¡Murciélagos!

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Entra el tema de AirSpace, luego queda de fondo.

Matt: Les damos la bienvenida a AirSpace, un programa del Smithsonian's National Air and Space Museum. Soy Matt.

Emily: Y yo soy Emily. En este pódcast, hemos hablado mucho sobre aves y aviones. La última vez, hasta hablamos sobre Superman. Pero hoy hablaremos sobre murciélagos.

Matt: Los murciélagos son los únicos mamíferos que vuelan de verdad, y lo hacen de un modo completamente distinto al de las aves. Los ingenieros que suelen inspirarse en el reino animal han observado el vuelo de los murciélagos, pero resulta difícil de reproducir.

Emily: Veremos por qué sucede eso en el programa de AirSpace de hoy, patrocinado por Lockheed Martin.

La música de AirSpace sube y después se apaga.

Matt: Los murciélagos son uno de mis animales favoritos, aunque no son un tema del que normalmente toquemos en AirSpace. Sin embargo, resultan ser un tema interesante porque vuelan de una forma completamente única. No es algo que se vea en otras partes de la naturaleza.

Tú y yo somos fanáticos de todo lo que vuela aquí en el museo, así que pensamos que sería buena idea hacer una introducción sobre los murciélagos y compartirla con todos, ¿verdad?

Emily: Por supuesto. Además, la naturaleza es una gran fuente de inspiración para diseñar aviones. Y cuando se trata de animales que vuelan, los ingenieros siempre están atentos para ver si hay algo que pueden aplicar en aeronaves u otros vehículos voladores hechos por el ser humano.

Matt: Sí, y si nos remontamos hasta el Renacimiento, encontramos a Leonardo da Vinci, que seguro saben quién es. Cuando él imaginó su máquina voladora, estudió las alas de los murciélagos porque pensaba que era un punto de partida lógico para entender cómo volar. Hay una larga tradición basada en esa idea, aunque no ha dado muchos resultados porque las alas de murciélago resultan muy difíciles de replicar en una máquina voladora. Sin embargo, esa misma idea, llamada biomimética, sigue inspirando muchas investigaciones en el campo.

Emily: Y aunque ha habido mucho interés en cómo vuelan los murciélagos desde la época de Leonardo da Vinci, o incluso antes, hace muy poco tiempo que la ciencia ha logrado entender con precisión en qué se diferencia su vuelo del de las aves.

Sharon: Me encanta esa pregunta. En parte, porque cuando empecé a estudiar los murciélagos, lo que decía la literatura general es que los murciélagos vuelan como los pájaros. Pero no tan bien.

Emily: Es la Dra. Sharon Swartz.

Sharon: Hola. Soy Sharon Swartz. Soy profesora en el Departamento de Ecología, Evolución y Biología Organísmica de la Universidad de Brown, y también tengo un cargo en la Escuela de Ingeniería.

Si tuviera que resumir qué he hecho en mi vida profesional, diría que fue demostrar que los murciélagos no son aves. Son criaturas únicas y su forma de volar es completamente diferente.

Matt: Entonces los murciélagos vuelan de forma distinta a las aves, en parte, porque tienen una fisiología muy diferente, ¿no? La fisiología de las aves y la de los mamíferos no son iguales, y las alas no están formadas de la misma manera.

Emily: Así es. Debemos recordar que los murciélagos son mamíferos y las aves no, ya que ponen huevos. Y no, no hay tiempo para hablar del ornitorrinco. La verdadera diferencia está en que las alas de los pájaros tienen articulaciones, pero solo dos o tres controlan el movimiento de aleteo. Son las plumas las que realmente impulsan el despegue y el vuelo.

En cambio, cuando miras las alas de los murciélagos, es como si miraras una mano humana, está cubierta de piel. Esa piel los ayuda a generar la fuerza de sustentación. También significa que las alas de los murciélagos tienen la misma articulación que una mano humana porque hay una mano muy grande dentro de esa ala.

Pero si un murciélago no tuviera piel en las alas, al extenderlas se vería como El joven manos de tijeras. Tendría dedos muy largos.

Pero sin tijeras.

Matt: Sí, cierto, pero tiene la membrana entre los dedos; eso es lo que marca la diferencia en este caso.

Emily: Exacto. Para interiorizarnos en el tema, hablamos con la Dra. Nancy Simmons.

Nancy: Soy la Dra. Nancy Simmons, conservadora responsable del Departamento de Mastozoología del American Museum of Natural History de Nueva York, y estudio la evolución y ecología de los murciélagos.

Las alas de los murciélagos son diferentes a las de las aves. Las alas de las aves están formadas por los huesos del antebrazo, que sostienen un ala compuesta por plumas. Así que toda la sustentación y el movimiento hacia adelante en las aves se genera al batir sus "brazos" con las plumas adheridas. Las plumas pueden moverse de forma independiente, pero el perfil aerodinámico del ala está hecho de plumas.

Los murciélagos tienen un diseño ligeramente diferente. También usan las extremidades anteriores, pero su ala ha evolucionado de forma independiente a partir de ancestros con patas. El ala de los murciélagos está formada por el brazo superior, los huesos del antebrazo y los huesos de la muñeca y los dedos, que se han alargado considerablemente y sostienen una membrana de piel que forma el ala del murciélago.

La forma en que se mueven los huesos y en que la piel se estira es clave. Cuando ves la imagen de un ala de murciélago, parece plana, pero al levantar vuelo, la piel se estira en diferentes direcciones y crea curvaturas en las membranas. Los dedos y los brazos también se mueven, por lo que el movimiento general del perfil aerodinámico es diferente en los murciélagos en comparación con los pájaros.

Matt: Si de niño te gustaban los dinosaurios y seguiste alguna de las recientes noticias sobre los dinosaurios con plumas, sabrás —al menos para mí en la adultez— que existe una relación muy fuerte entre las aves actuales y sus antiguos antepasados. Comparten un ancestro común.

Sin embargo, los murciélagos descienden de un ancestro común más cercano al nuestro. Son mamíferos como nosotros, y los mamíferos y las aves son muy diferentes, ¿verdad? Los murciélagos probablemente evolucionaron a partir de algún tipo de pequeño mamífero planeador, que a su vez evolucionó a partir de un mamífero escurridizo. Es muy bonito.

Emily: ¿Muy bonito? ¿Cómo lo sabes? Solo has visto los esqueletos.

Matt: En mi mente es bonito.

Emily: Ah, en tu mente es muy bonito.

Nancy: Los primeros murciélagos que encontramos en el registro fósil ya eran claramente mamíferos voladores. Tienen un antebrazo y huesos de la muñeca que se parecen a los de los murciélagos actuales. Ya tenían los dedos largos que sostienen el extremo del ala y los huesos del brazo alargados, aunque con diferentes proporciones. Estos fósiles tienen aproximadamente 52 millones de años, y ya entonces los murciélagos eran, en esencia, murciélagos.

Por eso, tenemos que reconstruir cómo evolucionaron las alas de los murciélagos comparándolos con otros animales fósiles y también desarrollando hipótesis sobre cómo pudo haber ocurrido esto. Nuestra suposición hasta ahora, basada en otros animales emparentados con los murciélagos, es que evolucionaron a partir de un pequeño mamífero trepador que posiblemente se movía entre árboles o arbustos cazando insectos.

Matt: Nancy y Sharon estudian la evolución de los murciélagos rastreando a estos animales a través del registro fósil: qué se puede observar en los fósiles sobre el origen de los murciélagos, qué cambios ocurrieron a lo largo del tiempo y cómo esos cambios variaron en diferentes partes del mundo en distintos momentos de la historia.

Emily: Hay dos murciélagos fósiles muy antiguos que se encontraron en lo que ahora es Wyoming. Ambos tienen más de 52 millones de años.

Nancy: Uno se llama Icaronycteris, por Ícaro, de la mitología griega. El Icaronycteris Index, ya era un ecolocalizador. Sabemos, al observar la forma de la región del oído, que este murciélago probablemente podía cazar insectos voladores en pleno vuelo.

Un murciélago fósil diferente llamado Onychonycteris finneyi es interesante por muchas razones, ya que parece ser un murciélago más primitivo. Tenía garras en todos los dedos de sus alas. En cambio, los huesos de los dedos de los murciélagos actuales terminan en pequeñas protuberancias, excepto por el pulgar, que sí tiene una garra; es decir, solo tienen un dedo con garra. El Icaronycteris tenía esas mismas características. Tenía un pulgar con garra y pequeñas protuberancias en el resto de los dedos. Pero el Onychonycteris todavía tenía pequeñas garras en todos los dedos, que aún no había perdido en términos evolutivos.

Sin embargo, no se piensa que ninguno de los dos sea el ancestro directo de los murciélagos actuales. Son algunas de las primeras ramas laterales del árbol evolutivo de los murciélagos de las que tenemos fósiles para estudiar.

Matt: Entonces lo que sí se ve en el registro fósil son dos especies de murciélagos muy antiguas que tienen alas completamente formadas capaces de realizar un vuelo complejo. Los investigadores saben que los murciélagos comenzaron a volar muy pronto en su historia evolutiva.

Nancy: La elongación del brazo y el desarrollo de las membranas entre los dedos, así como entre los huesos del brazo y el cuerpo, probablemente fue un cambio genético que ocurrió de forma muy rápida. Hoy en día, podemos pensar en animales que tienen membranas que los ayudan a desplazarse por el aire, pero que no tienen alas completamente formadas.

Un ejemplo son las ardillas voladoras. Pueden planear gracias a las membranas entre sus patas delanteras y traseras, lo que les permite desplazarse de un árbol a otro, pero no pueden generar sustentación para mantenerse en el aire, así que deben trepar a otro árbol y saltar nuevamente para continuar su trayecto.

Por su parte, los murciélagos desarrollaron el vuelo activo mediante el aleteo, lo que les permite permanecer en el aire durante largos periodos de tiempo. Aunque no sabemos exactamente cómo ocurrió todo este proceso, se cree que, en una etapa temprana de la evolución de los murciélagos, un mamífero planeador —similar a una ardilla voladora— evolucionó hasta desarrollar membranas entre los dedos y alargar los huesos de la muñeca, y en ese punto ya era capaz de generar suficiente sustentación para mantenerse en el aire.

Matt: Los científicos creen que todos los murciélagos descienden de un antepasado común en esa rama del árbol genealógico. En el registro fósil, este antepasado común estaría representado por lo que se denomina un “fósil Ur” o el “murciélago Ur”, que sería el murciélago del que descendieron todos los murciélagos que a su vez descendieron de esa criatura saltarina y planeadora para luego aprender a volar.

Nancy: Creemos que el vuelo evolucionó solo una vez dentro de la línea evolutiva de los murciélagos. Es decir, en algún momento existió una especie ancestral —una sola— y a partir de ella evolucionó toda la enorme diversidad de murciélagos que vemos hoy en día. Actualmente, existen cerca de 1500 especies vivas de murciélagos y varios cientos de especies extintas.

Sin embargo, no tenemos ese ancestro original en el registro fósil. Sabemos que existió, pero no tenemos fósiles del “murciélago Ur”, ese primer murciélago del que descendieron todos los demás.

Emily: La forma en que estos murciélagos primitivos volaban es más o menos igual a cómo vuelan los murciélagos hoy en día. Las alas están cubiertas de piel y músculos extremadamente elásticos y sorprendentes, que se extienden sobre una estructura muy delgada y larga parecida a una mano. Además, las alas tienen muchos sensores adaptativos pequeños que permiten que los murciélagos vuelen con mucha precisión. Todas estas herramientas y adaptaciones evolutivas diferentes hacen que la manera en que vuelan sea completamente única.

Matt: Vamos a profundizar en cómo funcionan las alas de los murciélagos. Empecemos con la piel. Volvamos con Sharon Swartz, de Brown.

Sharon: La piel es lo que hace que las alas de murciélago sean lo que son. Por supuesto, las alas de murciélago no tienen plumas. No las necesitan. Están conformadas por un material elástico, casi mágico. La piel del ala del murciélago es realmente delgada, aunque muy resistente y fuerte.

Lo habitual es que midan una fracción de milímetro, unos 40 micrones. Es menos de una décima parte de un milímetro. Podría ser un poco más en un murciélago muy grande.

Y la piel es tan sofisticada que no solo es extremadamente elástica y se estira en diferentes direcciones, sino que dentro de ella hay pequeños músculos. Son el tipo de músculo que nosotros, los biólogos, llamamos músculo-esqueléticos. Nuestros cuerpos tienen dos tipos de músculos: los músculos esqueléticos, que son los que controlamos voluntariamente, como los que se unen a nuestro esqueleto; y otros músculos que no se unen al esqueleto, como los músculos de la lengua.

En las alas de murciélago, estos músculos esqueléticos no se unen al esqueleto, solo a la piel, y eso les permite usar estos pequeños músculos en la piel del ala para cambiar la rigidez o la flexibilidad de la piel.

Matt: Y con todos esos pequeños músculos que controlan cada centímetro de la piel, te imaginas lo difícil que sería replicarlo en una aeronave diseñada por ingenieros, ¿verdad? Las alas de los aviones no tienen esos músculos que puedan hacer ese tipo de movimientos. No es que no se puedan replicar los músculos de alguna manera mecánica, pero sería muy complicado.

Sin embargo, siempre hay avances en los materiales, y los nuevos aviones suelen aprovechar tecnologías que antes no existían. Por ejemplo, hay ingenieros en Inglaterra que han creado un ala parecida a la de un murciélago usando un polímero que se endurece y se relaja en respuesta a una corriente eléctrica. Funciona como un músculo.

Esos polímeros pueden replicar en cierta medida los movimientos de los músculos de las alas de los murciélagos, y las corrientes eléctricas actúan como si fuera el cerebro. Con el tiempo, esperan que ese tipo de ala pueda usarse para propulsar microvehículos, una especie de pequeños drones.

Separador musical

Matt: Aunque los científicos creían que el vuelo había evolucionado una sola vez en todos los murciélagos y que, de ahí, se transmitió a toda la variedad de especies que conocemos hoy, todavía existen muchas diferencias entre las alas de murciélagos de distintas especies. Esto se debe a que evolucionaron de manera ligeramente distinta y desarrollaron diferentes formas y tamaños de alas que se adaptaron a los hábitats en los que evolucionaban.

Nancy: Las alas largas y estrechas se llaman alas de alargamiento alto. Este tipo de alas permite a los murciélagos volar muy rápido, aunque limita su maniobrabilidad. Los murciélagos con alas de alargamiento alto pueden recorrer grandes distancias rápidamente y volar lo suficientemente rápido como para atrapar insectos que también vuelan rápido, por ejemplo.

Pero no puede girar con facilidad. Le resulta más difícil maniobrar en entornos densos, como un bosque. Por eso, tendemos a ver este tipo de alas en murciélagos que viven en espacios abiertos. Una desventaja de tener alas con esa forma es que el despegue resulta complicado. Necesitan ganar velocidad antes de poder batir sus alas lo suficientemente rápido como para generar el empuje necesario.

Así que los murciélagos con alas de alargamiento alto suelen descansar durante el día en lugares relativamente altos, para poder dejarse caer, ganar velocidad y entonces desplegar sus alas para volar. Por eso viven en huecos altos de árboles o en cuevas con suficiente espacio como para dejarse caer, ganar impulso y comenzar a volar.

El otro extremo del espectro son las alas de bajo alargamiento, que son más cortas y anchas. Estas alas no son tan buenas para vuelos rápidos o de larga distancia, pero permiten al murciélago maniobrar mejor. Por ejemplo, los murciélagos que viven en bosques densos suelen tener este tipo de alas para poder girar rápidamente y maniobrar con agilidad entre los obstáculos.

Matt: Algunas de estas diferencias que vemos en los murciélagos también se pueden observar en los aviones diseñados para diferentes propósitos porque los ingenieros también se han dado cuenta de que se pueden usar alas de distintos tamaños y formas para lograr diferentes tipos de vuelo. Por ejemplo, fíjate en los aviones de larga distancia con alas largas y compáralos con los aviones acrobáticos que tienen alas más cortas para realizar maniobras más cerradas. Y puedes ver que el diseño aeronáutico también utiliza estos alargamientos básicos.

Emily: Y esto no es una característica exclusiva de los murciélagos. Las aves también tienen alas de distintas formas dependiendo de los diferentes ambientes y comportamientos.

Pero lo que hace tan especial a los murciélagos es que sus alas están cubiertas por pequeños pelitos.

Sharon: Las alas están cubiertas por sensores en forma de pelo. Piensa en ellos como una mezcla entre los bigotes de un gato o un ratón y las células del oído interno.

En el murciélago típico de Norteamérica, que pesa entre 10 y 20 gramos, esos pelitos miden unos pocos milímetros. Son largos, son delgados y lo suficientemente visibles para verse con una buena lupa y luz, sin necesidad de un microscopio. Están distribuidos por toda el ala. En algunos lugares son escasos, y en otros, muy densos.

Una de las áreas donde son más densos es en los músculos que controlan la rigidez del ala. Estos pelitos sobresalen hacia el flujo del aire y hacia dentro, y funcionan como un sistema de propiocepción para el murciélago. Detectan lo que sucede en el entorno, en el músculo y en la piel, y luego envían esa información al sistema nervioso central del murciélago.

Le indican al sistema nervioso que la piel necesita estar más tensa, lo que hace que el músculo al que están conectados se contraiga más. Probablemente sea un reflejo, pero no lo sabemos con certeza. Necesitaríamos a un buen neurocientífico para que nos ayudara a entenderlo mejor.

Matt: Entonces, en realidad, no sabemos tanto sobre qué tipo de información ofrecen al murciélago los sensores en forma de pelo. Es una investigación bastante nueva. No sabemos cómo afecta el vuelo, o cómo procesan esa información. Pero los investigadores de Estados Unidos han realizado pruebas neurológicas en murciélagos que sugieren que los pelos actúan como velocímetros o mangas de viento. Es posible que le digan al murciélago qué tan rápido va y cómo afectan su vuelo la dirección y la velocidad del viento.

Emily: Y si hablamos de biomimética en ingeniería, construir algo que funcionara como los sensores en forma de pelo de las alas de los murciélagos sería muy útil para crear una tecnología que actuara cómo sensor en un avión o que permitiera que vehículos no tripulados hicieran un mejor trabajo al maniobrar y volar en una turbulencia.

El objetivo final de los ingenieros que estudian las alas de los murciélagos, sus huesos, articulaciones, piel, músculos, estos pequeños sensores en forma de pelo es recrear de manera artificial estos mecanismos biológicos. Quizá, lo más interesante es que no va a ser necesariamente la recreación del ala de un murciélago, sino algo mecánico. También se inspiran en todas estas adaptaciones que han desarrollado los murciélagos a lo largo de muchísimos años con el objetivo de crear tecnología.

Matt: Por eso, no esperaría volar en un avión que volara como un murciélago en un futuro cercano, aunque me encantaría. Pero si esperaría ver alguna especie de vehículo aéreo pequeño maniobrable, sin tripulación, alguna especie de dron, por ejemplo, que incorporara esa tecnología de alguna manera.

Sharon: Ya existen unos pocos vehículos aéreos pequeños con uno u otro tipo de alas que no son rígidas.

En general, no son tan flexibles ni tan elásticas como las alas de los murciélagos. Son más parecidas a la tela de cometa, no son elásticas. Pero si tuviéramos un material más elástico, podríamos incorporarle un mecanismo para modificar la rigidez, en lugar de que sea constante. Esa capacidad de los murciélagos para ajustar la rigidez de sus alas me parece algo muy elegante y hermoso.

Los murciélagos modifican la rigidez literalmente con cada ciclo de aleteo. Así es como vuelan: usan músculos. Los músculos de las extremidades en los animales están programados de forma natural para activarse y desactivarse en cada ciclo de movimiento. Están hechos para funcionar de forma rítmica, encenderse y apagarse.

No es que un avión necesite hacer exactamente lo mismo, pero se podría ajustar la tensión en el ala para controlar su rigidez y adaptarla según las condiciones del vuelo.

Emily: Y todo esto sigue siendo un trabajo en proceso. La investigación siempre está en evolución, pero algunos científicos —como los que mencionamos antes en Inglaterra— ya tienen prototipos iniciales que imitan algunos de los mecanismos biológicos que hacen que el vuelo del murciélago sea tan especial.

Matt: Exacto. Aún se sigue investigando. Hay laboratorios e investigadores trabajando en tecnologías inspiradas en alas de murciélago en Canadá, Inglaterra, Singapur y también aquí en Estados Unidos. Tal vez, algún día, tengamos pequeños aviones con alas de murciélago haciendo cosas increíbles. y quizás incluso los veamos "en libertad", por decirlo así.

Emily: O tal vez podamos tener esos pequeños drones negros con forma de mosca del Superagente 86.

Matt: Sí. [risas]

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Matt: AirSpace es un programa del National Air and Space Museum del Smithsonian.

AirSpace está producido por Jennifer Weingart y mezclado por Tarek Fouda; presentado por la Dra. Emily Martin y yo, el Dr. Matt Shindell. Nuestra gerenta de producción es Erika Novak. Nuestra coordinadora de producción es Sofia Soto Sugar, y nuestra administradora de redes sociales es Amy Stamm.

Agradecemos a nuestras invitadas de este episodio, la Dra. Sharon Swartz, de la Universidad de Brown, y la Dra. Nancy Simmons, del American Museum of Natural History.

¿Sabía que las transcripciones de nuestros episodios incluyen citas y datos curiosos adicionales? La encontrará en un enlace en las notas del programa. Si desea acceder a contenido adicional, fotografías y más material, siga AirSpacePod en Instagram y X, o suscríbase a nuestro boletín mensual usando el link de las notas del programa.

AirSpace está patrocinado por Lockheed Martin y distribuido por PRX.