Algunos ostracodermos –vertebrados primitivos sin aletas ni mandíbulas– colonizaron por primera vez el medio pelágico marino hace más de 400 millones de años. Estos peces optimizaron sus caparazones cefálicos para elevarse desde el fondo y moverse de manera eficiente en las aguas oceánicas, contrarrestando así su falta de aletas. Se trata del principal resultado de un estudio que colidera un equipo del Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva, ubicado en el Parc Científic de la Universitat de València, y que acaba de publicar la revista Nature Communications Biology. El trabajo se ha realizado a partir de modelos 3D de fósiles y mediante avanzadas técnicas de velocimetría digital de imágenes de partículas.
La colonización del medio pelágico –aguas medias próximas a la superficie oceánica–, por parte de los vertebrados, supuso un hito en el establecimiento de los complejos ecosistemas acuáticos. Aunque esta transición ha estado siempre relacionada con la aparición de aletas y mandíbula durante el proceso evolutivo de los peces, estudios recientes sugieren que los primeros nadadores activos que ocuparon la columna de agua fueron algunos ostracodermos, peces primitivos sin mandíbulas ni más aletas que la caudal, su propia cola. Ahora bien, el mecanismo hidrodinámico que utilizaron dichos agnatos para elevarse desde las zonas bentónicas hasta el medio pelágico permanecía sin aclarar.
El trabajo que ahora publica Nature Communications Biology desvela el mecanismo hidrodinámico que utilizaron los ostracodermos para generar fuerzas de elevación mediante sus grandes caparazones cefálicos y a partir de la generación de vórtices o torbellinos denominados LEVs (Leading Edge Vortices). Realizado conjuntamente desde la paleobiología y la ingeniería mecánica de fluidos, el estudio utilizó modelos de fósiles de más de 420 millones de años, impresos en 3D. Se sirvió, además, de la tecnología DPIV –Digital Particle Image Velocimetry-, una técnica que permite medir con precisión campos de velocidad bidimensional y que se aplicó en un entorno de túneles de agua para estudiar el flujo alrededor de las estructuras corporales de los peces.
“Al tiempo que nadaban, los peces generaban vórtices en los bordes delanteros de sus escudos cefálicos, mediante los cuales estabilizaban su nado y adquirían una capacidad de elevación sorprendente, similar a la producida en las alas delta triangulares que usan algunos de los aviones y vehículos espaciales más modernos”, comenta Héctor Botella, catedrático de Paleontología, investigador del Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva (ICBiBe), ubicado en el Parc Científic de la Universitat de València, y coautor del artículo.
“Al tiempo que nadaban, los peces generaban vórtices en los bordes delanteros de sus escudos cefálicos, mediante los cuales estabilizaban su nado y adquirían una capacidad de elevación sorprendente, similar a la producida en las alas delta triangulares que usan algunos de los aviones y vehículos espaciales más modernos”
Durante las últimas décadas la ciencia ha demostrado que los LEVs representan un mecanismo hidro-aerodinámico explotado universalmente por muchas especies. El presente estudio demuestra que los primeros vertebrados ya explotaron los LEVs hace más de 400 millones de años para suplir la carencia de apéndices móviles y colonizar la columna de agua.
Los resultados de esta investigación abren nuevas perspectivas al estudio de la evolución de los primeros vertebrados acuáticos y a su capacidad de adaptación al entorno marino pelágico. El descubrimiento de que los ostracodermos usaban principios similares a los que utilizan las alas delta en aeronáutica subraya la complejidad y diversidad de las estrategias evolutivas y puede suponer, según los autores, una fuente de de bio-inspiración para el diseño de vehículos subacuáticos.
Además de la Unidad de Paleobiología del Institut Cavanilles de Biodiversitat i Biología Evolutiva (ICBiBe) de la Universitat de València, han participado en la investigación el departamento de Paleontología de la Universidad de la República (Montevideo, Uruguay) y el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universitat Rovira i Virgili (URV, Tarragona).
Delta wing design in earliest nektonic vertebrates. Héctor Botella, Richard A. Fariña & Francisco Huera-Huarte. Communications Biology volume 7, Article number: 1153 (2024)