El color en la naturaleza: la rareza del azul Understand article
¿Has visto alguna vez una vaca azul?¿Una manzana azul? ¿Un árbol azul? El azul es inusual en la naturaleza, ¿entonces por qué hay algunas plantas y animales azules?
¿De dónde vienen los colores? La luz del sol contiene todos los colores en la parte del espectro visible, así como las longitudes de onda que son invisibles a los humanos. Las sustancias coloreadas absorben ciertas longitudes de onda y reflejan otras. Nuestros ojos perciben un objeto como azul cuando refleja la luz que tiene una longitud de onda entre 450 y 495 nm.[1]
Los seres vivos tienen los colores que tienen porque estos les confieren una ventaja evolutiva. Entonces ¿ por qué el azul es tan raro en la naturaleza? ¿Es una desventaja? ¿ y por qué algunas plantas y animales muestran tonalidades de azul? ¿ Es un error?
Para responder a estas cuestiones, vamos a adentrarnos en la química, en concreto en el mundo de los pigmentos naturales.
El azul en el mundo natural: flores y plantas
De las más de 280 000 especies de plantas con flor conocidas, menos del 10% tienen flores azules.[2,3]
En las flores, el color azul procede de moléculas que absorben la parte roja del espectro visible. Esos pigmentos se llaman antocianinas, palabra de orgen griego para “flor azul” ( anto = “flor” y kyanos = “azul oscuro”).
Las antocianinas son un tipo de pigmentos solubles en agua que, dependiendo del pH, puede aparecer rojo, violeta o azul. Este comportamiento implica que flores con antocianina puedan tener diferentes colores dependiendo del pH del suelo.[4] Esto se debe a que el color azul es el resultado de la interacción de iones metálicos con las antocianinas de los pétalos en forma de compuestos complejos, que alteran el color de los pigmentos. Por ejemplo, el azul de los acianos (Centaurea cyanus) procede de una antocianina llamada protocianina, la cual junto a otro compuesto ( un flavonoide ) produce un complejo pigmento compuesto de seis moléculas de protocianina, seis moléculas de flavonoides, un ión de hierro, un ión de magnesio y dos iones de calcio.
Imágenes: Aciano: Agnieszka Kwiecień/Wikipedia, CC BY 4.0. Protocianina: Representada por la Ref. [5]/Wikipedia, CC BY-SA 3.0
El pH del suelo puede influir en la absorción de iones metálicos por las plantas, por lo que el color del pétalo puede ser pH-dependiente y en algunas especies puede incluso mostrar un variado rango de colores en la misma planta. Por ejemplo, las hortensias serán rosas o rojas en suelos básicos ( pH superior a 7), pero serán azules en suelos con un pH menor ( por debajo de 7) porque la planta puede absorber más iones aluminio del suelo.[6]
Imagen: Matthias Böckel/Pixabay
Otro ejemplo sorpredente del azul en el mundo de las plantas es la flor conchita azul o campanilla (Clitoria ternatea), la cual debe su color azul a la antocinina delfinidina ( la que también da su color a los arándanos). El azul brillante de esta flor cambia a violeta en condiciones ligeramente ácidas y llega a ser rosa intenso cuando la acidez aumenta. Por esta razón, las campanillas secas se usan para crear tes coloridos que pueden cambiar de color, por ejemplo, añadiendo una rodaja de limón.[7]
Imagenes: Flores: N. Aditya Madhav/ Wikipedia, CC BY-SA 3.0. Te: Cortesia de Marisa Prolongo
Así pues ¿ por qué algunas flores son azules? Muchos insectos perciben el color de forma diferente a nosotros. Los fotoreceptores en nuestros ojos son sensibles al rojo, verde y azul. Los insectos procedentes de la familia de las abejas ( orden Hymenoptera) tienen receptores que son sensibles al verde, azul y al ultravioleta. [8] Las flores azules son, por tanto, muy visibles para estos insectos polinizadores.
El mundo animal: cuando la química falla, la física acude al rescate.
Si el azul es poco común en las plantas, es aún menos común en el mundo animal. Sin embargo, hay algunos ejemplos de Animales azules: insectos, reptiles, peces e incluso aves.
En este caso, la química no tiene nada que decir: de hecho la mayoría de los Animales azules no son capaces de sintetizar pigmentos azules,[9] aunque hay excepciones como algunas ranas. Por este motivo , muchos animales recurren a la física y al maravilloso fenómeno de la iridiscencia.
La iridiscencia es el fenómeno por el que algunos materiales cambian de color dependiendo del ángulo de vision o de la iluminación. Esto ocurre cuando la estructura física de un objeto produce ondas lumínicas que se combinan unas con otras dando lugar a un fenómeno conocido como interferencia. En la interferencia constructiva , las ondas lumínicas se suman de manera que las crestas y valles se refuerzan entre si. La Interferencia destructiva ocurre cuando las crestas y valles se cancelan entre si atenuando el color. A medida que cambia el ángulo de visión del observador, los colores del objeto iridiscente cambian según el grado de interferencia constructiva y destructiva. Por ejemplo, las lineas circulares concéntricas de las ranuras de la superficie de un CD son similares en distancia al espacio entre las longitudes de onda de la luz visible, !lo que produce una colorida iridiscencia cuando la luz incide sobre ellas! Un efecto similar se puede producir en los films transparentes, el cual le da a las pompas de jabón su brillo iridiscente.
GIA. Reimpreso con licencia.
n el mundo animal, este efecto puede producirse por micro- y nanoestructuras presentes en la superficie de la piel, en las conchas o en el plumaje de ciertas criaturas. Estas necesitan estar altamente ordendadas para modular la luz reflejada en ellas amplificando/atenuando algunas frecuencias más que otras.
Un ejemplo es el ave del paraiso de Pennant (Parotia sefilata). Las hembras tienen plumas en el pecho que producen un hermoso color azul iridiscente debido a nanoestructuras planas, ordenadas y perfectamente espaciadas que alinean la luz y amplifican las longitudes de onda en ángulos específicos. Las bárbulas de las plumas (las fibras finas) tienen una sección transversal en forma de V que recibe luz desde diferentes ángulos. El extremo de la estructura refleja naranja-amarillo, mientras que los laterales reflejan verde-azul. Este fenómeno, combinado con una especie de danza ritual, se utiliza para impresionar a una potencial compañera.[10]
Imagen: Adaptada con permiso de PNAS
Las estructuras multicapa de las alas de las mariposas son otro ejemplo sorprendente de iridiscencia. Cuando pensamos en una mariposa azul, probablemente imaginamos las alas azules de la mariposa Morpho menelaus. Si observamos la forma de las alas de una mariposa con un microscopio, observaremos que están cubiertas de pequeñas escamas con superficies estructuradas y bien ordenadas que actúan como la estructura de las plumas del ave del paraiso de Pennant, reflejando la luz en sorprendentes y cambiantes tonos de azul con cada aleteo.[12]
Image: Used with permission from SPIE
El mismo fenómeno se encuentra en muchos peces, tales como la damisela azul (Chrysiptera cyanea) y el pez cirujano azul (Paracanthurus hepatus), como Dory en la película familiar de Disney Buscando a Nemo.
Imágenes: Pez cirujano azul: Tewy/Wikimedia, CC BY-SA 3.0. Damisela azul: Dr. Scott Mills/Flickr, CC BY-SA 2.0
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Este truco de la física también es utilizado en el mundo vegetal. Hay plantas que pueden vivir con muy poca luz gracias a diminutos receptores de luz presentes en sus hojas, como la planta tropical malaya Begonia pavonina, que tiene hojas azules iridiscentes. La luz absorbida se encuentra en estructuras microscópicas de las hojas llamadas iridoplastos, un tipo de cloroplasto en el que las membranas de los tilacoides que contienen la clorofila forman nanoestructuras que parecen diminutas torres y actúan como cristales de varias capas. Esto crea un efecto fascinante: la estructura ordenada refleja la luz azul, razón por la cual las hojas tienen un aspecto azul iridiscente. La pérdida de esta luz azul no es un problema para las plantas de begonia, ya que la mayor parte de la luz azul es absorbida por la vegetación que crece por encima de ella. Sin embargo, estos tilacoides especiales son mejores a la hora de absorber la luz predominantemente verde que atraviesa las copas de los árboles superiores. Por eso, estas hojas azules pueden absorber más energía de la poca luz que llega al tenue suelo del bosque.[14]
© University of Bristol
¿Y qué ocurre con los huevos azules?
¿Sabías que algunas especies de aves, entre ellas el mirlo americano (Turdus migratorius), ponen huevos de un hermoso color azul? ¿Cuál es la razón de esta elegante elección? Aquí llega de nuevo la química para explicarlo. El color proviene de un pigmento biliar llamado biliverdina, una molécula que puede dar colores que van del verde al azul. Las hembras del mirlo americano tienen una gran cantidad de biliverdina en su cuerpo que se deposita en la cáscara del huevo durante su formación, dándole el caracterítico color azul. La intensidad del azul es directamente proporcional a la salud de la hembra, por lo que los machos están más predispuestos a cuidar de los pollos nacidos de los huevos más azules.[15]
Imágenes: Mirlo americano : Kristof vt/Wikipedia, CC BY-SA 3.0. Huevos azules: Laslovarga/Wikipedia, CC BY-SA 3.0
También hay otra razón para esta elección: la protección frente a la luz solar. La colorida cáscara es capaz de proteger al embrión en crecimiento de los dañinos rayos UV y también absorbe los rayos infrarrojos, lo que permite que el huevo mantenga una temperatura óptima para el desarrollo del embrión. [16]
Tanto si proviene de la química o de la física, ¡podemos afirmar con seguridad que en la naturaleza el blues (azul) nunca es triste!
References
[1] Espectro visible de la luz: https://www.sciencelearn.org.nz/resources/47-colours-of-light
[2] David Lee (2010) Nature’s Palette, The Science of Plant Color. University of Chicago Press. ISBN: 9780226471051
[3] Tahoun M et al. (2021) Chemistry of porphyrins in fossil plants and animals. RSC Advances 11: 7552–7563. doi: 10.1039/D0RA10688G
[4] de Pascual-Teresa S, Sanchez-Ballesta MT (2008) Anthocyanins: from plant to health. RSC Advances 7: 281–299. doi: 10.1007/s11101-007-9074-0
[5] Shiono M, Matsugaki N, Takeda K (2005) Structure of the blue cornflower pigment. Nature. 436: 7052. doi: 10.1038/436791a
[6] Yoshida K, Mori M, Kondo T (2009) Blue flower color development by anthocyanins: from chemical structure to cell physiology. Nature Product Reports 26: 884–915. doi: 10.1039/b800165k
[7] Kohei K, Naonobu N, Suzuki M (2003) Flavonoid composition related to petal color in different lines of Clitoria ternatea. Phytochemistry. 64: 1133–1139. doi: 10.1016/s0031-9422(03)00504-1
[8] Shrestha M et al. (2021) Fragmentary blue: resolving the rarity paradox in flower colors. Frontiers in Plant Science 11. doi: 10.3389/fpls.2020.618203
[9] Shimoda M, Honda K-i (2013) Insect reactions to light and its applications to pest management. Applied Entomology and Zoology 48: 413–421. doi: 10.1007/s13355-013-0219-x
[10] Bagnara JT, Fernandez PJ, Fujii R (2017) On the blue coloration of vertebrates. Pigment Cell Research 20: 14–26. doi: 10.1111/j.1600-0749.2006.00360.x
[11] Wilts DB et al. (2014) Sparkling feather reflections of a bird-of-paradise explained by finite-difference time-domain. PNAS 12: 4363–4368. doi: 10.1073/pnas.1323611111
[12] Tadepalli S et al. (2017) Bio-optics and bio-inspired optical materials. Chemical Reviews 20: 12705–12763. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00153
[13] Saito A et al. (2006) Morpho-blue reproduced by nanocasting lithography. Proc. SPIE 6327, Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, and Devices III, 63270Z; doi: 10.1117/12.679979
[14] Heather MW et al. (2016) Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants 2: 16162. doi: 10.1038/nplants.2016.162
[15] English PA, Montgomerie R (2011) Robin’s egg blue: Does egg color influence male parental care? Behavioral Ecology and Sociobiology 65: 1029–1036. doi: 10.1007/s00265-010-1107-9
[16] Lahti DC, Ardia DR (2016) Shedding light on bird egg color: pigment as parasol and the dark car effect. The American Naturalist 187: 547–563. doi: 10.1086/685780
Resources
- Read about how our eyes make sense of light.
- Watch a video summarizing how nature gets the blues.
- Read about iridescence and anti-predator defence.
- Lectura sobre el color rosa en la naturaleza y la química tras él: Bettucci O (2022) Colour in nature: think pink. Science in School 24.
- Aprender sobre el pigmento indigo y como extraerlo en la escuela: Farusi G (2012) Indigo: recreating Pharaoh’s dye. Science in School 24: 40–46.
- Usar la cromatografía para explorar los pigmentos : Tarragó-Celada J, Fernández Novell JM (2019) Colour, chlorophyll and chromatography. Science in School 47: 41–45.
- Crear un sensor de pH sensible a las tintas de frutas y vegetales: Giraldi Shimamoto G, Vitorino Rossi A (2015) An artistic introduction to anthocyanin inks. Science in School 31: 32–36.
- Investigar las ondas electromágneticas mediante la construcción de un espectrografo con una caja de cerales: Westra MT (2007) A fresh look at light: build your own spectrometer. Science in School 4: 30–34.
- Estimular a través del diseño biomimético para explorar la evolución: Toro S (2021) Biomimicry: linking form and function to evolutionary and ecological principles. Science in School 53.
- Explorar las reacciones químicas usando el te: Prolongo M, Pinto G (2021) Tea-time chemistry. Science in School 52.
- xplorar la química del color usando móviles: Montangero et al. (2015) Smartphones in the lab: how deep is your blue? Science in School 33: 38–41.