Por Marta Bueno Saz, para Mujeres con Ciencia*
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| Un ala de mariposa a diferentes escalas de magnificación. Wikimedia Commons |
La coloración pigmentaria no depende del ángulo
desde el que observamos la planta o el animal y se debe a pigmentos que
absorben o reflejan directamente longitudes de onda específicas. Por el
contrario, la coloración estructural depende del ángulo e implica
interferencia, es decir, reflexión, transmisión o dispersión de la luz por
micro o nanoestructuras biológicas con índices de refracción distintos. La
bioluminiscencia implica ciertas reacciones del oxígeno con diferentes
sustratos y enzimas que producen fotones de luz visibles.
Muchos mamíferos, aves, mariposas, peces,
plantas, etcétera, tienen los colores que tienen debido a pigmentos. Por
ejemplo, las aves producen eumelaninas (coloración negra, marrón y gris) y
feomelaninas (coloración amarilla y roja) en estructuras que tienen vesículas
recubiertas que transportan precursores químicos para formar diferentes
melaninas. Además, utilizan carotenoides (en gran parte por la dieta), junto
con otros pigmentos. Por otro lado, las mariposas, que también cuentan con una
amplia variedad de colores y patrones, tienen pigmentos de papiliocromo
(amarilla), el carotenoide luteína (azul-verde) y otras variantes según la
especie. Por su parte, los peces tienen una variedad de células con estructuras
a base de pigmentos.
Las funciones y la diversidad de los pigmentos
en las plantas superan a las conocidas en los animales, y se utilizan para
tintes y pinturas.
Pero en la naturaleza también hay otro tipo de
coloración que permite al organismo generar colores en longitudes de onda muy
específicas dependiendo de la geometría de las estructuras que se hayan
formado. A veces son cristales fotónicos unidimensionales, como se observa en
los escarabajos Joya japoneses y otras especies, las mariposas Papilio Ulysses
y el colibrí Coelligena PrunelleiCoel.
Estos insectos y aves tienen capas alternas de quitina/melanina, quitina/aire o
aire/melanina en una matriz de queratina con diferentes periodicidades que dan
como resultado los tonos metálicos de los escarabajos o los colores azul-verde
observados en las mariposas y los colibríes. En general, los iridosomas
reflejan longitudes de onda de luz específicas por las estructuras de
partículas formadas a partir de materiales con un índice alto de refracción. Estos
son los colores que presentan algunos seres vivos que tanto interesaron a la
descollante investigadora María McNamara.
Cuando niña, María McNamara -nacida en 1980-
imaginó que algún día sería una bióloga. Pasaba mucho tiempo identificando
flores silvestres y recolectando insectos, rocas y peces pequeños. En la
escuela, le fascinaba todo lo que tuviera que ver con la geología, los volcanes
y la naturaleza en general. En 1999 cumplió su primer deseo de ser una experta
en las materias que le divertían y eligió estudiar Ciencias de la Tierra en la
Universidad Nacional de Irlanda, en Galway. Un año después, descubrió la
paleontología, y ya no miró atrás: «Asistí a una conferencia, el primer día de
mi segundo año de carrera y me di cuenta de golpe de que eso era lo mío».
Con su título en mano, McNamara empezó su
doctorado en el University College de Dublin en 2003. Allí observó los procesos
de fosilización de las faunas lacustres del noreste de España, del Mioceno, una
época geológica que se remonta a 533 millones de años.
La naturaleza se pinta
sola
McNamara utilizó la microscopía óptica a lo
largo de su doctorado, pero también pasó mucho tiempo detrás de un antiguo
microscopio electrónico de barrido (SEM) Hitachi estudiando los orgánulos de
los melanosomas. Estas estructuras albergan la melanina que absorbe la luz y
son responsables del color dentro de los tejidos animales blandos fosilizados.
«No hay manera de recubrir estas muestras, por lo que constantemente estábamos
jugando con la distancia de trabajo, la corriente de la sonda y el tamaño del
punto para llevar la resolución al máximo», comenta la investigadora.
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| Mariposa Papilio ulysses, escarabajo Cicindela scutellaris, escarabajo Chrysochroa fulgidissima y colibrí Coeligena prunellei. |
Utilizando plumas de aves actuales, intentó
simular la descomposición en el laboratorio para investigar los procesos de
fosilización. Sin embargo, después de 18 meses, las plumas no se habían
podrido.
Ella misma piensa que podía haber llevado a
cabo experimentos a temperaturas elevadas para acelerar la descomposición, en
lugar de imitar el entorno natural, pero como ella dice: «Los experimentos de
fosilización tratan de explorar procesos y no necesariamente las tasas de
transformaciones químicas que realmente tienen lugar durante millones de años…
pero mi pensamiento no había evolucionado hasta ese punto cuando llevé a cabo
el experimento y fracasé».
Cuando surgió la oportunidad de trabajar como
geóloga de geoparques en el Servicio Geológico de Irlanda, McNamara cambió de
entorno. Fue responsable de cuidar 200 kilómetros cuadrados de terreno,
identificar posibles geositios que pudieran ser accesibles al público, plantear
senderos para caminar y andar en bicicleta, producir folletos informativos,
visitar escuelas y trabajar con agricultores locales. Hizo muchas cosas, pero
echaba de menos la creatividad, los experimentos y la resolución de preguntas asociadas
con la academia. Deseosa de regresar, solicitó una beca posdoctoral en la
Asociación de Antiguos Alumnos Marie-Curie.
«Visualicé mi proyecto de la noche a la mañana,
escribí la solicitud y recibí los fondos». Así que en 2009, se encontró en el
Departamento de Geología y Geofísica de la Universidad de Yale, en Estados
Unidos, observando los colores estructurales de insectos fósiles con el
reputado paleontólogo Derek Briggs.
Creando fósiles en el
laboratorio
Investigaciones anteriores habían insinuado que
la coloración estructural dentro de los insectos fosilizados se conservaba,
pero esto no se había estudiado de una forma exhaustiva. McNamara diseñó un
proyecto que utilizaba diversos recursos para caracterizar las estructuras
físicas que generan ese color. También utilizó modelos de Fourier en dos
dimensiones para determinar si las estructuras fósiles podían generar
longitudes de onda de luz visibles, y luego modeló los colores mencionados. Sus
notables resultados cambiaron la forma en que la ciencia observaba a los
insectos.
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| Maria McNamara sosteniendo pequeñas muestras de plumas de pterosaurio |
La investigadora identificó también las mismas
nanoestructuras productoras de color dentro de las escamas de las alas de
polillas fósiles de 47 millones de años. Además, en cada caso, el modelado
indicó que los colores originales se alteraron durante la fosilización debido a
cambios de temperatura y presión que redujeron la estructura física del
insecto. «Mi equipo mostró que cuando se observan escarabajos modernos, se los
calienta y se los presiona, las cutículas de color estructural cambian de verde
a cian, de azul a morado y, finalmente, a negro», dice. Esto sucede porque las
capas del reflector multicapa se vuelven más delgadas, por lo que la longitud
de onda de la luz se desplaza hacia el azul y luego abandona el rango visible
hasta que ya no se ve ningún color, solo el negro. Investigaciones posteriores
pusieron de manifiesto cristales fotónicos tridimensionales en escamas de
escarabajos fósiles, conocidas por ser una de las estructuras más complejas de
la naturaleza.
A su vez, estudios análogos sobre plumas de
dinosaurios demostraron que la geometría y distribución de los melanosomas se
alteraban bajo presiones y temperaturas altas. Que esto implicara que el cambio
de color tuviera lugar durante la fosilización de las plumas, poniendo así en
duda las teorías sobre el color de los dinosaurios, generó mucha controversia.
Lo más importante es que McNamara sentó las bases para que otros paleontólogos
estudiaran insectos antiguos y plumas de dinosaurios utilizando un arsenal
similar de métodos analíticos.
En busca de otros
destinos
Dejando a un lado los exitosos resultados de la
investigación, a María no le gustaba del todo su vida en Estados Unidos. Aunque
estaba encantada de trabajar con Derek Briggs, reconoce que «nosotros [mi
marido y yo] no disfrutábamos de la vida en Estados Unidos: me inquietaban las
armas de fuego y echaba de menos la cercanía de la gente, charlar y hacer
tejido social». Así que cuando Mike Benton, de la Universidad de Bristol en
Reino Unido, le pidió que se uniera a su equipo para investigar la evolución de
los dinosaurios, dejó Yale y cruzó el Atlántico.
Su estancia en Bristol fue corta (menos de un
año), pero impulsó en gran escala su innovadora investigación sobre los
dinosaurios emplumados. Incluso hoy, McNamara todavía colabora estrechamente
con Benton en los orígenes de las plumas, los insectos fosilizados, las ranas y
demás especies.
En 2013, McNamara ocupó el puesto de catedrática
en la Facultad de Ciencias Biológicas, Terrestres y Ambientales del University
College de Cork (Irlanda) y comenzó a construir un laboratorio centrado en
experimentos de fosilización y preparación de muestras: «Queríamos llevar a
cabo experimentos que simularan lo que sucede cuando los fósiles quedan
enterrados en la corteza terrestre».
María tiene ahora en su equipo a más de una
docena de investigadoras e investigadores y ha puesto en marcha un laboratorio
de microhaces. El grupo de McNamara ha publicado varias investigaciones
innovadoras sobre el color de los fósiles y los dinosaurios emplumados.
En Cork, y por primera vez en el mundo, ella y
sus colegas descubrieron estructuras parecidas a plumas en muestras fosilizadas
de un dinosaurio herbívoro primitivo. Hasta ese momento, se pensaba que sólo
los dinosaurios carnívoros tenían plumas, pero los resultados publicados en
Science indicaron que tales estructuras estaban muy extendidas, incluso en los
primeros dinosaurios.
Por otro lado, por primera vez, María McNamara
y sus colegas utilizaron SEM y análisis con microsonda para demostrar que los
tejidos mineralizados de piel de serpiente conservaban evidencia de color.
Estos tejidos contenían tres tipos de células pigmentarias. Antes se pensaba que
el color de la piel se conservaba en los fósiles por restos orgánicos
relacionados con la melanina. María demostró que el color se puede conservar en
tejidos mineralizados y esto fue otro punto de inflexión para que la comunidad
científica se cuestionara algunos aspectos de la prehistoria natural. Sus
hallazgos y su metodología abren líneas de investigación apasionantes y muy
coloridas.
*Este artículo fue publicado originalmente en la web Mujeres con Ciencia.