La fascinante física detrás del movimiento de las serpientes

  • 11 marzo 2016
Serpiente
Image caption Los científicos han utilizado rayos x para analizar el movimiento de las serpientes.

"Esta es la serpiente Mojave nariz de pala", dice Perrin Schiebel mientras me pasa un réptil de 40 centímetros. Sus colores son vibrantes, aparentemente es inofensiva. Rápidamente se enreda entre mis dedos.

"Son oriundas de los desiertos del suroccidente de Estados Unidos. Esta es un adulto".

Schiebel está estudiando su PhD en física en el Instituto de Tecnología Georgia en Atlanta, Estados Unidos.

La científica ha pasado varios meses colocando 10 de estas serpientes en acuarios llenos de arena para analizar sus movimientos.

Pero ¿por qué un equipo de físicos está jugando con serpientes en una especie de foso de arena hecho a su medida?

Porque, me dijeron, la manera en que se mueven es una maravilla.

Evolución

Estas criaturas han evolucionado de forma impresionante para escabullirse y deslizarse o incluso excavar y "nadar" en los terrenos más complejos.

Image caption Las serpientes también parecen nadar cuando se adentran en la arena del desierto.

Si alguna vez ha intentado subir por una duna de arena, el problema le debe sonar familiar: los terrenos inestables hacen que sea toda una hazaña para la locomoción. Ahora, imagine haciéndolo sobre su vientre.

"Una de las cosas que es realmente interesante sobre las serpientes es que para este tipo de locomoción, su cuerpo entero está en contacto con el suelo", indicó Schiebel.

"Por eso tienen que empujar las cosas con efectividad, para hacerle frente al hecho de que tienen estas fuerzas de resistencia que rozan con su cuerpo todo el tiempo", indicó.

Y estas criaturas del desierto, incluyendo mi nueva amiga, hacen que se vea fácil.

De hecho, apenas esta serpiente regresa al acuario, se desvanece, desaparece.

"Pueden viajar distancias considerables completamente sumergidas", explicó Schiebel. "Creemos que esta forma de sus cuerpos es una adaptación a eso".

"Nadar"

Algunos de sus colegas han usado rayos X para mirar más allá de lo que se puede ver en la arena y estudiar en detalle la forma como las serpientes parecen nadar.

Pero Schiebel está más interesada en cómo se mueven sobre las superficies.

La investigadora tiene "decenas de miles de imágenes" de grabaciones hechas a velocidad rápida que muestran a la serpiente nariz de pala navegando por el tanque, con o sin obstáculos.

"En eso es que estoy interesada. En cómo pueden usar esta arena y estos obstáculos y en cómo los empujan para seguir con su viaje".

El doctor Dan Goldman, quien dirige el laboratorio en el Instituto de Tecnología Georgia, explica los experimentos en este video.

En el laboratorio

Los experimentos en este laboratorio no se realizan en cualquier tipo de arena.

"Estos son 300 micrómetros (0,3 mm) de perlas de vidrio", señaló Schiebel. "Es un tipo de física de laboratorio en la que se recrea una versión de la arena del desierto. Es muy similar al tamaño y a la composición en su hábitat natural".

Image caption La serpiente de nariz pala hace una onda plana cuando se mueve.

También, en nombre de la precisión, cabe destacar una rutina notable que se da entre prueba y prueba.

Con aire emanado de una bombona y a través de una malla se lleva a cabo un proceso de fluidización de la arena.

"Si se quieren hacer experimentos controlados y repetibles, se necesita de alguna manera controlar el estado inicial del medio en el que se realizan".

De esa manera, la cama de arena donde se realizan los experimentos se mantiene todo el tiempo en el mismo estado.

"Y eso te permite controlar cosas como la compactación de una manera muy precisa".

La onda

Una de las cosas que estos experimentos han revelado es la sorprendente simplicidad con la que las serpientes se deslizan. Una constante es la forma en que despliegan sus cuerpos formando una S.

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Image caption Los científicos han construido un robot que imita el movimiento del crótalo cornudo o cascabel cornudo.

"He estudiado 10 de estas serpientes y siempre hacen la misma forma", dijo Schiebel. "Eso fue de alguna manera sorprendente. Sus cuerpos son largos y flexibles. Podrías pensar que pueden adoptar cualquier tipo de forma".

Sin embargo, hay una forma de onda muy específica que todas adoptan.

Esa observación contrastó con lo que el equipo esperaba, que no era otra cosa que una complejidad tortuosa.

"Hemos encontrado que la serpiente está usando una forma de onda que le sirve para viajar rápidamente sobre la superficie".

El crótalo cornudo

Una de las serpientes con un andar famoso por lo desconcertante que resulta es el crótalo cornudo o cascabel cornudo.

Otro miembro del equipo del laboratorio, Henry Astley, ha estado tratando de develar su secreto desde hace algún tiempo.

Su desplazamiento es famosamente confuso, indicó el experto mientras vemos algunos videos de esos animales y de aparatos que los imitan.

"De hecho hay un decir en herpetología: si te quieres enloquecer, ve crótalos cornudos", me dijo.

Y puedo ver por qué. Las ondas hipnóticas que impulsan el movimiento de estas serpientes, las hace ir hacia un lado, y dichas ondas parecen fluir de arriba hacia abajo a lo largo de sus cuerpos.

En su movimiento, partes de la serpiente suben y bajan cíclicamente para permitirles a sus cuerpos levantarse sobre la arena y colocar sus cuerpos en una nueva posición, explicó el doctor Astley.

Trabajando en el laboratorio de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Astley y sus colegas han reproducido a través de un robot la forma cómo los crótalos cornudos suben empinadas cuestas de arena.

En este video pueden verlo.

"La locomoción de los crótalos cornudos es fantástica. Tienen sistemas sensoriales, cerebros y músculos. Pero con todo eso, vienen consecuencias en su comportamiento. Hacen lo que quieren".

"Al robot podemos programarlo para que haga lo que nosotros queremos que haga", añadió.

Como un carro

Recientemente, el doctor Astley reportó, por primera vez, cómo los crótalos cornudos se voltean cuando están ante una esquina. Descubrió dos técnicas contrastantes.

Image caption Los modelos y los experimentos pueden ayudar a revelar cómo los animales hacen lo que hacen.

Para llegar a sus conclusiones combinó filmaciones de serpientes del zoológico de Atlanta.

Primero, explicó, hay una curva "diferencial" que funciona como un automóvil.

"Básicamente es el mismo mecanismo que emplea un automóvil para girar. Un lado de la serpiente o dos de las ruedas del carro se mueven hacia adelante antes que las otras dos, y como resultado todo el animal rota y consigue este movimiento amplio y gradual en múltiples ciclos", señaló.

El segundo es más bien como un freno de mano: la serpiente invierte su cuerpo instantáneamente entre 70 y 180 grados.

"En marcha atrás pasan instantáneamente de orientar la cabeza de la derecha a la izquierda y viceversa, permitiéndoles cambiar de dirección y reorientar el rumbo rápidamente", indicó.

Mejores robots

El doctor Goldman estudia el movimiento de las serpientes por pura curiosidad intelectual.

"Estoy interesado en cómo funciona la naturaleza. En cómo los sistemas vivos consiguen tener semejantes comportamientos que resultan bellos y elegantes en sus ambientes naturales".

Los robots satisfacen parte de la curiosidad, Goldman indicó, gracias al uso de simulaciones matemáticas y acciones basadas en los animales reales.

Sin embargo, pese a los esfuerzos es difícil reproducir los movimientos de los animales con exactitud a través de computadoras.

"No tenemos todas las matemáticas. Hay muchos parámetros y tampoco está claro cómo los subsistemas biológicos se integran para desencadenar características locomotoras interesantes".

Un robot puede recrear el modelo físico, ciertos elementos de la interacción. De ahí que para Goldman los animales que su equipo y él mismo estudian más los fenómenos físicos que analizan son clave para hacer mejores robots.

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