La deslumbrante iridiscencia de las aves está vinculada a la modificación a nanoescala de la estructura de las plumas

La deslumbrante iridiscencia de las aves está vinculada a la modificación a nanoescala de la estructura de las plumas

El brillo iridiscente que hace que las aves como los pavos reales y los colibríes sean tan llamativos tiene sus raíces en una nanoestructura natural tan intrincada que la gente apenas está comenzando a imitarla técnicamente. El secreto de cómo las aves producen estos colores brillantes es una característica clave del diseño a nanoescala de las plumas, según un estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton y publicado en la revista. eLife.

Los investigadores encontraron una modificación evolutiva en la nanoestructura de las plumas que duplicó con creces la gama de colores iridiscentes que pueden mostrar las aves. Esta información podría ayudar a los investigadores a comprender cómo y cuándo se desarrolló por primera vez la iridiscencia brillante en las aves, además de inspirar la ingeniería de nuevos materiales que pueden capturar o manipular la luz.

Cuando las aves iridiscentes se mueven, las nanoestructuras dentro de sus diminutos filamentos de plumas en forma de rama, conocidos como óculos, interactúan con la luz para amplificar ciertas longitudes de onda según el ángulo de visión. Esta iridiscencia se conoce como coloración estructural, en la que nanoestructuras cristalinas procesan la luz.

«Si toma un solo filamento de una pluma iridiscente, corta una sección transversal y la coloca bajo un microscopio electrónico, verá una estructura ordenada con puntos negros, a veces anillos negros o plaquetas, dentro de una capa gris», dijo. Primer autor Clara Norden, Un doctorado Estudiante en el laboratorio de la autora principal Mary Caswell Stoddard, profesora asociada de ecología y biología evolutiva en la Universidad de Princeton y profesora asociada en el Instituto Ambiental de Princeton High Meadows (HMEI). «Los puntos negros son sacos llenos de pigmento llamados melanosomas, y el gris alrededor de ellos es queratina plumosa. Encuentro estas nanoestructuras tan hermosas como los colores que producen».

Curiosamente, las estructuras de los pigmentos se presentan en una variedad de formas. Pueden tener forma de barra o de hoja, macizas o huecas. Los colibríes, por ejemplo, tienden a tener un pigmento hueco en forma de placa, mientras que los pavos reales tienen un pigmento en forma de varilla. Pero por qué las aves han desarrollado nanoestructuras iridiscentes con tantos tipos diferentes de melanosomas ha sido un misterio, y los científicos no están seguros de si algunos tipos de melanosomas son mejores que otros para producir una amplia gama de colores vibrantes.

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Para responder a esta pregunta, los investigadores combinaron análisis evolutivo, modelado óptico y mediciones de plumas, todo lo cual les permitió revelar los principios generales de diseño detrás de las nanoestructuras de plumas iridiscentes.

Norden y Stoddard trabajaron con el coautor Chad Eliasson, un becario postdoctoral en el Field Museum, para escanear primero la literatura y compilar una base de datos de todas las nanoestructuras de plumas iridiscentes descritas en las aves, que incluían más de 300 especies. Luego usaron el árbol genealógico de las aves para mostrar qué grupos habían desarrollado los diferentes tipos de melanosomas.

Hay cinco tipos básicos de melanosomas en las nanoestructuras de plumas iridiscentes: varillas gruesas, varillas delgadas, varillas huecas, plaquetas y laminillas huecas. Con la excepción de las varillas más gruesas, todas estas especies pigmentadas se encuentran en plumaje de colores brillantes. Dado que el tipo ancestral de melanosoma tiene forma de varilla, el trabajo anterior se centró en dos características distintas únicas de las estructuras del iris: la forma de las plaquetas y un interior hueco.

Sin embargo, cuando los investigadores evaluaron los resultados de las exploraciones, se dieron cuenta de que había una tercera característica pigmentaria que se había pasado por alto: las capas más delgadas de melanina. Los cuatro tipos de melanosomas en las plumas iridiscentes (varillas delgadas, varillas huecas, plaquetas y plaquetas huecas) crean capas delgadas de melanina, mucho más delgadas que la estructura construida con varillas gruesas. Esto es importante, dijo Norden, porque el tamaño de las capas en las estructuras es clave para producir colores vibrantes.

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«La teoría predice que hay una especie de zona templada en la que las capas de melanina tienen el grosor adecuado para producir colores realmente intensos en el espectro visible de las aves», dijo. «Sospechamos que las varillas delgadas, las plaquetas o las formas huecas podrían ser formas alternativas de alcanzar este grosor ideal del tamaño mucho mayor del melanosoma ancestral: las varillas gruesas».

Los investigadores probaron su idea en muestras de aves en el Museo Americano de Historia Natural en la ciudad de Nueva York midiendo el color iridiscente del plumaje de las aves que resulta de nanoestructuras de diferentes tipos de pigmentos. También utilizaron modelos ópticos para simular los colores que pueden producir diferentes tipos de melanosomas. A partir de estos datos, determinaron qué característica (capas delgadas de melanina, forma de plaquetas o lumen) tiene la mayor influencia en la gama e intensidad de color. Combinando resultados de modelos ópticos y análisis de plumas, los investigadores determinaron que las capas más delgadas de melanina, independientemente de la forma de los melanosomas, casi duplicaban la gama de colores que pueden producir las plumas iridiscentes.

«Este gran avance evolutivo, que los melanosomas se pueden organizar en capas delgadas de melanina, abrió nuevas posibilidades para la producción del color de las aves», dijo Stoddard. «Los diversos tipos de melanosomas son como un kit de nanoestructura flexible, que presenta diferentes enfoques para el mismo final: los colores iridiscentes producidos por las capas más delgadas de melanina».

Esto puede explicar por qué existe una diversidad tan grande de tipos de melanosomas en las nanoestructuras iridiscentes. Es posible que las nanoestructuras iridiscentes hayan evolucionado varias veces en diferentes grupos de aves, pero, por casualidad, las delgadas capas de melanina de una varilla más gruesa evolucionaron de diferentes maneras. Algunos grupos desarrollaron capas delgadas de melanina al aplanar los melanosomas (produciendo plaquetas), otros al vaciar la parte interna del melanosoma (produciendo formas huecas) y otros reduciendo el tamaño del pene (produciendo varillas delgadas).

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Norden dijo que los resultados del estudio se pueden usar para reconstruir iridiscencias brillantes en animales prehistóricos. Los melanosomas se pueden conservar en plumas fósiles durante millones de años, lo que significa que los paleontólogos pueden inferir el color original de las plumas, incluso la iridiscencia, en aves y dinosaurios midiendo el tamaño de los melanosomas fosilizados.

«Basado en varillas sólidas gruesas descritas en las hojas microraptorPor ejemplo, podríamos decir que este terópodo emplumado probablemente tenía plumas iridiscentes mucho más similares a las de los estorninos que a las de un pavo real ”.

La formación de melanosomas y queratina en las plumas de las aves podría dar pistas para diseñar nanoestructuras iridiscentes avanzadas que puedan capturar o procesar la luz de manera eficiente, o utilizarlas para producir pinturas ecológicas que no requieren pigmentos o pigmentos. Los revestimientos ultra negros como Vantablack utilizan de manera similar nanoestructuras que absorben y dispersan la luz en lugar de reflejarla, similar a las plumas negras de las especies de la familia de las aves del paraíso (Paradisaeidae).

Norden dijo que las plumas iridiscentes también podrían conducir a una mejor comprensión de los materiales multifuncionales. A diferencia de los materiales artificiales, que a menudo se desarrollan para una sola función, los materiales naturales son polivalentes por naturaleza. La melanina no solo ayuda a producir iridiscencia; También protege a las aves de los peligrosos rayos ultravioleta, fortalece las plumas y previene el crecimiento de microbios.

«¿Qué pasaría si los diferentes tipos de melanosomas evolucionaran inicialmente por alguna razón que no tuviera nada que ver con el color del iris, como hacer las plumas mecánicamente más fuertes o más resistentes al ataque microbiano?», Dijo Norden. «Estas son algunas de las preguntas que nos complace abordar a continuación».

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