Los tendones que almacenan energía dan a los canguros su rebote

Estrategia biológica

Ualabí Tamar

Equipo de AskNature

Imagen: Pauline Bernfeld / Unsplash / Uso gratuito no comercial

Almacenar energía

Una vez que un sistema vivo captura energía o transforma una forma de energía en otra, con frecuencia debe guardar esa energía para uso futuro. Pero la energía es difícil de almacenar en algunas formas. Por lo tanto, los sistemas vivos necesitan estrategias para usar la energía rápidamente o para convertirla de formas que son difíciles de almacenar (como la eléctrica o la cinética) a formas más almacenables. Por ejemplo, los saltamontes almacenan energía como energía potencial en un material elástico en sus tendones. Cuando necesitan saltar, esa energía se convierte en energía cinética, proporcionando la fuerza necesaria para escapar de los depredadores.

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Mover en/sobre sólidos

Para obtener los recursos necesarios o escapar de los depredadores, algunos sistemas vivos deben moverse sobre sustancias sólidas, algunos deben moverse dentro de ellas y otros deben hacer ambas cosas. Los sólidos varían en su forma; pueden ser suaves o porosos como las hojas, la arena, la piel y la nieve, o duros como la roca, el hielo o la corteza de los árboles. El movimiento puede involucrar a todo un sistema vivo, como un avestruz corriendo por el suelo o una lombriz de tierra excavando en el suelo. También puede involucrar solo una parte de un sistema vivo, como un mosquito que introduce sus piezas bucales en la piel. Los sólidos varían en suavidad, pegajosidad, contenido de humedad, densidad, etc., cada uno de los cuales presenta diferentes desafíos. Como resultado, los sistemas vivos tienen adaptaciones para enfrentar uno y, a veces, múltiples desafíos. Por ejemplo, algunos insectos deben ser capaces de agarrarse a superficies de hojas ásperas y resbaladizas debido a la diversidad de su entorno.

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Los mamíferos

Clase Mammalia ("pecho"): Murciélagos, gatos, ballenas, caballos, humanos

Los mamíferos representan menos del 1% de todos los animales en la tierra, pero incluyen algunas de las especies más conocidas. Conocemos de primera mano algunas de las características que hacen únicos a los mamíferos, como tener pelo, poder sudar y producir leche a través de las glándulas mamarias. Otra característica crítica compartida es un conjunto de dientes altamente especializados. A diferencia de los tiburones o los caimanes, por ejemplo, cuyos dientes son generalmente del mismo tamaño y forma, los mamíferos tienen dientes de formas diferentes en diferentes áreas de las mandíbulas para apuntar a alimentos específicos o estrategias de alimentación.

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Los tendones de las patas traseras utilizan el retroceso elástico para aumentar la eficiencia energética.

Aunque la mayoría de los animales terrestres que corren, brincan o trotan por el suelo necesitan gastar más energía metabólica para ir más rápido, el canguro tammar puede ir más rápido con poco o ningún aumento en el costo energético. Además, una ualabí tammar hembra puede transportar la pesada carga del bebé joey en su bolsa sin aumentar su costo de locomoción. Estas hazañas notables probablemente se deban al almacenamiento y recuperación de energía elástica por los grandes tendones elásticos en las patas traseras del wallaby. Durante la fase aérea de salto del ciclo del salto, el movimiento hacia adelante del canguro representa energía cinética y el tirón gravitatorio hacia el suelo es una forma de energía potencial. Estas energías se transforman en energía de tensión elástica de los tendones que se estiran cuando el pie toca el suelo. Esa energía se puede recuperar en el retroceso elástico de esos tendones que ayudan a impulsar al canguro hacia atrás del suelo. Se puede recuperar hasta el 90% de la energía almacenada en el tendón para dicha reutilización. La clave para esta recuperación de energía es que los músculos unidos a los tendones estén lo suficientemente rígidos para que su longitud cambie poco a medida que generan fuerza. Si los músculos cambiaran mucho de longitud, podrían absorber y disipar la energía elástica del tendón, haciendo que no esté disponible para impulsar el siguiente salto.

Cuanto más rápido va el wallaby y más pesada es la carga, más energía elástica se almacena y se recupera, por lo tanto, el costo de la locomoción puede no variar con la velocidad o la carga en un rango normal de velocidades. El uso de tendones y energía elástica también se encuentra en muchos otros animales grandes que corren (como caballos y pavos), pero en un grado mucho menos dramático en términos de ahorro de energía como los observados en canguros y canguros. Todavía no está claro exactamente por qué estos macrópodos experimentan un ahorro de energía tan alto en comparación con otros animales. La estrategia general de almacenamiento de energía elástica como medio para aumentar la eficiencia locomotora también se observa en una variedad de animales nadadores, desde calamares hasta delfines.

El uso de almacenamiento de energía elástica podría considerarse en el diseño humano de todo tipo de estructuras móviles para aumentar la eficiencia energética. La "locomoción con resorte" se ha utilizado en el diseño del saltador y algunas prótesis de piernas.

Imagen: michelle bartsch /

De la playa de la isla.

Última actualización 1 de julio de 2020

Referencias

“Los macrópodos moderados a grandes pueden aumentar su velocidad mientras saltan con poco o ningún aumento en el gasto de energía. Esto ha sido interpretado por algunos trabajadores como resultado del ahorro de energía elástica en los tendones de sus miembros posteriores. Para que esto ocurra, las fibras musculares deben transmitir fuerza a sus tendones con poco o ningún cambio de longitud. Para probar si este es el caso, realizamos mediciones in vivo del cambio de longitud de la fibra muscular y la fuerza del tendón en los músculos gastrocnemio lateral (LG) y plantaris (PL) de canguros tammar. Macropus eugenii mientras saltaban a diferentes velocidades en una caminadora. Los cambios en la longitud de las fibras musculares fueron inferiores a +/-0.5 mm en el plantar y +/-2.2 mm en el gastrocnemio lateral, lo que representa menos del 2 % de la longitud total de la fibra en el plantar y menos del 6 % en el gastrocnemio lateral, con respecto a la longitud de reposo. Los cambios de longitud de las fibras plantares sugieren que esto ocurrió por medio de la extensión elástica de los puentes cruzados adjuntos. Gran parte del cambio de longitud en las fibras del gastrocnemio lateral ocurrió con una fuerza baja al principio de la fase de apoyo, con un comportamiento generalmente isométrico con fuerzas más altas. Los cambios en la longitud de las fibras no variaron significativamente con el aumento de la velocidad de salto en ninguno de los músculos (P>0.05), a pesar de un aumento de 1 veces en la fuerza músculo-tendinosa entre velocidades de 6 y 2.5 m s-6.0. Los cambios de longitud de las fibras PL fueron solo del 1+/-7 % y de las fibras LG del 4+/-34 % (media +/- SD, N=12) del estiramiento calculado para sus tendones, lo que resultó en un pequeño trabajo neto por cualquiera de los músculos (plantar 170+/-0.01 J; gastrocnemio -0.03+/-0.04 J; media +/- sd). Por el contrario, la energía de tensión elástica almacenada en los tendones aumentó con el aumento de la velocidad y promedió 0.30 veces más que el trabajo de acortamiento realizado por los dos músculos. Estos resultados muestran que una cantidad cada vez mayor de energía de tensión almacenada dentro de los tendones de las patas traseras se recupera de manera útil a velocidades de salto más rápidas y constantes, sin disiparse por un mayor estiramiento de las fibras musculares. Este hallazgo respalda la opinión de que el ahorro de energía elástico del tendón es un mecanismo importante por el cual esta especie puede saltar a velocidades más rápidas con poco o ningún aumento en el gasto de energía metabólica”. (Biewener et al. 20: 1998)

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