Becas concedidas

Beca de investigación: Estudio aerodinámico de las aves basales del Mesozoico y
sus implicaciones en la evolución del vuelo dentro del Clado Aviano

Memoria anual 2015 - 2016

Cladograma de aquellos taxones fósiles que están siendo estudiados y cuyas relaciones filogenéticas pudieron obtenerse desde el trabajo de O´Connor et al (2013). Las longitudes de rama están escaladas en Ma, con un tiempo mínimo de divergencia de 2 Ma. Los colores identifican a los principales linajes: rojo - Deinonychosauria (outgroup de Aves); azul - Archaeopterygidae; rosa - Jeholornithidae; amarillo - Confuciusornithidae; verde - Sapeornithidae; marrón - Enantiornithes; negro - Ornithuromorpha.

  En la última década se ha incrementado considerablemente el número de hallazgos de fósiles pertenecientes a aves basales de la era Mesozoica. Esto ha ido acompañado de la publicación de un importante número de estudios paleontológicos que han abordado diferentes cuestiones relativas a la taxonomía, las relaciones filogenéticas y la evolución morfológica de estos organismos.
  En cambio, los estudios centrados en explicar el modo de vuelo de las aves basales son mucho más escasos, y los existentes se enfocan abrumadoramente al análisis del vuelo de un taxón, Archaeopteryx. En gran medida, la escasez de este tipo de estudios se puede deber a la dificultad de obtener estimaciones fiables de las variables aerodinámicas básicas (esto es, masa corporal, envergadura y superficie de sustentación) para aves no neognatas. El reciente desarrollo de una metodología que obtiene estimaciones fiables y robustas de tales variables básicas, permite calcular una serie de parámetros aerodinámicos relevantes, conocidos para la función del vuelo en las aves modernas (vg., carga alar, alargamiento y frecuencia de aleteo) y, por tanto, conocer mejor cómo volaban esas primeras aves.
  En este proyecto se pretende también profundizar en el análisis morfofuncional de los elementos esqueléticos del aparato volador para, por un lado, conocer las adaptaciones específicas y la transición morfológica del aparato volador, y por otro, tomando como base las teorías de vigas y de palancas, complementar los resultados obtenidos a partir de los parámetros aerodinámicos mencionados anteriormente.

  Esta beca es producto del acuerdo entre la Fundación del Museo de Historia Natural del Condado de Los Ángeles, California (EEUU), y la Fundación Sierra Elvira.

Los detalles para solicitarla están contenidos en las Bases y Anexo de esta convocatoria.

Propuesta de la Comisión Evaluadora

Tras examinar la documentación aportada, la Comisión estima por Unanimidad que el Dr. Francisco J. Serrano Alarcón es el candidato idóneo para llevar a cabo el proyecto ligado a esta Beca, de acuerdo con los puntos 6º y 7º de las Bases de este concurso.

Lo que se publica para general conocimiento, en Atarfe a 24 de julio de 2015.

Prórroga de la beca: A petición de Los Angeles County Museum of Natural History Foundation y acogiéndonos a la 5ª estipulación del Acuerdo entre dicha institución y la Fundación Sierra Elvira, se establece un nuevo periodo desde el 24 de julio de 2016 al 23 de julio de 2017.

Investigador principal: Dr. Luis M. Chiappe (Dinosaur Institute, Natural History Museum of Los Ángeles County)
Investigador colaborador: Dr. Paul Palmqvist (Dpto. Ecología y Geología, Facultad de Ciencias, Universidad de Málaga)
Investigador colaborador: Dr. José Luis Sanz (Dpto. Biología, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid)
Investigador postdoctoral: Dr. Francisco J. Serrano Alarcón

  El presente proyecto se ha desarrollado a lo largo de doce meses, desde el 24 de julio de 2015 hasta el 24 de Julio de 2016. Durante este período se han conseguido importantes avances en el estudio de la evolución del vuelo de las aves (ver apartado siguiente). Además, se ha conseguido que el investigador postdoctoral (Francisco J. Serrano), junto con los Dres. Paul Palmqvist y José Luis Sanz, organicen el próximo congreso internacional de la "Society of Avian Paleontology and Evolution".

  La línea de investigación que se ha desarrollado en este proyecto ha producido una serie de resultados, los cuales se encuentran en diferentes fases que son previas a su divulgación. Los resultados obtenidos pueden dividirse en 5 puntos principales:

• Estimación de parámetros aerodinámicamente relevantes en aves basales.
    El modo en que las aves primitivas llevaban a cabo su vuelo es un aspecto paleobiológico muy importante pero poco explorado, debido en gran parte, a la dificultad de obtener para ellas estimaciones fiables de variables aerodinámicamente relevantes (e.g. masa, envergadura, superficie sustentadora, carga alar y alargamiento). En este estudio hemos desarrollado un método secuencial con múltiples medidas anatómicas (Fig. 1) para obtener estimaciones de tales variables en una muestra de 42 especímenes de aves mesozoicas.
  
  Figura 1. Ilustración de las medidas alares utilizadas para estimar masa corporal, envergadura alar, superficie alar, carga alar y alargamiento. A, elementos esqueléticos de la extremidad anterior: húmero (vista anterior), ulna (vista dorsal), radio (vista dorsal) y carpometacarpo (vista dorsal). B, silueta aviana para ilustrar las medidas que incluyen a las plumas. Imagen de Serrano et al. Paleobiology in press.   El estudio analiza los posibles sesgos y calibra los errores en la estimación, demostrando que este método produce unas estimaciones muy fiables para las aves extintas. Los resultados preliminares de este trabajo fueron presentados en un congreso internacional (Fig. 2)
  
  Figura 2. Cartel presentado en "75th Annual Meeting of the Society of Vertebrate Paleontology".
  y en otro nacional:
  • 75th Annual Meeting of the Society of Vertebrate Paleontology. Dallas (USA), 14-17 de Octubre de 2015.
  • XXXI Jornadas de la Sociedad Española de Paleontología. Baeza (Jaén), 7-10 de Octubre de 2015.
    Los resultados definitivos serán publicados en la revista "Paleobiology" (indexada por JCR en la tercera posición dentro de la categoría Paleontología, con un factor de impacto de 2.96):
  F.J. Serrano, P. Palmqvist, L.M. Chiappe, and J.L. Sanz. Inferring flight parameters of Mesozoic avians through multivariate analyses of forelimb elements in their living relatives. Paleobiology, in press.
• Efecto de los cambios atmosféricos sobre la evolución del vuelo de las aves.
    Factores ambientales como la concentración de oxígeno, la temperatura y la densidad del aire afectan a la fisiología y a la aerodinámica de los animales voladores. La variación de estos factores en los últimos 180 millones de años pudo afectar a la evolución de las aves. En este trabajo encontramos que los cambios atmosféricos pudieron favorecer algunos eventos (Fig. 3) como las radiaciones de Pygostylia y de Passeriformes, o la aparición de algunos modos de vuelos altamente costosos.
  
  Figura 3. Evolución de las aves y variación atmosférica durante los últimos 180 M.a. a) El cladograma está calibrado y muestra el registro estratigráfico de los linajes (barras coloreadas). Las barras negras indican el rango temporal de importantes eventos macroevolutivos que han tenido lugar a lo largo de la historia de las aves. b) Los modelos de variación de temperatura y concentración de O₂ están basados en la bibliografía. c) El modelo de variación de la densidad del aire y los valores de potencia mecánica fueron calculados en este trabajo.
  
    Los resultados preliminares de este trabajo fueron presentados en un congreso internacional y en otro nacional:
  • I International Congress: Birds in the Natural History, in Prehistory and History. Lisboa (Portugal), 23-27 de Septiembre de 2015.
  • XXXI Jornadas de la Sociedad Española de Paleontología. Baeza (Jaén), 7-10 de Octubre de 2015. Además, los resultados definitivos se presentaron recientemente en un congreso internacional de Paleornitología:
  • 9th International Meeting of the Society of Avian Paleontology and Evolution. Diamante (Argentina), 1-5 de Agosto 2016.
    Actualmente, el trabajo está siendo evaluado para su publicación en una revista multidisciplinar:
  F.J. Serrano, P. Palmqvist, J.L. Sanz, J. Long, and L.M. Chiappe. The influence of past atmospheric variations in the evolution of avian flight. Submitted manuscript.
• Descripción y caracterización del vuelo de una nueva enantiornita.
    Colaborando con investigadores chinos, en este trabajo se describe una nueva especie de ave basal perteneciente al clado Enantiornithes (Pygostylia, Aves). Además, gracias a la buena conservación de este fósil, se discuten aspectos aerodinámicos inferidos desde su anatomía. Este trabajo fue enviado para su publicación en una revista multidisciplinar y se encuentra actualmente en proceso de revisión:
  D. Liu, L.M. Chiappe, M. Habib, F.J. Serrano, Y. Zhang, and Q. Meng. Flight Aerodynamics in Enantiornithines: Information from a New Chinese Early Cretaceous Bird. Under review.
• Caracterización del vuelo de planeo de un ave del Cretácico Inferior.
    Mediante una caracterización morfofuncional y generando modelos aerodinámicos, en este trabajo se consigue inferir diferentes aspectos del vuelo planeado de un ave del Cretácico inferior (Sapeornis; Fig. 4), como su potencia mecánica, la velocidad de caída, o el radio de giro. Este estudio está casi terminado y se espera que pronto pueda ser enviado para su publicación:
  F.J. Serrano and L. M. Chiappe. Morphology and aerodynamics of Sapeornis evidence an early specialization to continental soaring in lower Cretaceous birds. In prep.
  
  Figura 4. Espécimen IVPP V 13396 de Sapeornis chaoyangensis utilizado en este estudio (escala gráfica en centímetros).
• Caracterización de la diversidad de modos de vuelo en el Cretácico.
    En este trabajo se hace un análisis comparativo entre aves voladoras modernas y aves primitivas extintas, basado en los parámetros aerodinámicos estimados mediante la metodología desarrollada en 1). Con ello se persigue explorar los primeros estadios evolutivos del vuelo aviano y la diversidad de modos de vuelo durante la primera radiación de las aves. Este estudio aún está en fase de desarrollo.

Estancias de investigación

  Tal como se recoge en el acuerdo del proyecto, el investigador postdoctoral realizó dos estancias en Natural History Museum of Los Ángeles County (California, Estados Unidos), junto con el investigador principal del proyecto, el Dr. Luis M. Chiappe. Con una duración aproximada de un mes, la primera estancia fue en Diciembre 2015, y la segunda en Abril 2016. En esos dos periodos ambos investigadores pudieron analizar resultados y redactar los manuscritos que han sido enviados para su publicación. Además, durante dichas estancias, se estudiaron 59 nuevos ejemplares fósiles de aves del Cretácico Inferior, que se incorporaron a la base de datos del grupo.

Figura 5. Fotografía de Luis M. Chiappe (derecha) y Francisco J. Serrano (izquierda) tomada en el río Paraná (Argentina) durante la celebración del "9th International Meeting of the Society of Avian Paleontology and Evolution", entre los días 1 y 5 de Agosto de 2016.

Gastos: La cuantía total asignada a este proyecto (26.784,02 euros) ha servido para financiar el sueldo del investigador postdoctoral, los gastos de gestión, la compra de un ordenador portátil (1.243,38 euros) y parte de los gastos derivados de la asistencia a un congreso en Argentina (486,70 euros).
Gastos adicionales : Las dos estancias de investigación en el museo de Los Ángeles, así como la inscripción y asistencia a los diferentes congresos tuvieron unos gastos adicionales que fueron cubiertos por las instituciones implicadas en este proyecto, tal como se detalla a continuación:
- Asistencia a "I International Congress: Birds in the Natural History, in Prehistory and History" en Lisboa (Portugal) - Financiado por el grupo de investigación RNM 146 de la Universidad de Málaga.
- Asistencia a las "XXXI Jornadas de la Sociedad Española de Paleontología" en Baeza (Jaén) - Financiado por el proyecto CGL2011-30334 de la Universidad de Málaga.
- Primera y segunda estancia de investigación en Natural History Museum of Los Ángeles County (California, Estados Unidos) - Financiado por el proyecto 598001 de la Fundación de la Universidad Autónoma de Madrid y por Natural History Museum of Los Ángeles County.
- Asistencia a "9th International Meeting of the Society of Avian Paleontology and Evolution" en Diamante (Argentina) - Financiado por Natural History Museum of Los Ángeles County.

Francisco J. Serrano