Barbatana
Uma aleta é um componente fino ou apêndice ligado a um corpo ou estrutura maior. As barbatanas normalmente funcionam como folhas que produzem sustentação ou impulso, ou fornecem a capacidade de direcionar ou estabilizar o movimento durante a viagem na água, no ar ou em outros fluidos. As aletas também são usadas para aumentar as áreas de superfície para fins de transferência de calor ou simplesmente como ornamentação.
As barbatanas evoluíram primeiro nos peixes como meio de locomoção. As barbatanas de peixe são usadas para gerar impulso e controlar o movimento subsequente. Peixes e outros animais aquáticos, como cetáceos, impulsionam-se e dirigem-se ativamente com barbatanas peitorais e caudais. Enquanto nadam, eles usam outras nadadeiras, como nadadeiras dorsais e anais, para obter estabilidade e refinar suas manobras.
As nadadeiras nas caudas de cetáceos, ictiossauros, metriorrinquídeos, mosassauros e plesiossauros são chamadas de vermes.
Gerando impulso
As aletas em forma de folha geram impulso quando movidas, a elevação da aleta coloca a água ou o ar em movimento e empurra a aleta na direção oposta. Os animais aquáticos obtêm impulso significativo movendo as nadadeiras para frente e para trás na água. Freqüentemente, a barbatana caudal é usada, mas alguns animais aquáticos geram impulso das barbatanas peitorais. As aletas também podem gerar impulso se forem giradas no ar ou na água. Turbinas e hélices (e às vezes ventiladores e bombas) usam várias aletas rotativas, também chamadas de lâminas, asas, braços ou pás. As hélices usam as aletas para converter a força de torque em impulso lateral, impulsionando assim uma aeronave ou navio. As turbinas funcionam ao contrário, usando a elevação das pás para gerar torque e energia a partir de gases ou água em movimento.
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Finlets podem influenciar a forma como um vórtice se desenvolve em torno da barbatana da cauda.
A cavitação pode ser um problema em aplicações de alta potência, resultando em danos às hélices ou turbinas, bem como ruído e perda de potência. A cavitação ocorre quando a pressão negativa causa a formação de bolhas (cavidades) em um líquido, que então colapsam rápida e violentamente. Pode causar danos e desgaste significativos. Danos por cavitação também podem ocorrer nas barbatanas caudais de poderosos animais marinhos nadadores, como golfinhos e atum. A cavitação é mais provável de ocorrer perto da superfície do oceano, onde a pressão da água ambiente é relativamente baixa. Mesmo que tenham o poder de nadar mais rápido, os golfinhos podem ter que restringir sua velocidade porque as bolhas de cavitação em colapso em sua cauda são muito dolorosas. A cavitação também retarda o atum, mas por um motivo diferente. Ao contrário dos golfinhos, esses peixes não sentem as bolhas, pois possuem nadadeiras ósseas sem terminações nervosas. No entanto, eles não podem nadar mais rápido porque as bolhas de cavitação criam uma película de vapor em torno de suas nadadeiras que limita sua velocidade. Lesões foram encontradas em atum que são consistentes com danos de cavitação.
Os peixes escombrídeos (atum, cavala e bonito) são nadadores de alto rendimento. Ao longo da margem na parte traseira de seus corpos há uma linha de pequenas barbatanas sem raios e não retráteis, conhecidas como finlets. Tem havido muita especulação sobre a função desses finlets. Pesquisas feitas em 2000 e 2001 por Nauen e Lauder indicaram que "os finlets têm um efeito hidrodinâmico no fluxo local durante a natação constante" e que "o finlet mais posterior é orientado para redirecionar o fluxo para o vórtice da cauda em desenvolvimento, o que pode aumentar o impulso produzido pela cauda da cavala nadadora".
Os peixes usam várias barbatanas, pelo que é possível que uma determinada barbatana possa ter uma interação hidrodinâmica com outra barbatana. Em particular, as aletas imediatamente a montante da aleta caudal (cauda) podem ser aletas próximas que podem afetar diretamente a dinâmica do fluxo na aleta caudal. Em 2011, pesquisadores usando técnicas de imagem volumétrica foram capazes de gerar "as primeiras visualizações tridimensionais instantâneas de estruturas de rastros à medida que são produzidas por peixes que nadam livremente". Eles descobriram que "batidas de cauda contínuas resultaram na formação de uma cadeia ligada de anéis de vórtice" e que "os rastros das nadadeiras dorsal e anal são rapidamente arrastados pelo rastro da nadadeira caudal, aproximadamente dentro do período de tempo de uma batida de cauda subsequente".
Controlando o movimento
Uma vez que o movimento foi estabelecido, o próprio movimento pode ser controlado com o uso de outras aletas. Os barcos controlam a direção (guinada) com lemes semelhantes a barbatanas e rolam com barbatanas estabilizadoras e barbatanas de quilha. Os aviões alcançam resultados semelhantes com pequenas aletas especializadas que mudam a forma de suas asas e aletas de cauda.
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Aletas estabilizadoras são usadas como penas em flechas e alguns dardos, e na parte traseira de algumas bombas, mísseis, foguetes e torpedos autopropulsados. Estes são tipicamente planos e têm a forma de pequenas asas, embora algumas vezes sejam usadas aletas de grade. Aletas estáticas também foram usadas para um satélite, o GOCE.
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Regulação da temperatura
As aletas de engenharia também são usadas como aletas de transferência de calor para regular a temperatura em dissipadores de calor ou radiadores de aletas.
Ornamento e outros usos
Na biologia, as barbatanas podem ter um significado adaptativo como ornamentos sexuais. Durante o namoro, o ciclídeo fêmea, Pelvicachromis taeniatus, exibe uma nadadeira pélvica roxa grande e visualmente impressionante. “Os pesquisadores descobriram que os machos claramente preferiam as fêmeas com nadadeiras pélvicas maiores e que as nadadeiras pélvicas cresciam de maneira mais desproporcional do que outras nadadeiras nas fêmeas”.
Remodelar os pés humanos com nadadeiras, como a barbatana caudal de um peixe, adiciona impulso e eficiência aos chutes de um nadador ou mergulhador subaquático As barbatanas das pranchas fornecem aos surfistas meios para manobrar e controlar suas pranchas. As pranchas de surf contemporâneas geralmente têm uma quilha central e duas quilhas laterais curvadas.
Os corpos dos peixes de recife geralmente têm uma forma diferente dos peixes de águas abertas. Os peixes de águas abertas são geralmente construídos para velocidade, aerodinâmicos como torpedos para minimizar o atrito à medida que se movem pela água. Os peixes de recife operam em espaços relativamente confinados e em paisagens subaquáticas complexas de recifes de coral. Pois essa manobrabilidade é mais importante do que a velocidade em linha reta, então os peixes de recife de coral desenvolveram corpos que otimizam sua capacidade de disparar e mudar de direção. Eles enganam os predadores, esquivando-se em fissuras no recife ou brincando de esconde-esconde em torno de cabeças de coral. As barbatanas peitorais e pélvicas de muitos peixes recifais, como o peixe-borboleta, a castanheta e o peixe-anjo, evoluíram de forma a poderem funcionar como travões e permitir manobras complexas. Muitos peixes de recife, como o peixe-borboleta, a donzela e o peixe-anjo, desenvolveram corpos que são profundos e comprimidos lateralmente como uma panqueca, e se encaixam em fissuras nas rochas. Suas barbatanas pélvicas e peitorais são projetadas de forma diferente, então elas atuam em conjunto com o corpo achatado para otimizar a manobrabilidade. Alguns peixes, como o baiacu, filefish e trunkfish, dependem de nadadeiras peitorais para nadar e quase não usam nadadeiras caudais.
Evolução das barbatanas
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(1) barbatanas peitorais (paradas), (2) barbatanas pélvicas (paradas), (3) barbatana dorsal, (4) barbatana adiposa, (5) barbatana anal, (6) caudal (talha)
Aristóteles reconheceu a distinção entre estruturas análogas e homólogas, e fez a seguinte comparação profética: "Birds de uma forma se assemelham aos peixes. Para os pássaros têm suas asas na parte superior de seus corpos e os peixes têm duas barbatanas na parte frontal de seus corpos. Os pássaros têm pés na parte inferior e a maioria dos peixes tem um segundo par de barbatanas em sua parte inferior e perto de suas barbatanas dianteiras."
- Aristóteles, De incessum animal
Existe uma velha teoria, proposta pelo anatomista Karl Gegenbaur, que tem sido frequentemente desconsiderada nos livros de ciências, "de que nadadeiras e (mais tarde) membros evoluíram das brânquias de um vertebrado extinto". Lacunas no registro fóssil não permitiram uma conclusão definitiva. Em 2009, pesquisadores da Universidade de Chicago encontraram evidências de que a "arquitetura genética de brânquias, nadadeiras e membros é a mesma", e que "o esqueleto de qualquer apêndice fora do corpo de um animal é provavelmente modelado pelo programa genético de desenvolvimento que remontamos à formação de brânquias em tubarões. Estudos recentes apóiam a ideia de que os arcos branquiais e as nadadeiras pareadas são serialmente homólogos e, portanto, as nadadeiras podem ter evoluído a partir de tecidos branquiais.
Os peixes são os ancestrais de todos os mamíferos, répteis, aves e anfíbios. Em particular, os tetrápodes terrestres (animais de quatro patas) evoluíram dos peixes e fizeram suas primeiras incursões na terra há 400 milhões de anos. Eles usaram barbatanas peitorais e pélvicas emparelhadas para locomoção. As barbatanas peitorais desenvolveram-se em patas dianteiras (braços no caso dos humanos) e as barbatanas pélvicas desenvolveram-se em patas traseiras. Grande parte do maquinário genético que constrói um membro ambulante em um tetrápode já está presente na nadadeira de um peixe.
Em 2011, pesquisadores da Monash University, na Austrália, usaram peixes pulmonados primitivos, mas ainda vivos, "para rastrear a evolução dos músculos das nadadeiras pélvicas e descobrir como evoluíram os membros traseiros de suporte de carga dos tetrápodes." Pesquisas posteriores na Universidade de Chicago descobriram que os peixes pulmonados que caminham no fundo já desenvolveram características das marchas dos tetrápodes terrestres.
Em um exemplo clássico de evolução convergente, os membros peitorais de pterossauros, pássaros e morcegos evoluíram ao longo de caminhos independentes em asas voadoras. Mesmo com asas voadoras, existem muitas semelhanças com pernas que andam, e aspectos centrais do projeto genético da nadadeira peitoral foram mantidos.
Há cerca de 200 milhões de anos surgiram os primeiros mamíferos. Um grupo desses mamíferos começou a retornar ao mar há cerca de 52 milhões de anos, completando assim um círculo. São os cetáceos (baleias, golfinhos e botos). Análises recentes de DNA sugerem que os cetáceos evoluíram de dentro dos ungulados de dedos pares e que compartilham um ancestral comum com o hipopótamo. Cerca de 23 milhões de anos atrás, outro grupo de mamíferos terrestres parecidos com ursos começou a retornar ao mar. Estes eram os selos. O que se tornou membros ambulantes em cetáceos e focas evoluiu ainda mais, de forma independente em uma forma reversa de evolução convergente, de volta a novas formas de nadadeiras. Os membros anteriores se tornaram nadadeiras e os membros posteriores se tornaram uma cauda terminando em duas nadadeiras, chamada de verme no caso dos cetáceos. As caudas dos peixes geralmente são verticais e se movem de um lado para o outro. Os vermes dos cetáceos são horizontais e se movem para cima e para baixo, porque os espinhos dos cetáceos se dobram da mesma forma que em outros mamíferos.
Os ictiossauros são répteis antigos que se assemelhavam aos golfinhos. Eles apareceram pela primeira vez há cerca de 245 milhões de anos e desapareceram há cerca de 90 milhões de anos.
"Este réptil de navegação marítima com antepassados terrestres convergiu tão fortemente em peixes que realmente evoluiu uma barbatana dorsal e cauda em apenas o lugar certo e com apenas o projeto hidrológico direito. Essas estruturas são todas as mais notáveis porque evoluíram do nada — o réptil terrestre ancestral não tinha corcunda nas costas ou lâmina na cauda para servir como precursor."
O biólogo Stephen Jay Gould disse que o ictiossauro era seu exemplo favorito de evolução convergente.
Aletas robóticas
O uso de barbatanas para a propulsão de animais aquáticos pode ser notavelmente eficaz. Foi calculado que alguns peixes podem atingir uma eficiência propulsiva superior a 90%. Os peixes podem acelerar e manobrar com muito mais eficiência do que barcos ou submarinos e produzir menos perturbação e ruído na água. Isso levou a estudos biomiméticos de robôs subaquáticos que tentam emular a locomoção de animais aquáticos. Um exemplo é o Robot Tuna construído pelo Institute of Field Robotics, para analisar e modelar matematicamente o movimento tuniforme. Em 2005, o Sea Life London Aquarium exibiu três peixes robóticos criados pelo departamento de ciência da computação da Universidade de Essex. Os peixes foram projetados para serem autônomos, nadando e evitando obstáculos como peixes reais. Seu criador afirmou que estava tentando combinar "a velocidade do atum, a aceleração de um lúcio e as habilidades de navegação de uma enguia".
O AquaPenguin, desenvolvido pela Festo da Alemanha, copia a forma aerodinâmica e a propulsão das nadadeiras dianteiras dos pinguins. A Festo também desenvolveu AquaRay, AquaJelly e AiraCuda, emulando respectivamente a locomoção de arraias, águas-vivas e barracudas.
Em 2004, Hugh Herr, do MIT, criou o protótipo de um peixe robótico biomecatrônico com um atuador vivo, transplantando cirurgicamente músculos de pernas de sapo para o robô e, em seguida, fazendo o robô nadar pulsando as fibras musculares com eletricidade.
Peixes robóticos oferecem algumas vantagens de pesquisa, como a capacidade de examinar uma parte individual de um desenho de peixe isoladamente do restante dos peixes. No entanto, isso corre o risco de simplificar demais a biologia, de modo que aspectos-chave do design animal são negligenciados. Os peixes robóticos também permitem que os pesquisadores variem um único parâmetro, como flexibilidade ou um controle de movimento específico. Os pesquisadores podem medir forças diretamente, o que não é fácil de fazer em peixes vivos. “Dispositivos robóticos também facilitam estudos cinemáticos tridimensionais e análises hidrodinâmicas correlacionadas, pois a localização da superfície locomotora pode ser conhecida com precisão. Além disso, componentes individuais de um movimento natural (como avanço vs. avanço de um apêndice agitado) podem ser programados separadamente, o que certamente é difícil de conseguir quando se trabalha com um animal vivo."
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