Ciencia

CIENCIA
ABRIL, 2004

AL DIAInternacional
NUMERO 2 VOLUMEN 5

Copyright © 2004 Ciencia al Día Internacional

La Dinámica de Fluidos y su Rol en el Estudio de Fenómenos Biológicos
© Ricardo Cortez, 2004 rcortez@tulane.edu
RESUMEN El aporte de ciertos modelos matemáticos al avance de las ciencias biológicas ha aumentado de forma dramática en la última década. Esto se debe en parte aldesarrollo de los métodos computacionales, ya que éstos permiten la resolución aproximada de las ecuaciones en los modelos. Existen muchos fenómenos biológicos en los que una membrana o una fibra elástica interacciona con el fluido que la rodea. Por ejemplo, las venas son estructuras flexibles y elásticas por donde fluye la sangre. El músculo cardíaco está formado por fibras musculares elásticas quepromueven el flujo de la sangre en todo el cuerpo. Los flagelos de microorganismos como bacterias y espermatozoides son fibras flexibles que permiten el movimiento del microorganismo. Los modelos matemáticos y las simulaciones numéricas que se presentan en este artículo son ejemplos de herramientas para el estudio y el entendimiento de este tipo de fenómenos.

ABSTRACT The contributions of certainmathematical models to the advancement of biological sciences has increased dramatically in the last decade. This is due, in part, to the development of computational methods since they allow the approximate solution of the equations in the models. There are many biological phenomena where an elastic membrane or fiber interacts with the surrounding fluid. For example, arteries are flexible,elastic structures in which blood flows. The heart muscle is composed of elastic muscle fibers
Ciencia al Día Internacional © Abril 2004, Vol. 5, No. 2. ISSN 0717-3849 http://www.ciencia.cl/CienciaAlDia/volumen5/numero2/articulos/articulo2.html

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that promote blood flow throughout the body. The flagella of microorganisms such as bacteria and sperm are flexible fibers that allow themicroorganism to swim. The mathematical models and numerical simulations presented here are examples of the kind of tools used in the study and understanding of this type of phenomena.

xisten muchos fenómenos biológicos y fisiológicos en los cuales la dinámica de fluidos juega un papel muy importante. Esto se debe a que todo organismo vive rodeado de un fluido (líquido o gas), ya sea el aire en laatmósfera, el agua en los océanos, la sangre en el sistema circulatorio, la orina en los riñones o el agua y substancias químicas disueltas dentro de las células. Otros ejemplos de fenómenos biológicos de interés son el flujo de aire en los pulmones, la locomoción de microorganismos como bacterias y células (Cortez, 2001a; Fauci & Peskin, 1988; Fauci, 1990), el movimiento de espermatozoides (Fauci yMcDonald, 1994), la difusión de concentraciones químicas (como drogas) en la sangre, la contracción de tejidos musculares y el crecimiento de tumores, entre otros. Desde cierto punto de vista, lo que estos ejemplos tienen en común es que todos se pueden caracterizar por una membrana deformable y flexible que ejerce fuerza sobre el fluido que la rodea y, de esa forma, afecta y reacciona al movimiento delmismo. En el caso del corazón, las membranas son las fibras musculares que lo forman y el fluido es la sangre. En el caso de un espermatozoide, la membrana es el flagelo que le sirve de órgano de locomoción y el fluido es el medio que lo rodea (ver más adelante). En realidad, los modelos matemáticos ya se utilizan ampliamente en el presente. Actualmente numerosos modelos se usan como herramientasen el estudio de diversos fenómenos biológicos. Sin embargo, el desarrollo y perfeccionamiento de dichos modelos están en auge y éste sigue siendo un área de investigación muy activa. El propósito de los modelos matemáticos es cuantificar hipótesis concretas y simplificar la biología, de tal forma que sólo los elementos más importantes que controlan el fenómeno sean tomados en cuenta. El...