¿Qué determina el color de un ser vivo?

Orígenes fisicoquímicos y utilidad biológica

https://tenor.com/view/optical-illusion-colors-colour-color-gif-5338343

Entrada basada en los siguientes hilos de Twitter:

Si queréis aprender más sobre el tema, en este artículo presentamos una forma atractiva de introducir iridiscencia y cristales fotónicos en el aula.

Las representaciones tridimensionales de moléculas son posibles gracias a 3Dmol.js:

Nicholas Rego and David Koes

3Dmol.js: molecular visualization with WebGL

Bioinformatics (2015) 31 (8): 1322–1324 https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu829

En este artículo vamos a ver distintos orígenes fisicoquímicos del color y algunos ejemplos bonitos de su utilidad biológica en los animales. Lo que para nosotros es belleza, para ellos puede ser supervivencia.

Pigmentos

Los pigmentos, compuestos que absorben solo algunas energías de la luz visible, dando lugar a ciertos colores, suelen determinar el color de la flora y la fauna. El pigmento más conocido de las hojas es la clorofila, que absorbe luz tanto en el rango azul como el rojo, dando lugar a su color verde.

La clorofila es la responsable del color verde de muchas plantas y algas. Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/M%C3%A9lisse_Feuilles_FR_2013b.jpg.
La clorofila es la responsable del color verde de muchas plantas y algas. Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/M%C3%A9lisse_Feuilles_FR_2013b.jpg.

Pero muchas hojas no son verdes durante todo el año. En otoño, vemos muchas de esas hojas de colores naranjas y amarillos. El cambio de color indica que ya no están produciendo clorofila; como las hojas contienen otros pigmentos como los carotenoides, son estos los que permanecen, dando lugar a colores más anaranjados.

La química de los colores de las hojas de otoño. Fuente: https://www.compoundchem.com/2014/09/11/autumnleaves/.
La química de los colores de las hojas de otoño. Fuente: https://www.compoundchem.com/2014/09/11/autumnleaves/.

Habréis oído también que nuestra piel se oscurece cuando tomamos el sol debido a la melanina. Ella es la responsable de los distintos colores del ser humano. La melanina no solo determina el color de nuestra piel; también el de nuestro pelo, labios, ojos… ¿Cómo puede un único pigmento dar lugar a tan amplia gama de colores? En realidad, la melanina engloba a una familia de pigmentos naturales con estructura química muy similar1.

Estructura tridimensional de la molécula de melanina, cuya fórmula química es C18H10N2O4.

Así, ligeras diferencias en la estructura química y en la cantidad de melanina determinan los colores de la piel del ser humano. Y como nosotros, muchos mamíferos producen en su organismo este pigmento que, al absorber luz ultravioleta (UV), les sirve de protector solar natural.

¿Habéis leído Charlie y la fábrica de chocolate? Ahí, un personaje, Violeta, se vuelve azul después de tomar un chicle experimental en la fábrica de Willy Wonka.

Esto no se aleja mucho del origen del color en algunos animales. Por ejemplo, ¿de qué color son los flamencos? Las crías de flamenco nacen de color blanco, y son los padres los que las alimentan de leche roja producida por ellos mismos. El pigmento que les da su característico color es el caroteno, y en esa etapa los adultos se destiñen en pro de sus hijos.

Parent flamingos feeding their young crop milk, which is red in colour, by regurgitating

El caroteno que mantiene el color rosáceo del flamenco adulto proviene de su dieta: crustáceos y algas. Este color no solo nos gusta a los humanos; los flamencos con color más intenso son los considerados de mejor salud y tienen la mejor posición social en su grupo.

Iridiscencia

Bien, pasemos al aceite. Es amarillo, ¿no? Pero habréis visto alguna vez una sartén mal fregada o aceite derramado en el suelo húmedo, como el de esta imagen. ¿Qué ha cambiado ahí?

El combustible sobre el agua crea una fina película que interfiere con la luz, produciendo diferentes colores. Las diferentes bandas representan diferentes espesores de la película. Este fenómeno se conoce como [**interferencia en láminas delgadas**](https://es.wikipedia.org/wiki/Interferencia_en_láminas_delgadas). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dieselrainbow.jpg.
El combustible sobre el agua crea una fina película que interfiere con la luz, produciendo diferentes colores. Las diferentes bandas representan diferentes espesores de la película. Este fenómeno se conoce como interferencia en láminas delgadas. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dieselrainbow.jpg.

No hay reacción química que pueda explicar esta variedad de colores. Lo que hemos visto en la imagen se debe a algo totalmente distinto; es un ejemplo del color estructural, cuyo origen está relacionado con la interferencia de la luz. En una lámina delgada, hay interferencia entre la luz que se refleja en la intercara de arriba y la de abajo. El color que vemos se basa en las longitudes de onda que interfieren constructivamente, lo cual depende del grosor de la lámina y del ángulo de observación.

Demostración de la diferencia de longitud de camino óptico para la luz reflejada desde los límites superior e inferior de una película delgada. Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thin_film_interference.svg.
Demostración de la diferencia de longitud de camino óptico para la luz reflejada desde los límites superior e inferior de una película delgada. Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thin_film_interference.svg.

En la foto del aceite, los distintos colores indican distintos espesores de la película. Esas pequeñas variaciones cambian el valor de las longitudes de onda favorecidas por la interferencia. El mismo fenómeno físico se puede ver en las pompas de jabón.

Iridiscencia en pompas de jabón. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Soap_Bubble_-_foliage_background_-_iridescent_colours_-_Traquair_040801.jpg.
Iridiscencia en pompas de jabón. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Soap_Bubble_-_foliage_background_-_iridescent_colours_-_Traquair_040801.jpg.

Si, en lugar de una, tenemos varias láminas delgadas apiladas, y todas actúan para reforzar las mismas longitudes de onda, conseguimos reflejar colores todavía “más puros”. Estos reflectores tan específicos se usan en varios sistemas ópticos; por ejemplo, en algunos láseres.

Reflectores de Bragg o [**espejos dieléctricos**](https://es.wikipedia.org/wiki/Espejo_dieléctrico).
Reflectores de Bragg o espejos dieléctricos.

Cristales fotónicos

Fijaos en esta animación. Hasta ahora, el patrón periódico se repetía en una dirección. Ahora, tenemos lo que se denomina un cristal fotónico en 2D. Como antes, solo refleja algunas frecuencias de la onda, pero ahora también funciona desde cualquier ángulo.

Si queremos tener reflectores de ciertos colores en varias direcciones, hay que fabricar estructuras con diminutos materiales intercalados, que se repitan de forma periódica en esas direcciones. ¿Complicado? No pasa nada; la biología nos puede echar una mano.

via GIPHY

Empecemos con el famoso pavo real. De forma análoga al ejemplo del aceite o a la imagen de los espejos dieléctricos, los distintos colores son un marcador visual del distinto tamaño de las nanoestructuras ordenadas que se encuentran en sus plumas. Con un microscopio se observan distintos patrones periódicos cilíndricos de melanina (puntos negros) en las plumas del pavo real. En la parte que vemos azul, la distancia entre cilindros es de 140 nm, en la verde es de 150 nm.

Caracterización estructural de las plumas de la cola del pavo real. Fuente: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-23-8-10198&id=315275.
Caracterización estructural de las plumas de la cola del pavo real. Fuente: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-23-8-10198&id=315275.

Así que, la próxima vez que los veáis, os podéis maravillar no solo de sus colores, también de las diminutas estructuras ordenadas en sus plumas que los causan, mediante interferencia de la luz. Los colores más llamativos los tienen los machos y sirven como selector sexual.

También tenemos estructuras fotónicas periódicas dando lugar a colores iridiscentes en mariposas como las morpho azules, las cuales se pueden identificar a 1 km de distancia gracias al brillo azul debido a las estructuras ordenadas que veis en la imagen.

Los colores iridiscentes de las mariposas morpho se deben a las nanoestructuras específicas de sus alas (imagen SEM en la parte inferior). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Morpho_sulkowskyi_wings.jpg.
Los colores iridiscentes de las mariposas morpho se deben a las nanoestructuras específicas de sus alas (imagen SEM en la parte inferior). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Morpho_sulkowskyi_wings.jpg.

Los flamencos no son el único animal que utiliza el color como representante de mayor estatus. El imponente color que aparece en la cara y el trasero de los mandriles adultos habla por sí mismo en la manada.

Imagen de [seth0s](https://pixabay.com/es/users/seth0s-816508/) en [Pixabay](https://pixabay.com/es/).
Imagen de seth0s en Pixabay.

Aunque nos pueda parecer que el color del mandril se deba a un pigmento, similar a los que usan algunas tribus, en realidad proviene de un conjunto periódico de fibras de 100 nm (1 mm / 10 000).

[Micrografías electrónicas de transmisión](https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electrónico_de_transmisión) de conjuntos de [colágeno](https://es.wikipedia.org/wiki/Colágeno) de la piel de mandriles coloreada estructuralmente. Fuente: https://journals.biologists.com/jeb/article/207/12/2157/14800/Structural-colouration-of-mammalian-skin.
Micrografías electrónicas de transmisión de conjuntos de colágeno de la piel de mandriles coloreada estructuralmente. Fuente: https://journals.biologists.com/jeb/article/207/12/2157/14800/Structural-colouration-of-mammalian-skin.

Estos son algunos ejemplos de color estructural en la naturaleza, originado en estructuras periódicas a escalas muy pequeñas en lugar de debido a pigmentos.

Fuentes de las imágenes: https://www.wonderopolis.org/wonder/why-are-people-all-different-colors y https://www.eudonev.com/portfolio/structural-color/.
Fuentes de las imágenes: https://www.wonderopolis.org/wonder/why-are-people-all-different-colors y https://www.eudonev.com/portfolio/structural-color/.

La estructura periódica de algunos escarabajos no solo les ayuda en el camuflaje, sino que también les permite moverse en entornos húmedos. Es decir, aquí la estructura periódica natural tiene un fin más allá del visual.

https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.5772/58289
https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.5772/58289

Todos estos ejemplos de nanoestructuras ordenadas formando (pseudo)cristales fotónicos en animales no solo son bonitos e interesantes desde el punto de vista biológico, sino que han servido de inspiración para el desarrollo de cristales fotónicos por el ser humano. Veámoslo. En la imagen podéis ver cómo funciona un sensor de humedad de cristal fotónico, hecho con nanopartículas de sílice. Al aumentar el grado de humedad en la estructura nanoporosa, ésta pasa de reflejar del azul al rojo. ¿De dónde sacaron la idea?

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3486115
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3486115

El escarabajo hércules es un escarabajo rinoceronte presente en Sur- y Centroamérica cuyas estructuras nanoporosas ordenadas también cambian con la humedad, cambiando el color que vemos del animal.

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3486115
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3486115

Si os interesa el tema de los cristales fotónicos, no dejéis de ver este vídeo de Andrea espín-órbita:

Bioluminiscencia

Los dos tipos de color que hemos visto en animales se basan en la reflexión de ciertas longitudes de onda del sol dependiendo de la química (pigmentos) o física (nanoestructura) en su piel. Sin embargo, hay animales que podemos ver una vez el sol se pone. ¿Cómo lo hacen? Son los animales luminiscentes. Aquí podemos distinguir dos tipos: aquellos que emiten luz cuando son expuestos a cierto agente externo, como luz de alta energía (UV); y aquellos donde es el propio organismo el que produce la luz mediante reacciones bioquímicas, donde suele intervenir una enzima llamada luciferasa. En este último caso, se les añade el prefijo bio, es decir, son animales bioluminiscentes.

Estructura tridimensional de la luciferasa.

Empecemos por los del primer tipo. En un artículo anterior, vimos el uso de la emisión de luz cuando incidimos con luz ultravioleta para los CSI o en nanotermómetros. Algunos animales como los escorpiones también brillan al iluminarlos con luz UV, sin necesidad de ninguna reacción bioquímica. Además de para reconocerse más fácilmente por la noche, hay debate en la comunidad científica sobre la utilidad de este brillo de los escorpiones. Muchos lo ven como detector natural de luz UV, que quizá les ayudaría a evitar salidas innecesarias en las noches menos oscuras.

Pasemos a los animales que emiten luz mediante reacciones bioquímicas. Las luciérnagas tienen órganos lumínicos especiales, situados debajo de su abdomen. Al absorber oxígeno, éste reacciona con una molécula, la luciferina, mediante la enzima mencionada anteriormente, la luciferasa, dando como resultado su conocida luz intermitente.

Fuente: https://departamentofisicaequimica.wordpress.com/2015/01/06/francisco-chapela/.
Fuente: https://departamentofisicaequimica.wordpress.com/2015/01/06/francisco-chapela/.

Las luciérnagas utilizan esta luz como un cortejo nocturno. Además, como las larvas de luciérnaga también son bioluminiscentes, se piensa que la usan como mecanismo de defensa frente a sus depredadores, como se ve en el episodio Janus de la serie Otras Galaxias de Netflix.

Estos son solo algunos de los muchos ejemplos en los que el color o la luz que emiten los animales no solo es algo bonito estéticamente, sino que tienen claras funciones biológicas.

Con esto, hemos visto muchos ejemplos en la naturaleza donde el color o la luz en la naturaleza no es casual, sino que tiene una función evolutiva. Si os habéis quedado con ganas de ver más ejemplos, os recomiendo la miniserie documental La vida a todo color, con David Attenborough, de Netflix.


  1. Existen cinco tipos de melanina, aunque los dos más comunes son la eumelanina (marrones oscuros y negros) y la feomelanina (desde amarillos hasta rojos), responsable en gran medida del color del pelo rojo. ↩︎

Manuel Alonso Orts
Manuel Alonso Orts
✍️ Blog

Físico, especializado en propiedades ópticas de (nano)materiales semiconductores. Postdoc en la Universidad de Bremen (Alemania).

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