Los cristales fotónicos y el cambio de color de los camaleones

Dibujo20150310 Colour change panther chameleons - reversible colour change two males during excitation - nature comm

Los cristales fotónicos podrían ser responsables de los rápidos cambios de color de los camaleones. Al menos el camaleón pantera (Furcifer pardalis) cambia de color gracias a una red activa de nanocristales de guanina en la superficie de los iridóforos de su piel. Así lo indica un estudio basado en microscopia, videografía fotométrica y simulación por ordenador mediante de cristales fotónicos.

Un cristal fotónico es un material microestructurado (a veces nanoestructurado) cuyo índice de refracción (efectivo) varía de forma periódica en el espacio y/o el tiempo. En cierto sentido son los equivalentes ópticos a los materiales cristalinos pues interaccionan con los fotones de manera similar a como lo hacen los electrones en estos últimos. Los ópalos, las alas de algunas mariposas, las diatomeas y muchos otros sistemas naturales se comportan como cristales fotónicos. Los físicos Eli Yablonovitch y Sajeev John son firmes candidatos al Premio Nobel por haber introducido el concepto de cristales fotónicos en 1987.

Toda una agradable sorpresa que los camaleones presenten cristales fotónicos en su piel. El artículo es Jérémie Teyssier et al., “Photonic crystals cause active colour change in chameleons,” Nature Communications 6: 6368, 10 Mar 2015, doi: 10.1038/ncomms7368.

Dibujo20150310 relaxed - excited - color normalized rgb change in time - nature comm

Esta figura ilustra el cambio de color normalizado (descontando el nivel de luz y el efecto de la cámara) en el formato RGB durante el cambio del estado relajado (t = 0 s) al excitado (t = 60 s). Observa como la componente azul deja de ser dominante, pasando a serlo la componente roja, con una fuerte contenido de la verde (recuerda que el color amarillo es la suma aditiva de rojo y verde). Observa también como el animal hincha su musculatura al excitarse, estirando la piel y con ella las membranas de las células de su epidermis. Este proceso hace pensar que el mecanismo del cambio de color no es bioquímico sino biofísico.

Este vídeo de youtube muestra varios ejemplos de cambios de calor, a cámara lenta, así como el cambio de color de células individuales. Los cromatóforos son las células con pigmentos que se encuentran en muchos seres vivos. Los iridóforos son los comatóforos cuyos pigmentos son iridiscentes. La iridiscencia es el fenómeno óptico asociado al cambio del tono o color de la luz reflejada en función del ángulo con el que se mira, o por un cambio en el ángulo de la superficie reflectora. Los iridóforos de los camaleones se dividen en dos tipos: los superficiales, S-iridóforos, cercanos a la epidermis, y los profundos, D-iridóforos, en la dermis interior. Los S-iridóforos son responsables de los cambios rápidos de color en el espectro visible y tienen la estructura de una red triangular de nanocristales de guanina. Los D-iridóforos reflejan sobre todo la luz del infrarrojo cercano (700–1400 nm), siendo su misión regular la temperatura bajo una radiacióin solar intensa.

Dibujo20150310 iridophore panther chameleons - TEM images of guanine nanocrystals in S-iridophores in the excited state and D-iridophores - nature comm

Los machos del camaleón pantera de Madagascar presentan tonos de color verdosos (con fuerte componente azul) cuando están relajados que se vuelven amarillentos (con fuerte componente verde y roja) cuando están excitados. Esta figura (parte izquierda) muestra la evolución del cambio de color en el diagrama de cromaticidad de la CIE (este diagrama de color elimina las componentes de saturación e intensidad del color). En la parte derecha de la figura se muestra la red de los nanocristales de guanina que se encuentran en la membrana de los S-iridóforos. Estos cristales tienen un diámetro de 127,4 ± 17,8 nm (la barra de la escala en blanco tiene un tamaño de 200 nm). Los D-iridóforos contienen cristales de guanina de mayor tamaño (longitud 200–600 nm, altura 90–150 nm) en una distribución más desorganizada (compara la parte (e) de la figura con la parte (d) de la misma).

Dibujo20150310 in-vivo skin colour change in chameleons is reproduced ex vivo - nature comm

Dibujo20150310  Optical modelling of colours produced by photonic crystals in Siridophores - nature comm

Los cristales de guanina tienen un índice de refracción de 1,83, mientras que el del citoplasma de los iridóforos es de 1,33. Como se trata de nanocristales su tamaño es inferior a la longitud de onda de la luz visible (entre 300 y 700 nm). Por tanto, para la luz visible el índice de refracción efectivo de la superficie de los iridóforos para la luz visible varía en función de la proporción entre nanocristales y citoplasma. En estado relajado (ver parte (a) izquierda de la figura), los nanocristales están más cercas y el índice de refracción efectivo es más próximo al de la guanina, con lo que la reflectividad en el espectro visible es mayor para las longitudes de onda azules. En estado excitado (ver parte (b) derecha de la figura), la piel está más estirada, los iridóforos están más hinchados y los nanocristales están más separados, por lo que el índice de refracción efectivo es más bajo (más cercano al del citoplasma), con lo quela reflectividad en el espectro visible para colores verdes y rojos crece. La biofísica, no la bioquímica, explica el cambio de color de los camaleones, como le he dicho a mis alumnos de bioquímica.

Dibujo20150310 iridophore types in lizards and function of D-iridophores in chameleons - other chameleonidae exhibit two superposed layers of S- and D-iridophores - nature comm

Los cambios de color han sido registrados in vivo mediante vídeos de alta resolución (obtenidos con cámaras fotográficas cuyas imágenes son postprocesadas para su uso en fotometría RGB; el elemento clave es la normalización de los colores para su cuantificación precisa). Estos resultados han sido confirmados ex vivo usando muestras en laboratorio (que gracias a microscopios ópticos permiten seguir el cambio del color reflejado por células individuales). Finalmente, se han usado simulaciones por ordenador (usando software estándar para cristales fotónicos); estas simulaciones han permitido obtener en detalle el espectro de la iridiscencia de los iridóforos.

Finalmente, los autores del estudio han observado al microscopio los iridóforos de la piel de otras especies de camaleones y de geckos observando cristales fotónicos similares. Ello les hace sugerir la hipótesis de que estos animales usan la física de los cristales fotónicos para sus rápidos cambios de color. Por supuesto, serán necesarios futuros estudios que confirmen esta hipótesis. Pero, en mi opinión, el nuevo estudio es muy sugerente (sobre todo para los que hemos estudiado cristales fotónicos, aunque yo lo he hecho en fibras ópticas estrechadas).


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