8136.- Energía para volar

El coste energético del transporte aéreo en los seres vivos  

Cigueña en vuelo

Un mirlo del mismo peso que una ardilla puede volar 2000 metros consumiendo 120 calorías, mientras que- con esa energía- la ardilla únicamente correrá 500 metros. Quizá por eso, más de la mitad de las especies que habitan nuestro planeta vuelan. Sin embargo, los animales tuvieron que adaptar sus organismos para desarrollar esta capacidad.

Existen dos teorías que tratan de explicar la evolución que siguieron los vertebrados- murciélagos, pájaros y los desaparecidos pterosaurios- para volar. La teoría arbórea, postula que el vuelo lo desarrollarían especies que acostumbraban a subir a los árboles y escalaban paredes rocosas. Esos animales aprenderían a lanzarse desde las alturas y planear hasta el suelo, en un principio, para luego desarrollar la capacidad de propulsión batiendo las alas. La segunda teoría, parte del supuesto de que el vuelo lo aprendieron animales que corrían tras insectos voladores y daban saltos para apresarlos. Estas criaturas desarrollarían las alas para auxiliarse en sus pequeñas excursiones aéreas hasta que aprendieron a volar. Los estudios aerodinámicos y de simulación, que se han hecho al respecto, apuntan a que la primera de estas dos teorías es más verosímil que la segunda.

Los estudios demuestran que la capacidad para volar de los animales está íntimamente ligada a dos factores: su masa corporal y la distancia entre la punta de las dos alas cuando se extienden por completo (envergadura). Está comprobado que en la medida en que aumenta la masa del volador, se incrementa también la envergadura de las superficies sustentadoras. Los vertebrados de mayor peso que alguna vez volaron fueron los últimos pterosaurios que podían alcanzar los 65 kilogramos de peso, con alas de hasta 6 metros de envergadura, o más, como el Quetzalcoatlus cuyas alas desplegadas eran de unos 13 metros. Su configuración se parecía a la de los pájaros oceánicos, con las alas estrechas y alargadas y probablemente se alimentaban de peces. Sin embargo, la mayoría de los pterosaurios eran mucho más pequeños que estos últimos gigantes, de un tamaño similar al de las gaviotas actuales. Los pterosaurios desaparecieron hace unos sesenta y cinco millones de años, después de haber subsistido durante un larguísimo periodo de más de ciento cincuenta millones de años. Estos animales nada tienen que ver con los dinosaurios. Sin embargo, en la actualidad no hay prácticamente pájaros ni murciélagos cuya masa exceda los 10 kilogramos y la mayoría pesan menos de 1 kilogramo.

Para efectuar el vuelo los pájaros necesitan consumir energía, pero este consumo depende mucho del modo en que se desplacen por el aire. Hay tres tipos de vuelo: planeo, en suspensión y vuelo con velocidad batiendo las alas.

El vuelo de planeo, sin mover las alas, es energéticamente muy poco costoso. Cabe distinguir dos formas de planear: con pérdida de altura o cuando el pájaro remonta y gana altura utilizando una térmica o una corriente ascendente originada por el oleaje o la orografía. Los grandes planeadores, buitres, águilas, milanos, cigüeñas y halcones, aprovechan las térmicas para ganar altura y descienden siguiendo trayectorias con poca inclinación para interceptar otra térmica que les permita reponer su nivel de vuelo, mientras buscan alimento en tierra. Un buitre puede pasar el día entero sin apenas mover las alas, al igual que un águila. Cuando el extraordinario sistema de visión del buitre detecta un animal que yace en el suelo, muerto a kilómetros de distancia, la maniobra de aproximación del carroñero requiere más habilidad que fuerza. Con gran precisión diseña un largo planeo hasta posarse sobre su objetivo, sin necesidad de batir las alas, en ningún momento. En el caso del águila, un depredador, su posible víctima se está moviendo en tierra, o puede iniciar la huida en cualquier instante. El pájaro tiene que descender a gran velocidad, con energía, y abalanzarse sobre su presa para cogerla con las garras. Por tanto, el águila tiene que combinar su capacidad para efectuar misiones de reconocimiento con las de ataque al suelo que requieren músculos y fuerza, además de habilidad. Muchos pájaros aprovechan las térmicas o en el caso de los pájaros oceánicos, como el albatros, las corrientes de aire ascendentes inducidas por el oleaje, durante sus largos vuelos migratorios para economizar energía.

El segundo tipo de vuelo es el vuelo en suspensión, sin velocidad, manteniendo la posición fija en el aire. Esta forma de volar es agotadora para cualquier ave porque consume una cantidad ingente de energía; muy pocos voladores son capaces de soportarlo de forma continuada si su peso excede de unos 100 gramos.

El vuelo con velocidad, batiendo las alas, exige una cantidad de energía menor que el vuelo en suspensión y muchos pájaros son capaces de mantenerlo para efectuar largos recorridos. Un sistema que los pájaros utilizan para disminuir el gasto energético durante sus migraciones es el vuelo en formación. Algunos pájaros, como los gansos, patos y pelícanos, han aprendido a aprovecharse de los torbellinos que se desprenden de las puntas de las alas en vuelo. Este es un fenómeno aerodinámico que afecta a los pájaros y a los aeroplanos. La sobrepresión debajo del ala y la depresión arriba, dan origen a un flujo de aire en los extremos de las alas- de abajo hacia arriba- que origina dos torbellinos (o vórtices), uno en cada punta del ala. Hay voladores que sacan partido de este fenómeno. Para ello utilizan formaciones en “uve”; cada pájaro, excepto el guía, vuela batiendo un ala en la zona del torbellino generado en la punta del ala opuesta del pájaro que lleva delante. Esta disposición les permite aprovechar el movimiento ascendente del aire generado por el vórtice que se desprende del ala del pájaro que siguen. Cuando vuelan en formación, la potencia necesaria para el vuelo puede reducirse hasta un 35%.

La potencia requerida para mantener el vuelo nivelado con movimiento, tanto en los pájaros como en los aeroplanos, depende de la velocidad. Cuando la velocidad es pequeña la potencia necesaria es grande, luego disminuye- conforme se incrementa la velocidad- hasta un mínimo, y después vuelve a aumentar. Esta ley que expresa la potencia necesaria para el vuelo, en función de la velocidad, en forma de “u” tiene carácter universal. Existe una velocidad para la que la potencia necesaria para el vuelo es mínima; sin embargo esta no es la velocidad más eficiente desde el punto de vista de la economía del transporte. La velocidad más eficiente para un volador- desde el punto de vista de la economía del transporte- es la que les permite volar la mayor distancia posible con una energía determinada; es la velocidad a la que, con unas reservas energéticas, el pájaro va a poder llegar más lejos. Esta velocidad es ligeramente superior a la que se corresponde con la potencia mínima.

El vuelo es muy eficiente en términos de transporte, pero al mismo tiempo requiere un consumo energético elevado. Alta eficiencia y alto consumo energético son las dos características fundamentales del vuelo. El coste del transporte se suele expresar en términos de energía necesaria para transportar un kilogramo de peso un kilómetro de distancia. Para los pájaros en general, este parámetro disminuye conforme el pájaro aumenta de peso. Los pájaros grandes son más eficientes transportando peso que los pequeños. De otra parte, los insectos muy ligeros no disponen de suficiente masa para desarrollar una tasa metabólica que les permita recorrer largos trayectos y son muy vulnerables a las corrientes de aire, por lo que los voladores con mejores prestaciones, desde el punto de vista de la economía del transporte, tienen un peso superior al kilogramo.

Los pájaros, como cualquier animal, obtienen la energía mecánica necesaria para el vuelo de sus músculos. El combustible que necesitan los músculos está formado por hidratos de carbono, lípidos o proteínas, procedentes de la alimentación, que se combinan con oxígeno para producir agua, dióxido de carbono y calor. La tasa metabólica indica la energía interna que genera un ser vivo. Todos los seres animados necesitan producir una cantidad de energía mínima para mantener sus constantes vitales, que se corresponde con el metabolismo basal. Cuando un animal hace ejercicio, los músculos consumen los hidratos de carbono de sus propias células hasta que se agotan y el organismo moviliza las reservas energéticas, proteínas y grasas, almacenadas en otras partes del cuerpo. De la energía liberada por el metabolismo, la mayor parte se disipa en forma de calor y únicamente un 20% puede transformarse en energía mecánica. La tasa metabólica puede medirse como un porcentaje del metabolismo basal. El vuelo exige un consumo de energía relativamente alto, por lo que los voladores en acción tienen una tasa metabólica elevada. Es posible calcular la tasa metabólica, o energía consumida durante el vuelo de un determinado animal midiendo el consumo de combustible o el calor que genera; indirectamente también se puede hacer si se conoce la cantidad de oxígeno y dióxido de carbono que intercambia, o el agua que produce.

Algunos pájaros son capaces de efectuar vuelos muy prolongados, durante días enteros, sobre todo las aves migratorias. La energía que necesitan para efectuarlos procede de las reservas que acumulan, en forma de grasa; antes de iniciar la migración muchos pájaros son capaces de ganar un 50% de su peso, o más, que luego pierden durante el viaje. Hay gansos canadienses que vuelan en otoño desde la bahía del Hudson hasta el golfo de México, alrededor de 2700 kilómetros sin parar en unas 60 horas, y luego regresan en primavera a Canadá para pasar el verano. El trayecto lo efectúan a una velocidad de unos 14-16 metros por segundo, volando en formación, batiendo las alas. También hay unas especies de andarríos en Islandia, que vuelan unos 2000 kilómetros hasta una isla del Ártico de Canadá, sin parar. Desde la bahía de Hudson hasta las islas del Caribe y el norte de Suramérica hay de 3000 a 4000 kilómetros que muchas especies de pájaros costeros recorren en primavera y otoño, sin detenerse, volando sobre el mar. En Europa, muchos pájaros emigran desde el norte del continente a las regiones subsaharianas de África para pasar el invierno y regresar en primavera; algunos como los petirrojos y las águilas pescadoras sobrevuelan el mar y el desierto, pero hay otros como las cigüeñas blancas y las águilas comunes que emplean las térmicas para reducir el consumo energético y llegan a recorrer hasta 10 000 kilómetros, en cada trayecto; no sobrevuelan el mar y pasan al continente africano por Turquía y España. Los albatros también recorren distancias muy largas, para cruzar los océanos y pueden permanecer en el aire de 3 a 9 días, en sus viajes. Son pájaros que pesan de 7 a 10 kilogramos y en sus desplazamientos de larga duración planean casi todo el tiempo para lo que hacen uso de las corrientes de aire ascendentes que inducen las olas; la velocidad media durante estos vuelos es de 5-8 metros por segundo, con lo que en un día pueden recorrer hasta 700 kilómetros.

Así pues podemos concluir que los animales grandes que vuelan utilizan un sistema de transporte muy eficiente, pero que demanda mucha energía. No existe, en la actualidad, ningún animal de más de 10 kilogramos de peso capaz de generar la tasa metabólica necesaria para volar con velocidad, de forma sostenida. Los pterosaurios, que desaparecieron hace sesenta y cinco millones de años, fueron los únicos vertebrados capaces de volar que superaron este peso; sus alas eran enormes, estrechas y alargadas. La economía de transporte del vuelo de algunas aves les permite efectuar recorridos migratorios de miles de kilómetros, aunque sus organismos llegan a perder en el trayecto más del 50% de su peso al consumir las reservas de grasa. Los voladores de gran tamaño suelen volar en formación y utilizan las térmicas y otras corrientes ascendentes para reducir las necesidades energéticas durante el tiempo que permanecen en el aire; estos pájaros de mayor peso tienen dificultadas para mantener el vuelo sostenido con velocidad, en solitario. Por lo que la máquina de volar perfecta tendría un peso elevado, ser capaz de acumular a bordo una gran densidad energética y estar dotada de alas largas y estrechas.

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