Aleta
Una aleta es un componente o apéndice delgado unido a un cuerpo o estructura más grande. Las aletas normalmente funcionan como láminas que producen sustentación o empuje, o brindan la capacidad de dirigir o estabilizar el movimiento mientras se viaja en el agua, el aire u otros fluidos. Las aletas también se utilizan para aumentar las áreas de superficie con fines de transferencia de calor o simplemente como ornamentación.
Las aletas evolucionaron por primera vez en los peces como medio de locomoción. Las aletas de pescado se utilizan para generar empuje y controlar el movimiento posterior. Los peces y otros animales acuáticos, como los cetáceos, se impulsan y dirigen activamente con las aletas pectorales y caudales. Mientras nadan, utilizan otras aletas, como las aletas dorsal y anal, para lograr estabilidad y refinar sus maniobras.
Las aletas de la cola de los cetáceos, ictiosaurios, metriorrínquidos, mosasaurios y plesiosaurios se denominan trematodos.
Generando empuje
Las aletas con forma de lámina generan empuje cuando se mueven, la elevación de la aleta pone en movimiento el agua o el aire y empuja la aleta en la dirección opuesta. Los animales acuáticos obtienen un impulso significativo al mover las aletas hacia adelante y hacia atrás en el agua. A menudo se usa la aleta de la cola, pero algunos animales acuáticos generan empuje de las aletas pectorales. Las aletas también pueden generar empuje si se giran en el aire o en el agua. Las turbinas y las hélices (ya veces los ventiladores y las bombas) utilizan una serie de aletas giratorias, también llamadas láminas, alas, brazos o álabes. Las hélices utilizan las aletas para traducir la fuerza de torsión en empuje lateral, impulsando así un avión o un barco. Las turbinas funcionan a la inversa, utilizando la elevación de las palas para generar par y potencia a partir de gases o agua en movimiento.
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Los puntos pueden influir en la forma en que un vórtice se desarrolla alrededor de la aleta de cola.
La cavitación puede ser un problema con aplicaciones de alta potencia, lo que provoca daños en las hélices o turbinas, así como ruido y pérdida de potencia. La cavitación ocurre cuando la presión negativa hace que se formen burbujas (cavidades) en un líquido, que luego colapsan rápida y violentamente. Puede causar daños y desgaste significativos. El daño por cavitación también puede ocurrir en las aletas de la cola de los poderosos animales marinos que nadan, como los delfines y los atunes. Es más probable que ocurra cavitación cerca de la superficie del océano, donde la presión ambiental del agua es relativamente baja. Incluso si tienen el poder de nadar más rápido, es posible que los delfines tengan que restringir su velocidad porque las burbujas de cavitación que colapsan en su cola son demasiado dolorosas. La cavitación también ralentiza el atún, pero por una razón diferente. A diferencia de los delfines, estos peces no sienten las burbujas porque tienen aletas óseas sin terminaciones nerviosas. Sin embargo, no pueden nadar más rápido porque las burbujas de cavitación crean una película de vapor alrededor de sus aletas que limita su velocidad. Se han encontrado lesiones en el atún que son consistentes con daño por cavitación.
Los peces escombridos (atún, caballa y bonito) son nadadores especialmente destacados. A lo largo del margen en la parte trasera de sus cuerpos hay una línea de pequeñas aletas no retráctiles sin radios, conocidas como aletitas. Ha habido mucha especulación sobre la función de estos finlets. La investigación realizada en 2000 y 2001 por Nauen y Lauder indicó que "las aletitas tienen un efecto hidrodinámico en el flujo local durante la natación constante" y que "la aleta más posterior está orientada para redirigir el flujo hacia el vórtice de la cola en desarrollo, lo que puede aumentar el empuje producido por la cola de la caballa nadadora".
Los peces usan varias aletas, por lo que es posible que una determinada aleta pueda tener una interacción hidrodinámica con otra aleta. En particular, las aletas inmediatamente aguas arriba de la aleta caudal (cola) pueden ser aletas próximas que pueden afectar directamente la dinámica del flujo en la aleta caudal. En 2011, los investigadores que utilizaron técnicas de imágenes volumétricas pudieron generar "las primeras vistas tridimensionales instantáneas de las estructuras de las estelas tal como las producen los peces que nadan libremente". Descubrieron que "los golpes continuos de la cola dieron como resultado la formación de una cadena unida de anillos de vórtice" y que "las estelas de la aleta dorsal y anal son arrastradas rápidamente por la estela de la aleta caudal, aproximadamente dentro del marco de tiempo de un batido posterior de la cola".
Control de movimiento
Una vez que se ha establecido el movimiento, el movimiento en sí se puede controlar con el uso de otras aletas. Los barcos controlan la dirección (guiñada) con timones en forma de aletas y balanceo con aletas estabilizadoras y aletas de quilla. Los aviones logran resultados similares con pequeñas aletas especializadas que cambian la forma de sus alas y aletas de cola.
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Las aletas estabilizadoras se usan para emplumar flechas y algunos dardos, y en la parte trasera de algunas bombas, misiles, cohetes y torpedos autopropulsados. Estos son típicamente planos y tienen forma de alas pequeñas, aunque a veces se usan aletas de rejilla. También se han utilizado aletas estáticas para un satélite, GOCE.
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Regulación de temperatura
Las aletas de ingeniería también se utilizan como aletas de transferencia de calor para regular la temperatura en disipadores de calor o radiadores de aletas.
Ornamentación y otros usos
En biología, las aletas pueden tener un significado adaptativo como adornos sexuales. Durante el cortejo, el cíclido hembra, Pelvicachromis taeniatus, muestra una aleta pélvica púrpura grande y visualmente llamativa. "Los investigadores encontraron que los machos claramente preferían a las hembras con una aleta pélvica más grande y que las aletas pélvicas crecían de manera más desproporcionada que otras aletas en las hembras".
La remodelación de los pies humanos con aletas de natación, como la aleta de la cola de un pez, agrega empuje y eficiencia a las patadas de un nadador o buceador submarino Las aletas de las tablas de surf brindan a los surfistas los medios para maniobrar y controlar sus tablas. Las tablas de surf contemporáneas suelen tener una quilla central y dos quillas laterales combadas.
El cuerpo de los peces de arrecife a menudo tiene una forma diferente a la de los peces de aguas abiertas. Los peces de aguas abiertas generalmente están construidos para la velocidad, aerodinámicos como torpedos para minimizar la fricción a medida que se mueven por el agua. Los peces de arrecife operan en los espacios relativamente reducidos y en los complejos paisajes submarinos de los arrecifes de coral. Para esta maniobrabilidad es más importante que la velocidad en línea recta, por lo que los peces de arrecife de coral han desarrollado cuerpos que optimizan su capacidad para lanzarse y cambiar de dirección. Se burlan de los depredadores esquivando las fisuras en el arrecife o jugando al escondite alrededor de las cabezas de coral. Las aletas pectorales y pélvicas de muchos peces de arrecife, como el pez mariposa, el pez damisela y el pez ángel, han evolucionado para que puedan actuar como frenos y permitir maniobras complejas. Muchos peces de arrecife, como el pez mariposa, el pez damisela y el pez ángel, han desarrollado cuerpos profundos y comprimidos lateralmente como un panqueque, y encajarán en las fisuras de las rocas. Sus aletas pélvicas y pectorales están diseñadas de manera diferente, por lo que actúan junto con el cuerpo aplanado para optimizar la maniobrabilidad. Algunos peces, como el pez globo, el pez lima y el pez baúl, dependen de las aletas pectorales para nadar y apenas usan las aletas de la cola.
Evolución de las aletas
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(1) pectoral fin (paired), (2) pélvic fin (paired), (3) dorsal fin, (4) adipose fin, (5) anal fin, (6) caudal (tail)
Aristóteles reconoció la distinción entre estructuras análogas y homólogas, e hizo la siguiente comparación profética: "Los pájaros se asemejan a los peces. Porque las aves tienen sus alas en la parte superior de sus cuerpos y los peces tienen dos aletas en la parte frontal de sus cuerpos. Los pájaros tienen pies en su parte inferior y la mayoría de los peces tienen un segundo par de aletas en su parte inferior y cerca de sus aletas frontales."
– Aristóteles, De incessu animalium
Existe una teoría antigua, propuesta por el anatomista Karl Gegenbaur, que a menudo se ha ignorado en los libros de texto de ciencias, "que las aletas y (posteriormente) las extremidades evolucionaron a partir de las branquias de un vertebrado extinto". Las lagunas en el registro fósil no habían permitido una conclusión definitiva. En 2009, investigadores de la Universidad de Chicago encontraron evidencia de que la 'arquitectura genética de branquias, aletas y extremidades es la misma', y que 'el esqueleto de cualquier apéndice del cuerpo de un animal es probablemente modelado por el programa genético de desarrollo que hemos rastreado hasta la formación de branquias en los tiburones. Estudios recientes respaldan la idea de que los arcos branquiales y las aletas emparejadas son homólogos en serie y, por lo tanto, que las aletas pueden haber evolucionado a partir de tejidos branquiales.
Los peces son los ancestros de todos los mamíferos, reptiles, aves y anfibios. En particular, los tetrápodos terrestres (animales de cuatro patas) evolucionaron de los peces e hicieron sus primeras incursiones en la tierra hace 400 millones de años. Utilizaron aletas pectorales y pélvicas emparejadas para la locomoción. Las aletas pectorales se convirtieron en patas delanteras (brazos en el caso de los humanos) y las aletas pélvicas se convirtieron en patas traseras. Gran parte de la maquinaria genética que construye una extremidad para caminar en un tetrápodo ya está presente en la aleta de natación de un pez.
En 2011, investigadores de la Universidad de Monash en Australia utilizaron peces pulmonados primitivos pero aún vivos "para rastrear la evolución de los músculos de la aleta pélvica y descubrir cómo evolucionaron las extremidades traseras de los tetrápodos que soportan carga". Investigaciones posteriores en la Universidad de Chicago encontraron que los peces pulmonados que caminan en el fondo ya habían desarrollado características de los andares de los tetrápodos terrestres.
En un ejemplo clásico de evolución convergente, las extremidades pectorales de pterosaurios, pájaros y murciélagos evolucionaron más a lo largo de caminos independientes hasta convertirse en alas voladoras. Incluso con alas voladoras, hay muchas similitudes con las patas para caminar, y se han conservado aspectos centrales del modelo genético de la aleta pectoral.
Hace unos 200 millones de años aparecieron los primeros mamíferos. Un grupo de estos mamíferos empezó a regresar al mar hace unos 52 millones de años, completando así un círculo. Estos son los cetáceos (ballenas, delfines y marsopas). Un análisis de ADN reciente sugiere que los cetáceos evolucionaron a partir de los ungulados artiodáctilos y que comparten un ancestro común con el hipopótamo. Hace unos 23 millones de años, otro grupo de mamíferos terrestres parecidos a osos comenzó a regresar al mar. Estos eran los sellos. Lo que se había convertido en extremidades para caminar en cetáceos y focas evolucionó aún más, de forma independiente en una forma inversa de evolución convergente, de regreso a nuevas formas de aletas de natación. Las extremidades anteriores se convirtieron en aletas y las extremidades posteriores en una cola que terminaba en dos aletas, denominadas aletas en el caso de los cetáceos. Las colas de los peces suelen ser verticales y se mueven de lado a lado. Las aletas caudales de los cetáceos son horizontales y se mueven hacia arriba y hacia abajo, porque las espinas de los cetáceos se doblan de la misma manera que en otros mamíferos.
Los ictiosaurios son antiguos reptiles que se parecían a los delfines. Aparecieron por primera vez hace unos 245 millones de años y desaparecieron hace unos 90 millones de años.
"Este reptil saliente con ancestros terrestres confluyó tan fuertemente en los peces que realmente evolucionó una aleta dorsal y cola en el lugar correcto y con el diseño hidrológico adecuado. Estas estructuras son aún más notables porque evolucionaron de la nada: el reptil terrestre ancestral no tenía ni una gota en la espalda ni una hoja en la cola para servir como precursor".
El biólogo Stephen Jay Gould dijo que el ictiosaurio era su ejemplo favorito de evolución convergente.
Aletas robóticas
El uso de aletas para la propulsión de animales acuáticos puede ser notablemente efectivo. Se ha calculado que algunos peces pueden alcanzar una eficiencia propulsora superior al 90%. Los peces pueden acelerar y maniobrar mucho más eficazmente que los barcos o submarinos, y producen menos ruido y perturbaciones en el agua. Esto ha llevado a estudios biomiméticos de robots submarinos que intentan emular la locomoción de los animales acuáticos. Un ejemplo es el Robot Tuna construido por el Instituto de Robótica de Campo, para analizar y modelar matemáticamente el movimiento thunniforme. En 2005, el Sea Life London Aquarium exhibió tres peces robóticos creados por el departamento de informática de la Universidad de Essex. Los peces fueron diseñados para ser autónomos, nadando y evitando obstáculos como peces reales. Su creador afirmó que estaba tratando de combinar "la velocidad del atún, la aceleración de un lucio y las habilidades de navegación de una anguila".
El AquaPenguin, desarrollado por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión de las aletas delanteras de los pingüinos. Festo también desarrolló AquaRay, AquaJelly y AiraCuda, emulando respectivamente la locomoción de las mantarrayas, las medusas y las barracudas.
En 2004, Hugh Herr en el MIT prototipó un pez robótico biomecatrónico con un actuador vivo al trasplantar quirúrgicamente músculos de ancas de rana al robot y luego hacer que el robot nade al pulsar las fibras musculares con electricidad.
Los peces robóticos ofrecen algunas ventajas de investigación, como la capacidad de examinar una parte individual del diseño de un pez de forma aislada del resto del pez. Sin embargo, esto corre el riesgo de simplificar demasiado la biología, por lo que se pasan por alto aspectos clave del diseño del animal. Los peces robóticos también permiten a los investigadores variar un solo parámetro, como la flexibilidad o un control de movimiento específico. Los investigadores pueden medir directamente las fuerzas, lo que no es fácil de hacer en peces vivos. Los dispositivos robóticos también facilitan los estudios cinemáticos tridimensionales y los análisis hidrodinámicos correlacionados, ya que la ubicación de la superficie locomotora se puede conocer con precisión. Además, los componentes individuales de un movimiento natural (como la brazada exterior frente a la brazada interior de un apéndice que aletea) se pueden programar por separado, lo que sin duda es difícil de lograr cuando se trabaja con un animal vivo."
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