Serpientes voladoras

Cuando la serpiente del árbol del paraíso vuela de una rama alta a otra, su cuerpo se ondula. Ese movimiento, la ondulación aérea, ocurre en cada planeo hecho por los miembros de la familia Chrysopelea, los únicos vertebrados sin extremidades conocidos capaces de volar. Los científicos lo han sabido desde hace tiempo, pero aún no lo han explicado completamente.

Durante más de 20 años, Jake Socha, del Virginia Tech, ha tratado de medir y modelar la biomecánica del vuelo de estas serpientes y responder a preguntas sobre ellas, como la del papel funcional de la ondulación aérea. Para un estudio publicado por Nature Physics, Socha reunió un equipo interdisciplinario para desarrollar el primer modelo matemático 3D continuo y anatómicamente preciso del vuelo de Chrysopelea paradisi.

El equipo, que incluía a Shane Ross y a Isaac Yeaton, desarrolló el modelo 3D después de medir más de 100 planeos de serpientes vivas. El modelo tiene en cuenta las frecuencias de las ondas ondulatorias, su dirección, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y la distribución de la masa. Con él, los investigadores han realizado experimentos virtuales para investigar la ondulación aérea.

En un conjunto de esos experimentos, para aprender por qué la ondulación forma parte de cada planeo, simularon lo que sucedería si no lo hiciera, apagándolo. Cuando su serpiente voladora virtual ya no pudo ondularse aéreamente, su cuerpo comenzó a caer. La prueba, junto con los planeos simulados que mantenían las ondas de ondulación, confirmaron la hipótesis del equipo: la ondulación aérea mejora la estabilidad rotacional de las serpientes voladoras.

Las preguntas sobre el vuelo y el movimiento llenan el laboratorio de Socha. El grupo ha encajado su trabajo sobre serpientes voladoras entre los estudios de cómo las ranas saltan desde el agua y se deslizan por ella, cómo la sangre fluye a través de los insectos y cómo los patos aterrizan en los estanques. En parte, era importante para Socha investigar el papel funcional de la ondulación en los deslizamientos de las serpientes porque sería fácil asumir que realmente no tenía uno.

"Sabemos que las serpientes se ondulan por todo tipo de razones y en todo tipo de contextos locomotores", dijo Socha. "Ese es su programa basal. Por programa, me refiero a su programa neural, muscular, están recibiendo instrucciones específicas: dispara este músculo ahora, dispara ese músculo, dispara este músculo. Es antiguo. Va más allá de las serpientes. Ese patrón de creación de ondulaciones es antiguo. Es muy posible que una serpiente se ponga en el aire, y luego diga: "¿Qué hago?". Soy una serpiente. Ondulo".

Pero Socha creía que había mucho más. Durante el vuelo de la serpiente del árbol del paraíso, pasan tantas cosas a la vez, que es difícil desenredarlas a simple vista. Socha describió algunos pasos que se dan en cada planeo, pasos que se leen como intencionales.

Primero, la serpiente salta. Al lanzarse, la serpiente reconfigura su forma, sus músculos se desplazan para aplanar su cuerpo en todas partes menos en la cola. El cuerpo se convierte en un ala que produce fuerzas de elevación y arrastre cuando el aire fluye sobre ella, ya que acelera hacia abajo bajo la gravedad. Socha ha examinado estas propiedades aerodinámicas en múltiples estudios. Con el aplanamiento viene la ondulación, ya que la serpiente envía ondas por su cuerpo.

Al principio del estudio, Socha tenía una teoría para la ondulación aérea que explicó comparando dos tipos de aviones: jumbo jets versus cazas. Los jumbos están diseñados para la estabilidad y comienzan a nivelarse por sí mismos cuando se les perturba, mientras que los cazas giran fuera de control.

Entonces, ¿cuál sería la serpiente? "¿Es como un gran avión jumbo, o es naturalmente inestable?", dijo Socha. "¿Esta ondulación es potencialmente una forma de tratar con la estabilidad?". Creía que la serpiente sería más como un avión de combate.

Para realizar pruebas que investigaran la importancia de la ondulación para la estabilidad, el equipo se propuso desarrollar un modelo matemático en 3D que pudiera producir planeos simulados. Pero primero, necesitaban medir y analizar lo que las serpientes reales hacen al planear.

En 2015, los investigadores recogieron datos de captura de movimiento de 131 planeos realizados por serpientes de árboles del paraíso. Convirtieron El Cubo, un teatro de cuatro pisos en el Centro de Artes Moss, en una pista de planeo cubierta y usaron sus 23 cámaras de alta velocidad para capturar el movimiento de las serpientes mientras saltaban desde 8 metros de altura - desde una rama de roble en la cima de un elevador de tijera - y se deslizaban hacia un árbol artificial abajo, o hacia el suave acolchado de espuma circundante que el equipo dispuso para amortiguar sus aterrizajes.

Las cámaras emitían luz infrarroja, así que las serpientes fueron marcadas con cinta reflectante de infrarrojos en 11 a 17 puntos a lo largo de sus cuerpos, permitiendo que el sistema de captura de movimiento detectara su cambio de posición con el tiempo. Encontrar el número de puntos de medición ha sido clave para el estudio; en experimentos anteriores, Socha marcó a la serpiente en tres puntos, luego en cinco, pero esos números no proporcionaron suficiente información. Los datos de un menor número de puntos de vídeo solo proporcionaron una comprensión aproximada, lo que dio lugar a una ondulación entrecortada y de baja fidelidad en los modelos resultantes.

El equipo encontró el punto ideal en los 11 a 17 puntos, lo que dio datos de alta resolución. "Con este número, pudimos obtener una representación fluida de la serpiente, y una precisa", dijo Socha.

Los investigadores construyeron entonces el modelo tridimensional digitalizando y reproduciendo el movimiento de la serpiente mientras comparaban las mediciones que habían recogido previamente sobre la distribución de la masa y la aerodinámica.

En experimentos virtuales, el modelo mostró que la ondulación aérea no solo evitaba que la serpiente se volcara durante los planeos, sino que aumentaba las distancias horizontales y verticales recorridas.

Los experimentos también revelaron al equipo detalles que no habían podido visualizar anteriormente. Vieron que la serpiente empleaba dos ondas cuando ondulaba: una onda horizontal de gran amplitud y una onda vertical de menor amplitud recién descubierta. Las ondas iban de lado a lado y arriba y abajo al mismo tiempo, y los datos mostraron que la onda vertical iba al doble del ritmo de la horizontal.

Fuente: NCYT Amazings