Es producido por estructuras extremadamente pequeñas que manipulan la luz
Los investigadores han descubierto las nanoestructuras únicas responsables de las manchas de color azul eléctrico de la raya de cola de cinta con manchas azules o raya de arrecife (Taeniura lymma), con posibles aplicaciones para desarrollar una coloración libre de químicos. El equipo también está llevando a cabo una investigación en curso sobre la igualmente enigmática coloración azul del tiburón azul o tintorera (Prionace glauca).
La coloración de la piel juega un papel clave en la comunicación del organismo, proporcionando pistas visuales críticas para la vida que pueden advertir, atraer o camuflar. Las rayas de cola de cinta con manchas azules poseen en la piel llamativas manchas de color azul eléctrico. Sin embargo, los procesos biológicos que producen estas manchas de color azul eléctrico eran un misterio hasta ahora.
"Si ves el azul en la naturaleza, casi puedes estar seguro de que está formado por nanoestructuras de tejido, no por pigmentos", dice Mason Dean, profesor asociado de Anatomía Comparada en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU). "Comprender el color estructural de los animales no se trata sólo de física óptica sino también de los materiales involucrados, cómo están finamente organizados en el tejido y cómo se ve el color en el entorno del animal. Para unir todas esas piezas, reunimos un gran equipo de disciplinas de múltiples países, terminando con una solución sorprendente y divertida al rompecabezas del color de la raya".
Los colores estructurales son producidos por estructuras extremadamente pequeñas que manipulan la luz, en lugar de ser producto de pigmentos químicos.
"Los colores azules son especialmente interesantes porque los pigmentos azules son extremadamente raros y la naturaleza a menudo utiliza estructuras a nanoescala para producir el azul", dice Viktoriia Kamska, postdoctorada que estudia los mecanismos de coloración natural en CityU. "Estamos particularmente interesados en las rayas de cola de cinta, porque a diferencia de la mayoría de los otros colores estructurales, su color azul no cambia cuando las miras desde diferentes ángulos".
El equipo de investigación combinó una variedad de técnicas para comprender la arquitectura de la piel en diferentes condiciones naturales.
"Para comprender la arquitectura a escala fina de la piel, utilizamos tomografía microcomputada (micro-CT), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM)", dice el Dr. Dean.
Imagen: Un esquema de la piel de una raya de cola de cinta con manchas azules
"Descubrimos que el color azul es producido por células cutáneas únicas, con una disposición estable en 3D de esferas a nanoescala que contienen nanocristales reflectantes (como perlas suspendidas en un té de burbujas)", dice Amar Surapaneni, postdoctorado del grupo de Dean hasta hace poco, y ahora académico visitante en el Trinity College Dublin. "Debido a que el tamaño de las nanoestructuras y su espaciamiento son un múltiplo útil de la longitud de onda de la luz azul, tienden a reflejar específicamente las longitudes de onda azules".
Curiosamente, el equipo descubrió que la disposición única "casi ordenada" de las esferas ayudó a garantizar que el color permaneciera sin cambios en el ángulo de visión.
"Y para limpiar cualquier color extraño, una gruesa capa de melanina debajo de las células productoras de color absorbe todos los demás colores, lo que da como resultado una piel azul extremadamente brillante", dice el Dr. Dean. "Al final, los dos tipos de células son una gran colaboración: las células de color estructural se concentran en el color azul, mientras que las células de pigmento de melanina suprimen otras longitudes de onda, lo que da como resultado una piel azul extremadamente brillante".
El equipo cree que esta fascinante coloración azul probablemente proporcione beneficios de camuflaje para las rayas.
Imagen: Raya de arrecife (Taeniura lymma), mar Rojo, Egipto
"En el agua, el azul penetra más profundamente que cualquier otro color, ayudando a los animales a mezclarse con su entorno", dice el Dr. Dean. "Las manchas azules brillantes en la piel de las rayas no cambian con el ángulo de visión; por lo tanto, podrían tener ventajas específicas para camuflarse cuando el animal nada o maniobra rápidamente con sus aletas onduladas".
Las aplicaciones de esta investigación que se están explorando actualmente incluyen materiales bioinspirados coloreados sin pigmentos.
"Estamos buscando colaboraciones con colegas investigadores para desarrollar sistemas biomiméticos flexibles de color estructural inspirados en la naturaleza blanda de la piel de las rayas para obtener colores seguros y sin químicos en textiles, pantallas flexibles, pantallas y sensores", dice el Dr. Dean.
Además de su trabajo con las mantarrayas, la Dra. Kamska y su equipo también están investigando la coloración azul de otras rayas y tiburones, incluido el tiburón azul.
Imagen: Tiburón azul. Crédito: Viktoriia Kamska
"A pesar de que el nombre 'tiburón azul' y sus aspectos ecológicos están bien estudiados, todavía nadie sabe cómo se produce el color azul en su piel", afirma el Dr. Kamska. "Los resultados preliminares demuestran que este mecanismo de coloración es diferente al de la mantarraya, pero al igual que la mantarraya, necesitamos probar diferentes combinaciones de herramientas de imágenes finas y abordar múltiples disciplinas relacionadas en óptica, materiales y ciencias biológicas".
También hay un artículo de próxima aparición en Frontiers in Cell and Developmental Biology, titulado "Intermediate filaments spatially organize intracellular nanostructures to produce the bright structural blue of ribbontail stingrays across ontogeny".
Esta investigación se presentará en la Conferencia Anual de la Sociedad de Biología Experimental en Praga del 2 al 5 de julio de 2024.
La investigación, titulada "Ribbontail Stingray Skin Employs a Core–Shelf Photonic Glass Ultrastructure to Make Blue Structural Color", se publica en Advanced Optical Materials.
