Los calamares han sido durante mucho tiempo una fuente de fascinación para los humanos, proporcionando el material de la leyenda, superstición y mito. Y no es de extrañar, sus extrañas apariencias y su extraña inteligencia, su dominio del océano abierto puede inspirar asombro en quienes los ven.

Leyendas a un lado, los calamares continúan intrigando a la gente hoy en día, como el profesor Daniel Morse de UC Santa Bárbara, por lo mismo, aunque más científico, razones. Habiendo evolucionado durante cientos de millones de años para cazar, comunicar, evadir a los depredadores y aparearse en lo vasto, a menudo extensiones de aguas abiertas sin rasgos distintivos, Los calamares han desarrollado algunas de las pieles más sofisticadas del reino animal.

"Por siglos, La gente se ha sorprendido de la capacidad de los calamares para cambiar el color y los patrones de su piel, lo que hacen maravillosamente, para camuflarse y comunicarse bajo el agua. señalándose unos a otros y a otras especies para que se mantengan alejados, o como atracción para el apareamiento y otros tipos de señalización, "dijo Morse, un distinguido profesor emérito de bioquímica y genética molecular.

Como sus primos cefalópodos, el pulpo y la sepia, los calamares tienen células especializadas llenas de pigmento llamadas cromatóforos que se expanden para exponerlos a la luz, dando como resultado varios tonos de color pigmentario. De particular interés para Morse, sin embargo, es la capacidad de los calamares de brillar y parpadear, reflejando diferentes colores y rompiendo la luz sobre su piel. Es un efecto que se cree que imita la luz moteada de la parte superior del océano, la única característica en un paisaje marino por lo demás desolado. Al comprender cómo los calamares logran desvanecerse incluso en los fondos más simples, o destacar, es posible producir materiales con el mismo, propiedades de ajuste de luz para una variedad de aplicaciones.

Morse ha estado trabajando para descubrir el secreto de la piel de calamar durante la última década, y con el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército y la investigación publicada en la revista. Letras de física aplicada , él y la coautora Esther Taxon se acercan aún más a desentrañar los complejos mecanismos que subyacen a la piel del calamar.

Un mecanismo elegante

"Lo que hemos descubierto es que el calamar no solo es capaz de ajustar el color de la luz que se refleja, pero también su brillo, ", Dijo Morse. La investigación hasta ahora ha establecido que ciertas proteínas llamadas reflectinas eran responsables de la iridiscencia, pero la capacidad del calamar para sintonizar el brillo de la luz reflejada seguía siendo un misterio, él dijo.

Investigaciones anteriores de Morse habían descubierto estructuras y mecanismos mediante los cuales los iridocitos (células que reflejan la luz) de la piel opalescente del calamar costero (Doryteuthis opalescens) pueden adquirir prácticamente todos los colores del arco iris. Sucede con la membrana celular, donde se pliega en estructuras en forma de acordeón a nanoescala llamadas laminillas, formando minúsculo, ranuras exteriores de sub-longitud de onda.

"Esas diminutas estructuras de surcos son como las que vemos en el lado grabado de un disco compacto, ", Dijo Morse. El color reflejado depende del ancho de la ranura, que corresponde a ciertas longitudes de onda de luz (colores). En los iridocitos del calamar, estas laminillas tienen la característica adicional de poder cambiar de forma, ensanchando y estrechando esos surcos a través de las acciones de un "motor osmótico" extraordinariamente afinado impulsado por proteínas reflectinas que se condensan o se separan dentro de las laminillas.

Si bien los sistemas de materiales que contienen proteínas reflectinas fueron capaces de aproximarse a los cambios de color iridiscentes de los que eran capaces los calamares, los intentos de replicar la capacidad de intensificar el brillo de estos reflejos siempre se quedaron cortos, según los investigadores, quien razonó que algo tenía que acoplarse a los reflejos en la piel de calamar, amplificando su efecto.

Ese algo resultó ser la misma membrana que encierra las reflectinas:las laminillas, las mismas estructuras responsables de los surcos que dividen la luz en sus colores constituyentes.

"Evolution ha optimizado tan exquisitamente no solo el ajuste de color, pero la afinación del brillo usando el mismo material, la misma proteína y el mismo mecanismo, "Dijo Morse.

Luz a la velocidad del pensamiento

Todo comienza con una señal un pulso neuronal del cerebro del calamar.

"Las reflectinas normalmente tienen una carga positiva muy fuerte, "Morse dijo de las proteínas iridiscentes, cuales, cuando no está activado, parece una cadena de cuentas. Su misma carga significa que se repelen entre sí.

Pero eso puede cambiar cuando una señal neuronal hace que las reflectinas se unan a grupos fosfato cargados negativamente que neutralizan la carga positiva. Sin la repulsión que mantiene a las proteínas en su estado desordenado, se pliegan y se atraen entre sí, acumulándose en menos, agregaciones más grandes en las laminillas.

Estas agregaciones ejercen presión osmótica sobre las laminillas, una membrana semipermeable construida para resistir sólo cierta presión creada por las reflectinas aglutinadas antes de liberar agua fuera de la celda.

"El agua sale de la estructura similar a un acordeón, y eso colapsa el acordeón por lo que se reduce el grosor en el espacio entre los pliegues, y eso es como acercar las ranuras de un disco compacto, ", Explicó Morse." De modo que la luz que se refleja puede cambiar progresivamente de rojo a verde y a azul ".

Al mismo tiempo, el colapso de la membrana concentra las reflectinas, provocando un aumento en su índice de refracción, amplificando el brillo. Presión osmótica, el motor que impulsa estos ajustes de propiedades ópticas, acopla las laminillas firmemente a las reflectinas en una relación altamente calibrada que optimiza la salida (color y brillo) a la entrada (señal neuronal). Limpia la señal neuronal y la física se invierte, Dijo Morse.

"Es muy inteligente forma indirecta de cambiar el color y el brillo mediante el control del comportamiento físico de lo que se llama una propiedad coligativa:la presión osmótica, algo que no es inmediatamente obvio, pero revela la complejidad del proceso evolutivo, los milenios de mutaciones y selecciones naturales que han perfeccionado y optimizado estos procesos juntos ".

Películas delgadas de brillo ajustable

La presencia de una membrana puede ser el vínculo vital para el desarrollo de películas delgadas bioinspiradas con la capacidad de ajuste óptico del calamar costero opalescente.

"Este descubrimiento del papel clave que desempeña la membrana en el ajuste del brillo de la reflectancia tiene implicaciones intrigantes para el diseño de futuros materiales híbridos y recubrimientos con propiedades ópticas ajustables que podrían proteger a los soldados y su equipo". "dijo Stephanie McElhinny, un director de programa en la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

Según los investigadores, "Este perfeccionado evolutivamente, El acoplamiento eficiente de la reflectina de su amplificador osmótico es muy análogo al acoplamiento emparejado de impedancia de las redes de activador-transductor-amplificador en sistemas electrónicos bien diseñados, magnético, sistemas mecánicos y acústicos. "En este caso el activador sería la señal neuronal, mientras que las reflectinas actúan como transductores y las membranas controladas osmóticamente sirven como amplificadores.

"Sin esa membrana que rodea las reflectinas, no hay cambios en el brillo de estas películas delgadas artificiales, "dijo Morse, quien está colaborando con colegas de ingeniería para investigar el potencial de una película delgada más parecida a la piel de un calamar. "Si queremos capturar el poder de lo biológico, tenemos que incluir algún tipo de recinto similar a una membrana para permitir un ajuste reversible del brillo ".