El misterio de la concha flexible

concha de Discinisca tenuis

Arriba: La concha del braquiópodo Discinisca tenuis es dura y quebradiza, pero se vuelve blanda y flexible cuando se expone al agua. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven

La concha plana y dura del Discinisca tenuis se vuelve tan flexible que incluso se puede plegar sin romperse

Un equipo de investigación internacional con participación del Instituto Paul Scherrer (PSI) ha descifrado por qué la cubierta protectora del braquiópodo Discinisca tenuis se vuelve extremadamente blanda en el agua y se endurece de nuevo en el aire.

El braquiópodo Discinisca tenuis vive en la costa occidental de África. Tiene una concha rica en minerales que lo protege de las influencias ambientales nocivas. Sumergir la concha en agua provoca un cambio estructural en el material: la concha plana y dura se vuelve tan flexible que incluso se puede plegar sin romperse. Con la ayuda de Swiss Light Source (SLS), los investigadores han descifrado exactamente cómo se lleva a cabo esta transformación.

El fenómeno fue descubierto por casualidad hace unos años por Fabio Nudelman, químico de materiales que actualmente trabaja en la Escuela de Química de la Universidad de Edimburgo en Escocia. Maggie Cusack, quien recientemente fue nombrada presidenta de la Universidad Tecnológica de Munster en Irlanda, le había proporcionado a Nudelman conchas del braquiópodo Discinisca tenuis, que originalmente provenía de Namibia. Cuando quiso lavar el duro objeto, de repente se volvió suave y flexible en contacto con el agua. La concha había absorbido líquido y, por lo tanto, cambió su estructura. El proceso fue reversible: cuando se secó la concha, se volvió dura y quebradiza nuevamente.

Junto con colegas de seis países, Nudelman se propuso descubrir qué ocurre exactamente durante esta inesperada transformación. "En su composición, la concha se parece al hueso", explica. "Pero el hueso no cambia su estructura cuando se moja".

Lo mismo ocurre con las almejas: si los animales necesitan adaptar las propiedades de su concha a diferentes condiciones ambientales, normalmente tienen que reelaborar el material en un proceso largo y energéticamente costoso, mediante la reabsorción y redistribución de minerales. No funciona simplemente mediante la absorción de agua.

hidratación concha de Discinisca tenuis

Imagen: Esquema de hidratación de una concha de braquiópodo D. tenuis

Material híbrido con truco especial

Fue la llamada crio-tomografía, realizada en el Swiss Light Source, que "abrió la puerta para revelar el secreto", dice Johannes Ihli, investigador de PSI en SLS. Con esta técnica, los investigadores examinaron el material como si estuviera bajo un microscopio de muy alta resolución y, de hecho, a temperaturas extremadamente bajas. "A temperatura ambiente no habría sido posible, ya que la luz de rayos X de alta energía alteraría inmediatamente la sensible estructura de la concha", explica Ihli.

La concha del braquiópodo, que no tiene más de medio milímetro de espesor, está formada por un material híbrido: principalmente mineral inorgánico en el que están incrustados polímeros orgánicos hechos de proteínas y azúcares. Los huesos, las conchas de almejas y los dientes están estructurados de manera similar a partir de una mezcla de material orgánico e inorgánico. El mineral que constituye el componente principal de la concha es un tipo de fluoroapatita, similar al material que forma el esmalte de nuestros dientes.

Los diminutos nanocristales de este material están dispuestos en capas. Nudelman lo compara con las paredes de ladrillo: "En esta analogía, los ladrillos son los nanocristales, y el mortero entre los ladrillos consiste en moléculas orgánicas como quitina y proteínas". Como observaron los investigadores, este "mortero" puede absorber grandes cantidades de agua, provocando que se hinche. A través del almacenamiento de agua, cambia su estructura: se ablanda y los ladrillos se mueven entre sí.

"Entonces el agua actúa como un lubricante entre los nanocristales individuales", explica Ihli. "Los cristales pueden deslizarse unos contra otros". A través de este movimiento, la concha se vuelve flexible. Los investigadores encontraron en la concha una red de poros que fue especialmente eficaz para guiar el agua hacia el interior y distribuirla rápidamente por todo el material.

Johannes Ihli y Klaus Wakonig

Imagen: Johannes Ihli y el coautor Klaus Wakonig en la línea de luz cSAXS de SLS. Crédito: Instituto Paul Scherrer / Markus Fischer

Ventaja evolutiva

Discinisca tenuis vive en grandes grupos en las zonas de mareas de la costa donde, dependiendo de la marea, los animales están expuestos a fuertes olas o aguas tranquilas. Los investigadores especulan que probablemente sea ventajoso que los animales puedan adaptar rápidamente la suavidad o dureza de su concha a la respectiva situación: "Esto podría prevenir daños en el caparazón y, por lo tanto, ser clave para la supervivencia de los animales", escriben en el estudio.

El fenómeno puede incluso estar más extendido de lo que se sospecha: "No sabemos cuántas otras especies animales podrían tener este tipo de propiedad", dice Nudelman.

Aparte de la biología y la evolución, los conocimientos recién adquiridos también son de interés para la ciencia de los materiales: el desarrollo de un material duro y quebradizo cuya rigidez se pueda controlar podría ser prometedor para muchas aplicaciones. La ropa deportiva o los cascos, por ejemplo, pueden adaptarse de forma flexible a los movimientos y ofrecer siempre la protección necesaria en función del impacto. Aprovechar este fenómeno también podría resultar útil en el desarrollo de materiales de reemplazo óseo.

El estudio se publica en la revista Nature Communications: Mechanical adaptation of brachiopod shells via hydration-induced structural changes

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