El secreto microscópico detrás del vuelo perfecto de las aves

Vanya Gregor Rohwer abrió un cajón para mostrar el ala rosada de una espátula rosada, una de las miles de alas montadas en el Museo de Vertebrados de la Universidad de Cornell.

Levantó una larga pluma de vuelo para exponer, en su base, una pluma con forma de palmera, tan minúscula que fácilmente podía pasar desapercibida. Durante mucho tiempo, esta diminuta característica llamada filopluma fue, de hecho, desconocida.

“La historia de la investigación sobre las filoplumas no es muy sólida. Son una especie de pluma olvidada”, dijo el Dr. Rohwer, curador de aves y mamíferos del museo. “Se consideraban una pluma degenerada o inútil, una reliquia”.

Ya no. El Dr. Rohwer y su padre, Sievert Rohwer, influyente investigador de plumas y curador emérito del Museo Burke de la Universidad de Washington en Seattle, creen que el diminuto filoplume es clave en el monitoreo y mantenimiento de las plumas de las aves, que las mantienen en el aire.

Desde que las plumas aparecieron por primera vez en los dinosaurios hace unos 150 millones de años, han ido evolucionando. Actualmente existen seis tipos de plumas en el cuerpo de las aves, incluyendo las filoplumas, y todas están hechas de queratina, una sustancia muerta similar al cabello humano.

Un artículo publicado el año pasado en el Journal of the Royal Society Interface describió una pluma como una obra maestra de ingeniería, que abarca nueve órdenes de magnitud, desde la nanoescala hasta la escala métrica. Dado que las impresoras 3D más sofisticadas se limitan a tan solo cuatro o cinco órdenes de magnitud, las plumas aún no se han replicado.

“No existe tecnología de fabricación que se acerque a una pluma”, afirmó David Lentink, uno de los autores del artículo, quien estudia aves para encontrar maneras de mejorar los robots en la Universidad de Groningen, Países Bajos. “Son inusualmente sofisticadas”.

El resultado es un material natural tan ligero que flota lentamente hasta el suelo, pero tan resistente que puede proteger a un ave en vuelo contra el viento, la lluvia y el frío durante días. Y los nuevos reemplazan a los viejos cada pocos años.

El interés en las plumas de aves se ha intensificado junto con el uso en rápida expansión de drones y otras aeronaves, y los investigadores buscan si las plumas sintéticas harían que los vuelos fueran más maniobrables, eficientes y menos ruidosos.

Las filoplumas han inspirado sensores microscópicos o capilares , por ejemplo, que pueden medir el flujo de aire, su velocidad y dirección para apoyar un tipo de autonavegación llamado “vuelo táctil”.

Los sensores tipo Filoplume podrían ayudar a los drones, que tienen dificultades para lidiar con las ráfagas de viento, a realizar ajustes en fracciones de segundo.

Todas las aves tienen filoplumas, incluso las que no pueden volar. Suelen tener de una a tres por pluma, y son más densas alrededor de las plumas de contorno o del cuerpo y las plumas de vuelo.

Las filoplumas detectan la presión, el tacto y la vibración en las plumas adyacentes y, a través de terminaciones nerviosas altamente sensibles, llamadas corpúsculos de Herbst, en sus folículos, traducen esas señales mecánicas en señales neuronales.

Estas sofisticadas plumas proporcionan a las aves información detallada sobre su plumaje mientras vuelan. Les indican cómo ajustar sus plumas para mantenerse calientes o para liberar calor. También pueden detectar el movimiento de parásitos, lo que las incita a acicalarse o a emitir aceite en esa zona.

(Las plumas cerdas, cortas y presentes en la cabeza, la cara y el cuello de las aves, también son sensibles al medio ambiente y alertan a las aves sobre insectos y otras presas).

Las aves con más filoplumas son especies grandes y fuertes, como las águilas, los albatros y los buitres. Los albatros, que pueden volar 9.600 kilómetros o más sin detenerse, se encuentran entre las que más tienen; se han contabilizado más de 9.000 en algunas aves. Hasta el momento, los gavilanes de cola roja son los que tienen más filoplumas por pluma entre las aves cuyas plumas han sido contabilizadas por los investigadores.

Las filoplumas desempeñan otras funciones. La barba del pavo salvaje consiste en finas hebras de plumas llamadas mesofiloplumas. No son sensoriales, sino ornamentales, y pueden alcanzar hasta 30 cm de largo. Sin embargo, el pavo salvaje tiene filoplumas en su cabeza calva, que le ayudan a percibir el mundo que lo rodea.

Los alcéridos bigotudos, un ave marina, tienen grandes bigotes en la parte superior de la cabeza.

“Son filoplumas elaboradas”, dijo la Dra. Vanya Rohwer. “Las usan para navegar por estas oscuras madrigueras de anidación y así evitar golpearse la cabeza”.

Mientras estudiaba filoplumas y otros plumajes junto a su padre durante más de 20 años, pensó que sabía cómo las aves perdían y regeneraban sus plumas cada pocos años.

“Fue predecible, secuencial y ordenado”, dijo.

Sin embargo, en 2015, los Rohwers se enteraron de un águila real cautiva cuyas plumas de la cola fueron cortadas experimentalmente con fines de investigación.

“Esa águila reemplazó una pluma de cola cortada mucho, mucho más rápido que una pluma sin cortar”, dijo el Dr. Rohwer más joven, acortando el período de crecimiento a aproximadamente un año. “Así que las aves tienen algún mecanismo para detectar una pluma que no está funcionando bien”.

Su padre, el Dr. Sievert Rohwer, dijo que las filoplumas, presumiblemente, “son sensibles a la vibración que la pluma generaría si se desgasta o no funciona tan bien como debería”.

"Tiene sentido intuitivo", dijo el Dr. Rohwer más joven. "Te abres paso entre la maleza capturando una presa o forcejeando con ella en el suelo, un proceso que muy probablemente te rompa una pluma".

Ambos Rohwer son destacados conservadores de alas extendidas de aves, que han utilizado para estudiar filoplumas y otras plumas. El Dr. Rohwer padre, de 83 años, ha reunido la colección de alas de aves más grande del mundo, que se encuentra expuesta y montada en el Museo Burke, con 40.000 pares abiertos y envueltos en celofán.

El Dr. Vanya Rohwer, de 43 años, está construyendo una considerable colección propia de alas abiertas aquí en Cornell, que hasta ahora comprende alrededor de 10.000 pares.

Mientras tanto, los especímenes completos de aves se guardan en cajones, en una especie de morgue. El Dr. Rohwer abrió algunos en una visita reciente y descubrió una variedad de plumajes coloridos, incluyendo carracas de pecho lila de color rosa y melocotón y abejarucos verdes y amarillos. Otro cajón estaba lleno de especies extintas, incluyendo varios pájaros carpinteros de pico de marfil y una paloma migratoria.

Los nidos de aves son otra pasión del joven Dr. Rohwer, quien también estudia las pestañas de las aves. En un estudio, descubrió que el uso de piel de serpiente para revestir los nidos de muchas aves reducía significativamente la depredación.

El Dr. Rohwer conoció a su esposa, Rachel Schlass Rohwer, cuando ella, siendo una taxidermista en ciernes, asistió a su clase sobre la preparación de especímenes de aves. Quedó fascinada tanto por el Dr. Rohwer como por el minucioso proceso de preparación de aves para su exhibición en museos.

“Saber que estas palomas migratorias alguna vez eclipsaron el cielo, y verlas en estos cajones conservando tanto de su color, me conmovió mucho”, dijo la Sra. Schlass Rohwer. “La mayoría de las cosas, al morir, pierden su color y gran parte de su narrativa”.

La pareja ha realizado varios viajes de rescate para recolectar especímenes sobrantes de aves y mamíferos de los congeladores de otros museos para la colección de Cornell. Despellejan las aves y las rellenan con algodón o extienden sus alas en una exposición, donde están disponibles para los investigadores.

La Sra. Schlass Rowher, quien también estudió moda, se ha especializado en el diseño de sombreros con plumas obtenidas éticamente de aves que murieron de forma natural y cuya posesión es legal. Poseer la mayoría de los tipos de plumas de ave constituye una violación de la ley federal.

Gracias a los avances tecnológicos, se está extrayendo nueva información de las plumas. El ADN de una sola pluma, por ejemplo, permite a los investigadores rastrear a esa ave hasta su población reproductora. Esta información se utiliza para crear mapas de "paisajes genotípicos" de aves migratorias en todo el mundo y para priorizar hábitats importantes para la conservación.

Sin embargo, el filopluma sigue siendo una de las plumas menos comprendidas. «Aún queda mucho por descubrir sobre su función», afirmó el Dr. Lentink, «ya que es casi imposible estudiarla en aves vivas».

Un pájaro en el laboratorio es muy diferente a un pájaro en el aire, lo que hace que el vuelo de las aves sea en gran medida un misterio.

“A veces la ciencia no puede responder preguntas porque los experimentos son demasiado complejos, como en este caso”, dijo. “Es difícil demostrar realmente las funciones de estas plumas en un ave que vuela feliz y completamente funcional, realizando su comportamiento normal”.