Células fotónicas en un escarabajo

Dibujo20160116 Photograph male H coerulea beetle Scanning electron microscopy image scales beetle elytra srep19322_f1

El color del macho del escarabajo Hoplia coerulea cambia de azul a verde en contacto con agua. La razón es que sus élitros tienen escamas que encierran una estructura fotónica biocompatible recubierta con una membrana delgada. Sébastien R. Mouchet (Univ. Namur, Bélgica) y sus colegas las han bautizado como «células fotónicas». Recuerda que los élitros en los escarabajos son las alas delanteras (el primer par de alas) que se comportan como armaduras rígidas que protegen el tórax, el segundo par de alas y el abdomen. Los élitros son levantados para poder volar usando las alas traseras.

El artículo es Sébastien R. Mouchet et al., «Liquid-induced colour change in a beetle: the concept of a photonic cell,» Scientific Reports 6: 19322 (2016), doi: 10.1038/srep19322. En este blog también puedes leer «Trazan la historia evolutiva de la iridiscencia en los gorgojos», LCMF, 12 Jul 2013; y «Los cristales fotónicos y el cambio de color de los camaleones», LCMF, 11 Mar 2015.

PS [25 Jan 2016]: Recomiendo leer a Sarah Keartes, «Booze makes some butterflies change colors,» Nerdist.com, 20 Jan 2016, y ver el vídeo de Veritasium, «How To Make Colour With Holes,» youtube video.

Dibujo20160116 permeability envelope to water and photonic crystal structure srep19322_f1

El escarabajo Hoplia coerulea vive en el sur de Francia y norte de España. Fácil de ver en verano, en un lugar soleado cerca de un curso de agua o un pantano, su color azul-violáceo iridiscente es inconfundible. Su origen es la interferencia de la luz dentro de los cristales fotónicos que contienen las escamas de sus élitros y tórax. Estas estructuras de quitina tienen una envoltura permeable muy delgada, unos 100 nm. A pesar de ser más delgada que la longitud de onda de la luz visible juega un papel clave en el cambio de color reversible inducido por el contacto con agua. Un fenómeno que muchos naturalistas han observado y que no tenía explicación hasta ahora.

Sébastien R. Mouchet y sus colegas han estudiado machos muertos de H. coerulea en laboratorio, cuyos élitros han sido impregnados tanto con agua como con alcohol (etanol, metanol e isopropanol). Los cambios ópticos son mucho más rápidos con agua que con etanol, a pesar de que el agua forma un ángulo de contacto en las escamas más grande y el etanol se filtra de inmediato, casi sin formar una gota estable. La envoltura que recubre a la estructura fotónica controla estos intercambios con el entorno. Por ello, Mouchet y sus colegas han bautizado estas estructuras recubiertas con el nombre de «células fotónicas». Por supuesto, no se trata de células biológicas con orgánulos internos y metabolismo. Sin embargo, Mouchet y sus colegas se atreven a soñar en el diseño de células (biológicas) fotónicas que presenten cristales fotónicos en su membrana para el control con luz de su metabolismo. Quizás es soñar mucho, pero el concepto de optobiología sintética me parece revolucionario.

Dibujo20160116 color change induced by water contact in H coerulea beetle scaldes srep19322-f2

Esta figura (a) muestra el espectro óptico de la luz blanca reflejada en las escamas secas (Dry) y mojadas con agua (Wet) en el escarabajo macho de H. coerulea. Hay que recordar que el índice de refracción de la quitina es 1,56, mientras que el del agua es 1,33 y el del aire 1,00; por tanto, el índice de refracción efectivo de la estructura fotónica es mayor cuando está mojada con agua que cuando está seca (rellena de aire). La figura (b) muestra el espectro óptico cuando se ilumina el escarabajo con luz ultravioleta; el color celeste de las escamas secas (Dry) se transforma en un azul oscuro cuando se mojan (Wet). Las escamas secas tiene un pico de reflexión situado en 472 ± 8 nm con una anchura total (a mitad del máximo) de 141 ± 19 nm para incidencia de luz normal. Tras depositar las gotitas de líquido, el pico aparece a 530 nm para el agua y a 540 nm para el etanol o metanol. Tras el secado, se recupera el color inicial.

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Este vídeo muestra en tiempo real los cambios de color en los élitros de un escarabajo macho mediante un microscopio óptico. El vídeo tiene tres partes (sin solución de continuidad). La primera muestra como el color de las escamas cambia de azul a verde tras su contacto con una gota de agua destilada (0,5 µl). La segunda muestra el mismo cambio cuando se usa una gota de etanol (0,5 µl). Y la tercera el cambio cuando las escamas se rocían con nanogotas de agua (~ 1 nl) usando un pulverizador comercial específico. El tamaño de las nanogotas (~ 40 micras) es similar al tamaño de las escamas. El vídeo muestra que el cambio de color sólo se produce en el lugar donde se deposita la nanogota (en la parte superior de las escamas).

La envoltura de quitina que recubre las escamas tiene mayor permeabilidad al agua que al etanol, en otras razones fisicoquímicas, porque sus moléculas son más pequeñas. El agua penetra más rápido a través de los nanoporos de la envoltura que el etanol. Los autores finalizan su artículo afirmando que el nuevo concepto de «célula fotónica» tiene gran potencial para el desarrollo de nuevos materiales fotónicos inteligentes que permitan un control de las propiedades ópticas (o fotónicas) mediante la permeabilidad al agua. También se propone el desarrollo de sistemas bioinspirados de detección de sustancias y de funcionalización de las membranas celulares.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 17 enero, 2016
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