¿Por qué respiran las aves mejor que nosotros?

El descubrimiento de los investigadores te dejará boquiabierto

Las aves respiran con mayor eficiencia que los humanos debido a la estructura de sus pulmones, vías respiratorias en bucle que facilitan los flujos de aire que van en una dirección, ha descubierto un equipo de investigadores a través de una serie de experimentos de laboratorio y simulaciones.

El estudio, realizado por investigadores de la Universidad de Nueva York y el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, también apunta a formas más inteligentes de bombear fluidos y controlar los flujos en aplicaciones como los ventiladores respiratorios.

"A diferencia del aire que fluye profundamente en las ramas de nuestros pulmones, que oscilan hacia adelante y hacia atrás cuando inhalamos y exhalamos, el flujo se mueve en una sola dirección en los pulmones de las aves incluso cuando inhalan y exhalan", explica Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York y autor principal del estudio.

"Esto les permite realizar la actividad más difícil y energéticamente costosa de cualquier animal: pueden volar y pueden hacerlo a través de océanos enteros y continentes enteros y en elevaciones tan altas como el Monte Everest, donde el oxígeno es extremadamente escaso".

"La clave es que los pulmones de las aves están formados por vías respiratorias en bucle, no solo las ramas y la estructura en forma de árbol de nuestros pulmones, y descubrimos que esto conduce a flujos unidireccionales o dirigidos alrededor de los bucles", agrega Ristroph. "Este viento ventila incluso los rincones más profundos de los pulmones y trae aire fresco".

El flujo de aire unidireccional en los sistemas respiratorios de las aves se descubrió hace un siglo. Pero lo que seguía siendo un misterio era una explicación de la aerodinámica detrás de este eficiente sistema de respiración.

Para explorar esto, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos que imitaban la respiración de las aves en el Laboratorio de Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Nueva York.

Para los experimentos, construyeron tuberías llenas de agua, para replicar el flujo de aire, y doblaron la tubería para imitar la estructura en forma de bucle de los pulmones de las aves, similar a la forma en que las autopistas están conectadas por rampas de entrada y salida. Los investigadores mezclaron micropartículas en el agua, lo que les permitió seguir la dirección del flujo de agua.

Estos experimentos mostraron que los movimientos de ida y vuelta generados por la respiración se transformaron en flujos unidireccionales alrededor de los bucles.

"Esto es, en esencia, lo que sucede dentro de los pulmones, pero ahora podríamos ver y medir, y así entender, lo que estaba sucediendo", explica Ristroph, director del Laboratorio de Matemáticas Aplicadas. "La forma en que esto se desarrolla es que la red tiene bucles y, por lo tanto, cruces, que son un poco como 'bifurcaciones en la carretera' donde los flujos pueden elegir qué ruta tomar".

Luego, los científicos utilizaron simulaciones por computadora para reproducir los resultados experimentales y comprender mejor los mecanismos.

"La inercia tiende a hacer que los flujos sigan en línea recta en lugar de girar por una calle lateral, que se ve obstruida por un vórtice", explica el profesor asistente y coautor del NJIT, Anand Oza. "Esto termina conduciendo a flujos unidireccionales y circulación alrededor de los bucles debido a cómo están conectadas las uniones en la red".

Ristroph señala varios usos potenciales de ingeniería para estos hallazgos.

"Dirigir, controlar y bombear fluidos es un objetivo muy común en muchas aplicaciones, desde el cuidado de la salud hasta el procesamiento químico y los sistemas de combustible, lubricante y refrigerante en todo tipo de maquinaria", observa. "En todos estos casos, necesitamos bombear fluidos en direcciones específicas para propósitos específicos, y ahora hemos aprendido de las aves una forma completamente nueva de lograr esto que esperamos pueda usarse en nuestras tecnologías".

Los hallazgos aparecerán el viernes 19 de marzo en la revista Physical Review Letters