La capacidad de los calamares para sintonizar el color y el brillo de su iridiscencia se reduce a un sutil pero poderoso mecanismo
Los calamares han sido durante mucho tiempo una fuente de fascinación para los humanos, proporcionando material para leyendas, supersticiones y mitos. Y no es de extrañar: sus extrañas apariencias e inteligencia, y su dominio del océano abierto pueden inspirar asombro en quienes los ven. Dejando a un lado las leyendas, los calamares continúan intrigando a la gente hoy en día —personas como el profesor Daniel Morse de la UC Santa Barbara— por las mismas razones, aunque más científicas.
Habiendo evolucionado durante cientos de millones de años para cazar, comunicarse, evadir a los depredadores y aparearse en las vastas extensiones de aguas abiertas, a menudo sin rasgos distintivos, los calamares han desarrollado algunas de las más sofisticadas pieles del reino animal.
"Durante siglos, la gente se ha asombrado de la capacidad de los calamares para cambiar el color y los patrones de su piel, lo que hacen maravillosamente, para camuflarse y comunicarse bajo el agua, indicando a los demás y a otras especies que deben mantenerse alejados, o como atracción para el apareamiento y otros tipos de señalización", dijo Morse, un distinguido profesor emérito de bioquímica y genética molecular.
Al igual que sus primos cefalópodos, el pulpo y la sepia, los calamares tienen células especializadas llenas de pigmento llamadas cromatóforos que se expanden para exponerlos a la luz, lo que da como resultado varios tonos de color pigmentario. Sin embargo, de particular interés para Morse es la capacidad de los calamares para brillar y parpadear, reflejando diferentes colores y rompiendo la luz sobre su piel.
Es un efecto que se cree que imita la luz moteada de la parte superior del océano, la única característica en un paisaje marino que de otro modo sería austero. Al comprender cómo logran desvanecerse los calamares incluso en los fondos más sencillos, o destacar, es posible producir materiales con las mismas propiedades de ajuste de la luz para una variedad de aplicaciones.
Morse ha estado trabajando para descubrir el secreto de la piel del calamar durante la última década, y con el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército y la investigación publicada en la revista Applied Physics Letters, él y la coautora Esther Taxon se acercan aún más a desentrañar los complejos mecanismos que subyacen a la piel del calamar.
Un mecanismo elegante
"Lo que hemos descubierto es que el calamar no solo es capaz de ajustar el color de la luz que se refleja, sino también su brillo", dijo Morse. Hasta ahora, la investigación ha establecido que ciertas proteínas llamadas reflectinas eran responsables de la iridiscencia, pero la capacidad del calamar para sintonizar el brillo de la luz reflejada era todavía un misterio, dijo.
Investigaciones anteriores de Morse habían descubierto estructuras y mecanismos mediante los cuales los iridocitos (células que reflejan la luz) de la piel del calamar costero opalescente (Doryteuthis opalescens) pueden adquirir prácticamente todos los colores del arco iris. Ocurre con la membrana celular, donde se pliega en estructuras en forma de acordeón a nanoescala llamadas laminillas, formando diminutos surcos exteriores de sublongitud de onda.
"Esas diminutas estructuras de surcos son como las que vemos en el lado grabado de un disco compacto", dijo Morse. El color reflejado depende del ancho de la ranura, que corresponde a ciertas longitudes de onda de luz (colores). En los iridocitos del calamar, estas laminillas tienen la característica adicional de poder cambiar de forma, ensanchar y estrechar esos surcos a través de las acciones de un "motor osmótico" notablemente afinado impulsado por proteínas reflectinas que se condensan o se separan dentro de las laminillas.
Si bien los sistemas de materiales que contienen proteínas reflectinas pudieron aproximarse a los cambios de color iridiscente de los que eran capaces los calamares, los intentos de replicar la capacidad de intensificar el brillo de estos reflejos siempre se quedaron cortos, según los investigadores, quienes razonaron que algo tenía que acoplarse a las reflectinas en la piel del calamar, amplificando su efecto.
Ese algo resultó ser la misma membrana que encierra los reflejos: las laminillas, las mismas estructuras responsables de los surcos que dividen la luz en los colores que la constituyen.
"La evolución ha optimizado tan exquisitamente no sólo la sintonización del color, sino también la sintonización del brillo utilizando el mismo material, la misma proteína y el mismo mecanismo", dijo Morse.
Luz a la velocidad del pensamiento
Todo comienza con una señal, un pulso neuronal del cerebro del calamar.
"Las reflectinas normalmente tienen una carga muy fuerte y positiva", dijo Morse sobre las proteínas iridiscentes que, cuando no se activan, parecen una cadena de cuentas. Su misma carga significa que se repelen entre sí.
Pero eso puede cambiar cuando una señal neuronal hace que las reflectinas se unan a grupos fosfato cargados negativamente que neutralizan la carga positiva. Sin la repulsión que mantiene a las proteínas en su estado desordenado, se pliegan y se atraen entre sí, acumulándose en menos agregaciones más grandes en las laminillas.
Estas agregaciones ejercen presión osmótica sobre las laminillas, una membrana semipermeable construida para resistir solo la presión creada por las reflectinas agrupadas antes de liberar agua fuera de la célula.
"El agua sale de la estructura similar a un acordeón, y eso colapsa el acordeón, por lo que se reduce el grosor en el espacio entre los pliegues, y eso es como acercar las ranuras de un disco compacto", explicó Morse. "Entonces, la luz que se refleja puede cambiar progresivamente de rojo a verde y luego a azul".
Al mismo tiempo, el colapso de la membrana concentra las reflectinas, provocando un aumento de su índice de refracción, amplificando el brillo. La presión osmótica, el motor que impulsa estos ajustes de propiedades ópticas, acopla las laminillas firmemente a las reflectinas en una relación altamente calibrada que optimiza la salida (color y brillo) a la entrada (señal neuronal). Borre la señal neuronal y la física se invierte, dijo Morse.
"Es una forma indirecta muy inteligente de cambiar el color y el brillo controlando el comportamiento físico de lo que se llama una propiedad coligativa: la presión osmótica, algo que no es inmediatamente obvio, pero revela la complejidad del proceso evolutivo, los milenios de mutaciones y selecciones naturales que han perfeccionado y optimizado estos procesos juntos".
Delgadas películas de brillo ajustable
La presencia de una membrana puede ser el vínculo vital para el desarrollo de delgadas películas bioinspiradas con la capacidad de ajuste óptico del calamar costero opalescente.
"Este descubrimiento del papel clave que desempeña la membrana en el ajuste del brillo de la reflectancia tiene intrigantes implicaciones para el diseño de futuros materiales híbridos y recubrimientos con propiedades ópticas ajustables que podrían proteger a los soldados y su equipo", dijo Stephanie McElhinny, gerente de programa de la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.
Según los investigadores, "este acoplamiento eficiente y evolutivamente perfeccionado de la reflectina de su amplificador osmótico es muy análogo al acoplamiento de impedancia de las redes activador-transductor-amplificador en sistemas electrónicos, magnéticos, mecánicos y acústicos bien diseñados". En este caso el activador sería la señal neuronal, mientras que las reflectinas actúan como transductores y las membranas controladas osmóticamente sirven como amplificadores.
"Sin esa membrana que rodea a las reflectinas, no hay cambio en el brillo de estas delgadas películas artificiales", dijo Morse, quien está colaborando con colegas de ingeniería para investigar el potencial de una película delgada similar a la piel de un calamar. "Si queremos capturar el poder de lo biológico, tenemos que incluir algún tipo de recinto similar a una membrana para permitir un ajuste reversible del brillo".
La investigación se ha publicado en Applied Physics Letters: Reflectin needs its intensity amplifier: Realizing the potential of tunable structural biophotonics
