Los huesos maximizan la rigidez y la fuerza

Estrategia biológica

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Equipo de AskNature

Optimizar forma/materiales

Los recursos son limitados y el simple hecho de retenerlos requiere recursos, especialmente energía. Los sistemas vivos deben equilibrar constantemente el valor de los recursos obtenidos con los costos de los recursos gastados; el no hacerlo puede resultar en la muerte o impedir la reproducción. Por lo tanto, los sistemas vivos optimizan, en lugar de maximizar, el uso de los recursos. La optimización de la forma finalmente optimiza los materiales y la energía. Un ejemplo de tal optimización se puede ver en la forma del cuerpo del delfín. Está aerodinámico para reducir la resistencia en el agua debido a una relación óptima entre longitud y diámetro, así como características en su superficie que quedan planas, lo que reduce la turbulencia.

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Modificar características del material

Los materiales que se encuentran en los sistemas vivos son variables, pero a menudo están hechos de los mismos bloques de construcción básicos. Por ejemplo, todos los exoesqueletos de insectos consisten en un material llamado quitina. Debido a que los recursos materiales son limitados, cada material dentro o utilizado por un sistema vivo dado debe servir con frecuencia para múltiples propósitos. Por lo tanto, los sistemas vivos tienen estrategias para modificar la suavidad, flexibilidad y otras características de los materiales. Para asegurar la supervivencia, los beneficios de estas modificaciones deben ser mayores que el gasto energético y material del sistema vivo para generarlas. Por ejemplo, las arañas almacenan los componentes líquidos de la seda de araña en una glándula, convirtiéndolos en hilo de seda cuando es necesario. Algunos hilos tienen características diferentes, como elasticidad y reflectancia UV, que otros.

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Armar físicamente la estructura

Los sistemas vivos usan materiales físicos para crear estructuras que sirvan como protección, aislamiento y otros propósitos. Estas estructuras pueden ser internas (dentro o adheridas al propio sistema), como membranas celulares, caparazones y pelaje. También pueden ser externos (separados), como nidos, madrigueras, capullos o redes. Debido a que los materiales físicos son limitados y la energía requerida para reunir y crear nuevas estructuras es costosa, los sistemas vivos deben usar ambos de manera conservadora. Por lo tanto, optimizan el tamaño, el peso y la densidad de las estructuras. Por ejemplo, las aves tejedoras utilizan dos tipos de vegetación para crear sus nidos: fuerte, unas pocas fibras rígidas y numerosas fibras delgadas. Combinados, forman un nido fuerte pero flexible. Un ejemplo de una estructura interna es el hueso de un pájaro. El hueso se compone de una matriz mineral ensamblada para crear fuertes soportes cruzados y una superficie exterior tubular llena de aire para minimizar el peso.

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Mover dentro/a través de gases

Los sistemas vivos deben moverse a través de gases (que son menos densos que los líquidos y los sólidos) como los de la atmósfera terrestre. El mayor desafío de moverse en gases es que debido a que el sistema vivo es más pesado que el gas, debe vencer la fuerza de la gravedad. Moverse de manera eficiente en este medio liviano presenta desafíos y oportunidades únicos para los sistemas vivos. Como resultado, han desarrollado innumerables soluciones para optimizar la resistencia y aumentar la sustentación para que puedan mantenerse en el aire y aprovechar las corrientes variables. Además, deben vencer la gravedad al pasar de un líquido o sólido al aire. La mosca de las hadas, el insecto más pequeño que se conoce, es una diminuta avispa que debe moverse por el aire. Para la avispa, el aire se siente como un líquido pesado y, para moverse a través de él, usa remos de plumas especiales en lugar de alas.

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Clase Aves ("pájaro"): águilas, halcones, gorriones, loros

Las aves son maravillas de la ingeniería evolutiva. Descienden de los dinosaurios, pero están lejos de nuestra idea de reptiles pesados y escamosos. De las adaptaciones específicas que los distinguen, la más notable es el vuelo: aunque algunos mamíferos pueden volar, las aves se llevan el premio por la abundancia en los cielos. Muchas aves tienen esqueletos huecos y livianos y alas especialmente diseñadas para ayudarlas a mantenerse en el aire. También tienen plumas hechas de queratina que les ayudan a mantenerse calientes, atraer parejas y mejorar la navegación y la aerodinámica en vuelo. A diferencia de sus ancestros dinosaurios, carecen de dientes verdaderos y los han reemplazado con picos y picos especializados.

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Los huesos de las aves maximizan la rigidez y la fuerza en relación con el peso al aumentar la densidad.

“Los esqueletos de las aves se describen universalmente como livianos como resultado de la selección para minimizar la energía requerida para volar. Desde una perspectiva funcional, el peso (masa) de un animal en relación con sus superficies generadoras de sustentación es un determinante clave del costo metabólico del vuelo. La evolución de las aves se ha caracterizado por muchas adaptaciones para ahorrar peso que se reflejan en la forma de los huesos, muchas de las cuales fortalecen y endurecen el esqueleto. Aunque en gran medida no se ha estudiado en aves, las propiedades materiales del tejido óseo también pueden contribuir a la resistencia y rigidez de los huesos. En este estudio, calculé la densidad del cráneo, el húmero y el fémur en aves paseriformes, roedores y murciélagos midiendo la masa y el volumen óseo mediante desplazamiento de helio. Descubrí que, en promedio, estos huesos son más densos en las aves, seguidos de cerca por los murciélagos. A medida que aumenta la densidad ósea, también aumenta la rigidez y la fuerza de los huesos. Ambos criterios de optimización se utilizan en el diseño de fuselajes artificiales resistentes y rígidos, pero ligeros. Por analogía, el aumento de la densidad ósea en aves y murciélagos puede reflejar adaptaciones para maximizar la fuerza y la rigidez de los huesos y minimizar la masa y el volumen óseos. Estos datos sugieren que tanto la forma del hueso como las propiedades materiales del tejido óseo han jugado un papel importante en la evolución del vuelo. También reconcilian el enigma de cómo los esqueletos de las aves pueden parecer delgados y delicados, pero contribuyen tanto a la masa corporal total como los esqueletos de los mamíferos terrestres” (Dumont 2010)

http://www.sciencedaily.com/releases/2010/03/100322112103.htm
http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/early/2010/03/13/rspb.2010.0117.abstract?sid=b3f2f52a-a7ed-4778-bacc-2c7b1b289557