El vuelo del Fénix. ¿Cómo y por qué vuelan las Aves?

Querida hija: 

El vuelo de las aves ha fascinado al ser humano desde hace milenios. La Mitología griega lo pone de manifiesto con la leyenda de Ícaro: el osado joven que se fabricó unas alas de cera y que, contrariamente a los consejos de su padre, voló tan alto y tan cerca del Sol que éste derritió la cera de las alas, cayendo el joven irremediablemente al vacío. 

El vuelo de las aves es biomecánicamente complejo

En esta crónica voy a tratar de explicarte qué factores concurren para que las aves vuelen. El vuelo de los pájaros es un tema muy complejo desde todos los puntos de vista: físico, anatómico y fisiológico. Por eso voy a intentar simplificártelo al máximo para que entiendas las líneas básicas de lo que es una de las maravillas de la evolución: el vuelo. 

El vuelo en los animales. Conceptos básicos. 

El vuelo es, ni más ni menos, que el desplazamiento a través del aire de una forma autónoma. Para entender la mecánica del vuelo debes tener siempre en mente que el aire es un fluido, más concretamente una mezcla de gases. Como es invisible, tendemos a olvidar este hecho. 

Ciertos grupos de animales, a lo largo de la Evolución, han conquistado la capacidad de volar de forma independiente entre sí. Los primeros que lo consiguieron fueron los Insectos. Más tarde serían los Pterosaurios, en este caso Reptiles, quienes lograron la capacidad de vuelo convirtiéndose así en los primeros Vertebrados en lograrlo. En tercer lugar fueron las Aves, recién aparecidas de entre los Dinosaurios, en plena Era Mesozoica. Y finalmente los Quirópteros, es decir, los murciélagos, únicos mamíferos con capacidad voladora. 

Los pterosaurios son el único grupo de animales voladores que se ha extinguido

Todos ellos tienen en común una cosa: han desarrollado de forma independiente una estructura anatómica denominada ala, que hace posible el vuelo. Si bien las alas de Insectos, Pterosaurios, Aves y Quirópteros son estructuralmente distintas, fruto de diversas estrategias evolutivas, mecánicamente funcionan de una manera similar. La posesión y uso del ala es una condición necesaria para el vuelo, pero no es suficiente. Además, se necesita experimentar una serie de adaptaciones anatómicas y fisiológicas para hacer realidad la capacidad de volar. Todo ello te lo voy a explicar un poco más adelante. 

Básicamente existen dos tipos de vuelo: el vuelo batido y el vuelo planeado. 

 El vuelo batido se logra mediante el movimiento de las alas en sentido arriba-abajo o también con el movimiento oscilatorio (zumbante). Es el vuelo más común entre las Aves, los Insectos y los Quirópteros, si bien las Aves son capaces también del vuelo planeado, que se logra mediante el “efecto vela”, dejando las alas inmóviles y orientándolas de forma que las corrientes de aire hagan el desplazamiento. Los paleontólogos piensan que los Pterosaurios volaban planeando, y que muy raras veces usarían el vuelo batido. El vuelo batido es capaz de generar su propia fuerza de impulsión, mientras que el vuelo planeado debe apoyarse en las corrientes de aire para lograr su impulsión. 

Vuelo batido

Aparte de los grupos de animales “voladores” que he comentado antes, existen animales “planeadores”: la ardilla voladora, el petauro del azúcar, la rana voladora, la serpiente voladora, etc. A pesar de sus nombres vulgares no podemos considerar que estos animales hayan conquistado la capacidad de volar. No han desarrollado alas, sino pliegues de piel más o menos amplios que, en realidad, les ayudan a planear siguiendo un efecto paracaídas más que un verdadero vuelo basado en el aprovechamiento de corrientes de aire, y mucho menos capaces de un vuelo autosostenido. Pues bien, hija mía, ya conoces los conceptos más básicos del vuelo animal. Vamos a centrarnos ahora en el vuelo de las Aves, considerado como el más perfecto de entre todos los vuelos animales. ¿Cuándo empezaron las Aves a volar? 

El albatros está consideradao como el ave planeadora más perfecta

Como ya te expliqué en su momento, el origen de las Aves hay que buscarlo en el seno de cierto tipo de Dinosaurios: los Terópodos. El fósil más antiguo de Ave es Archaeopteryx, del Jurásico Superior de Alemania, hace unos 150 millones de años. Es uno de los fósiles más famosos e importantes del mundo, porque se muestra ya la posesión de alas por parte de esta ave originaria. Los fósiles de Archaeopteryx han sido estudiados muy minuciosamente por los especialistas, que han llegado a ciertas conclusiones acerca de su capacidad de vuelo. 

Fósil de Archaeopteryx

En primer lugar, la teoría más aceptada hoy día indica que Archaeopteryx era un ave terrestre. Es decir, que se desplazaba caminando por la tierra de forma habitual, pero que también era capaz de trepar a los árboles seguramente huyendo de los depredadores. En segundo lugar, se cree que el vuelo del Archaeopteryx era básico y poco sostenido: no era capaz de volar a bajas velocidades debido a la carencia de una estructura llamada álula (de la que te hablaré más adelante). 

Reconstrucción de Archaeopteryx

La biología de Archaeopteryx no arroja ninguna luz sobre el origen del vuelo de las aves. Hoy día se manejan dos teorías: la primera (teoría abajo-arriba), indica que el vuelo se desarrolló entre Aves (o Dinosurios terópodos) corredoras. Las plumas (que habían sido desarrolladas como aislante térmico en Terópodos no avianos como Sinosauropteryx, Protarchaeopteryx o Caudipteryx) mostraron capacidades aerodinámicas durante la carrera, que pudieron ayudar a aumentar la velocidad, llegando a la capacidad de volar a partir del salto. Por su parte, la teoría contraria (teoría arriba-abajo) sostiene que el vuelo se originó entre animales arborícolas: al saltar de rama en rama, las plumas mostrarían sus capacidades aerodinámicas, llegándose así al vuelo planeado. Como Archaeopteryx ha sido comparado como una paloma (ave terrestre capaz de morar también en árboles), cualquiera de las dos hipótesis ha podido hacerse realidad en él. 

Caudipteryx fue un Dinosaurio terópodo no aviano que desarrolló plumas

Si consideramos a Archaeopteryx como un “volador primitivo”, hace unos 120 millones de años aparece un grupo de aves que podemos llamar “voladoras intermedias”: hablo de Confuciusornis, Iberomesornis, Concornis y Eoalulavis. En estas aves empiezan a aparecer ciertas características anatómicas que dan mayor libertad de movimientos a las alas, incluso capaces ya de un vuelo batido muy similar a las aves modernas. Incluso, en Eoalulavis, aparece por primera vez el álula. 

Vamos, pues, a estudiar la anatomía y fisiología del vuelo de las Aves. 

Anatomía y fisiología del vuelo aviar. 

El ala 

El ala es la pieza maestra de la capacidad de vuelo de las aves. Se trata de una estructura anatómica derivada de la modificación de la extremidad anterior del Vertebrado. Si te fijas en el esqueleto, verás que el grueso de las modificaciones se encuentran en la “mano”. El brazo tiene los mismos huesos que en cualquier vertebrado no volador: el húmero, el cúbito y el radio. Sin embargo, los dedos y los metacarpianos han experimentado un cierto grado de “fusión”: subsisten sólo las puntas de tres dedos primigenios, mientras que las falanges se han fusionado en un único hueso, y los metacarpianos han iniciado ese proceso, sin finalizarlo del todo. 

Esqueleto de ala

Las alas están cubiertas de plumas, que son las responsables del grueso de la superficie de sustentación del ala. Es importante que comprendas que la superficie de las alas es directamente proporcional al peso de animal que puede transportar por el aire. Son de varios tipos: 

Remeras policiales: se insertan sobre el hueso del pulgar (uno de los dedos sobrevivientes), y constituyen el álula, una pequeña estructura semi-independiente del ala en sí, y que funciona como los alerones en el ala de un aeroplano. 

Remeras primarias: se insertan sobre los huesos de la mano: metacarpo y dedo medio. Tienen una función de primer orden en el vuelo. 

Remeras secundarias: se insertan sobre el cúbito 

Remeras terciarias: cortas y poco numerosas, se insertan a lo largo del húmero. 

Tectrices o coberteras: estas plumas completan el revestimiento y protección del ala 

Aparte de estas plumas del ala, significativas para la capacidad de volar, debo nombrarte las plumas timoneras, que se insertan en la “cola”, y que tienen una función fundamental para modificar la dirección del vuelo. En realidad, la “cola” de las aves es un pigostilo: una estructura ósea originada en la fusión de las vértebras caudales. 

Tipos de plumas en un ala

Bien, ya tenemos nuestras alas anatómicamente diseñadas y perfectamente cubiertas de plumas. Ahora estas alas hay que moverlas para volar. Y moverlas mucho. Para ello se necesitan unos músculos excepcionalmente fuertes y resistentes: 

El músculo pectoral es el principal músculo motor de las alas. Cuando te comes la pechuga de un pollo, en realidad te estás comiendo su músculo pectoral. Fíjate en lo grande que es: proporcionalmente mucho más grande que los músculos pectorales que tenemos los humanos. Para poder mover las alas con la fuerza y ritmo necesarios, el músculo pectoral debe anclarse muy bien: esto se hace en la quilla, una estructura adosada al esternón, y que proporciona una buena superficie de inserción para el músculo. Por otro lado, en el lado más alejado, se inserta sobre el húmero, donde ejercerá el movimiento de tracción. 

Musculatura del vuelo

Dentro del vuelo batido, el poderoso músculo pectoral se encarga de la fase descendente del ala, la más importante para conseguir impulso. Para mover el ala hacia arriba, en el movimiento siguiente, se encuentra el músculo supracoracoides, situado justamente debajo del pectoral. Este músculo se inserta sobre el húmero a través de un interesante logro evolutivo: un verdadero sistema de cuerda y polea al pasar el tendón principal bajo el hueso coracoides y a través de un orificio (foramen trióseo) entre las cabezas del coracoides y la escápula. Así, el supracoracoides “tira” del ala hacia arriba, en lugar de “empujarla”. 

La importancia para el vuelo de los músculos pectoral y supracoracoides es tal, que entre ambos músculos ocupan la quinta parte del peso del ave. Ya tienes, por tanto, dos claves importantes para explicar el vuelo de las aves: en primer lugar, un ala diseñada aerodinámicamente. En segundo lugar, un poderoso conjunto de músculos capaz de mover esas alas incansablemente. 

Pero, como te dije más arriba, para poder volar es necesario algo más que un par de alas y unos músculos para moverlas. Si un ave sólo tuviera estas dos cosas, ya te digo yo que no podría volar. O no, al menos, como se supone que vuela un Ave. ¿Qué otras características anatómicas y fisiológicas hacen posible el vuelo del Ave? 

Cernícalo americano Falco sparverius mostrando las álulas. Foto de Ron Dudley.

En primer lugar, el propio esqueleto del ave se ha convertido en un verdadero fuselaje: las vértebras dorsales están soldadas entre sí, y por su parte las vértebras sacras con la pelvis. En resumen, el conjunto columna dorsal-lumbar-sacra-costillas-sacro-pelvis es una estructura cilíndrica muy coherente y resistente, capaz de resistir las tensiones del vuelo mediante una sólida inserción de los músculos. 

En segundo lugar, la reducción de los pesos absoluto y específico. Si se pretende volar por el aire, se debe ser lo más ligero posible. En las aves, se han perdido las glándulas cutáneas, dientes, dedos y cola. La orina se elimina en un estado muy concentrado, lo que evita la inútil acumulación interna de agua (en forma de vejiga urinaria llena). Los huesos son neumáticos, es decir, no completamente macizos sino con una cierta cantidad de aire en su interior. Además, las trabéculas, o sea, el tejido óseo que mantiene la cohesión interna de los huesos, tiene la disposición ideal que opone el máximo de resistencia a la rotura con el mínimo de material necesario. De todos modos, debo decirte que este tema de los huesos neumáticos no parece estar necesariamente relacionado con la capacidad de volar, puesto que aves no voladoras como el kiwi tienen dicha neumatización, mientras que uno de los voladores más perfectos que hay, el albatros, no tiene los huesos neumatizados. 

A esta reducción de peso interno contribuye un sistema respiratorio extraordinario: en las Aves, la parte estrictamente respiratoria de los pulmones se reduce a un conjunto de estructuras tubulares, y otra parte muy importante de ese sistema respiratorio lo constituyen unos sacos aéreos que se distribuyen entre las vísceras y llegan a penetrar en el interior de algunos huesos. 

Finalmente, la capacidad de vuelo es muy costosa energéticamente. El continuo esfuerzo que supone el batir de alas en el vuelo exige un consumo de energía brutal. Por eso, las Aves llegaron a la homeotermia a través del vuelo (regulación interna de la temperatura), y también una elevada glicemia sanguínea (dos veces superior a los humanos). En definitiva, un metabolismo elevado, una circulación rápida y una extraordinaria presión arterial aseguran que el vuelo se mantenga durante largos periodos de tiempo. 

Leonardo da Vinci y otros pensadores antiguos imaginaron toda clase de alas mecánicas que podían ser adaptadas a la anatomía humana para poder volar como los pájaros…batiendo alas. Ahora podrás entender por qué todas estas tentativas estaban condenadas al fracaso: un par de alas, por eficientes que éstas sean, son completamente insuficientes e inútiles si no están acompañadas por toda una panoplia de modificaciones anatómicas y fisiológicas. 

Aerodinámica del vuelo de las Aves. 

Bien, pareces estar pensando, ya tenemos un par de alas, una anatomía y una fisiología perfectamente adaptadas al vuelo. Pero sigo sin saber cómo vuela un Ave. Debes tener paciencia, mi joven aprendiz, porque en este apartado voy a abordar este último tema. ¿Cómo un Ave usa todo eso para volar? 

Vaya por delante que la explicación será forzosamente general y sencilla, porque cada especie de ave tiene su forma distintiva de vuelo, que depende de muchos factores…su tamaño, su biología, su ecología. Por otro lado, existen muchos tipos de vuelo…el despegue, el paracaídas, la cernida, el planeo… Para entender cómo vuela un ave, debes entender qué fuerzas afectan a un ala en vuelo. Vamos a estudiarlas. Son cuatro fuerzas. 

Sistema de fuerzas que intervienen en el vuelo

El peso 

El peso es una fuerza que “tira” del ave hacia abajo, puesto que está dirigida hacia el centro de nuestro planeta. Es la fuerza con la que la Tierra nos atrae hacia sí. No hace falta, pues, ser ningún genio para darse cuenta de que, si quieres volar, debes anular esta fuerza. ¿Cómo? Mediante la fuerza de sustentación. 

La fuerza de sustentación 

Aquí está la clave de todo el asunto. La fuerza de sustentación se opone al peso, y “eleva” al animal por el cielo. ¿Cómo lo hace? Mediante el perfil del ala. El ala de un ave está diseñada de tal forma que, cuando se mueve a través del aire, “corta” éste en dos corrientes independientes. Una que se desliza sobre el ala y otra que se deplaza por debajo del ala. La forma del ala es tal, que consigue que el flujo de aire que pasa por encima es más suave y continuo que el flujo que pasa por debajo del ala. Esto tiene una consecuencia: la presión (que es una fuerza) que el aire de abajo ejerce sobre el ala es mayor que la presión que el aire de arriba ejerce sobre el ala. Por tanto, el ala experimenta desde abajo una fuerza que supera a la fuerza que experimenta desde arriba. Entonces aparece la fuerza de sustentación que hace que se eleve el animal. 

Perfil alar mostrando cómo se genera la fuerza de sustentación

La fuerza de resistencia 

Todo cuerpo que se mueve a través de un fluido experimenta una fuerza que se opone a su avance, y es debida al rozamiento que se produce entre el ala y el aire. 

La fuerza de impulsión o empuje 

Cuando un ave vuela, se dirige hacia algún sitio. Para mantener una dirección de vuelo, es preciso comunicar al vuelo un impulso. Este impulso lo proporcionan las plumas remeras del ala. Cuando en el vuelo batido el ala desciende hacia abajo, las plumas remeras primarias (que son las mayores) se cierran unas contra otras “remando” en el viendo y proporcionando el apoyo y el impulso necesario. Por el contrario, cuando el ala “sube” en el siguiente movimiento, estas plumas se abren para minimizar la fricción con el aire. Por tanto, es en los golpes descendentes de ala donde se genera el impulso necesario. 

El vuelo es posible sólo si existe una fuerza de impulsión y una fuerza de sustentación. 

Por último, existe otro factor necesario para el correcto sostenimiento del vuelo: el ángulo de ataque. Este es el ángulo que forma el plano del ala con la dirección de su movimiento. Para que el impulso sea efectivo, el ángulo de ataque debe mantenerse entre 0 (impulso nulo) y 15º (impulso óptimo). Si el ala se inclina más allá de los 15º, entonces el flujo de aire “choca” con el ala frenándola. Si no fuera por el álula (¿recuerdas?), el ave entraría en pérdida. El álula permite un frenado ordenado del ala cuando incrementa el ángulo de ataque. 

En un sistema de vuelo sometido a un empuje igual al propio peso, suceden tres cosas: 

1. Si la velocidad permanece constante, el empuje aumenta con el ángulo de ataque 

2. Si el ángulo de ataque es constante, el empuje crece si la velocidad aumenta. 

3. Si la velocidad disminuye, el ángulo de ataque aumenta (y viceversa) 

Todo esto es “aprendido” por el animal en el complejo comportamiento etológico que supone el aprendizaje del vuelo. 

Epílogo 

Finalmente, después de milenios de soñar con el vuelo de las aves, a partir del Renacimiento los humanos empezaron a estudiar científicamente el mecanismo del vuelo de las aves para intentar comprenderlo e imitarlo. Fue a partir de los trabajos de Otto Lilienthal cuando se pudo entender el papel del perfil del ala en la generación de la fuerza de sustentación y “fabricar” alas artificiales que aprovecharan este principio físico. 

Otto Lilienthal con uno de los planeadores de su invención

Definitivamente, en aquella neblinosa mañana de Kitty Hawk donde los hermanos Wright lograron por primera vez un vuelo con un aparato más pesado que el aire, el sueño casi se hizo realidad. Y digo “casi”, porque los humanos sólo han conseguido volar a medias: transportados dentro de artilugios voladores autopropulsados. El verdadero sueño, el de Ícaro, jamás pudo hacerse realidad. Y jamás podrá serlo.