Francis en #rosavientos: El camuflaje de los peces en alta mar

Dibujo20151121 fish skin reflect polarized light open ocean disappear from predators view Univ Texas Austin

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

Como estrategia de camuflaje, algunos peces tienen estructuras microscópicas en las células de su piel que reflejan luz polarizada. Gracias a ello ‘desaparecen’ de la vista de sus depredadores en el océano especies de peces como Selene vomer y el jurel patudo. El descubrimiento podría ayudar a los investigadores de materiales a crear métodos más eficaces de camuflaje para barcos en el océano.

El artículo es Parrish C. Brady et al., «Open-ocean fish reveal an omnidirectional solution to camouflage in polarized environments,» Science 350: 965-969, 20 Nov 2015, doi: 10.1126/science.aad5284. El tema ya fue noticia, recomiendo los artículos de Parrish C. Brady et al., «Polaro–cryptic mirror of the lookdown as a biological model for open ocean camouflage,» PNAS 110: 9764-9769, 11 Jun 2013, doi: 10.1073/pnas.1222125110, y de T. M. Jordan, J. C. Partridge, N. W. Roberts, «Non-polarizing broadband multilayer reflectors in fish,» Nature Photonics 6: 759–763, 21 Oct 2012, doi: 10.1038/nphoton.2012.260 [PDF gratis].

Más información en «Descubren cómo algunos peces consiguen volverse ‘invisibles’ en el océano,» Europa Press, RTVE.es, 19 Nov 2015; «Un pez puede hacer invisible a la Marina de EEUU,» Vídeo, Ciencia, ABC, 20 Nov 2015. Noticias similares ya se publicaron hace algún tiempo: Javier Salas, «Los peces burlan las leyes de la física para salvar el pellejo,» Materia.es, 21 oct 2012; «Arenques y sardinas contra la polarización de la luz,» Agencia SINC, 22 Oct 2012; «Descubren en un pez una nueva forma de camuflaje en el océano,» Vista al Mar, 06 Jun 2013.

Dibujo20151121 Fish and stainless steel mirror surface reflectance properties sciencemag org

Los animales que viven en el fondo del mar pueden camuflarse como un camaleón imitando los colores de su entorno. Sin embargo, los peces en alta mar no pueden esconderse en ningún lugar. ¿Cómo se camuflan los peces que viven en el oceáno en aguas abiertas? Muchos peces, como los arenques y las sardinas, tienen una piel de color plateado o metálico. Los metales producen brillos intensos, algo conocido por todos los aficionados a la fotografía, y los depredadores acuáticos podrían detectar a los peces de color plateado gracias a estos brillos. Sobre todo porque la luz del Sol no está polarizada, pero bajo la superficie del agua tiende a polarizarse, lo que hace que estos brillos sean más intensos. El mecanismo que usan estos peces para camuflarse recuerda al que usan los fotógrafos para eliminar estos brillos, la llamada polarización cruzada. Los fotógrafos usan filtros polarizadores en los objetivos de sus cámaras para reducir los reflejos en los objetos fotografiados, pero un único filtro polarizador solo permite quitar los reflejos de superficies no metálicas. Para quitar los reflejos de una superficie metálica hay que usar dos filtros polarizadores. Uno se coloca en el objetivo de la cámara y el otro en el flash que ilumina la escena. Cuando el flash emite luz polarizada, se puede ajustar el filtro en la cámara para evitar dichos reflejos. Los peces como los arenques y las sardinas usan esta idea de la polarización cruzada para esconderse de sus depredadores. Así lo descubrieron en el año 2012 investigadores de la Universidad de Bristol, Gran Bretaña. Las células de la piel de estos peces están recubiertas de múltiples capas de cristales de guanina con alto índice de refracción que actúan como un filtro de polarización para la luz que reflejan a partir de la luz solar polarizada por el agua del mar. Gracias a las múltiples láminas de guanina en las células de su piel estos peces pueden reducir sus reflejos hacia el entorno y en especial los brillos metálicos de su piel. Sin importar el ángulo de incidencia de la luz, la piel de estos peces tiene una reflectividad casi constante en todas direcciones. Esta técnica de camuflaje de aranques y sardinas en alta mar les permite escapar a la visión de sus depredadores, como el delfín o el atún.

Dibujo20151121 Modeling polaro-crypsis in the open ocean fish pnas org

Este descubrimiento podría ayudar a camuflar barcos y submarinos en el océano. Los investigadores en materiales de camuflaje para navíos militares seguro que están interesados en este descubrimiento. ¿Se sabe si están financiando los militares este tipo de investigaciones? Así es, la Armada o la Marina de los Estados Unidos está financiando la investigación biológica en las técnicas de camuflaje de los peces, como muestra el nuevo estudio de investigadores de la Universidad de Texas, en Austin, EE.UU., publicado esta semana en la revista Science. El estudio de la Universid de Bristol se realizó en laboratorio, bajo condiciones controladas. Este nuevo estudio se ha realizado en el océano abierto, usando un equipo experimental subacuático para medir la polarización. Un grupo de buzos captura los peces en su hábitat y miden su color in situ. Se han obtenido más de 1500 mediciones videopolarimétricas de peces en diferentes condiciones de iluminación solar. En concreto se han estudiado el jurel plateado (Caranx sexfasciatus) y el pez jorobado (Selene vomer). Estos peces se camuflan muy bien bajo luz polarizada, en especial en los llamados «ángulos de persecución» que abarcan ángulos de 45 grados desde la cola, es decir, la dirección desde la que un depredador persegue a estos peces. Además, se han realizado medidas en laboratorio que confirman que estos peces se camuflan bajo la luz polarizada gracias a las láminas de guanina que tienen dentro de las células de su piel, que dispersan la luz polarizada de forma diferente dependiendo del ángulo. Este mecanismo podría inspirar el desarrollo de nuevos materiales de camuflaje para su uso en alta mar. Por ello estos sistemas de camuflaje de los peces son financiados por los militares que están interesados en cómo camuflar sus navíos.

Dibujo20151121 Field measurement apparatus and angular configurations fish skin sciencemag org

En alta mar la fuente de luz es el Sol, cuya posición cambia durante el transcurso de un día. ¿Cómo afecta este cambio al camuflaje de los peces? El nuevo estudio liderado por la doctora en biología Molly E. Cummings de la Universidad de Texas, en Austin, realizado en alta mar ha estudiado a los peces en diferentes momentos del día. Gracias a ello se ha descubierto que los peces jorobados son capaces de manipular las propiedades polarización de la luz que refleja su piel para acercarse al valor óptimo en cada momento del día. Sin embargo, los detalles del mecanismo de control del grado de polarización y del ángulo de polarización de la luz reflejada en función de las condiciones ambientales que usan estos peces es todavía un misterio. La Dra. Cummings propone dos opciones en su artículo en Science para explicar el control del camuflaje óptico, la llamada polarocripsis, de los peces. La primera es que se trate de un proceso totalmente pasivo, en el que los diferentes elementos de la piel de los peces responden de forma automática al ángulo de la luz del Sol. Y la segunda opción es que se trate de un proceso activo en el que interviene el sistema nervioso central de estos peces. Los peces quizás cambien la orientación relativa de sus cuerpos con respecto al Sol o usen el control motor de sus músculos para estirar o encoger las células de su piel, como hacen los camaleones con las suyas para cambiar de color. Se requieren futuros estudios que aclaren este misterio. La evolución de las especies las dota de estrategias biológicas que les permiten sobrevivir en hábitats tan adversos como el mar abierto. Estas soluciones de la Naturaleza son fuente de inspiración para los ingenieros y científicos que estudian nuevos materiales.

Dibujo20151121 Angular crypsis performance of bigeye scad in nature and in the laboratory fish skin sciencemag org

Los peces usan la polarización de la luz para camuflarse en mar abierto. En la Naturaleza todas las estrategias de defensa suelen llevar aparejadas una estrategia de ataque. ¿Hay depredadores marinos capaces de ver luz polarizada? Todavía no sabemos si hay peces capaces de ver luz polarizada y procesarla con su sistema nervioso central. Una manera en la que un pez puede manipular de forma activa la reflexión de su piel es cambiando el ángulo con el que nada en función de la posición del Sol. Pero no se puede descartar que los ojos de estos peces sean sensibles a la luz polarizada y que respondan a ella en lugar de a la posición del Sol. Sin embargo, aún no hay pruebas de laboratorio que confirmen esta hipótesis de forma concluyente. El color de la piel de los animales es debido a unas células de su piel que tienen pigmentos en su interior capaces de reflejar la luz, llamados cromatóforos. Los peces marinos de piel plateada tienen en su piel cromatóforos que reflejan luz iridiscente, llamados iridóforos, o luz blanca metálica, llamados leucóforos. Los iridóforos son células con pigmentos que reflejan la luz usando láminas de esquemocromos cristalinos sintetizados a partir de guanina, una base nitrogenada. Los leucóforos usan otra base nitrogenada llamada purina. La guanina es una de las bases nitrogenadas que forman parte de los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN, junto a la adenina, la citosina y la timina en el ADN o el uracilo en el ARN. De hecho, la adenina y la guanina del ADN son moléculas derivadas de la purina. Los peces estudiados en el nuevo trabajo publicado en Science por investigadores de la Universidad de Texas, en Austin, el jurel plateado y el pez jorobado, presentan iridóforos en su piel. Las láminas de guanina, llamadas esquemocromos, generan colores iridiscentes metálicos cuando son iluminadas con luz blanca debido a la difracción que sufren los rayos de luz al atravesar estas láminas que tienen forman rectangular. Alineadas en vertical producen una reflexión especular en la dirección vertical que les da su característico color plateado o metálico. Pero las láminas de guanina en el plano horizontal tiene sus ejes con una distribución de ángulos muy variada, lo que provoca una gran reflexión difusa a lo largo del eje horizontal. Gracias a ello en los «ángulos de persecución» la luz que refleja la piel de estos peces está despolarizada, lo que reduce los brillos metálicos y permite el camuflaje en aguas abiertas. Esta polarocripsis de los peces promete aplicaciones en ciencia de los materiales. La ingeniería biomimética se inspira en la Naturaleza para ofrecer soluciones prácticas a problemas muy difíciles, como el camuflaje de navíos en alta mar.

 

 

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 noviembre, 2015
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