En el habla común, la palabra “pluma” se emplea en varias expresiones o dichos como “ligero como una pluma”, “papel pluma” o “peso pluma”. Usualmente se utiliza en diminutivo para referirse a cosas simples, fáciles o de poca importancia. No obstante, un estudio reciente ha revelado que las plumas desempeñan funciones vitales y poseen características asombrosas que trascienden la mera perfección.
Para sobrevivir, los seres vivos cuentan con una serie de habilidades y herramientas inherentes que les han sido otorgadas por la creación, perfectamente adaptadas a los desafíos y dificultades que enfrentarán. Del mismo modo, las plumas han sido diseñadas de manera impecable para garantizar la supervivencia.
Estructura de las plumas de las aves
Las plumas de las aves presentan diversas características que les permiten realizar diferentes tareas, como volar, regular la temperatura corporal y percibir a través del tacto. Están compuestas principalmente por queratina, una proteína sulfurosa que también forma nuestras uñas y cabello. La queratina se sintetiza a medida que las células dérmicas se dividen y multiplican hacia arriba. Esta sustancia es duradera, flexible y resistente a productos químicos y corrosión, lo que la convierte en el material ideal para las plumas.
Bajo el microscopio, la microestructura de una pluma se asemeja a un encaje delicadamente bordado. Una pluma típica consta de un tubo central llamado raquis, del cual se ramifican cientos de barbas laterales. Estas barbas a su vez tienen ramificaciones llamadas bárbulas. Las bárbulas se entrelazan entre sí (Figura 1), como los dientes de un cierre, asegurando la integridad de la pluma y creando una superficie impermeable. Si las bárbulas se separan, el ave puede sacudir o acicalar sus plumas con el pico para restaurar su estado original.
Las aves deben mantener sus plumas limpias, en buen estado y listas para usar en todo momento para sobrevivir. Para cuidarlas, utilizan los sacos de aceite en su cola. Con el pico, toman un poco de este aceite y lo distribuyen por las plumas para acicalarlas y mantener su brillo. Este aceite actúa como una barrera que impide que el agua llegue a la piel de las aves acuáticas cuando están en el agua o expuestas a la lluvia. Además, las aves esponjan sus plumas para permitir la circulación de aire entre ellas, lo que evita la pérdida de calor corporal en climas fríos. Por el contrario, cuando hace calor, las aves ajustan sus plumas pegándolas más cerca de su cuerpo, reduciendo el espacio de aire entre ellas y ayudando a mantenerse frescas.
Tipos de plumas
Las plumas en diferentes partes del cuerpo de las aves presentan características y funciones distintas. Por ejemplo, las plumas de las alas, al ser más grandes y extensas, se abren y expanden para generar fuerza de sustentación durante el vuelo. Las plumas de la cola, de estructura similar, ayudan en la dirección y el frenado durante el vuelo. Durante el descenso de un ave, las plumas se juntan para evitar que el aire se filtre entre ellas, mientras que, durante el ascenso, se separan permitiendo el paso del aire. Para mantener su capacidad de volar, las aves mudan las plumas, desprendiéndose de aquellas desgastadas que no pueden cumplir adecuadamente su función.
Existen tres tipos principales de plumas:
- Plumas de contorno: Son grandes y largas, y se encuentran en la parte exterior del cuerpo, como las alas y la cola. Estas plumas determinan la forma corporal y la postura del ave. Son esenciales para el vuelo y la maniobrabilidad, y contienen los componentes mencionados anteriormente.
- Plúmulas: Estas plumas carecen de barbicelos y tienen un aspecto de borla. Están ubicadas debajo de las plumas de contorno, en el dorso y la parte inferior, y son abundantes en el pecho y el abdomen. Las plúmulas están adaptadas para proporcionar aislamiento térmico. Los cuerpos de las aves jóvenes suelen estar cubiertos principalmente por plúmulas.
- Filoplumas: Las filoplumas tienen un raquis delgado y largo con un cálamo corto y unas pocas barbas pequeñas sin barbicelos cerca de la punta. En algunas aves, las filoplumas cercanas a la boca y la nariz tienen funciones sensoriales.
Además, se pueden encontrar diferentes tipos de plumas según la edad, la estación, el sexo y la época de cría.
Los pingüinos antárticos tienen que soportar algunas de las condiciones más duras del mundo. Los pingüinos emperador (Aptenodytes forsteri) pasan seis meses en uno de los hábitats más fríos del planeta durante el invierno y crían en la Antártida, donde las temperaturas descienden por debajo de los -40 grados centígrados y los vientos alcanzan a veces velocidades de hasta 100 kilómetros por hora. Sus plumas son el mejor regalo que les permite sobrevivir en la Antártida. Para alimentar a sus crías, los pingüinos se sumergen a profundidades que superan los 500 metros en aguas de -1,8 grados centígrados, yendo más lejos y más profundo que otras aves zancudas. Los pingüinos emperador confían en sus plumas especiales para proporcionar el 80-90 por ciento de su aislamiento y mantener una temperatura corporal central de 38 grados. La integridad aislante de las plumas persiste incluso a su máxima profundidad de inmersión, 560 metros.
Mientras que la capa exterior de plumas rígidas protege la piel de las aves, las plumas del contorno desempeñan un papel crucial al proporcionar una cubierta impermeable e impenetrable. Curiosamente, no existe un consenso sobre la densidad de las plumas en los pingüinos, y los valores publicados varían hasta cuatro veces, desde 11 hasta 46 plumas por centímetro cuadrado.
En un estudio realizado para comprender cómo funcionan las plumas de los pingüinos emperador como protección contra el frío, se examinaron cadáveres de estas aves. Se retiró la piel de los cadáveres y luego se removieron cuidadosamente las plumas del contorno de las secciones de piel extirpadas. Se marcó la ubicación de cada pluma para su análisis.
Aunque inicialmente se enfocó en el plumaje del cuerpo, se realizó un detallado plumigrama que abarcó la cabeza, el cuerpo, las alas, la cola y las patas. Esto reveló la existencia de un sistema de aislamiento térmico que desafía cualquier explicación lógica y amplía nuestra comprensión sobre la función de las plumas en los pingüinos emperador.
Modelo de distribución de las plumas
Para determinar la densidad de las plumas, se realizaron cuidadosos cortes y fotografías de estas, y luego se utilizó un programa informático especial para identificar los algoritmos de distribución y expresarlos en fórmulas matemáticas. La repetición de plumas de contorno más grandes, así como de plúmulas y filoplumas más pequeñas en números e intervalos específicos, junto con la correlación entre los espacios de aire intermedios y la densidad de las plumas, revelaron la integridad arquitectónica de un proyecto divinamente perfecto.
Para obtener una estimación aproximada del número total de plumas en el cuerpo (excluyendo cabeza, cola, patas y alas), se desarrolló un modelo utilizando patrones de densidad y distribución de plumas, junto con mediciones morfológicas de los pingüinos emperador. A través de las ecuaciones de superficie lateral (LSA) para dos troncos cónicos, se demostró que la forma del cuerpo en forma de dos troncos cónicos era la más ideal, y se determinó la altura de dicho cuerpo (Figura 2).
Área de superficie lateral de troncos de cono
Figura 2: Se realizaron mediciones de altura, masa y tres circunferencias (g) en cada pingüino. El radio (r) se calculó como g÷2π. Todas las medidas de circunferencia, altura y superficie se expresaron en centímetros. Para determinar el recuento de plumas corporales, se multiplicó el Área de Superficie Lateral (LSA) por la densidad de plumas y las plumas por unidad de superficie. Los cálculos de masa se obtuvieron dividiendo el recuento total de plumas entre la masa del pingüino.
Se realizó un dibujo para representar el patrón de distribución de todos los tipos de plumas en los pingüinos emperador. Aunque las plumas de contorno se encuentran uniformemente distribuidas en todo el cuerpo del pingüino, el patrón de las plumas aislantes es complejo y no uniforme, siguiendo una fórmula distinta. Según esta fórmula, cada pluma de contorno está rodeada por nueve plúmulas.
Modelo de recuento de plumas y número total de plumas corporales
Se estima que cada pingüino posee entre 24.000 y 30.000 plumas de contorno y entre 120.000 y 150.000 plumas aislantes. Las plúmulas son la principal fuente de aislamiento, ya que forman una densa capa debajo de las plumas de contorno y son cuatro veces más abundantes que las demás plumas del cuerpo.
Se ha sugerido que esta disposición de las plumas facilita el rápido ascenso submarino de los pingüinos, permitiéndoles elevarse y volar fuera del agua hasta llegar al hielo marino. Además, se argumenta que la liberación de aire atrapado en la capa esponjosa hacia la capa límite reduce la resistencia, lo que les permite alcanzar altas velocidades bajo el agua antes de emerger. Las barbas de las plumas y su estructura de bárbula crean pequeñas burbujas en el agua, dando la impresión de una estela de humo que se desprende de las plumas mientras el pingüino nada.
El descubrimiento de una mayor densidad de plumas de contorno en la parte ventral en comparación con la dorsal de los pingüinos emperador puede tener una gran importancia para el tobogán, es decir, para salir del agua y descansar sobre el hielo. La mayor densidad en el pecho proporciona más amortiguación al deslizarse sobre los bordes ásperos y al aterrizar sobre el pecho después de saltar fuera del agua. Además, la mayor densidad de plumas en la parte ventral ofrece un mayor aislamiento cuando descansan boca abajo sobre el hielo.
Sin embargo, la densidad del plumaje corporal no es estática y cambia según la estación gracias a un diseño sorprendente. Los pingüinos emperador comienzan a buscar alimento después de la muda en enero, en preparación para la temporada de cría. En abril, al inicio de la época de cría, los pingüinos pesan entre 30 y 40 kg, y la masa de grasa representa hasta el 25 por ciento de su masa corporal. En este momento, la densidad del plumaje será la más baja, y el aumento de la grasa subcutánea proporcionará un mayor aislamiento. Durante los siguientes tres meses, la masa corporal puede disminuir entre un 35 y un 50 por ciento en los machos que están en ayuno y no pueden salir a buscar comida, ya que están incubando los huevos. Entre un 80 y un 90 por ciento de esta pérdida se debe a la reducción de la grasa subcutánea. La reducción resultante en la circunferencia y la superficie aumentará la densidad de las plumas sin modificar su número. Al final del período de ayuno, cuando las temperaturas se acercan a las más frías del año y los machos han perdido la mayor parte de su masa de grasa, la densidad de plumas será la más alta. Aunque esto es solo una función de la geometría, el aumento en la densidad de plumas con la disminución de la circunferencia es beneficioso.
Las plumas también desempeñan otras funciones importantes. Los mecanorreceptores ubicados en el cálamo de las plumas, dentro de la piel, son lo suficientemente sensibles como para detectar las vibraciones más sutiles y enviar señales al cerebro. Gracias a estos receptores, los pingüinos pueden detectar incluso las vibraciones más leves en el aire o en el agua, lo que les permite cazar peces o evitar el ataque de las focas.
La estructura y variedad de las plumas de los pingüinos serán una fuente de inspiración para aquellos que desarrollen tecnologías de aislamiento térmico, basadas en cómo las estructuras diminutas y la arquitectura molecular del plumaje de los pingüinos están diseñadas para reducir la transferencia de calor.
Fuente:
Williams, C.L., Hagelin, J.C. and Kooyman, G.L. (2015): Hidden keys to survival: the type, density, pattern and functional role of emperor penguin body feathers. Proc. R. Soc. B 282: 20152033.
