¿Los animales usan la física? Veamos de qué manera

Isaac Newton nunca habría descubierto las leyes del movimiento si solo hubiera estudiado a los gatos.

Supongamos que sostenemos un gato boca abajo y lo dejamos caer desde la ventana de un segundo piso. Si un gato es simplemente un sistema mecánico que obedece las reglas de Newton sobre la materia en movimiento, debería caer de espaldas. (Vale, hay algunos tecnicismos, como que esto debería hacerse en el vacío, pero podemos ignorarlos por ahora). En cambio, la mayoría de los gatos suelen evitar las lesiones retorciéndose al caer para caer de pie.

A la mayoría de las personas no le desconcierta este truco: todo el mundo ha visto vídeos que atestiguan las proezas acrobáticas de los gatos. Pero hace más de un siglo que los científicos se preguntan cómo lo hacen. Está claro que el teorema matemático que analiza la caída del gato como un sistema mecánico falla en el caso de los gatos vivos, como señala el premio Nobel Frank Wilczek en un artículo reciente.

“Este teorema no es relevante para los gatos biológicos reales”, escribe Wilczek, físico teórico del MIT. No son sistemas mecánicos cerrados, y pueden “consumir energía almacenada... potenciando el movimiento mecánico”.

Sin embargo, las leyes de la física se aplican a los gatos, al igual que a cualquier otro tipo de animal, desde los insectos hasta los elefantes. La biología no evita la física, sino que la adopta. Desde la fricción a escala microscópica hasta la dinámica de fluidos en el agua y el aire, los animales aprovechan las leyes físicas para correr, nadar o volar. Todos los demás aspectos del comportamiento animal, desde la respiración hasta la construcción de refugios, dependen de algún modo de las restricciones impuestas y las oportunidades permitidas por la física.

“Los organismos vivos son... sistemas cuyas acciones están limitadas por la física en múltiples escalas de longitud y de tiempo”, escriben Jennifer Rieser y sus coautores en el número más reciente del Annual Review of Condensed Matter Physics.

Aunque el campo de la física del comportamiento animal está aún en pañales, se han logrado avances sustanciales en la explicación de los comportamientos individuales y en la forma en que esos comportamientos se moldean a través de las interacciones con otros individuos y con el entorno. Aparte de descubrir más sobre cómo los animales llevan a cabo su variado repertorio de habilidades, estas investigaciones también pueden conducir a nuevos conocimientos de física obtenidos mediante el escrutinio de habilidades animales que los científicos aún no comprenden.

Bichos en movimiento

La física se aplica a los animales en acción en una amplia gama de escalas espaciales. En el extremo más pequeño de la escala, las fuerzas de atracción entre átomos cercanos facilitan la capacidad de los geckos y algunos insectos para trepar por las paredes o incluso caminar por los techos. A una escala ligeramente mayor, las texturas y estructuras proporcionan adherencia para otras gimnasias biológicas. En las plumas de las aves, por ejemplo, unos diminutos ganchos y púas actúan como velcro, sujetando las plumas en su posición para mejorar la sustentación al volar, señalan Rieser y sus colegas.

Las texturas biológicas también ayudan al movimiento al facilitar la fricción entre las partes del animal y las superficies. Las escamas de la serpiente real de California poseen texturas que permiten un rápido deslizamiento hacia delante, pero aumentan la fricción para retardar el movimiento hacia atrás o hacia los lados. Al parecer, algunas serpientes que se desplazan lateralmente han desarrollado diferentes texturas que reducen la fricción en la dirección del movimiento, según sugiere una investigación reciente.

Las estructuras a pequeña escala también son importantes para la interacción de los animales con el agua. Para muchos animales, las microestructuras hacen que el cuerpo sea “superhidrofóbico” —capaz de bloquear la penetración del agua—. “En climas húmedos, el desprendimiento de gotas de agua puede ser esencial en animales como aves voladoras e insectos, en los que el peso y la estabilidad son cruciales”, señalan Rieser, de la Universidad de Emory, y los coautores Chantal Nguyen, Orit Peleg y Calvin Riiska.

Las superficies que bloquean el agua también ayudan a los animales a mantener limpia su piel. “Este mecanismo de autolimpieza puede ser importante para proteger al animal de peligros como los parásitos transmitidos por la piel y otras infecciones”, explican los autores del Annual Review. Y en algunos casos, la eliminación de materiales extraños de la superficie de un animal puede ser necesaria para preservar las propiedades de la superficie que mejoran el camuflaje.

De hecho, la física de cómo interactúa la luz con la superficie de un animal es relevante para muchos otros comportamientos. Los colores brillantes y la iridiscencia de aves, mariposas y otros insectos dependen de cómo se combinan las capas de diferentes microestructuras. Estos colores contribuyen al cortejo y pueden influir en la capacidad de evitar a los depredadores.

A mayor escala, la física sigue siendo la base incluso de los movimientos animales más simples, que requieren una compleja coordinación de señales eléctricas y químicas dentro del cuerpo y entre el cuerpo y el cerebro. Y para que el movimiento tenga éxito, la física interna debe engranarse con las propiedades físicas del entorno. El movimiento en un fluido, por ejemplo, se rige no solo por el cuerpo, sino también por las propiedades del líquido.

En el agua, los animales nadadores emplean distintas estrategias de desplazamiento en función de diversos factores, como la forma de su cuerpo. Los peces de cuerpo delgado, por ejemplo, se impulsan básicamente con movimientos laterales del cuerpo y la cola. Los peces con otras formas corporales generan el movimiento moviendo las aletas.

Los métodos físicos para describir estas estrategias no pueden tener en cuenta fácilmente factores como la turbulencia y los remolinos. Calcular el comportamiento esperado en tales situaciones puede superar la potencia de cálculo disponible. Por eso, los científicos han recurrido a experimentos reales. Uno de estos estudios proporcionó pistas sobre una peculiar habilidad de las truchas: el agua que pasaba por un cilindro inducía un vórtice que permitía incluso a una trucha muerta nadar río arriba.

Montaje de animales

La evolución ha dotado a los animales de habilidades de movimiento adaptadas al entorno existente sin necesidad de manual de instrucciones. Pero alterar el entorno en beneficio de un animal requiere conocimientos de física más sofisticados. Desde hormigas y avispas hasta tejones y castores, varios animales han aprendido a construir nidos, refugios y otras estructuras para protegerse de las amenazas del entorno.

Los nidos de pájaros, por ejemplo, deben combinar palos, hojas, tierra y hierba en una estructura de estabilidad e integridad mecánica fiables. Al parecer, los pájaros saben que los palos o ramitas flexibles son más estables que las varillas rígidas; los experimentos de física han demostrado que la flexión de los materiales más flexibles genera fuerzas de fricción que ayudan a mantener unido el nido. Rieser y sus colegas sospechan que aplicar más conocimientos de las aves sobre el ensamblaje de los componentes de los nidos podría ayudar a los científicos a diseñar metamateriales novedosos para diversos fines.

Las estructuras animales también deben obedecer a la física necesaria para controlar la temperatura, la humedad y la ventilación dentro de un rango confortable. “Sin un intercambio de aire suficiente, por ejemplo, los animales se asfixiarían”, escriben Rieser y sus colegas.

Los perritos de las praderas, por ejemplo, construyen extensas madrigueras con múltiples aberturas. Según los análisis físicos, esas aberturas deben tener diferentes elevaciones para proporcionar una ventilación adecuada (mediante diferencias de presión que inducen el flujo de aire). Los estudios de campo demuestran que los ingenieros perritos de las praderas lo han descubierto por sí mismos, igual que los gatos descubrieron cómo girar y cambiar la forma de su cuerpo al caer.

Sin duda, los animales tienen muchos otros trucos que los propios físicos aún no pueden explicar del todo, y por eso el campo de la física del comportamiento animal es tan fértil.

Según Rieser y sus colegas, “seguir investigando las múltiples facetas del comportamiento animal desde el punto de vista de la física ayudará a descubrir nuevas leyes físicas del comportamiento que la naturaleza ha resuelto pero que aún no hemos descubierto o comprendido plenamente”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner