores descubrieron que los machos claramente preferían a las hembras con una aleta pélvica más grande y que estas aletas crecían de manera más desproporcionada que otras aletas en los peces hembra". [31] [32]

Ornamentación

La remodelación de los pies humanos con aletas de natación , similares a la aleta caudal de un pez, añade impulso y eficiencia a las patadas de un nadador o un buceador [35] [36] Las aletas de las tablas de surf proporcionan a los surfistas los medios para maniobrar y controlar sus tablas. Las tablas de surf contemporáneas suelen tener una aleta central y dos aletas laterales curvadas . [37]

Los cuerpos de los peces de arrecife suelen tener una forma diferente a la de los peces de aguas abiertas . Los peces de aguas abiertas suelen estar diseñados para la velocidad, aerodinámicos como torpedos para minimizar la fricción a medida que se mueven a través del agua. Los peces de arrecife operan en los espacios relativamente confinados y los paisajes submarinos complejos de los arrecifes de coral . Para esto, la maniobrabilidad es más importante que la velocidad en línea recta, por lo que los peces de arrecife de coral han desarrollado cuerpos que optimizan su capacidad para lanzarse y cambiar de dirección. Burlan a los depredadores esquivando las fisuras del arrecife o jugando al escondite alrededor de las cabezas de coral. [38]

Las aletas pectorales y pélvicas de muchos peces de arrecife, como el pez mariposa , el pez damisela y el pez ángel , han evolucionado para que puedan actuar como frenos y permitir maniobras complejas. [39] Muchos peces de arrecife, como el pez mariposa , el pez damisela y el pez ángel , han desarrollado cuerpos que son profundos y comprimidos lateralmente como un panqueque, y encajarán en las fisuras de las rocas. Sus aletas pélvicas y pectorales están diseñadas de manera diferente, por lo que actúan junto con el cuerpo aplanado para optimizar la maniobrabilidad. [38] Algunos peces, como el pez globo , el pez lima y el pez cofre , dependen de las aletas pectorales para nadar y casi no usan las aletas de la cola. [39]

Otros usos

Evolución

Los animales acuáticos suelen utilizar aletas para desplazarse
: (1) aletas pectorales (pares), (2) aletas pélvicas (pares), (3) aleta dorsal, (4) aleta adiposa, (5) aleta anal y (6) aleta caudal (cola).

Aristóteles reconoció la distinción entre estructuras análogas y homólogas , e hizo la siguiente comparación profética: "Las aves se parecen en cierto modo a los peces. Porque las aves tienen sus alas en la parte superior de sus cuerpos y los peces tienen dos aletas en la parte delantera de sus cuerpos. Las aves tienen patas en su parte inferior y la mayoría de los peces tienen un segundo par de aletas en su parte inferior y cerca de sus aletas delanteras".

– Aristóteles, De incessu animalium [44]

Existe una vieja teoría, propuesta por el anatomista Carl Gegenbaur , que a menudo ha sido descartada en los libros de texto de ciencias, "que las aletas y (posteriormente) las extremidades evolucionaron a partir de las branquias de un vertebrado extinto". Las lagunas en el registro fósil no habían permitido una conclusión definitiva. En 2009, investigadores de la Universidad de Chicago encontraron evidencia de que la "arquitectura genética de las branquias, aletas y extremidades es la misma", y que "el esqueleto de cualquier apéndice del cuerpo de un animal probablemente esté modelado por el programa genético de desarrollo que hemos rastreado hasta la formación de las branquias en los tiburones". [45] [46] [47] Estudios recientes apoyan la idea de que los arcos branquiales y las aletas pareadas son homólogos en serie y, por lo tanto, que las aletas pueden haber evolucionado a partir de tejidos branquiales. [48]

Los peces son los ancestros de todos los mamíferos, reptiles, aves y anfibios. [49] En particular, los tetrápodos terrestres (animales de cuatro patas) evolucionaron a partir de los peces e hicieron sus primeras incursiones en la tierra hace 400 millones de años. Usaban pares de aletas pectorales y pélvicas para la locomoción. Las aletas pectorales se desarrollaron en patas delanteras (brazos en el caso de los humanos) y las aletas pélvicas en patas traseras. [50] Gran parte de la maquinaria genética que construye una extremidad caminante en un tetrápodo ya está presente en la aleta nadadora de un pez. [51] [52]

Comparación entre A) la aleta nadadora de un pez de aletas lobuladas y B) la pata caminadora de un tetrápodo . Los huesos que se consideran correspondientes entre sí tienen el mismo color.
En una evolución paralela pero independiente, el antiguo reptil Ichthyosaurus communis desarrolló aletas muy similares a las de los peces (o delfines).

En 2011, investigadores de la Universidad de Monash en Australia utilizaron peces pulmonados primitivos pero aún vivos "para rastrear la evolución de los músculos de las aletas pélvicas y descubrir cómo evolucionaron las extremidades traseras de los tetrápodos, que soportaban la carga". [53] [54] Investigaciones posteriores en la Universidad de Chicago descubrieron que los peces pulmonados que caminan en el fondo ya habían desarrollado características de los andares de los tetrápodos terrestres. [55] [56]

En un ejemplo clásico de evolución convergente , las extremidades pectorales de los pterosaurios , las aves y los murciélagos evolucionaron a lo largo de caminos independientes hasta convertirse en alas voladoras. Incluso con las alas voladoras hay muchas similitudes con las patas para caminar, y se han conservado aspectos fundamentales del mapa genético de la aleta pectoral. [57] [58]

Hace unos 200 millones de años aparecieron los primeros mamíferos. Un grupo de estos mamíferos comenzó a regresar al mar hace unos 52 millones de años, completando así un círculo. Estos son los cetáceos (ballenas, delfines y marsopas). Análisis recientes de ADN sugieren que los cetáceos evolucionaron a partir de los ungulados de dedos pares , y que comparten un ancestro común con el hipopótamo . [59] [60] Hace unos 23 millones de años, otro grupo de mamíferos terrestres parecidos a los osos comenzó a regresar al mar. Estas fueron las focas . [61] Lo que se habían convertido en extremidades caminantes en cetáceos y focas evolucionó aún más, de forma independiente en una forma inversa de evolución convergente, de regreso a nuevas formas de aletas para nadar. Las extremidades anteriores se convirtieron en aletas y las extremidades traseras en una cola que termina en dos aletas, llamada aleta caudal en el caso de los cetáceos. [62] Las colas de los peces suelen ser verticales y se mueven de lado a lado. Las aletas de los cetáceos son horizontales y se mueven hacia arriba y hacia abajo, porque las espinas de los cetáceos se doblan de la misma manera que en otros mamíferos. [63] [64]

Los ictiosaurios son reptiles antiguos que se parecían a los delfines. Aparecieron por primera vez hace unos 245 millones de años y desaparecieron hace unos 90 millones de años.

"Este reptil marino con antepasados ​​terrestres convergió tan fuertemente con los peces que de hecho desarrolló una aleta dorsal y una cola en el lugar justo y con el diseño hidrológico justo. Estas estructuras son aún más notables porque evolucionaron de la nada: el reptil terrestre ancestral no tenía joroba en la espalda ni pala en la cola que sirviera como precursor". [65]

El biólogo Stephen Jay Gould dijo que el ictiosaurio era su ejemplo favorito de evolución convergente . [66]

Robótica

En la década de 1990, la CIA construyó un pez gato robótico llamado Charlie para probar la viabilidad de los vehículos submarinos no tripulados .

El uso de aletas para la propulsión de animales acuáticos puede ser notablemente eficaz. Se ha calculado que algunos peces pueden alcanzar una eficiencia de propulsión superior al 90%. [4] Los peces pueden acelerar y maniobrar de forma mucho más eficaz que los barcos o los submarinos , y producen menos perturbaciones y ruido en el agua. Esto ha dado lugar a estudios biomiméticos de robots submarinos que intentan emular la locomoción de los animales acuáticos. [67] Un ejemplo es el Robot Tuna construido por el Instituto de Robótica de Campo, para analizar y modelar matemáticamente el movimiento de los tuniformes . [68] En 2005, el Acuario Sea Life de Londres exhibió tres peces robóticos creados por el departamento de informática de la Universidad de Essex . Los peces fueron diseñados para ser autónomos, nadando y evitando obstáculos como los peces reales. Su creador afirmó que estaba tratando de combinar "la velocidad del atún, la aceleración de un lucio y las habilidades de navegación de una anguila". [69] [70] [71]

El AquaPenguin , desarrollado por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión por aletas delanteras de los pingüinos . [72] [73] Festo también desarrolló AquaRay , [74] AquaJelly [75] y AiraCuda , [76] emulando respectivamente la locomoción de mantarrayas, medusas y barracudas.

En 2004, Hugh Herr del MIT creó un prototipo de pez robótico biomecatrónico con un actuador viviente trasplantando quirúrgicamente músculos de ancas de rana al robot y luego haciendo que el robot nadara pulsando las fibras musculares con electricidad. [77] [78]

Los peces robóticos ofrecen algunas ventajas para la investigación, como la capacidad de examinar parte del diseño de un pez de forma aislada del resto y la varianza de un único parámetro, como la flexibilidad o la dirección. Los investigadores pueden medir fuerzas directamente con mayor facilidad que en peces vivos. "Los dispositivos robóticos también facilitan los estudios cinemáticos tridimensionales y los análisis hidrodinámicos correlacionados, ya que se puede conocer con precisión la ubicación de la superficie locomotora. Y los componentes individuales de un movimiento natural (como la carrera de salida y la de entrada de un apéndice que aletea) se pueden programar por separado, lo que sin duda es difícil de lograr cuando se trabaja con un animal vivo". [79]

Véase también

Referencias

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