Originalmente publicado en inglés por Jenny Orbeck
Publicado el 2 de Agosto del 2019
Traducido por Regina González Lona, Editado por Wilanyi Alvarez Reyes
Mi impermeable favorito es el azul brillante. Tan brillante, de hecho, que mi profesor de química del primer semestre lo señaló en una clase de 300 personas para explicar los principios de la luz visible y de los colores. Dio la casualidad de que la clase se benefició de dos ejemplos ese día, mi chaqueta y mi cara que se volvió roja por mi vergüenza. A pesar de mi vergüenza al inicio de la clase, aprender sobre la ciencia del color resultó ser uno de mis temas favoritos de química, y lo sigue siendo hoy en día porque muchos de los colores que vemos en la naturaleza están directamente relacionados con objetos de tamaño nanométrico. En este artículo, te mostraré tres ejemplos de cómo los animales usan nanoestructuras para hacer sus coloridos exteriores.
¿Qué da color a los seres vivos?
Hay dos formas principales en que percibimos el color en un objeto: según su pigmento y según su estructura. Cuando vemos un color basado en un pigmento (que se muestra en la Figura 2A a continuación), es porque el objeto ha absorbido todas las longitudes de onda de la luz excepto el color que observamos. Por otro lado, una superficie con componentes estructurales (que se muestra en la Figura 2B) funciona como una rejilla, dividiendo las diferentes longitudes de onda de la luz, por lo que el color que observamos depende del ángulo desde el que miramos.
Pigmento y Color
Las plantas, las plumas, el pelaje y la piel humana contienen compuestos ampliamente conocidos como «pigmentos». Es posible que hayas oído hablar de un pigmento llamado melanina, que se encuentra en la piel humana. Según la composición de estos pigmentos, pueden absorber y reflejar ciertas longitudes de onda de luz. Por ejemplo, las plumas de un cardenal rojo absorben todas las demás longitudes de onda de luz excepto el rojo, que se refleja y se observa a simple vista. Este principio se aplica, más allá de los seres vivos, a la mayoría de los colores que observamos todos los días.
Estructura y Color
Por otro lado, el color también puede ser el resultado de componentes estructurales. Los colores en el exterior de los animales, particularmente pájaros e insectos, a veces parecen “iridiscentes”. Puedes asociar el término iridiscente con otros objetos como cristales de ópalo, conchas marinas o burbujas en una tarde soleada (Figura 3). A diferencia del pigmento, estas matrices de colores se deben a la interacción de la luz con la estructura del material. Los colores de la estructura son un poco más complejos que los del pigmento. Los componentes estructurales a nanoescala refractan, o dividen, la luz entrante en componentes de colores porque son del mismo tamaño (o incluso más pequeños) que las longitudes de onda visibles de la luz. Entonces, el color que observamos depende del ángulo con el que vemos el material (Figura 2B).
Ahora que tienes un poco de información sobre los colores, aquí hay algunos ejemplos interesantes de cómo la naturaleza aprovecha las estructuras a nanoescala para dar a los animales sus colores únicos.
Camaleones
Los camaleones son un grupo de especies de lagartos que se encuentran en una amplia gama de colores. Muchas especies de camaleones son bien conocidas por su capacidad para cambiar de color. Los camaleones cambian de color por muchas razones, incluido el camuflaje, la regulación térmica y la comunicación social. Por lo general, una transición a un color de piel amarillo, naranja o rojo es un signo de agresión hacia otro camaleón o animal. Los colores más fríos, como el azul y el verde, a menudo se muestran cuando están tranquilos o se someten a un agresor. El mecanismo exacto de este cambio de color fue estudiado y publicado en 2015 por científicos que investigaron los cambios de color de los camaleones pantera, un tipo de camaleón que se encuentra en Madagascar.1
En un experimento, estudiaron la piel de un camaleón «relajado» versus «agitado». Para hacerlo, se recolectaron imágenes del camaleón en un ambiente no amenazante para capturar el estado relajado y luego después de un evento amenazante, en este caso el combate macho-macho.
Puede ver en la figura 4 que el mismo camaleón experimenta una transición de los colores fríos azul/verde en su estado relajado a los colores amarillo, naranja y rojo en su estado excitado después de ser puesto en combate macho-macho. Esta transición se produce durante un período de tiempo de unos pocos minutos. Puedes verlo suceder en el siguiente video. (¡Ten en cuenta que el video se acelera 8 veces para que podamos ver el cambio de color más rápido!)
Entonces, ¿qué sucede cuando el camaleón está pasando de un estado relajado a un estado excitado? Originalmente se pensó que el cambio de color se producía debido a la variación de la distribución del pigmento, ya sea agrupado o disperso. Esto es cierto para algunos otros animales (como los peces o los anfibios2), sin embargo, la gente se dio cuenta de que el cambio de color dramático del camaleón en un período de tiempo relativamente corto probablemente no se debía solo a las transformaciones de los pigmentos. ¡El estudio de 2015 mostró que la transformación del color también se debió a las nanoestructuras en la piel!
Los investigadores tomaron imágenes microscópicas de la piel de camaleón relajada y excitada, que se muestran aquí:
¿Qué notas acerca de las diferencias en las imágenes de microscopio Relajado versus Emocionado en la figura 5? Son muy similares, pero cuando los comparas de cerca, puedes notar que las formas brillantes están muy juntas en el estado relajado, mientras que en el estado excitado están más separadas, alineadas en filas ordenadas. Estos puntos brillantes tienen un tamaño de aproximadamente 100 a 150 nm, y los investigadores determinaron que en realidad son cristales de guanina de tamaño nanométrico. La guanina es una molécula la cual es un bloque de construcción esencial del ARN y el ADN. La reorganización de estos nanocristales de guanina cuando el animal está relajado frente a excitado da como resultado el cambio de color estructural que observamos en estos camaleones.
Caballitos del Diablo
Los caballitos del diablo son como un «primo» de las libélulas. Tienen una anatomía muy similar, pero son un poco más pequeños y, a diferencia de las libélulas, descansan sus alas a lo largo de su cuerpo cuando no están volando. Las especies de caballitos del diablo se pueden encontrar en todo el mundo (excepto en la Antártida). Puedes notar en las imágenes a continuación (Figura 6) que las alas de los caballitos del diablo parecen iridiscentes: ¡la primera pista de que sus propiedades coloridas pueden surgir debido a los componentes de nanoestructuras! El color de las alas de un caballito del diablo es importante para la protección (camuflaje) y la reproducción.
En un estudio, un grupo de científicos se centró específicamente en una especie japonesa de caballito del diablo (el nombre completo: Calopteryx japonica).3 El estudio analizó específicamente las diferencias en las venas de las alas entre los caballitos del diablo machos y hembras. Las alas del caballito del diablo del macho maduro (MM en la foto de abajo) aparecen de color azul y el ala de la hembra madura (MF) aparece de color marrón (Figura 7).
Una imagen de microscopio recolectada a través de una vena en el ala de un macho maduro muestra diferencias desde la parte superior hasta la parte inferior del ala, formada por nanocapas (Figura 8). Las capas más gruesas tienen unos 150 nm y la más delgada unos 50 nm. Resulta que las capas nanoestructuradas del ala están compuestas por diferentes componentes químicos. Los investigadores descubrieron que una capa es rica en quitina, un derivado de la molécula de azúcar glucosa, y es un polímero de cadena larga compuesto de carbono, oxígeno y nitrógeno. En última instancia, esta nano periodicidad hace que el ala parezca iridiscente, ¡lo que le da un color único que depende de sus componentes nanoestructurados!
En otro estudio, los científicos estudiaron una especie de caballito del diablo de la selva amazónica (nombre completo: Chalcoperyx rutilans). Estos investigadores pudieron determinar las diferencias estructurales dentro de un ala, pero también los componentes químicos de las capas del ala, similar al Calopteryx japonica. En esta especie, una capa es rica en compuestos de carbono y nitrógeno y las capas alternas son ricas en compuestos de sodio. En última instancia, esta nano periodicidad hace que el ala parezca iridiscente, muy parecida a las burbujas de jabón de la figura 3, lo que le da un color único basado en sus componentes nanoestructurados.4
Pavos Reales
Las plumas de pájaro son otro gran ejemplo de exteriores de animales iridiscentes (Figura 9). Me vienen a la mente varios tipos de pájaros coloridos, como colibríes, loros y pavos (¡de los que hemos hablado antes!). Sin embargo, una de las plumas de aves más impactantes visualmente son las del pavo real. Hay dos tipos de pavos reales en el mundo: el pavo real indio (o azul) y el pavo real verde (la mayoría de los zoológicos en los Estados Unidos albergan pavos reales azules). Los machos suelen ser más coloridos que sus contrapartes femeninas, las hembras, que tienen menos coloración para poder camuflarse y cuidar a sus crías.
Por lo general, los pavos reales tienen largos “trenes” de plumas que descansan a lo largo de la cola (Figura 9). Los pavos reales desarrollan un tren por primera vez cuando alcanzan los dos años de edad, sin embargo, aún no es colorido a esta edad temprana. Cada año después de eso, las plumas se caen y se vuelven más extravagantes cada vez que crecen. Cuando un pavo real está completamente desarrollado, el tren puede alcanzar de 6 a 7 pies de ancho cuando se eleva y se abre en un semicírculo. Los científicos creen que un pavo real levanta y abre sus plumas para atraer a una hembra. Puede notar que las plumas tienen manchas redondas de colores, llamadas ocelos. Una vez que se muestra el tren, también se ha observado que los pavos reales se mueven hacia adelante y hacia atrás para crear un efecto brillante en sus coloridas plumas, ¡la primera pista de que el color de estas plumas puede ser estructuralmente significativo!
Un estudio realizado en 2003 investigó los componentes estructurales de las plumas del pavo real.5 Al igual que el estudio de los caballitos del diablo y los camaleones, las plumas se analizaron con un microscopio electrónico de barrido para revelar los componentes estructurales (Figura 10).
Estas imágenes fueron tomadas de una vista lateral de las áreas verdes y marrones de una pluma. Resulta que la pluma está hecha de cristales fotónicos, que se muestran como partes ovaladas o circulares de la imagen, y están hechos de melanina (el mismo tipo de pigmento en la piel humana). En los bordes de estos cristales hay una proteína llamada queratina, que los conecta en esta orientación. Los espacios entre los cristales son realmente solo eso, espacios llenos de nada más que aire. La distinción entre las plumas verdes y marrones es sutil, pero al mirar más de cerca, puede notar dos diferencias. Primero, si miras de izquierda a derecha en cada imagen, puedes notar que el grosor o el número de capas de estos cristales fotónicos es diferente en cada imagen. La segunda diferencia es la orientación de los cristales. En la pluma verde, los cristales están dispuestos en una orientación cuadrada casi perfecta, mientras que la pluma marrón tiene un espaciado más de forma rectangular. Esta diferencia en la disposición significa que los cristales están espaciados de forma ligeramente diferente; de hecho, el espacio es como máximo solo 35 nm de diferencia entre los dos. Este estudio mostró que el color observado en estas plumas de pavo real se debe a una combinación de estos dos elementos estructurales, el grosor y el espaciado de los cristales fotónicos.
Conclusión
Estos animales son hermosos ejemplos de cómo las nanoestructuras prevalecen en la naturaleza. Si bien a menudo podemos asociar los nanomateriales con las nanopartículas diseñadas, ¡hay mucho que aprender de estas bellezas naturales!
Referencias
- Teyssier, J.; Saenko, S.V.; van der Marel, D.; Milinkovitch, M.C. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 2015, 6, 6368. DOI: 10.1038/ncomms7368
- Sköld, H.N.; Aspengren, S.; Wallin, M. Rapid color change in fish and amphibians – function, regulation, and emerging applications. Pigment Cell Melanoma Res. 2012, 26, 29-38. DOI: 10.1111/pcmr.12040.
- Stavenga, D. G.; Leertouwer, H. L; Hariyama, T.; De Raedt, H.A.; Wilts, B.D. Sexual Dichromatism of the Damselfly Calopteryx japonica Caused by a Melanin-Chitin Multilayer in the Male Wing Veins. PLoS ONE, 2012, 7 (11), e49743. DOI: 10.1371/journal.pone.0049743
- Carr, D. M.; Ellsworth, A.A.; Fisher, G.L.; Valeriano, W.W.; Vasco, J.P.; Guiamarães, P.S.S.; de Andrade, R.R.; da Silva, E.R.; Rodrigues, W.N. Characterization of natural photonic crystals in iridescent wings of damselfly Chalcopteryx rutilans by FIB/SEM, TEM, and TOF-SIMS. Biointerphases, 2018, 13, 03B406. DOI: 10.1116/1.5019725
- Zi, J.; Yu, X.; Li, Y.; Hu, X.; Xu, C.; Wang, X.; Liu, X; Fu, R. Coloration strategies in peacock feathers. PNAS, 2003, 100 (22), 12576-12578. DOI: 10.1073/pnas.2133313100
Otros recursos:
- https://animals.sandiegozoo.org/animals/peafowl
- Kindermann, C. & Hero, J-M. Pigment cell distribution in a rapid colour changing amphibian (Litoria wilcoxii). Zoomorphology. 2016, 135(2) 197-203. DOI: 10.1007/s00435-016-0303-1
- https://academy.allaboutbirds.org/how-birds-make-colorful-feathers/
- http://www.webexhibits.org/causesofcolor/15E.html
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