martes, 5 de junio de 2012

MORFOLOGÍA ALAR: Tadarida brasiliensis y Myotis chiloensis M Canals et al 2001

Revista chilena de historia natural versión impresa ISSN 0716-078X Rev. chil. hist. nat. v.74 n.3 Santiago set. 2001 doi: 10.4067/S0716-078X2001000300015 Comparación de la morfología alar de Tadarida brasiliensis (Chiroptera: Molossidae) y Myotis chiloensis (Chiroptera: Vespertilionidae), representantes de dos diferentes patrones de vuelo Comparison of the wing morphology of Tadarida brasiliensis (Chiroptera: Molossidae) and Myotis chiloensis (Chiroptera: Vespertilionidae) as representatives of two flight patterns MAURICIO CANALS1, JOSÉ IRIARTE-DÍAZ1, RICARDO OLIVARES2 & F. FERNANDO NOVOA1 1Departamento de Ciencias Ecológicas, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, Casilla 653, Santiago, Chile, e-mail: mcanals@abello.dic.uchile.cl 2Departamento de Ciencias Biológicas, Facultad de Ciencias Veterinarias, Universidad de Chile, Casilla 2, Correo 15, La Granja, Santiago, Chile RESUMEN La morfología alar de los quirópteros se encuentra relacionada por una parte con la biomecánica y energética del vuelo y por otra parte con aspectos ecológicos y conductuales (i.e., patrón de vuelo, conducta de forrajeo y selección de hábitat y de presas). En este trabajo se compara la morfometría alar de Tadarida brasiliensis (Molossidae) y Myotis chiloensis (Vespertilionidae), representantes de diferentes patrones de vuelo, buscando compromisos entre la morfometría alar y aspectos ecológicos y conductuales. Nuestros resultados muestran que T. brasiliensis es un murciélago más robusto, de mayor envergadura, pero con un área alar similar a la de M. chiloensis. Esta última especie tiene una menor variabilidad en su masa y área cortical del húmero, que probablemente se encuentre relacionada con restricciones mecánicas y energéticas impuestas por su diseño. Descontando el efecto de la masa se detectaron diferencias en el diámetro externo y diámetro medular del húmero con una similar área cortical. El húmero de T. brasiliensis es un hueso de similar longitud, más ancho y con un menor grosor cortical que el de M. chiloensis, lo que está relacionado con una mayor resistencia a las fuerzas de flexión y torsión. Las características alares son consistentes con los modos de vida de cada murciélago: vuelos lentos, cortos y maniobrables en zonas arbustivas de M. chiloensis y vuelo veloz y de grandes distancias en espacios abiertos de T. brasiliensis. Palabras clave: Tadarida brasiliensis, Myotis chiloensis, morfología alar, vuelo, biomecánica. ABSTRACT Wing morphology is related by one hand to biomechanical properties and energetics of flying, and on the other hand to ecological and behavioral aspects of flying, such as flight pattern, foraging behavior, habitat selection and size of prey. In this work we compare the wing morphology of Tadarida brasiliensis (Molossidae) and Myotis chiloensis (Vespertilionidae), as representatives of two flight patterns, and looking for trade-offs between wing morphology, ecology and behavior. Our results showed that T. brasiliensis is larger and with higher wing span than M. chiloensis, although the wing area does not differ between these bats. The latter species showed a smaller variability in body mass and cortical area of humerus, probably related with mechanic and energetic constraints. Without size effect, there were differences in the external diameter and medullar diameter of humerus, but with a similar cortical area. The humerus of T. brasiliensis is a bone of similar length, wider and with smaller cortical thickness than in M. chiloensis, which is related to a higher resistance to bending and torsional forces. The wing shape found in each bat is in agree with the life mode: slow, short and manoeuvrable flight in wooded zones of M. chiloensis and fast and long distance flight in open areas of T. brasiliensis. Key words: Tadarida brasiliensis, Myotis chiloensis, wing morphology, flight, biomechanics. INTRODUCCIÓN La morfometría alar de los animales voladores (tanto en aves como en murciélagos) es relevante por cuanto se encuentra relacionada por una parte con la biomecánica y energética del vuelo (Rayner 1982, De la Cueva et al. 1995, Norberg 1995, 1996) y por otra parte con aspectos ecológicos y conductuales como el patrón de vuelo, conducta de forrajeo y selección de hábitat (Findley et al. 1972, Kopka 1973, Lawlor 1973, Norberg 1981, Baagøe 1987, Norberg 1987, 1994, Norberg & Rayner 1987, Spear & Ainley 1997, Warrick 1998, Webb et al. 1998, Hertel & Ballance 1999, Norberg et al. 2000), condicionando la potencia necesaria para el vuelo (Norberg 1996). La morfología alar debería estar determinada por una combinación de factores tales como la selección de hábitat y la conducta de forrajeo. Como ejemplo, el vuelo activo es un modo de locomoción energéticamente costoso (Norberg 1994) por lo que se debería esperar una fuerte selección sobre determinadas morfologías alares, minimizando la energía necesaria para volar. Pero las presiones de selección de varias demandas a menudo se contraponen entre sí, necesitándose de soluciones de compromiso. Forrajeadores en espacios abiertos pueden tener alas largas, mientras que murciélagos que forrajeen en vegetación densa demandan alas cortas. Los murciélagos insectívoros requieren un alto grado de maniobrabilidad, los nectarívoros necesitan un vuelo estacionario y los carnívoros y frugívoros necesitan poder transportar cargas. Así, cada una de estas conductas imponen distintos requerimientos sobre la mecánica y forma alar. Por ejemplo, murciélagos que habitan zonas de vegetación densa deberían tener un vuelo lento y maniobrable, que se consiguen con grandes áreas alares (Norberg 1987). Pero, si es importante mantener bajos costos de vuelo, las alas deben ser angostas y largas manteniendo la gran área alar (Rayner 1982). Sin embargo, una gran envergadura alar es incompatible con el vuelo entre la vegetación. Existe escasa información de la morfología, biomecánica y biología en general de los quirópteros que habitan en Chile (Mann 1978, Bozinovic et al. 1985, Jaksic 1996, Muñoz & Yánez 2000). En cuanto a sus aspectos morfométricos esta es parcial, con medidas gruesas y en general con ninguna o escasa información acerca de la variabilidad (Mann 1978). Tadarida brasiliensis (Geoffroy 1824) es un microquiróptero neotropical de tamaño medio, aproximadamente entre 10 y 15 g (Nowak 1999) que se distribuye desde Norteamérica hasta Chile. Es un murciélago de vuelo rápido y alta carga alar (Hayward & Davis 1964, Svoboda & Choate 1987). A diferencia de T. brasiliensis, Myotis chiloensis (Waterhouse 1838) es un murciélago pequeño, endémico de Chile, aproximadamente de 9 cm y 6 g (Mann 1978, Gantz & Martínez 2000). Se encuentra en vegetación cercana a cursos de agua, en zonas áridas (M. chiloensis atacamensis) y semiáridas o en matorrales, sabanas y bosques húmedos preferentemente en zonas costeras del sur de Chile (M. chiloensis chiloensis). Tiene una carga alar más baja y vuelo lento, típico de los vespertiliónidos (Norberg 1987). El objetivo de este trabajo es estudiar la morfometría alar de estos quirópteros, representantes de diferentes patrones de vuelo, buscando compromisos entre la morfometría alar, aspectos ecológicos, conductuales y energéticos, basados en elementos de la teoría aerodinámica. MATERIALES Y MÉTODOS Se estudiaron 27 individuos de T. brasiliensis y 49 de M. chiloensis donados por el Servicio Metropolitano de Salud del Medio Ambiente (SESMA), provenientes de capturas en la región metropolitana. Como características morfológicas "externas", se determinó la masa corporal (Mc; ± 0,1 g), largo total (LT, distancia entre la punta de la nariz y el inicio de la cola), longitud de la cola (LCOL), longitud del cráneo (LCRA), longitud del ala (LALA, distancia entre el hombro y la punta del ala), envergadura alar (B) y longitud del antebrazo (LANT). Todas las longitudes fueron obtenidas con un pie de metro (± 0,1 mm) del murciélago con alas completamente siguiendo una línea recta con el borde anterior de las alas (véase figura 1). Se tomaron radiografías de la extremidad superior con 34 kV, 100 mA, 0,04 s a 1 m (evitando magnificación) y como características morfológicas internas se midió la longitud (LH), diámetro externo (DH) y diámetro del canal medular del humero (dH), estimando el área cortical (AC) como AC = p (DH2-dH2 )/4. El área patagial (APAT) se determinó trazando el contorno del patagio (con las alas completamente extendidas siguiendo una línea recta con el borde anterior de las alas) en papel estándar y luego recortando y pesando la silueta en una balanza analítica (± 0,1 mg). Se determinó el área relativa del propatagio (Ppat, membrana que va desde el hombro hasta la muñeca), plagio + dactilopatagio (Dpat, membrana que va entre los dígitos 2 y 5 y desde el dígito 5 y el cuerpo, respectivamente) y uropatagio (Upat, membrana dispuesta entre las extremidades inferiores). Fig. 1: Esquema indicando las variables medidas para los análisis morfométricos. En gris se muestra el área del pro-, plagio+dactilo- y uropatagio. Véase el texto para las abreviaciones de las variables. Scheme showing the measures used for morphometrics analysis. It shows in grey the area of pre-, plagio+dactylo-, and uropatagium. See text for variable abbreviations. Se realizó estadística descriptiva de las variables medidas y se compararon los promedios y varianzas de ambas especies con pruebas t de Student y F respectivamente. Se realizaron además análisis de covarianza a las características alares: B, APAT, LH, DH, dH, AC y LANT, considerando la masa como covariado para descartar su efecto. Con las variables morfológicas LT, LCOL, LCRA, B, LANT, APAT, LH y DH, se realizó un análisis de función discriminante entre ambas especies buscando el eje de diferenciación fenética desde la perspectiva de la morfología externa. Se excluyeron del análisis discriminante las áreas relativas de las distintas zonas del patagio, LALA, dH y AC, para evitar ponderación y colinearidad en el análisis posterior. Para este último análisis, las longitudes y las áreas fueron reescaladas dividiendo por Mc1/3 y Mc2/3, respectivamente, para controlar por el tamaño corporal. RESULTADOS En términos absolutos, las características morfológicas de ambos murciélagos son diferentes. T. brasiliensis es más pesado (t74 = 19,5, P < 0,001) y de mayor envergadura alar (t64 = 13,8, P < 0,001) pero sin embargo presenta un área patagial similar a M. chiloensis (t69 = 0,61, P > 0,05; Tabla 1). Llama la atención una menor variabilidad en la masa corporal (F29,47 = 6,32, P < 0,001), diámetro externo (F18,40 = 2,20, P < 0,05) y área cortical del húmero (F18,40 = 3,80, P < 0,001) en M. chiloensis con respecto a T. brasiliensis. Al analizar las variables alares sustrayendo en efecto de la masa (ANCOVA) se aprecia que T. brasiliensis tiene mayor envergadura alar (F1,63 = 5,61, P < 0,001), mayor longitud de antebrazo (F1,73 = 15,97, P < 0,001), mayor diámetro externo del húmero (F1,58 = 11,33, P < 0,001), mayor diámetro medular (F1,57 = 14,31, P < 0,001) y menor área patagial (F1,68 = 22,03, P < 0,001) que M. chiloensis, mientras que la longitud del húmero y el área cortical no difieren entre ambas especies. Esto hace que M. chiloensis tenga un húmero de igual longitud que T. brasiliensis, pero más angosto y con un mayor grosor cortical. Al analizar la proporción relativa de las diferentes zonas del patagio encontramos que el área del propatagio es similar (t69 = -1,6, P > 0,1), la proporción del dactilo + plagiopatagio es un 4 % mayor en T. brasiliensis (t69 = 2,0, P < 0,05) y a la inversa, el área del uropatagio es un 45 % mayor en M. chiloensis (t69 = 6,7, P < 0,001). El análisis discriminante mostró una estricta separación fenética de ambas especies basada en el eje estandarizado a unidad de varianza, FLD = 0,023 LT ­ 0,393 LCOL + 0,673 LCRA + 0,792 B ­ 0,032 LANT ­ 1,104 APAT ­ 1,003 LH + 0,292 DH (l de Wilks = 0,079, F8,40 = 57,94, P < 0,001; Probabilidad de buena clasificación = 100 %). De éstas, las que más contribuyen en la diferenciación son el área patagial APAT (F1,40 = 28,11, P < 0,001), la longitud del húmero LH (F1,40 = 27,97, P <0,001) y la envergadura B (F1,40 = 12,61, P < 0,001). DISCUSIÓN Nuestros resultados muestran a dos murciélagos diferentes desde la perspectiva de su morfometría general y específicamente de su morfología alar. Las medidas generales coinciden con lo descrito por Mann (1978). Tadarida brasiliensis es un murciélago más robusto, de mayor envergadura, pero que sin embargo presenta un área alar similar que la de M. chiloensis. Esto coincide con la alta carga alar, una medida del área relativa del ala, observada en esta especie (J. Iriarte-Díaz et al. resultados no publicados). La carga alar es proporcional a la velocidad mínima requerida para elevarse (McGowan 1999), de manera que bajas velocidades de vuelo pueden ser obtenidas con bajas cargas alares. Así, M. chiloensis presentaría un vuelo lento y maniobrable, similar a otras especies del mismo género que presentan velocidades entre 3,5 y 5 m s-1 (Patterson & Hardin 1969, Kennedy & Best 1972), lo que le permitiría moverse entre la densa vegetación. A bajas velocidades, el costo energético se debe principalmente a la potencia inercial (potencia necesaria para oscilar las alas) y a la potencia inducida (necesaria para generar elevación y avance, Norberg 1987). El índice de aspecto, que corresponde a la relación entre el largo de un ala y su ancho, es una medida de la forma relativa del ala. Este parámetro puede ser entendido como una medida de la eficiencia de vuelo, donde alas delgadas (alto índice de aspecto) implica un vuelo energéticamente económico y alas anchas (bajo índice de aspecto), un vuelo energéticamente costoso (Norberg 1987). Para minimizar la potencia inercial, el ala debe ser corta y ligera, y para minimizar la potencia inducida la masa corporal debe ser baja y las alas largas (Norberg 1994). Myotis chiloensis presenta alas relativamente cortas y anchas con un índice de aspecto bajo (Iriarte-Díaz et al. resultados no publicados) y por lo tanto, un vuelo costoso. Además presenta una baja variabilidad en su masa corporal, lo que podría ser explicado debido a restricciones mecánicas y energéticas impuestas por su diseño. A este respecto Bozinovic et al. (1985) encontró que M. chiloensis presenta un frágil balance energético, con alternancia entre largos períodos de sopor (21-22 h) con cortos períodos de eutermia (2-3 h) para poder mantener un balance positivo. La razón entre la fuerza mínima necesaria para quebrar un hueso y la fuerza máxima ejercida sobre él durante una actividad vigorosa se denomina "factor de seguridad" (Alexander 1981). Entre los vertebrados terrestres, los murciélagos son el grupo que presenta los menores valores de factor de seguridad (Kirkpatrick 1994), que los restringe mecánicamente durante el vuelo activo. A medida que disminuye la velocidad de vuelo, la frecuencia de aleteo y por tanto las fuerzas impuestas sobre las alas aumenta llegando a un máximo durante el vuelo estacionario, alcanzando un factor de seguridad de 1,4 (Kirkpatrick 1994). Durante el vuelo activo, el centro de presión y donde la generación de elevación es mayor es en el ala proximal y como no está alineada con el esqueleto alar, las presiones ejercidas sobre las extremidades son principalmente torsionales (Swartz et al. 1992, Kirkpatrick 1994, Biewener & Dial 1995). La resistencia a flexión y torsiones de un hueso son proporcionales al segundo momento de área y segundo momento polar de área, respectivamente (Swartz 1997), lo cuales son maximizados para una determinada área cortical, maximizando el diámetro externo y medular del hueso, y minimizando el ancho de la corteza ósea (Swartz et al. 1992). En consecuencia, y debido a que la longitud humeral no varía entre estas especies, M. chiloensis presenta una menor resistencia que T. brasiliensis a las imposiciones mecánicas sobre el húmero. Esto se refleja en que M. chiloensis presenta un segundo momento de área, el cual es una medida de la resistencia a flexiones y torsiones, significativamente menor al esperado para un microquiróptero de su masa (Iriarte-Díaz et al. resultados no publicados). Correlacionado con esto, se ha descrito diferencias en el peso relativo de los músculos responsables de la bajada del ala ("downstroke"). Específicamente, el músculo Pectoralis profundus de T. brasiliensis respresenta un 6,7 % de la masa muscular versus un 4,0 % en M. chiloensis (Olivares et al. 2000)1. Además este murciélago presenta una menor variabilidad del diámetro y área cortical del húmero, lo que sugiere una restricción a su diseño. Las proporciones de los segmentos patagiales difieren en ambas especies. Tadarida brasiliensis tiene una mayor proporción del dactilo + plagiopatagio y una mucha menor proporción del uropatagio, comparado con M. chiloensis. El gran uropatagio de esta última especie le permitiría rápidos cambios de dirección y el uso de esta membrana para capturar insectos en vuelo (Norberg 1994). Pero esta membrana incrementa la resistencia de la zona de la cola, aumentando el costo energético del vuelo (Norberg 1995). Por otro lado, T. brasiliensis, con mayores carga alar y razón de aspecto (alas largas y angostas) tendría un vuelo económico y rápido. En otras latitudes a esta especie se le han registrado velocidades medias desde 6,0 m s-1 (Hayward & Davies 1964) a 11,3 m s-1 (Svodova & Choate 1987) lo que la sitúa como uno de los quirópteros mas veloces (Norberg 1987). Su morfología y velocidad de vuelo le imponen una menor maniobrabilidad por lo que esta especie especialmente adaptada a vuelos largos en espacios abiertos o en altura. AGRADECIMIENTOS A la Dra. Miriam Favi quien suministró el material con que se realizó este trabajo. Trabajo financiado por Proyecto FONDECYT 1000673 a M.C. 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