Como otros ya han captado, la naturaleza ha desarrollado muchas soluciones inspiradoras para problemas difíciles que van desde la autorreplicación hasta el aprendizaje y la inteligencia.
La naturaleza de los diseños evolucionó a medida que las soluciones a los problemas son quizás compensaciones de ingeniería impuestas, no con poca frecuencia, por requisitos funcionales conflictivos. Por lo tanto, la verdadera “elegancia” de una solución evolucionada solo es aparente en su totalidad, en el contexto de las restricciones impuestas al diseño.
Una simple ilustración de esto es el uso dual de un solo material en criaturas con caparazones, por ejemplo, para protección y visión, con una compensación entre los dos usos.
Un artículo reciente en ( Science Nov 2015 ) [1] tiene un ejemplo de esta compensación en una criatura pequeña ( quitón en la Figura 1 ) de 5 cms de largo con una armadura tachonada con aproximadamente 1000 pequeños ojos hechos del mismo mineral que conforma su armadura ( sus ojos son diferentes a los ojos hechos de lentes proteicos que se encuentran en la mayoría de los animales ):
Figura 1 Un quitón que mide unos 5 cms [2]
El mineral ( una forma cristalina natural de carbonato de calcio ) sirve como un material de doble uso: para la resistencia de la armadura, y los cristales alineados de este material funcionan como lentes para permitir la entrada de luz.
La funcionalidad de la visión tiene un costo: las pruebas mecánicas han verificado que las lentes crean puntos débiles en la armadura. Las protuberancias en el caparazón, sin embargo, compensan en parte esto acurrucando los ojos en surcos protectores (Figura 2).
Figura 2 Estructura de los elementos sensoriales integrados dentro de la capa protectora de quitón [1]
El doble uso también contrarresta la forma en que las conchas realizan una sola función: los animales podrían ver mejor si las lentes fueran más grandes con granos de cristal más alineados, pero eso podría comprometer demasiado la fuerza de la concha. figura 3
Figura 3. Los cientos de ojos en la concha de un quitón están hechos del mineral aragonita (una de las dos formas cristalinas naturales de carbonato de calcio, la otra es calcita), un cristal grande del cual se ve en esta foto. Si bien se sabía que los ojos del quitón podían detectar la luz, no se sabía previamente si se trataba de ojos verdaderos capaces de formar imágenes. Los investigadores probaron esto en parte mediante el uso de lentes reales de un caparazón de quitón para producir imágenes enfocadas, incluido este dibujo de un pez. [2]
La naturaleza parece haber hecho un intercambio entre estas dos funciones, llegando a una solución óptima para las condiciones de vida del animal.
Hay ejemplos similares de “criaturas de concha” que tienen materiales estructurales multifuncionales ( diferentes formas de carbonato de calcio en la mayoría de los casos a continuación ) con algunos de ellos haciendo compensaciones similares:
- estrellas frágiles con receptores fotosensibles hechos de carbonato de calcio, donde el carbonato de calcio sirve para el doble uso de la construcción del esqueleto y la detección de sombras para un escape rápido. Figura 4 [3]
- esponjas con fibras de vidrio biológicas ( sílice hidratada amorfa ) que cumplen funciones de rigidez mecánica, disuasión de depredación, así como fibras ópticas que canalizan de manera efectiva toda la escasa luz ambiental disponible para atraer presas. [4]
- lapas con conchas hechas nuevamente de carbonato de calcio tachonado con líneas punteadas de color azul brillante hechas del mismo material, tal vez sirviendo como disuasivo para los depredadores al imitar exhibiciones de colores brillantes en caracoles venenosos de cuerpo blando Figura 5. [5]
- bivalvos que tienen una carcasa transparente de variante de tiempo con robustez mecánica, hecha de carbonato de calcio. La importancia biológica de variar la transparencia de la concha con el tiempo no está clara Figura 6. [6]
Figura 4. a , Especies indiferentes a la luz Ophiocoma pumila no muestra cambio de color de día (izquierda) a noche (derecha). b , la especie sensible a la luz O. wendtiic cambia el color notablemente desde el día (izquierda) hasta la noche (derecha). c , micrografía electrónica de barrido (SEM) de una placa del brazo dorsal (DAP) de O. wendtiicleansed de tejido orgánico. d , SEM de la sección transversal de un DAP fracturado de O. wendtii que muestra el stereom calcítico típico (S) y las estructuras de lentes agrandadas (L) que constituyen la capa periférica. e , SEM de la capa periférica de un DAP de O. pumila que muestra que carece de estructuras de lentes agrandadas. f , SEM de la capa periférica de un DAP de O. wendtii con las estructuras de lentes ampliadas. g , SEM de gran aumento de la sección transversal de una lente individual en O. wendtii. Las líneas rojas representan el perfil calculado de una lente compensada por la aberración esférica. La parte operativa de la lente calcítica (L) coincide estrechamente con el perfil de la lente compensada (líneas rojas en negrita). Los caminos de luz se muestran en azul. [3]
Figura 5. ( a ) Imagen óptica de una carcasa de lapa que muestra el reflejo de la luz desde el exterior de la carcasa. Barra de escala, 2 mm. ( b ) Micrografía óptica de reflexión de una sola raya. Barra de escala, 100 μm.
Figura 6. Conchas altamente transparentes de P. placenta. A) Vivir P. placenta en su hábitat natural (Changi Beach, Singapur, agosto de 2011). Se pueden ver algas verdes detrás de las conchas (flecha roja). La foto fue utilizada con permiso de Ria Tan. B) Muestras de concha de P. placenta con bordes recortados. “PAS” = cicatriz aductora posterior (círculos rojos). La flecha blanca indica las líneas de crecimiento. C) Baldosas cuadradas cortadas de muestras de conchas de P. placenta.
Referencias
- Multifuncionalidad de la armadura biomineralizada de quitón con un sistema visual integrado, Science Nov 2015
- Blindaje con ojos de cerámica transparentes incorporados, noticias del MIT, noviembre de 2015
- Microlentes de calcita como parte de los sistemas de fotorreceptores en estrellas frágiles, Nature 2001
- Fibras de vidrio biológicas: correlación entre propiedades ópticas y estructurales, PNAS 2004
- Una arquitectura fotónica compuesta mineralizada altamente conspicua en el caparazón translúcido de la lapa de rayos azules, Nature 2014
- Diseño biológico para transparencia óptica simultánea y roustía mecánica en el caparazón de la placenta Placuna, materiales avanzados 2013