Locomoção aquática - Aquatic locomotion

A locomoção aquática é o movimento biologicamente impulsionado através de um meio líquido . Os sistemas de propulsão mais simples são compostos de cílios e flagelos . A natação evoluiu várias vezes em uma variedade de organismos, incluindo artrópodes , peixes , moluscos , répteis , pássaros e mamíferos .

Evolução da natação

A natação evoluiu várias vezes em linhagens não relacionadas. Supostos fósseis de medusas ocorrem no Ediacaran , mas os primeiros animais de natação livre aparecem no Cambriano Inferior ao Médio . Estes estão principalmente relacionados com os artrópodes e incluem os Anomalocaridídeos , que nadam por meio de lobos laterais de uma forma que lembra os chocos de hoje . Os cefalópodes se juntaram às fileiras do nekton no final do Cambriano, e os cordados provavelmente estavam nadando do Cambriano Primitivo. Muitos animais terrestres retêm alguma capacidade de nadar, porém alguns voltaram para a água e desenvolveram a capacidade de locomoção aquática. A maioria dos macacos (incluindo humanos), no entanto, perdeu o instinto de natação .

Em 2013, Pedro Renato Bender, pesquisador do Instituto de Evolução Humana da Universidade de Witwatersrand , propôs uma teoria para explicar a perda desse instinto. Denominada a hipótese do último ancestral comum do Saci (após Saci , um personagem do folclore brasileiro que não pode cruzar as barreiras da água), ela sustenta que a perda da habilidade de natação instintiva em macacos é mais bem explicada como uma consequência de restrições relacionadas à adaptação à vida arbórea em o último ancestral comum dos macacos. Bender formulou a hipótese de que o macaco ancestral evitava cada vez mais corpos de águas profundas quando os riscos de exposição à água eram claramente maiores do que as vantagens de cruzá-los. Uma diminuição do contato com corpos d'água poderia ter levado ao desaparecimento do instinto canino de remo .

Microorganismos

Bacteriana

Ciliados

Os ciliados usam pequenos flagelos chamados cílios para se moverem na água. Um ciliado geralmente tem centenas a milhares de cílios densamente agrupados em matrizes. Durante o movimento, um cílio individual se deforma usando um golpe de força de alta fricção seguido por um golpe de recuperação de baixo atrito. Como existem vários cílios agrupados em um organismo individual, eles exibem um comportamento coletivo em um ritmo metacrônico . Isso significa que a deformação de um cílio está em fase com a deformação de seu vizinho, causando ondas de deformação que se propagam ao longo da superfície do organismo. Essas ondas de propagação de cílios são o que permitem ao organismo usar os cílios de maneira coordenada para se mover. Um exemplo típico de microorganismo ciliado é o Paramecium , um protozoário unicelular ciliado coberto por milhares de cílios. Os cílios batendo juntos permitem que o Paramecium se propague através da água a velocidades de 500 micrômetros por segundo.

O flagelo de uma bactéria Gram-negativa é girado por um motor molecular em sua base
Espermatozóides de salmão para propagação artificial

Flagelados

Certos organismos, como bactérias e espermatozóides de animais, possuem flagelo que desenvolveu uma maneira de se mover em ambientes líquidos. Um modelo de motor rotativo mostra que as bactérias usam os prótons de um gradiente eletroquímico para mover seus flagelos. O torque nos flagelos das bactérias é criado por partículas que conduzem prótons ao redor da base do flagelo. A direção de rotação dos flagelos nas bactérias vem da ocupação dos canais de prótons ao longo do perímetro do motor flagelar.

O movimento do esperma é chamado de motilidade do esperma . O meio do espermatozóide mamífero contém mitocôndrias que impulsionam o movimento do flagelo do esperma. O motor ao redor da base produz torque, assim como nas bactérias para o movimento no ambiente aquoso.

Pseudópodes

O movimento usando um pseudópode é realizado por meio de aumentos de pressão em um ponto da membrana celular . Este aumento de pressão é o resultado da polimerização da actina entre o córtex e a membrana. À medida que a pressão aumenta, a membrana celular é empurrada para fora, criando o pseudópode. Quando o pseudópode se move para fora, o resto do corpo é puxado para a frente pela tensão cortical. O resultado é o movimento da célula através do meio fluido . Além disso, a direção do movimento é determinada por quimiotaxia . Quando a quimioatração ocorre em uma área específica da membrana celular , a polimerização da actina pode começar e mover a célula nessa direção. Um excelente exemplo de organismo que utiliza pseudópodes é Naegleria fowleri .

Uma Animação Simples

Invertebrados

Remada de camarão com pernas nadadoras especiais ( pleópodes )
Daphnia nada batendo em suas antenas

Entre os radiata , água-viva e seus parentes, a principal forma de nadar é flexionar o corpo em forma de xícara. Todas as águas - vivas nadam livremente, embora muitas delas passem a maior parte do tempo nadando passivamente. A natação passiva é semelhante ao vôo livre; o organismo flutua, usando correntes onde pode, e não exerce nenhuma energia para controlar sua posição ou movimento. A natação ativa, em contraste, envolve o gasto de energia para viajar até um local desejado.

Na bilateria , existem muitos métodos de natação. Os vermes-flecha ( chaetognatha ) ondulam seus corpos com barbatanas, assim como os peixes. Os nematóides nadam ondulando seus corpos sem barbatanas. Alguns grupos de artrópodes podem nadar - incluindo muitos crustáceos . A maioria dos crustáceos, como o camarão , normalmente nadará remando com pernas de natação especiais ( pleópodes ). Os caranguejos nadadores nadam com pernas modificadas ( pereiópodes ). Daphnia , um crustáceo, nada batendo em suas antenas.

Existem também várias formas de moluscos nadadores . Muitas lesmas - do - mar que nadam livremente , como os anjos-do-mar , agitam-se em estruturas semelhantes a barbatanas. Alguns moluscos com casca, como as vieiras, podem nadar brevemente batendo palmas com as duas conchas abertas e fechadas. Os moluscos mais evoluídos para a natação são os cefalópodes . Os caracóis-do-mar violetas exploram uma jangada de espuma flutuante estabilizada por mucinas anfifílicas para flutuar na superfície do mar.

Entre os Deuterostomia também existem vários nadadores. Estrelas de penas podem nadar ondulando seus muitos braços. Beautiful Swimming Feather Star en MSN Video . Salps se movem bombeando águas através de seus corpos gelatinosos. Os deuterostômios mais evoluídos para a natação são encontrados entre os vertebrados , notadamente os peixes .

Jato-Propulsão

Os polvos nadam de cabeça, com os braços atrás
Medusas pulsam seu sino para um tipo de locomoção a jato
As vieiras nadam batendo palmas com as duas conchas abertas e fechadas

A propulsão a jato é um método de locomoção aquática em que os animais preenchem uma cavidade muscular e esguicham água para impulsioná-los na direção oposta da água que esguicha. A maioria dos organismos está equipada com um de dois designs para propulsão a jato; eles podem tirar água da retaguarda e expeli-la pela retaguarda, como águas-vivas, ou retirar água da frente e expelir por trás, como salpas. O preenchimento da cavidade aumenta tanto a massa quanto o arrasto do animal. Por causa da extensão da cavidade em contração, a velocidade do animal flutua conforme ele se move através da água, acelerando ao expelir a água e desacelerando ao aspirar a água. Embora essas flutuações no arrasto e na massa possam ser ignoradas se a frequência dos ciclos de propulsão a jato for alta o suficiente, a propulsão a jato é um método relativamente ineficiente de locomoção aquática.

Todos os cefalópodes podem se mover por propulsão a jato , mas essa é uma forma de viajar que consome muita energia em comparação com a propulsão de cauda usada pelos peixes. A eficiência relativa da propulsão a jato diminui ainda mais à medida que o tamanho do animal aumenta. Desde o Paleozóico, como a competição com peixes produzia um ambiente onde o movimento eficiente era crucial para a sobrevivência, a propulsão a jato assumiu um papel traseiro, com nadadeiras e tentáculos usados ​​para manter uma velocidade constante. O movimento stop-start fornecido pelos jatos, no entanto, continua a ser útil para fornecer rajadas de alta velocidade - não menos importante ao capturar presas ou evitar predadores. Na verdade, isso torna os cefalópodes os invertebrados marinhos mais rápidos, e eles podem acelerar a maioria dos peixes. A água oxigenada é levada para a cavidade do manto até as guelras e, por meio da contração muscular dessa cavidade, a água gasta é expelida pelo hiponoma , criado por uma dobra no manto. O movimento dos cefalópodes geralmente é para trás, pois a água é forçada para fora anteriormente pelo hiponoma, mas a direção pode ser controlada de alguma forma apontando-a em diferentes direções. A maioria dos cefalópodes flutua (ou seja, flutuam de maneira neutra ), portanto, não precisam nadar para flutuar. As lulas nadam mais devagar do que os peixes, mas usam mais energia para gerar sua velocidade. A perda de eficiência deve-se à quantidade de água que a lula consegue acelerar para fora da cavidade do manto.

As medusas usam um design de cavidade de água unilateral que gera uma fase de ciclos contínuos de propulsão a jato seguida por uma fase de repouso. A eficiência de Froude é de cerca de 0,09, o que indica um método de locomoção muito caro. O custo metabólico de transporte da água-viva é alto quando comparado ao de um peixe de igual massa.

Outros animais propelidos a jato têm problemas semelhantes de eficiência. As vieiras , que usam um design semelhante às águas-vivas, nadam abrindo e fechando rapidamente suas conchas, o que puxa a água e a expele por todos os lados. Essa locomoção é usada como meio de escapar de predadores como estrelas do mar . Posteriormente, a concha atua como um hidrofólio para neutralizar a tendência de afundamento da vieira. A eficiência de Froude é baixa para esse tipo de movimento, cerca de 0,3, por isso é usado como mecanismo de fuga de emergência de predadores. No entanto, a quantidade de trabalho que a vieira tem que fazer é atenuada pela dobradiça elástica que conecta as duas conchas do bivalve. As lulas nadam puxando água para a cavidade do manto e expelindo-a pelo sifão. A eficiência Froude de seu sistema de propulsão a jato é em torno de 0,29, o que é muito menor do que um peixe da mesma massa.

Muito do trabalho realizado pelos músculos das vieiras para fechar sua concha é armazenado como energia elástica no tecido abdutino, que atua como uma mola para abrir a concha. A elasticidade faz com que o trabalho feito contra a água seja baixo por causa das grandes aberturas que a água tem que entrar e das pequenas aberturas que a água tem que sair. O trabalho inercial da propulsão a jato em vieiras também é baixo. Por causa do baixo trabalho inercial, a economia de energia criada pelo tecido elástico é tão pequena que é desprezível. As medusas também podem usar sua mesoglea elástica para alargar seu sino. Seu manto contém uma camada de músculo imprensada entre fibras elásticas. As fibras musculares percorrem o sino circunferencialmente, enquanto as fibras elásticas percorrem o músculo e ao longo das laterais do sino para evitar o alongamento. Depois de fazer uma única contração, o sino vibra passivamente na frequência ressonante para reabastecer o sino. Porém, ao contrário das vieiras, o trabalho inercial é semelhante ao trabalho hidrodinâmico devido à forma como as medusas expelem a água - através de uma grande abertura em baixa velocidade. Por causa disso, a pressão negativa criada pela cavidade vibratória é menor que a pressão positiva do jato, o que significa que o trabalho inercial do manto é pequeno. Assim, a propulsão a jato é mostrada como uma técnica de natação ineficiente.

Peixe

Os peixes de águas abertas , como este atum rabilho do Atlântico , são geralmente aerodinâmicos para a velocidade em linha reta, com uma cauda profundamente bifurcada e um corpo liso em forma de um fuso afilado em ambas as extremidades.
Muitos peixes de recife, como este peixe- anjo-rainha , têm o corpo achatado como uma panqueca, com nadadeiras peitorais e pélvicas que agem com o corpo achatado para maximizar a capacidade de manobra.

Muitos peixes nadam na água criando ondulações com seus corpos ou oscilando suas nadadeiras . As ondulações criam componentes de impulso para frente complementados por uma força para trás, forças laterais que são porções perdidas de energia e uma força normal que está entre o impulso para frente e a força lateral. Peixes diferentes nadam ondulando diferentes partes de seus corpos. Os peixes em forma de enguia ondulam todo o seu corpo em sequências rítmicas. Peixes aerodinâmicos, como o salmão, ondulam as porções caudais de seus corpos. Alguns peixes, como tubarões, usam barbatanas rígidas e fortes para criar sustentação dinâmica e se propelirem. É comum que os peixes usem mais de uma forma de propulsão, embora eles exibam um modo dominante de natação. Mudanças na marcha foram observadas em peixes juvenis de recife de vários tamanhos. Dependendo de suas necessidades, os peixes podem alternar rapidamente entre batimentos sincronizados das nadadeiras e batimentos alternados das nadadeiras.

De acordo com o Guinness World Records 2009 , o Hippocampus zosterae (o cavalo-marinho anão) é o peixe que se move mais lentamente, com uma velocidade máxima de cerca de 5 pés (150 cm) por hora. Eles nadam muito mal, agitando rapidamente uma nadadeira dorsal e usando nadadeiras peitorais (localizadas atrás de seus olhos) para orientar. Os cavalos-marinhos não têm nadadeira caudal .

Propulsão da nadadeira caudal (BCF)

  • Anguiliformes: nadadores anguiliformes são tipicamente nadadores lentos. Eles ondulam a maior parte do corpo e usam a cabeça como fulcro para a carga que estão movendo. Em qualquer ponto durante sua ondulação, seu corpo tem uma amplitude entre 0,5-1,0 comprimentos de onda. A amplitude pela qual movem seu corpo permite que eles nadem para trás. A locomoção anguiliforme é geralmente vista em peixes com corpos longos e delgados, como enguias , lampreias , peixes-remos e várias espécies de bagres .
  • Subcarangiforme, carangiforme, tuniforme: esses nadadores ondulam a metade posterior do corpo e são muito mais rápidos do que os anguiliformes. Em qualquer ponto enquanto eles estão nadando, um comprimento de onda <1 pode ser visto no padrão de ondulação do corpo. Alguns nadadores carangiformes incluem tubarões-lixa, tubarões-bambu e tubarões-de-recife. Os nadadores Thunniform são muito rápidos e alguns nadadores Thunniform comuns incluem atum, tubarões brancos, salmão, macacos e tubarões mako. Nadadores tuniformes apenas ondulam sua nadadeira caudal de alta razão de aspecto , então eles geralmente são muito rígidos para empurrar mais água para fora do caminho.
  • Ostraciiformes: nadadores ostraciiformes oscilam sua região caudal, tornando-os nadadores relativamente lentos. Boxfish, torpedos e momyrs empregam locomoção Ostraciiforme. O peixe-vaca usa a locomoção Osctraciiforme para pairar na coluna d'água.

Propulsão de nadadeira pareada mediana (MPF)

  • Tetraodoniforme, Balistiforme, Diodontiforme: Esses nadadores oscilam suas nadadeiras medianas. Eles nadam normalmente devagar, e alguns exemplos notáveis ​​incluem o peixe-lua oceânico (que tem nadadeiras anal e dorsal extremamente modificadas), o baiacu e o peixe-porco.
  • Rajiform, Amiiform, Gymnotiform: Este modo locomotor é realizado pela ondulação das nadadeiras peitorais e medianas. Durante seu padrão de ondulação, um comprimento de onda> 1 pode ser visto em suas nadadeiras. Eles costumam ser nadadores lentos a moderados, e alguns exemplos incluem arraias, peixes-borboleta e peixes-faca. O peixe-faca fantasma negro é um nadador Gymnotiform que possui uma barbatana ventral muito longa. O empuxo é produzido pela passagem de ondas pela barbatana da fita enquanto o corpo permanece rígido. Isso também permite que o peixe-faca fantasma nade em ré.
  • Labriform: nadadores labriform também são nadadores lentos. Eles oscilam suas nadadeiras peitorais para criar impulso. Barbatanas oscilantes criam impulso quando um vórtice inicial é desprendido da borda posterior da barbatana. Conforme a folha se afasta do vórtice inicial, o efeito desse vórtice diminui, enquanto a circulação ligada permanece, produzindo elevação. A natação labriforme pode ser vista como iniciando e parando continuamente. Wrasses e surf perch são nadadores Labriform comuns.

Hydrofoils

O tubarão-leopardo inclina suas nadadeiras peitorais para que se comportem como hidrofólios para controlar o passo do animal

Hydrofoils , ou barbatanas , são usados ​​para empurrar contra a água para criar uma força normal para fornecer impulso, impulsionando o animal através da água. Tartarugas marinhas e pinguins venceram seus hidrofólios emparelhados para criar sustentação. Algumas barbatanas emparelhadas, como as barbatanas peitorais dos tubarões-leopardo, podem ser anguladas em vários graus para permitir que o animal suba, desça ou mantenha seu nível na coluna de água. A redução da área da superfície das aletas ajuda a minimizar o arrasto e, portanto, aumenta a eficiência. Independentemente do tamanho do animal, em qualquer velocidade particular, a sustentação máxima possível é proporcional a (área da asa) x (velocidade) 2 . Golfinhos e baleias têm hidrofólios caudais grandes e horizontais, enquanto muitos peixes e tubarões possuem hidrofólios caudais verticais. Os botos (vistos em cetáceos, pinguins e pinípedes) podem economizar energia se estiverem se movendo rapidamente. Como o arrasto aumenta com a velocidade, o trabalho necessário para nadar a distância da unidade é maior em velocidades mais altas, mas o trabalho necessário para pular a distância da unidade é independente da velocidade. As focas impulsionam-se através da água com a cauda caudal, enquanto os leões marinhos impulsionam-se apenas com as barbatanas peitorais.

Natação movida a arrasto

Os peixes que se movem mais lentamente são os cavalos-marinhos , frequentemente encontrados em recifes

Tal como acontece com o movimento através de qualquer fluido, o atrito é criado quando as moléculas do fluido colidem com o organismo. A colisão causa resistência aos peixes em movimento, razão pela qual muitos peixes têm formas aerodinâmicas. Formas aerodinâmicas trabalham para reduzir o arrasto, orientando objetos alongados paralelamente à força de arrasto, permitindo, portanto, que a corrente passe e afunde a extremidade do peixe. Esta forma simplificada permite um uso mais eficiente da locomoção de energia. Alguns peixes de formato achatado podem tirar vantagem do arrasto de pressão por terem uma superfície inferior plana e uma superfície superior curva. O arrasto de pressão criado permite a elevação do peixe para cima.

Apêndices de organismos aquáticos os impulsionam em dois mecanismos principais e biomecanicamente extremos. Alguns usam a natação movida por sustentação, que pode ser comparada a voar quando os apêndices batem como asas e reduzem o arrasto na superfície do apêndice. Outros usam o nado puxado por arrasto, que pode ser comparado aos remos que remam um barco, com movimento no plano horizontal, ou remo, com movimento no plano parassagital.

Os nadadores de arrasto usam um movimento cíclico no qual empurram a água para trás em uma braçada de força e retornam seus membros para a frente no retorno ou na braçada de recuperação. Quando eles empurram a água diretamente para trás, isso move seu corpo para a frente, mas quando eles retornam seus membros à posição inicial, eles empurram a água para frente, o que os puxará para trás em algum grau, e assim se opõe à direção para a qual o corpo está indo. Essa força oposta é chamada de arrasto . O arrasto da braçada de retorno faz com que os nadadores de arrasto empreguem estratégias diferentes das dos nadadores de levantamento. Reduzir o arrasto no curso de retorno é essencial para otimizar a eficiência. Por exemplo, os patos nadam na água espalhando as teias dos pés à medida que movem a água de volta e, quando voltam os pés para a frente, juntam as teias para reduzir a subsequente atração da água para a frente. As pernas dos besouros aquáticos têm pequenos pêlos que se espalham para pegar e mover a água de volta na braçada, mas ficam planas enquanto o apêndice avança na braçada de retorno. Além disso, um lado da perna do besouro aquático é mais largo do que os outros e é mantido perpendicular ao movimento ao empurrar para trás, mas a perna gira quando o membro retorna para frente, então o lado mais fino pega menos água.

Os nadadores de arrasto experimentam uma eficiência reduzida na natação devido à resistência que afeta sua velocidade ideal. Quanto menos arrasto um peixe experimenta, mais ele será capaz de manter velocidades mais altas. A morfologia dos peixes pode ser projetada para reduzir o arrasto, como simplificar o corpo. O custo de transporte é muito mais alto para o nadador de arrasto e, ao se desviar de sua velocidade ideal, o nadador de arrasto é energicamente tenso muito mais do que o nadador de levantamento. Existem processos naturais para otimizar o uso de energia e acredita-se que os ajustes das taxas metabólicas podem compensar em parte as desvantagens mecânicas.

Animais semi-aquáticos em comparação com animais totalmente aquáticos exibem exacerbação de arrasto. O design que lhes permite funcionar fora da água limita a eficiência possível de ser alcançada na água. Na água, a natação na superfície os expõe ao arrasto das ondas resistivas e está associada a um custo mais alto do que a natação submersa. Nadar abaixo da superfície os expõe à resistência devido aos golpes de retorno e à pressão, mas principalmente ao atrito. O arrasto de fricção é devido às características de viscosidade e morfologia do fluido. O arrasto de pressão é devido à diferença do fluxo de água ao redor do corpo e também é afetado pela morfologia corporal. Os organismos semi-aquáticos encontram forças resistivas aumentadas quando dentro ou fora da água, uma vez que não são especializados em nenhum dos habitats. A morfologia de lontras e castores, por exemplo, deve atender às necessidades de ambos os ambientes. Seu pelo diminui o alongamento e cria arrasto adicional. O ornitorrinco pode ser um bom exemplo de um intermediário entre nadadores de arrasto e elevador, porque foi demonstrado que ele tem um mecanismo de remo que é semelhante à oscilação peitoral baseada em elevação. Os membros dos organismos semi-aquáticos são reservados para uso na terra e usá-los na água não só aumenta o custo da locomoção, mas os limita aos modos baseados em arrasto. Embora sejam menos eficientes, os nadadores de arrasto são capazes de produzir mais empuxo em baixas velocidades do que os nadadores de levantamento. Eles também são considerados melhores para manobrabilidade devido ao grande impulso produzido.

Anfíbios

Sapo comum ( Bufo bufo ) nadando

A maioria dos anfíbios tem um estado larval, que herdou o movimento anguiliforme, e uma cauda comprimida lateralmente para acompanhá-lo, dos ancestrais dos peixes. As formas adultas de tetrápodes correspondentes, mesmo na subclasse de Urodeles que retêm a cauda , são às vezes aquáticas em uma extensão insignificante (como no gênero Salamandra , cuja cauda perdeu sua adequação para propulsão aquática), mas a maioria dos Urodeles , de as salamandras gigantes da salamandra Megalobatrachus, retêm uma cauda comprimida lateralmente para uma vida que é aquática em um grau considerável, que pode ser usada em um movimento carangiforme.

Dos anfíbios sem cauda (as rãs e sapos da subclasse Anura ), a maioria é aquática em uma extensão insignificante na vida adulta, mas naquela minoria considerável que é principalmente aquática encontramos pela primeira vez o problema de adaptação dos animais sem cauda. estrutura de tetrápode para propulsão aquática. O modo que eles usam não está relacionado a nenhum usado pelos peixes. Com suas pernas traseiras flexíveis e pés palmados, eles executam algo parecido com os movimentos das pernas de um "movimento de peito" humano, de forma bastante mais eficiente porque as pernas são mais alongadas.

Répteis

Crocodilo do Nilo ( Crocodylus niloticus ) nadando

Do ponto de vista da propulsão aquática, a descendência dos modernos membros da classe Reptilia de Anfíbios de cauda arcaica é mais óbvia no caso da ordem Crocodilia ( crocodilos e crocodilos ), que usam suas caudas profundas e comprimidas lateralmente de uma forma essencialmente carangiforme modo de propulsão (ver Locomoção dos peixes # Carangiforme ).

Terrestres cobras , apesar da sua 'mau' forma hidromecânica com secção transversal aproximadamente circular e posterior conicidade gradual, nadar bastante facilmente quando necessário, por um sistema de propulsão anguilliform (ver locomoção dos peixes # anguilliform ).

Os cheloniidae (verdadeiras tartarugas ) encontraram uma bela solução para o problema dos tetrápodes nadando através do desenvolvimento de seus membros anteriores em nadadeiras com formato de asa de alta proporção, com as quais eles imitam o modo de propulsão de um pássaro com mais precisão do que as próprias raias .

Tartaruga verde havaiana imatura em águas rasas

Locomoção de nadadeiras e nadadeiras

Anatomia esquelética comparativa de uma foca otariídea típica e uma foca fócida típica

Répteis aquáticos como tartarugas marinhas (veja também tartarugas ) e espécies extintas como os Pliosauróides usam predominantemente suas nadadeiras peitorais para se propelirem através da água e suas nadadeiras pélvicas para manobra. Durante a natação, eles movem suas nadadeiras peitorais em um movimento dorso-ventral , causando movimento para frente. Durante a natação, eles giram suas nadadeiras dianteiras para diminuir o arrasto através da coluna de água e aumentar a eficiência. As tartarugas marinhas recém-nascidas exibem várias habilidades comportamentais que ajudam a se orientar em direção ao oceano, bem como a identificar a transição da areia para a água. Se girados na direção de inclinação, guinada ou rotação, os filhotes são capazes de neutralizar as forças que atuam sobre eles, corrigindo-os com suas nadadeiras peitorais ou pélvicas e redirecionando-se para o oceano aberto.

Entre os mamíferos, os otariídeos ( focas ) nadam principalmente com suas nadadeiras dianteiras, usando as nadadeiras traseiras para guiar, e os focídeos ( focas verdadeiras ) movem as nadadeiras traseiras lateralmente, empurrando o animal através da água.

Reações de fuga

Representação animada de lagosta

Alguns artrópodes, como lagostas e camarões , podem se impulsionar para trás rapidamente sacudindo a cauda, ​​o que é conhecido como lagosta ou reação de fuga dos caridóides .

Variedades de peixes, como teleósteos, também usam começos rápidos para escapar de predadores. As partidas rápidas são caracterizadas pela contração muscular de um lado do peixe, torcendo-o em forma de C. Depois, a contração muscular ocorre no lado oposto para permitir que o peixe entre em um estado de natação estável com ondas de ondulação viajando ao longo do corpo. A força do movimento de flexão vem de fibras musculares de contração rápida localizadas na região central do peixe. O sinal para realizar essa contração vem de um conjunto de células de Mauthner que enviam simultaneamente um sinal para os músculos de um lado do peixe. As células de Mauthner são ativadas quando algo assusta o peixe e pode ser ativado por estímulos visuais ou sonoros.

As partidas rápidas são divididas em três estágios. O estágio um, chamado de golpe preparatório, é caracterizado pela curvatura inicial para a forma de C com pequeno retardo causado pela resistência hidrodinâmica. O estágio dois, o golpe de propulsão, envolve o corpo se curvando rapidamente para o outro lado, o que pode ocorrer várias vezes. O estágio três, a fase de repouso, faz com que os peixes voltem ao nado de estado estacionário normal e as ondulações do corpo comecem a cessar. Músculos grandes localizados mais próximos à porção central do peixe são mais fortes e geram mais força do que os músculos da cauda. Essa assimetria na composição muscular causa ondulações corporais que ocorrem no Estágio 3. Depois que o início rápido é concluído, a posição do peixe tem um certo nível de imprevisibilidade, o que ajuda os peixes a sobreviverem contra predadores.

A taxa de curvatura do corpo é limitada pela resistência contida na inércia de cada parte do corpo. No entanto, essa inércia auxilia o peixe na criação de propulsão como resultado do impulso criado contra a água. A propulsão para a frente criada a partir do C-starts, e da natação em estado estacionário em geral, é o resultado do corpo do peixe empurrando contra a água. Ondas de ondulação criam impulso para trás contra a água, fornecendo o impulso para frente necessário para empurrar o peixe para a frente.

Eficiência

A eficiência de propulsão de Froude é definida como a relação entre a potência de saída e a potência de entrada:

nf = 2 U 1 / ( U 1 + U 2 )

onde U1 = velocidade do fluxo livre e U2 = velocidade do jato. Uma boa eficiência para a propulsão carangiforme está entre 50 e 80%.

Minimizando o arrasto

As diferenças de pressão ocorrem fora da camada limite dos organismos nadadores devido à interrupção do fluxo ao redor do corpo. A diferença nas superfícies a montante e a jusante do corpo é o arrasto de pressão , que cria uma força a jusante no objeto. O arrasto de fricção, por outro lado, é resultado da viscosidade do fluido na camada limite . Turbulência mais alta causa maior resistência ao atrito.

O número de Reynolds (Re) é a medida das relações entre as forças inerciais e viscosas no fluxo ((comprimento do animal x velocidade do animal) / viscosidade cinemática do fluido). O fluxo turbulento pode ser encontrado em valores Re mais altos, onde a camada limite separa e cria uma esteira, e o fluxo laminar pode ser encontrado em valores Re mais baixos, quando a separação da camada limite é atrasada, reduzindo a esteira e a perda de energia cinética para o momento oposto da água.

A forma do corpo de um organismo nadador afeta o arrasto resultante. Corpos longos e delgados reduzem o arrasto de pressão através da racionalização, enquanto corpos curtos e redondos reduzem o arrasto de fricção; portanto, a forma ideal de um organismo depende de seu nicho. Os organismos nadadores com uma forma fusiforme provavelmente experimentarão a maior redução na pressão e no arrasto de fricção.

O formato da asa também afeta a quantidade de arrasto experimentado por um organismo, como com diferentes métodos de golpe, a recuperação da posição pré-golpe resulta no acúmulo de arrasto.

A ventilação ram de alta velocidade cria um fluxo laminar de água das guelras ao longo do corpo de um organismo.

A secreção de muco ao longo da superfície corporal do organismo, ou a adição de polímeros de cadeia longa ao gradiente de velocidade, pode reduzir o arrasto de atrito experimentado pelo organismo.

Flutuabilidade

Muitos organismos aquáticos / marinhos desenvolveram órgãos para compensar seu peso e controlar sua flutuabilidade na água. Estas estruturas tornam a densidade dos seus corpos muito próxima da da água circundante. Alguns hidrozoários, como os sifonóforos, têm flutuadores cheios de gás; os Nautilus, Sépia e Spirula ( Cefalópodes ) têm câmaras de gás dentro de suas conchas; e a maioria dos peixes teleósteos e muitos peixes lanterna (Myctophidae) são equipados com bexigas natatórias . Muitos organismos aquáticos e marinhos também podem ser compostos de materiais de baixa densidade. Os teleósteos de águas profundas, que não têm bexiga natatória, têm poucos lipídios e proteínas, ossos profundamente ossificados e tecidos aquosos que mantêm sua flutuabilidade. Alguns fígados de tubarão são compostos de lipídios de baixa densidade, como hidrocarboneto esqualeno ou ésteres de cera (também encontrados em Myctophidae sem bexiga natatória), que fornecem flutuabilidade.

Animais nadadores que são mais densos do que a água devem gerar sustentação ou adaptar um estilo de vida bêntico . O movimento do peixe para gerar elevação hidrodinâmica é necessário para evitar o afundamento. Freqüentemente, seus corpos atuam como hidrofólios , uma tarefa que é mais eficaz em peixes de corpo achatado. Em um pequeno ângulo de inclinação, a elevação é maior para peixes planos do que para peixes com corpos estreitos. Os peixes de corpo estreito usam suas nadadeiras como hidrofólios enquanto seus corpos permanecem na horizontal. Nos tubarões, a forma da cauda heterocercal impulsiona a água para baixo, criando uma força ascendente contrária enquanto empurra o tubarão para a frente. A elevação gerada é auxiliada pelas barbatanas peitorais e pelo posicionamento do corpo em ângulo ascendente. Supõe-se que os atuns usam principalmente suas barbatanas peitorais para levantá-los.

A manutenção da flutuabilidade é metabolicamente cara. O crescimento e a sustentação de um órgão de flutuação, o ajuste da composição da composição biológica e o esforço físico para permanecer em movimento exigem grandes quantidades de energia. É proposto que a sustentação pode ser gerada fisicamente com um custo de energia menor, nadando para cima e deslizando para baixo, em um movimento de "subir e deslizar", em vez de nadar constantemente em um avião.

Temperatura

A temperatura também pode afetar muito a capacidade dos organismos aquáticos de se moverem na água. Isso ocorre porque a temperatura não afeta apenas as propriedades da água, mas também os organismos na água, já que a maioria tem uma faixa ideal específica para seu corpo e necessidades metabólicas.

Q10 (coeficiente de temperatura) , o fator pelo qual uma taxa aumenta a um aumento de 10 ° C na temperatura, é usado para medir como o desempenho dos organismos depende da temperatura. A maioria tem taxas aumentadas conforme a água se torna mais quente, mas alguns têm limites para isso e outros encontram maneiras de alterar esses efeitos, como por endotermia ou recrutamento precoce de músculos mais rápidos.

Por exemplo, Crocodylus porosus , ou crocodilos estuarinos, aumentaram a velocidade de natação de 15 ° C para 23 ° C e, em seguida, tiveram o pico de velocidade de natação de 23 ° C para 33 ° C. No entanto, o desempenho começou a diminuir à medida que a temperatura subia além desse ponto, mostrando um limite para a faixa de temperaturas em que esta espécie poderia ter um desempenho ideal.

Submersão

Quanto mais do corpo do animal fica submerso durante a natação, menos energia ele usa. Nadar na superfície requer duas a três vezes mais energia do que quando completamente submerso. Isso ocorre por causa da onda de proa que se forma na frente quando o animal está empurrando a superfície da água ao nadar, criando um arrasto extra.

Evolução secundária

Pinguim-barbudo pulando sobre a água

Enquanto os tetrápodes perderam muitas de suas adaptações naturais à natação quando evoluíram para a terra, muitos desenvolveram novamente a capacidade de nadar ou, de fato, retornaram a um estilo de vida completamente aquático.

Principal ou exclusivamente os animais aquáticos voltaram a evoluir de tetrápodes terrestres várias vezes: os exemplos incluem anfíbios , como tritões , répteis como crocodilos , tartarugas marinhas , ictiossauros , plesiossauros e mosassauros , mamíferos marinhos , como baleias , focas e lontras , e pássaros como pinguins . Muitas espécies de cobras também são aquáticas e vivem toda a sua vida na água. Entre os invertebrados, várias espécies de insetos apresentam adaptações para a vida aquática e locomoção. Exemplos de insetos aquáticos incluem larvas de libélula , barqueiros aquáticos e besouros mergulhadores . Existem também aranhas aquáticas , embora elas tendam a preferir outros modos de locomoção debaixo d'água do que nadar propriamente dito.

Embora os tetrápodes principalmente terrestres tenham perdido muitas de suas adaptações à natação, a capacidade de nadar foi preservada ou redesenvolvida em muitos deles. Pode nunca ter sido completamente perdido.

Os exemplos são: Algumas raças de cães nadam recreativamente. Umbra, uma cadela que detém o recorde mundial, pode nadar 4 milhas (6,4 km) em 73 minutos, colocando-a entre os 25% melhores em competições humanas de natação de longa distância. O gato pescador é uma espécie selvagem de gato que desenvolveu adaptações especiais para um estilo de vida aquático ou semi-aquático - dedos palmados. Tigres e alguns onças-pintadas são os únicos grandes felinos que entram facilmente na água, embora outros felinos, incluindo leões, tenham sido observados nadando. Algumas raças de gatos domésticos também gostam de nadar, como o Van turco .

Cavalos , alces e alces são nadadores muito poderosos e podem viajar longas distâncias na água. Os elefantes também são capazes de nadar, mesmo em águas profundas. Testemunhas confirmaram que os camelos , incluindo dromedários e camelos bactrianos , podem nadar, apesar do fato de haver pouca água profunda em seus habitats naturais.

Coelhos domésticos e selvagens podem nadar. Os coelhos domésticos às vezes são treinados para nadar como uma atração de circo. Um coelho selvagem notoriamente nadou em um aparente ataque ao barco do presidente americano Jimmy Carter quando foi ameaçado em seu habitat natural.

A cobaia (ou preá) é conhecida por ter uma excelente capacidade de natação. Os ratos podem nadar muito bem. Eles entram em pânico quando colocados na água, mas muitos ratos de laboratório são usados ​​no labirinto aquático de Morris , um teste para medir o aprendizado. Quando os ratos nadam, eles usam suas caudas como flagelos e chutam com as pernas.

Muitas cobras também são excelentes nadadoras. Sucuris grandes e adultas passam a maior parte do tempo na água e têm dificuldade de se mover em terra.

Muitos macacos pode naturalmente nadar e alguns, como o macaco de proboscis , macaco-do-mato , e macaco rhesus nadar regularmente.

Natação humana

A natação é conhecida entre os humanos desde os tempos pré-históricos; o registro mais antigo de natação remonta a pinturas da Idade da Pedra de cerca de 7.000 anos atrás. A natação competitiva começou na Europa por volta de 1800 e fez parte dos primeiros Jogos Olímpicos de Verão de 1896 em Atenas , embora não de uma forma comparável aos eventos contemporâneos. Não foi até 1908 que os regulamentos foram implementados pela Federação Internacional de Natação para produzir natação competitiva .

Veja também

Referências