Las plumas de muchas aves son notablemente eficientes para arrojar agua, tanto que "como el agua en la espalda de un pato" es una expresión común. Mucho más inusuales son las plumas del vientre de la ganga de arena, especialmente la ganga de Namaqua, que absorben y retienen agua de manera tan eficiente que los pájaros machos pueden volar más de 20 kilómetros desde un abrevadero distante de regreso al nido y aun así retener suficiente agua en sus plumas para el pollitos para beber y mantenerse en los abrasadores desiertos de Namibia, Botswana y Sudáfrica.

¿Cómo funcionan esas plumas? Si bien los científicos habían inferido una imagen aproximada, se necesitaron las últimas herramientas de microscopía y un trabajo paciente con una colección de plumas de ganga para desbloquear los detalles estructurales únicos que permiten que las plumas retengan agua. Los hallazgos aparecen hoy en el Journal of the Royal Society Interface, en un artículo de Lorna Gibson, profesora de ciencia e ingeniería de materiales de Matoula S. Salapatas y profesora de ingeniería mecánica en el MIT, y el profesor Jochen Mueller de la Universidad Johns Hopkins.

La capacidad única de transportar agua de las plumas de ganga fue reportada por primera vez en 1896, dice Gibson, por EGB Meade-Waldo, quien estaba criando aves en cautiverio. “Él los vio comportarse así, ¡y nadie le creyó! Quiero decir, sonaba tan extravagante”, dice Gibson.

En 1967, Tom Cade y Gordon MacLean informaron observaciones detalladas de las aves en los abrevaderos, en un estudio que demostró que el comportamiento único era real. Los científicos descubrieron que las plumas de ganga macho podían contener alrededor de 25 mililitros de agua, o alrededor de una décima parte de una taza, después de que el ave pasara unos cinco minutos sumergiéndose en el agua y esponjando sus plumas.

Alrededor de la mitad de esa cantidad puede evaporarse durante el vuelo de media hora del ave macho de regreso al nido, donde los polluelos, que no pueden volar durante su primer mes, beben el resto directamente de las plumas.

Cade y MacLean "tenían parte de la historia", dice Gibson, pero las herramientas no existían en ese momento para llevar a cabo la imagen detallada de las estructuras de las plumas que el nuevo estudio pudo hacer.

Gibson y Mueller llevaron a cabo su estudio utilizando microscopía electrónica de barrido, microtomografía computarizada e imágenes de video. Tomaron prestadas las plumas del vientre de la ganga Namaqua del Museo de Zoología Comparada de la Universidad de Harvard, que tiene una colección de especímenes de alrededor del 80 por ciento de las aves del mundo.

Las plumas de las aves en general tienen un eje central, desde el cual se extienden púas más pequeñas, y luego se extienden bárbulas más pequeñas. Sin embargo, las plumas de ganga tienen una estructura diferente. En la zona interna de la pluma, las bárbulas tienen una estructura enrollada helicoidalmente cerca de su base y luego una extensión recta. En la zona exterior de la pluma, las bárbulas carecen de espiral helicoidal y son simplemente rectas. Ambas partes carecen de los surcos y ganchos que mantienen unida la veleta de las plumas de contorno en la mayoría de las otras aves.

El video, con mayor aumento, del agua que se extiende a través de las plumas especializadas de la ganga de arena muestra cómo se desenrollan y se extienden las bárbulas de las plumas a medida que se mojan. Inicialmente, la mayoría de las bárbulas en la zona exterior de la pluma forman características tubulares.

Crédito: Espécimen n.° 142928, Museo de Zoología Comparada, Universidad de Harvard © President and Fellows of Harvard College.

Cuando se humedecen, las partes enrolladas de las bárbulas se desenrollan y giran para quedar perpendiculares a la veleta, produciendo un denso bosque de fibras que pueden retener agua a través de la acción capilar. Al mismo tiempo, las bárbulas de la zona exterior se enroscan hacia adentro, lo que ayuda a retener el agua.

Las técnicas de microscopía utilizadas en el nuevo estudio permitieron medir las dimensiones de las diferentes partes de la pluma. En la zona interior, los ejes de las púas son lo suficientemente grandes y rígidos para proporcionar una base rígida sobre la cual se deforman las otras partes de la pluma, y ​​las bárbulas son lo suficientemente pequeñas y flexibles para que la tensión superficial sea suficiente para doblar las extensiones rectas en forma de lágrima. estructuras que retienen agua. Y en la zona exterior, los ejes de las púas y las bárbulas son aún más pequeños, lo que les permite enrollarse alrededor de la zona interior, reteniendo aún más el agua.

Si bien el trabajo anterior había sugerido que la tensión superficial producía las características de retención de agua, "lo que hicimos fue medir las dimensiones y hacer algunos cálculos para mostrar que eso es lo que realmente está sucediendo", dice Gibson. El trabajo de su grupo demostró que la rigidez variable de las diferentes partes de las plumas juega un papel clave en su capacidad para retener agua.

El estudio fue impulsado principalmente por la curiosidad intelectual sobre este fenómeno de comportamiento único, dice Gibson. “Solo queríamos ver cómo funciona. Toda la historia parecía tan interesante”. Pero ella dice que podría conducir a algunas aplicaciones útiles. Por ejemplo, en las regiones desérticas donde el agua escasea pero la niebla y el rocío ocurren regularmente, como en el desierto de Atacama en Chile, se podría incorporar alguna adaptación de esta estructura de plumas en los sistemas de enormes redes que se utilizan para recolectar agua. “Se podría imaginar que esta podría ser una forma de mejorar esos sistemas”, dice ella. “Un material con este tipo de estructura podría ser más efectivo para recolectar niebla y retener el agua”.

El trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias y la Cátedra Matoula S. Salapatas en Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT.