en un artículo reciente publicado en PLOS One , el profesor de física de la Universidad de Saint Louis, Jean Potvin, Ph.D., y el biólogo Alexander Werth, Ph.D. en Hampden-Sydney College, detallan por primera vez cómo las ballenas barbadas utilizan la filtración de flujo cruzado para separar a las presas del agua sin nuncaentrar en contacto con las barbas. Las barbas son placas de queratina en forma de peine que han reemplazado los dientes de los antepasados de las ballenas hace unos 30 millones de años y desempeñan el papel de una superficie de filtración en sus bocas. Los investigadores observaron cómo afecta este tipo de alimentaciónel arrastre de una ballena mientras se mueve a través del agua y cómo esta forma de filtración se ve reforzada por un gran tamaño corporal.
Los científicos esperan que una mayor comprensión de cómo se alimentan estos mamíferos acuáticos arroje luz sobre cómo las ballenas han evolucionado hasta los enormes tamaños que se ven hoy en día. Este nuevo conocimiento también ayudará a los esfuerzos de conservación de las ballenas, la mayoría de las cuales son especies en peligro de extinción.
"Como físico, colaboro con biólogos y paleontólogos", dijo Potvin. "Estudiamos la física de los diversos mecanismos de alimentación utilizados por las ballenas como las ballenas jorobadas, azules y francas. Un aspecto práctico de esta investigación es sabercuánta comida necesitan. Para las especies más grandes, la comida es el krill y los copépodos. Dado que el cambio climático y la explotación humana afectan actualmente la disponibilidad de presas, los científicos se preguntan cómo se adaptarán las ballenas a la posible escasez de alimentos o los desplazamientos geográficos que pueden surgir.cuánta comida necesitan comer las ballenas, o en otras palabras, cuánta energía tienen que gastar durante el año para atrapar y digerir la comida, ayudará a responder esta pregunta.
"Las ballenas azules, por ejemplo, se alimentan de millones de krill que se reúnen en grandes parcelas, en muchos casos parcelas que son más grandes que las ballenas mismas. Esto permite que las ballenas crezcan a tamaños enormes. Estas ballenas son los animales más grandes que jamás hayan existido.vivieron en la Tierra; son más grandes que la mayoría de los dinosaurios. Engullen agua y presas, y luego filtran lo que no necesitan a través de las placas de barbas.
"Todavía hay mucho que no entendemos sobre la filtración por barbas, especialmente con respecto a la física detallada involucrada. Las ballenas azules se lanzan hacia el parche de presa y abren la boca a enormes bocas para atrapar tantas presas como sea posible.proceso engullen una enorme cantidad de agua que necesita ser filtrada instantes después del cierre de la boca. Las ballenas azules engullen el equivalente a su propia masa, lo que para una ballena de 90 pies de largo se traduce en cien toneladas de agua. Esto es muchoagua para purgar fuera de la boca. Se realiza después de la captura de la presa, con el músculo del vientre de la ballena tensándose para forzar el agua a través de las barbas, pasando por los labios y fuera de la boca. Este es un proceso complicado, la mayoría de los cuales están fuera de la vista. Esto deja a los científicos con muy pocas pistas sobre el funcionamiento del proceso de filtración que tiene lugar en el interior ".
En su artículo actual, Potvin y Werth estudiaron otro tipo de ballena barbada, la ballena franca, que ofrece una versión más simple de filtración por barbas. Las ballenas francas tienen un sistema de barbas similar al de las ballenas azules, aunque con barbas más largas.Pero a diferencia de sus primos lejanos las ballenas azules, las ballenas francas no se abalanzan y capturan a sus presas como un ave de rapiña, sino que rozan el agua con la boca abierta para recolectar su comida a un ritmo mucho más lento, comiendo efectivamente como un pastoreador.Este proceso también es más visible ya que se realiza con la boca parcialmente abierta y, debido a este movimiento de roce, el flujo de agua que se mueve a través del sistema de barbas es más simple de simular matemáticamente que los flujos que tienen lugar dentro de la boca cerrada de una ballena azul.
Las ballenas francas se alimentan de pequeñas presas llamadas copépodos que son aproximadamente del tamaño de un grano de arroz.
"Los copépodos también se juntan en grandes parcelas", dijo Potvin. "Las ballenas abren la boca mientras nadan a través del parche, rozándolo de manera efectiva de una manera similar a la red de un colector que captura mariposas. De nuevo, las barbas actúan como una superficie de filtración perolos copépodos son más pequeños que el espacio entre los baleens, por lo que el proceso de filtración debe ser diferente de, por ejemplo, escurrir la pasta con un colador.
"En su lugar, se usa la filtración de flujo cruzado, con la mayor parte del agua pasando a través de las barbas y saliendo por la boca, pero con la presa dirigiéndose directamente hacia la parte posterior de la boca donde se traga, todo el tiempo sin llegaren contacto con las barbas los copépodos son en su mayoría una pasta de comida cuando llegan al esófago de la ballena.
"Los seres humanos desarrollaron la filtración de flujo cruzado en el proceso de elaboración del vino para eliminar las partículas creadas durante la producción sin requerir una limpieza frecuente de la superficie de filtración. Por supuesto, la madre naturaleza conocía la filtración cruzada mucho antes que nosotros".
Este es el primer artículo en el campo que muestra cómo se puede hacer esto para las ballenas barbadas a través de simulaciones y datos, dice Potvin.
"Este es un estudio de cómo el agua fluye a través de la boca en términos de velocidad y presión, y cómo esto conduce al arrastre creado por la boca abierta", dijo Potvin. "Cuando estas ballenas abren la boca, hay másresistencia al agua debido al flujo interno. Esto afectará la cantidad de energía que la ballena necesita gastar para alimentarse. Podemos calcular el arrastre. La gente lo había medido pero nunca se había calculado. Creo que es un gran paso.
"Otra cosa que este análisis le permite hacer es volver a la cuestión del tamaño corporal. Este tipo de filtración de flujo cruzado funciona mejor con un cuerpo de gran tamaño. Las ballenas francas miden aproximadamente 50 pies de largo. Nuestro análisis encontró que, segurosuficiente, este modo se vuelve más eficiente en el tamaño del cuerpo más grande.
"Cuanto más grande es el filtro, más lento pasa el agua a través del filtro. Esto reduce la tasa de obstrucción y también el arrastre. Si el agua pasa demasiado rápido por el sistema de barbas, arrastra a la mayor parte de la presa, lo que permite que los copépodos escapeny con el tiempo engulle el filtro. Cuanto mayor es la superficie del filtro, más lento es el flujo de salida del filtro al nivel del poro. El proceso es análogo al de los ríos que desembocan en una bahía: el flujo del río más rápido - equivalente al aguaentrar en la boca de una ballena - siempre se ralentizará al entrar en la bahía porque siempre es más ancha, lo que equivale al agua que pasa por las barbas de la ballena ".
Este modelo responde algunas preguntas clave sobre la alimentación que ayudarán a los científicos a comprender cómo proteger mejor a las ballenas a medida que cambia su hábitat debido al calentamiento global y la actividad humana en los océanos.
Para su próximo proyecto, Potvin centrará su atención en la física de cómo las ballenas nadan y maniobran en el agua.
Gracias a una subvención reciente de $ 800,000 de la National Science Foundation NSF, Potvin y sus colegas recopilarán datos sobre los hábitos de natación de las ballenas azules y las ballenas jorobadas en la naturaleza utilizando drones y etiquetas electrónicas. Potvin y la Universidad de Saint Louis recibieron $ 232,634 parafinanciar su parte del estudio de tres años.
"Tendremos una gran expedición en agosto cerca de las Islas del Canal frente a la costa de Santa Bárbara, California, marcando ballenas azules", dijo Potvin. "Es probable que veamos algunas de las concentraciones más altas de ballenas azules en el mundo.Esperamos obtener muchos datos de ese viaje ".
La expedición será dirigida por colegas de la Estación Marina Hopkins de la Universidad de Stanford utilizando etiquetas digitales especialmente diseñadas para medir las velocidades y aceleraciones realizadas por las ballenas, así como grabar videos de las maniobras y encuentros con la presa.
"Los investigadores generalmente se acercan sigilosamente a una ballena cuando sale a la superficie para tomar aire e intentan pegar la etiqueta al animal con el uso de ventosas", dijo Potvin. "Hay una pieza de metal que se disuelve después de varias horas después de la colocacióny eso libera las ventosas. El paquete luego flota hasta la superficie y una baliza montada ayuda a los biólogos a localizar y recuperar la etiqueta para descargar los datos. "
Con los nuevos datos, Potvin podrá realizar simulaciones de dinámica de fluidos computacionales en la Universidad de Saint Louis para aprender más sobre cómo estas ballenas maniobran para capturar presas, evitar depredadores y obstáculos y competir por parejas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Saint Louis . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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