Las nanoesferas fotónicas ayudan a los moluscos bebés a esconderse de los depredadores

Los investigadores han descubierto un reflector basado en nanomateriales que se superpone a los pigmentos de los ojos en ciertos crustáceos bebés. Los pigmentos, que están hechos de diminutas esferas cristalinas de isoxantopterina, permiten que los animales se vuelvan completamente transparentes y así se escondan de los depredadores. Las estructuras podrían inspirar el desarrollo de materiales fotónicos artificiales biocompatibles.

Muchas criaturas que viven en el océano parecen transparentes para evitar acabar como presas, pero sus ojos pueden delatarlas porque contienen pigmentos opacos. Para camuflar mejor sus ojos, muchos crustáceos han desarrollado reflectores que cubren los pigmentos oscuros de sus ojos, produciendo un "brillo de ojos" que refleja la luz en longitudes de onda que coinciden con las del agua en la que viven, es decir, las longitudes de onda de la luz visible (400 a 750 nm ).

En su nuevo trabajo, detallado en Ciencia:, investigadores dirigidos por johannes haataja de las Universidad de Cambridge en el Reino Unido y Benjamín Palmer Desde Universidad Ben Gurion en Israel, utilizó microscopía electrónica de barrido óptica y criogénica para estudiar varias especies de camarones y langostinos, incluidas las especies de agua dulce Machrobrachium rosenbergi.

Descubrieron que el brillo de ojos es producido por células altamente reflectantes hechas de un vidrio fotónico que contiene nanoesferas de isoxantopterina cristalina en el interior de los ojos de los crustáceos. El color del brillo de ojos varía de azul profundo a verde/amarillo según el tamaño de las nanoesferas y cómo se ordenan. Esta modulación ayuda a las criaturas a “mimetizarse” con diferentes colores de fondo, que varían según la hora del día y la profundidad en la que se encuentren, explica Palmer.

Una agradable sorpresa

Como sucede a veces en la ciencia, los investigadores hicieron su descubrimiento por casualidad, ya que inicialmente estaban estudiando cómo se forman los cristales de isoxantopterina en ciertas especies de camarones a medida que se desarrollan. De hecho, en trabajos anteriores, habían descubierto que los crustáceos decápodos adultos usaban un reflector de retrodispersión (tapetum) que se encontraba detrás de la retina hecha de estos cristales para aumentar la cantidad de luz que capturaban.

"Sin embargo, nos llevamos una agradable sorpresa al descubrir que las larvas de camarón también usan reflectores cristalinos, aunque con un propósito óptico muy diferente al de los adultos", explica Palmer. “Nuestro trabajo se basa en un estudio previo de otro grupo que encontró este efecto en crustáceos estomatópodos larvarios. También encontramos que el fenómeno del brillo de ojos está presente en otras larvas de crustáceos decápodos con ojos de diferentes colores”.

Invisible contra el fondo

Para descubrir el material responsable de esta reflectancia, el equipo utilizó microscopía electrónica de barrido criogénico, una técnica que permite obtener imágenes de tejido biológico en un estado cercano a la vida sin introducir artefactos resultantes de la deshidratación del tejido biológico húmedo. Las imágenes obtenidas mostraron que el reflector estaba hecho de esferas. Tras un examen más detallado, utilizando tomografía electrónica de transmisión y difracción de electrones, los investigadores encontraron que las esferas estaban hechas de cristales de isoxantopterina, al igual que en los ojos de los crustáceos adultos.

“Sin embargo, en el caso de las larvas, la posición anatómica y la función óptica de las esferas es muy diferente”, dice Palmer. Mundo de la física. “El reflector se asienta sobre los pigmentos absorbentes en el ojo y refleja la luz lejos de los pigmentos oculares conspicuos para hacer que los animales sean invisibles contra el fondo”.

La clave del camuflaje, dice, es la capacidad del animal para controlar el tamaño de las esferas, lo que, como se mencionó, determina el color del reflector. Una parte crítica del estudio, agrega, fue el trabajo computacional realizado por Haataja y Lucas Schertel. “Sus modelos tridimensionales nos permitieron probar el efecto de numerosos parámetros estructurales en las propiedades ópticas del reflector, incluido el tamaño de las partículas, la fracción de relleno de las partículas, el tamaño de las celdas, la birrefringencia de las partículas y el hueco de las partículas”, explica Palmer.

Biomineralización orgánica

Los investigadores dicen que ahora les gustaría comprender mejor cómo los diferentes organismos usan materiales cristalinos para manipular la luz para diferentes funciones. Este campo, conocido como biomineralización orgánica, está captando cada vez más la atención de la comunidad, explica Palmer. Una pregunta clave aquí es comprender cómo los organismos controlan la cristalización de estos materiales, con el objetivo de desarrollar nuevas formas de sintetizar equivalentes artificiales para su uso en aplicaciones del mundo real.

Las nanoesferas bacterianas pueden ayudar a camuflar pequeños crustáceos

“Si bien estamos más preocupados por la ciencia fundamental, es muy posible que se generen materiales bioinspirados a partir de este estudio”, dice. “Las nanoesferas de isoxantopterina tienen un índice de refracción increíblemente alto (alrededor de 2.0 en ciertas direcciones cristalográficas), lo que las hace extremadamente eficientes para reflejar la luz. Y el hecho de que el color de la luz reflejada se pueda ajustar controlando el tamaño de la esfera los convierte, en principio, en materiales ópticos muy versátiles”.

Palmer agrega que actualmente hay mucho interés en reemplazar los materiales de dispersión inorgánicos convencionales (utilizados en aditivos alimentarios, pinturas y cosméticos, por ejemplo) con análogos orgánicos. “El material descrito en este trabajo sería un excelente candidato, pero hay muchas cosas fundamentales que debemos aprender primero”.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/photonic-nanospheres-help-baby-shellfish-hide-from-predators/