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Consejo Nacional para el Entendimiento Público de la Ciencia.

El enigma del origen y la evolución del vuelo. 1. El caso de las áves


Andreia Malpica Topete + Facultad De Biología, Universidad Veracruzana; Ricardo Ramírez Romero + Departamento De Botánica Y Zoología De La Universidad De Guadalajara

En nuestro planeta, tres grupos de organismos tienen la capacidad de volar: las aves, los insectos y los mamíferos. En dos artículos en serie, presentamos lo que se sabe (o no) acerca de un tema no sólo interesante, sino también controversial: el origen y la evolución del vuelo en las aves y los insectos. Es importante hacer notar que en el presente trabajo, nos enfocamos en el término “vuelo” entendido como la acción efectuada a través del uso de alas, dejando poco énfasis en la acción efectuada a través de la planeación o desplazamiento.


La capacidad de volar ha fascinado al hombre desde la antigüedad, tal fascinación se refleja quizá claramente con el mito griego de Dédalo e Icaro quienes, para salir del laberinto diseñado por el mismo Dédalo hicieron uso de alas confeccionadas con plumas de aves y cera. En la época del renacimiento, en el siglo XV, para Leonardo da Vinci el vuelo también fue sujeto de su atención, y diseñó varios bocetos de máquinas voladoras, intentó incluso volar con una de ellas, desafortunadamente sin éxito. Más adelante los primeros artefactos para volar fueron concebidos por personajes como Pilâtre de Rozier y Laurent d'Arlandes quienes diseñaron artefactos más livianos que el aire; o bien J.J. Montgomery, O. Lilienthal y O. Chanute quienes dieron un paso adelante diseñando artefactos más pesados que el aire. La creación de los primeros aviones se da por Clément Ader, Santos Dumont y los hermanos Wright hacia finales del siglo XIX y principios del XX. Probablemente, tal fascinación se relaciona particularmente con la sensación de libertad y plenitud que puede generar “el vuelo” y que marginalmente podemos experimentar cuando por ejemplo, usamos planeadores como los conocidos “ala Delta”. La imitación artificial del vuelo por los humanos se ha desarrollado mucho con el paso del tiempo y los avances tecnológicos, basta mencionar los aviones supersónicos capaces de superar la velocidad del sonido. Esta imitación artificial ha sido en un tiempo relativamente corto comparado con los millones de años de evolución que a los organismos les ha tomado llegar a tener tal capacidad. Si los humanos llegaremos algún día a través del proceso de evolución, a tener las características fisiológicas que nos permitan volar, es una pregunta abierta; por ahora, hablaremos del origen del vuelo en esos organismos asombrosos capaces de surcar los cielos, las aves.
Para entender mejor las teorías que existen respecto al origen del vuelo en las aves, es importante desarrollar primero un poco de información relacionada con el propio origen de las aves y de características distintivas como lo son las plumas.


De estos magníficos vertebrados pertenecientes a la clase Aves, se reconocen en la actualidad alrededor del mundo unas 10,800 especies aproximadamente. Las aves poseen características que las distinguen de otros vertebrados, pero una característica única es la presencia de plumas, que no encontramos en otros organismos. Pero, ¿qué organismo o ancestro abrió el camino a la evolución de las primeras aves?. Por décadas, los científicos han buscado solucionar el enigma del origen de las aves, del vuelo y de cómo sucedió exactamente esto. A la fecha, aún no se tiene una teoría concluyente y probablemente pase mucho tiempo antes de llegar a tener una, sin embargo, de acuerdo a la evidencia actual se tienen algunas hipótesis y los científicos continúan tratando de resolver el misterio apoyados en mucho sobre el registro fósil, tratando de descifrar la evolución de las aves en placas de piedra cual dibujos en los libros.
Se ha planteado que de alguna manera, las aves evolucionaron a partir de los dinosaurios hace millones de años atrás. La primera idea que postulaba que las aves evolucionaron de los dinosaurios fue pronunciada por primera vez en 1860 por el Biólogo Inglés Thomas Huxley [1], idea que fue posteriormente rechazada por el paleontólogo Danés Gerhard Heilman [2], quien argumentaba que las aves debieron evolucionar separadamente de los dinosaurios, probablemente de un reptil pre-dinosaurio pues indicaba que el grupo de los dinosaurios que supuestamente guardan mayor similitud con las aves (i.e. el grupo de los terópodos) carecen de la fúrcula. En las aves, la fúrcula es un hueso formado por la fusión de las clavículas la cual, da la capacidad de batir las alas. A la fúrcula los ingleses la han bautizado como el famoso “wishbone” o hueso del deseo. En adelante y por cuestiones de practicidad llamaremos a la teoría que sostiene el origen a partir de dinosaurios como la teoría “de los dinosaurios” y la que sostiene el origen a partir de un reptil pre-dinosaurio como la teoría del “reptil pre-dinosaurio”.
Lamentablemente, el registro fósil de las aves antiguas no es muy extenso y no se ha podido llegar a una determinación concluyente en cuanto a su origen. Posiblemente, el registro fósil es escaso porque el esqueleto de un ave se conforma por “huesos huecos o porosos” los cuales pueden tender a desintegrarse antes de que el proceso de fosilización se complete. Sin embargo, en algunos hábitats (como los pantanos) es posible que algunos restos hayan podido fosilizarse en buena manera. Uno de estos fósiles conservados que aparentemente venía a resolver el debate, fue el de Archaeopteryx (que significa “ala antigua”), el cual se piensa existió hace aproximadamente 140 millones de años en el Jurasico tardío (donde antiguamente existieron pantanos) en lo que ahora se conoce como Bavaria, en Alemania. Archaeopteryx (figura 1) fue considerado por muchos científicos como el eslabón perdido, ya que posee características tanto de reptiles como de aves. Tenía también dientes y una cola larga como los reptiles y a su vez plumas como las aves en los antebrazos. Sus antebrazos poseían un tipo de garras las cuales supuestamente utilizaba para trepar a los árboles, pero lo más notable de Archaeopteryx es que poseía una fúrcula (fusión de las clavículas) pero carecía de una quilla (que es donde se incrustan los músculos del vuelo de las aves modernas). Sin embargo, puntos de vista encontrados respecto a Archaeopteryx mantienen el debate abierto; por ejemplo, mientras algunos investigadores han postulado que Archaeopteryx era un depredador terrestre, otros consideran que se trataba de un organismo arbóreo.



Figura 1. Izquierda: Fósil de Archaeopteryx bavarica, Paläontologisches Museum, München. Derecha: Recreación de un Archeaeopteryx, autor: Ballista (Ambos documentos bajo los términos de la Licencia de documentación libre GNU, versión 1.2 o cualquier otra que posteriormente publique la Free Software Foundation; sin secciones invariables, textos de portada, ni textos de contraportada).


Por otra parte, el paleontólogo John Ostrom en sus excavaciones de Montana descubrió otro fósil al cual decidió llamar Deynonychus que significa “garra terrible” [3], debido a que presentaba unas garras parecidas a las de los velociraptores en Parque Jurásico. Ostrom al estudiar el fósil de Archaeopteryx se dio cuenta de que el esqueleto de éste parecía una versión pequeña de Deynonychus, encontró así muchas similitudes entre estos dos fósiles y por lo tanto pensó que ambos podrían ser ancestros de las aves y que estas similitudes sostenían la teoría del origen a partir “de los dinosaurios”.



Figura 2. Fósil de Microraptor zhaoianus expuesto en el Museo de Ciencias de Hong Kong, autor: I. Laikayiu (documento bajo los términos de la Licencia de documentación libre GNU, versión 1.2 o cualquier otra que posteriormente publique la Free Software Foundation; sin secciones invariables, textos de portada, ni textos de contraportada. Sujeto a la licencia Creative Commons versiones 1.0, 2.0 y 2.5).


En cuanto al nuevo modelo del origen de las plumas “filamento a pluma”, Prum [9] propone que a comparación de otras estructuras biológicas ramificadas como las observadas en plantas, las plumas no crecen por la ramificación de sus puntas sino de la base. Prum propone que las plumas se originaron con la evolución del primer folículo de la piel y propone un modelo de la evolución del folículo hasta llegar a una pluma, dicho modelo propone distintas etapas de desarrollo de las plumas. Con el descubrimiento de Sinosauropteryx (Figura 3) que presenta unos apéndices en la piel y Beipiaosaurus que también presenta estos apéndices pero más largos y posiblemente ramificados a los cuales llamó “paraplumas”. Prum piensa que estos apéndices podrían tratarse de plumas en distintas etapas evolución de las plumas según su modelo.


Figura 3. Fósil de Sinosauropteryx, de Hohhot (Mongolia interior, China), autor: Sam/Olai Ose/Skjaervoy (archivo bajo licencia de Creative Commons Attribution ShareAlike 2.0).


Aunque el modelo clásico parece tener más evidencia que lo soporta, el nuevo modelo del origen de las plumas no ha sido descartado y ambas teorías se mantienen en uso. Ahora, un aspecto importante a desarrollar es el relacionado con la función que las plumas podrían haber tenido en sus orígenes.
Al igual que para el origen de las plumas, varias hipótesis han sido propuestas sobre el funcionamiento de las primeras plumas. De acuerdo con el modelo de “escama a pluma” las escamas alargadas habrían tenido una función básicamente aerodinámica. Según el modelo “filamento a pluma”, las plumas habrían evolucionado a través de selección natural y habrían sido parecidas a numerosos filamentos (como los cabellos de los mamíferos) cuya función habría sido brindar aislamiento térmico. Sin embargo, han sido también propuestas otras hipótesis alternativas como la de Regal [10], quien postula que las plumas evolucionaron de escamas alargadas formando un tipo de escudo protector contra la intensa radiación solar; por otra parte Dyck [11] propone que las plumas evolucionaron por selección natural para repeler el agua y finalmente, Mayr [12] propone que la evolución de las plumas fue a través de la selección natural o sexual para la comunicación o el camuflaje.


Se puede considerar que la teoría del aislamiento térmico va de la mano con otra característica importante para el vuelo de las aves, la endotermia (i.e. capacidad de mantener la temperatura del cuerpo constante). Las reacciones químicas necesarias para soportar las contracciones musculares repetitivas en el vuelo (aleteo) son más eficientes a altas temperaturas, es por eso que se considera que la endotermia y la presencia de las plumas fueron prerrequisitos para el origen del vuelo.
Una vez mencionadas algunas de las teorías que existen sobre el origen de las aves (evolución a partir de los dinosaurios, evolución a partir de un reptil pre-dinosauro y evolución dentro del grupo de los terópodos), sobre el origen de las plumas (modelo clásico y nuevo modelo) y las hipótesis sobre el uso de las plumas en sus orígenes (función aerodinámica y función como aislante térmico) hablaremos ahora sobre el origen de vuelo, cuyas teorías naturalmente se encuentran intrínsecamente relacionadas con las de los temas precedentes.
¿Cómo fue que empezaron a volar las aves?
Al parecer, el vuelo moderno de las aves evolucionó a pasos pequeños y el registro fósil ofrece pocas pistas de cómo en realidad ocurrió; esto ha sido uno de los debates más viejo y controvertidos en paleontología. Este debate ha dado lugar a dos principales teorías que difieren y son constantemente sometidas a prueba: la teoría cursorial y la teoría arbórea.
En la teoría cursorial, se plantea que el vuelo debió evolucionar “del suelo hacia arriba”, con dinosaurios bípedos corredores con plumas que probablemente les servían para el aislamiento. Se postula que probablemente con el tiempo, las plumas se adaptaron para el vuelo conforme los cuerpos de los dinosaurios se volvieron cada vez más pequeños. Esto aunado con los brincos de los dinosaurios acompañados del movimiento de sus antebrazos pudo haber evolucionado hasta derivar en el poderoso aleteo de las aves. Algunos investigadores han efectuados experimentos que demuestran que algunas aves utilizan el aleteo para montar planos inclinados aún antes de poder volar [13] lo cual le da sostén a esta teoría. Sin embargo, el descubrimiento de Microraptor ha puesto a prueba esta teoría pues surge la siguiente pregunta: ¿Cómo un dinosaurio con alas en las patas podía correr?. De ahí que los partidarios de la segunda teoría (i.e. la teoría arbórea) la consideran más plausible.
La Teoría arbórea, postula que los ancestros de las aves eran terrestres-bípedos que se adaptaron en la vida en los árboles y que realizaban una serie de deslizamientos desde las copas de los árboles. A través de estos deslizamientos podían desplazarse de árbol en árbol o de rama en rama (similar a la ardilla “voladora” que expande unos pliegues de los costados de su cuerpo para planear). Esta teoría, además de parecer más parsimoniosa postula también que esta estrategia se veía reforzada y recompensada con el posible escape a algunos depredadores.
De acuerdo con esta teoría, las plumas se originaron según el modelo de “escama a pluma”. Según esta teoría, las primeras protoplumas, a través de mutaciones genéticas, fueron presentando mayor longitud y mayor superficie de contacto y beneficiadas mediante selección natural. Esto último debido a que los individuos con este tipo de protoplumas podían realizar una mejor planeación y sufrir menos caídas y recorrer mayores distancias de desplazamiento. Estos dos factores le vendrían a beneficiar no sólo al evitar caídas directas sino al aumentar las posibilidades de escapar de los depredadores.
El descubrimiento de Microraptor, como mencionábamos anteriormente, vino a dar sostén a ésta teoría pues el Microraptor parecía ser un organismo adaptando a la vida en los árboles. Por otra parte, el estudio del fósil de Microraptor ha arrojado que las plumas eran muy parecidas a las de las aves modernas con lo cual se asume que estas plumas le podían conferir la capacidad de volar; sin embargo, no poseía la capacidad de batir las alas, por lo que se postula que era más bien un ancestro planeador. Con esto, los partidarios de esta teoría concluyen que el planeo fue anterior al aleteo.
Si bien, el origen del vuelo en las aves se conoce de manera imprecisa, la evidencia que existe hasta el día de hoy permite elucidar la posibilidad de que se haya originado según propone la teoría cursorial o la arbórea. No sabemos cuánto tiempo deberá transcurrir para que nuevos hallazgos o estudios vengan a dar evidencia más sólida que permita concluir de manera más determinante sobre el origen del vuelo en las aves. Lo cierto es que muchos investigadores, principalmente paleontólogos y biólogos, trabajan actualmente para intentar resolver de manera más clara este misterio. Finalmente, cabe mencionar que lo positivo de este enigma científico es que es un tema que abre muchas posibilidades de estudio para nuevos estudiantes interesados en la paleontología o la biología de las aves.

Andreia Malpica Topete es Bióloga egresada de la Facultad de Biología de la Universidad Veracruzana. Sus intereses de investigación se relacionan con aspectos ecológicos de las aves, particularmente los relacionados con la migración de aves rapaces, la biodiversidad y la conservación.
Ricardo Ramírez Romero es Profesor-Investigador en el Departamento de Botánica y Zoología de la Universidad de Guadalajara. Sus investigaciones portan sobre la biología, la ecología, la historia natural y el comportamiento de los insectos parasitoides y sus hospederos.

Fuentes.
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