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Biofísico colombiano aporta a la comprensión de la estructura y el color de las mariposas

Publicado el:: 26-05-2008

En ninguna otra parte de la naturaleza parece encontrarse tanta belleza contenida como en las alas de las mariposas, por el colorido, los patrones que las caracterizan, la variedad, las combinaciones, la intensidad y la fuerza de las tonalidades.

Biofísico colombiano aporta a la comprensión de la estructura y el color de las mariposas
Pese a los intentos por descifrar el origen de tanta belleza junta, hasta hace muy poco los científicos no habían podido saber cómo son creados tales colores, hasta que el físico colombiano, egresado de la Universidad de Antioquia, Marco Giraldo Cadavid, con la ayuda de un equipo investigador holandés, se aplicó a la tarea de desentrañar el ‘misterio’.

Al lado del grupo de neurobiofísica de la Universidad de Groningen –el equipo científico holandés que se ha interesado en estudiar los ojos de los insectos, en particular de las moscas y en los últimos años de las mariposas–, Giraldo Cadavid ha analizado cómo participan en el proceso de visión los colores que las mismas mariposas generan.

La idea del trabajo, adelantado como parte de su formación doctoral en biofísica en los últimos cuatro años, es entender cuáles son los procesos físicos que explican el color en las alas de las mariposas, examinando la estructura de las escamas de las alas de algunas especies, como la pequeña mariposa blanca o de la col, que pertenece a la familia Pieridae.

“Escamas de alas de mariposa. Pigmentación y propiedades estructurales” es el título de la tesis doctoral con la que Marco Giraldo Cadavid se graduó en Groningen y cuyos resultados ya le dan la vuelta al mundo a través de la web. Pertenece, a su vez, a un proyecto macro que busca comprender el color en la naturaleza, cómo algunos insectos ‘ven’ los colores o tienen una idea de su entorno y cómo esos colores funcionan en la comunicación interespecífica –entre las especies– e intraespecífica –en la misma especie.

En esa dirección, la investigación permitió una mejor apreciación de lo que sucede con las subespecies japonesa y europea, pues aunque son mariposas pertenecientes a la misma familia Pieridae, presentan algunas diferencias.

Es propio de la subespecie japonesa –explica Giraldo Cadavid– el dicromatismo sexual, según el cual el macho presenta un color y la hembra otro, aunque a nuestros ojos ambos parezcan blancos, y sólo parezcan porque cuando se analizan con un espectrofotómetro nos damos cuenta que mientras el macho absorbe el ultravioleta, la hembra lo refleja; ello, por el contrario, no sucede con la subespecie europea, pues tanto la mariposa macho como la hembra absorben el ultravioleta, lo que a la hora de la cópula genera equívocos.

“La subespecie japonesa –precisa– absorbe y refleja el ultravioleta, una característica que para nosotros no es muy visible, porque sólo vemos en el espectro longitudes de onda desde el violeta hasta el rojo, dado que tenemos tres fotorreceptores –rojo, verde y azul–, mientras que las mariposas tienen hasta seis”.

Interesado como siempre estuvo en la biofísica –la relación entre la biología y la física, las aplicaciones de las leyes físicas a la biología y cómo ésta puede ser comprendida con la ayuda de los conceptos matemáticos y físicos–, el joven investigador hace unos diez años se vinculó al grupo de biofísica de la Universidad de Antioquia, en aquel entonces coordinado por el profesor Napoleón Hernández, ya fallecido.

Luego, tomó contacto con los investigadores de Groningen, con el profesor Doekele Stavenga como líder del grupo de neurobiofísica, y como fruto de esa vinculación y de las pacientes indagaciones del biofísico colombiano el conocimiento sobre las estructuras de las alas de las mariposas muestra avances importantes no sólo en el campo de la física y la biología, sino también en el de la aplicación en la industria del color.

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Hallazgos
El primero de una serie de artículos que Giraldo Cadavid y el grupo de neurobiofísica publicó sobre la materia versa sobre un modelo físico matemático que compara los resultados obtenidos en computador con los alcanzados de forma experimental en el laboratorio. “Lo que hice fue medir propiedades ópticas como reflectancias, trasmitancias, lo cual se refiere a la cantidad de luz que refleja cierta superficie o estructura, en este caso, las alas de la mariposa o de los lepidópteros, que como su nombre lo indica, se trata de insectos con alas escamadas”, explica.

¿Y cómo está estructurada el ala de la mariposa? Marco Giraldo Cadavid precisa que el ala de la mariposa está formada por una telita muy delgada semitransparente –de milésimas de milímetro o micrómetros–, cubierta por escamas a lado y lado, superpuestas como las tejas de un techo.

Una de las conclusiones más importantes del artículo –afirma– es que esa estructura de cinco capas –dos escamas que se superponen a un lado, más dos al otro lado y el ala misma– son mucho más efectivas para reflejar la luz que una estructura con cuatro o tres capas, pero si a esas cinco capas se le agrega una más la reflectancia no mejora, pero sí aumenta el peso.

Detalles del trabajo de Marco Antonio Giraldo Cadavid, físico de la Universidad de Antioquia y doctorado en biofísica de la Universidad de Groningen, Holanda.

“Siempre en la naturaleza hay una competencia entre la efectividad para generar, en este caso, la intensidad de la luz, y las consecuencias que eso trae. La competencia en este caso es generar más intensidad de color con el mínimo de material posible. Ese es el mérito de este primer estudio”, observa.

En otro artículo, estudiando la misma especie y otras especies de la misma familia Pieridae, constata, al observar microscópicamente, que las escamas están formadas por bolitas; eso ya se sabía, pero sobre lo que no había certeza era cuál era la función de tales bolitas, si consistía exclusivamente en almacenar los pigmentos, como creían algunos, o aumentar la reflectancia, como pensaban otros.

“Lo que encontramos es que efectivamente esas bolitas almacenan el pigmento, pero también dispersan más luz, de manera que una escama de mariposa con mayor densidad de bolitas va a reflejar más luz y va a absorber más rangos de longitudes de onda, que dependen del pigmento que tenga”, explica Giraldo Cadavid.

Otro trabajo sobre de las mariposas se centró en la densidad de las escamas. Tras constatar que a mayor densidad de bolitas, mayor absorción de la luz y mayor dispersión, durante la investigación Giraldo Cadavid se dio cuenta de que la densidad no era uniforme y que dependía del área de la escama donde se hiciera la medición.

Sobre el particular, el artículo señala que la densidad de las bolitas no es uniforme, sino gradual, desde la base hasta la punta de la escama, que va pegada al ala –explica– de manera similar a como van incrustadas las ramas del árbol de navidad.

Una cualidad adicional del estudio es que el investigador logró cuantificar propiedades ópticas de escamas aisladas, un objetivo nada fácil de alcanzar al manipular dimensiones tan ínfimas, pues el tamaño de una escama está entre 70 y 200 micras.

“Otro de los méritos de la tesis –anota– y por lo cual fue muy bien aceptada entre la comunidad científica es que pude desarrollar un método para aislar esas escamas, pegarlas a un manipulador, rotarlas, analizarlas, y medir cualitativa y cuantitativamente las propiedades, lo cual no habían podido desarrollar bien otros grupos de investigación”.

Ese logro permitió superponer escamas y medir la reflectancia con el espectrofotómetro, de donde se derivó una conclusión más: en la punta de la escama hay mayor densidad que en la base.

El cuarto artículo es una comparación de escamas de especies y familias diferentes, donde ya no se examina reflectancia, trasmitancia y otras medidas ópticas, sino cómo se distribuye espacialmente la luz.

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¿A dónde apuntan los hallazgos?
No deja de causar inquietud por qué a un físico le da por estudiar mariposas, y en el caso de Marco Giraldo Cadavid la cuestión ha quedado resuelta, dado su interés inveterado en la biofísica; pero auscultando las razones detrás de las razones, es claro que el campo de aplicación inmediato del trabajo del científico colombiano y de sus pares de Groningen está en la industria del color.

Y ese sí que es un aporte de singular importancia, además de la contribución que de suyo ha hecho a la ciencia en el proceso evolutivo de las mariposas, en la ecología visual –entender cómo se relacionan los colores con el ambiente–, y en el desentrañamiento de las alas de la mariposa y la efectividad de su conformación, estructurada por escamas.

Como se sabe, es muy amplio el espectro de la industria que tiene que ver con el color, desde la producción de pinturas para automóviles y casas, hasta la generación de tintes para cosméticos y textil, y de ahí el vivo interés de esos sectores productivos en entender los misterios de los colores en la naturaleza, en particular de las mariposas –aunque también de cucarrones y pájaros–, por resultar ser ellas un muy buen orden de estudio –el lepidóptero– en tanto tienen todas las estructuras que han sido encontradas en otros animales, como los peces y los pájaros.

Giraldo Cadavid observa, al respecto, que la industria textil hoy por hoy tiene que cultivar muchos animales y plantas para poder dar pigmento a las telas, situación que se puede sustituir con el conocimiento del funcionamiento de los colores estructurales de las alas de mariposa que no tienen pigmentos, pues la estructura misma genera color. De hecho, complementa, ya hay una fibra sintética elaborada con base en el color de las alas de la mariposa Morpho, que es azul brillante. Pero también hay pinturas con esas características en la Fórmula 1 y en labiales.

En esas aplicaciones, subraya, “no hay un pigmento o compuesto químico que absorba determinadas longitudes de onda y refleje otras, sino que por la organización misma de la estructura se refleja cierto color, como en la mariposa Morpho, que no tiene pigmentos, sino que genera el azul debido a una serie de multicapas, que funcionan de manera similar a las pompas de jabón, que se ven coloridas a pesar de no tener ningún pigmento”.

Y así continúa Marco Giraldo Cadavid explicando los más intrincados fenómenos de la naturaleza con su peculiar estilo a base de metáforas, como cuando daba clases, cuando aún era estudiante de Física, en los programas de Veterinaria, Química Farmacéutica y Biología en la Universidad de Antioquia, y en la Universidad de San Martín.

Ahora ha vuelto a su Alma Máter, por el cariño y el agradecimiento a la universidad pública que le permitió formarse y entiende que la mejor manera de retribuirle a la institución y a la sociedad es devolviéndole parte de lo aprendido, aquí y allá. Por lo mismo, su propósito inmediato es fortalecer el grupo de investigación en Biofísica, que por cierto ya inscribió en Colciencias, y continuar sus investigaciones con la Universidad de Groningen y con el grupo de investigación Neurociencias de la Facultad de Medicina, en las líneas biomimética, modelos dinámicos en biología y neurofisiología.