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Reflexión total en hormigas del desierto

Área: Biología — Domingo, 24 de Abril de 2016

Estudian en detalle la estructura de los pelos de las hormigas de plata del desierto. La capacidad de soportar tan bien las condiciones de su hábitat proviene de la reflexión total que se da en esos pelillos.

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Según dice David Atenbourg las hormigas de plata del desierto (Cataglyphis bombycina) parecen poseer un traje espacial. A otros les puede recordar el traje reflectante que algunos humanos usan en ambientes extremos, como el que usan los geólogos cuando toman muestras de lava de un volcán. La realidad es que ambos sirven para lo mismo: reflejar el intenso calor.

Estas hormigas de aspecto metálico viven en los desiertos de Egipto y de la Península Arábica y son capaces de resistir el calor del mediodía en esos lugares, cuando la temperatura puede alcanzar más de 50 grados. En esos momentos la temperatura de la arena pueda alcanzar los 70 grados.

Se exponen precisamente a las temperaturas más altas cuando salen a forrajear a mediodía, que es cuando sus depredadores (unos lagartos) se refugian en la sombra. Salen a la búsqueda de otros insectos que han sucumbido al calor.

Si los cuerpos de estas hormigas alcanzan la temperatura crítica de 53,6 grados centígrados mueren irremediablemente. Así que el aventurarse al exterior puede significar la muerte si no se controla el tiempo que están fuera. Pueden salir del hormiguero, a lo más, durante 10 minutos antes de freírse sobre la arena. Es una carrera contrarreloj.

Para poder soportar esas condiciones, incluso durante sólo unos minutos, las hormigas de plata han conseguido ciertas adaptaciones evolutivas. Entre ellas está que las patas son más largas de lo habitual para alejar sus cuerpos de la arena. Además, cuentan con proteínas resistentes al calor. Las adaptaciones también incluyen el comportamiento, pues suelen subir a las rocas y a la vegetación muerta para así alejarse de la arena y estar más en contacto con el aire menos cálido de las capas superiores.

La principal adaptación está en el “traje espacial” que poseen y que está constituido por una capa densa de pelillos que recubre sus cuerpos. Pelillos con sección triangular que reflejan gran parte del espectro visible e infrarrojo cercano. Las propiedades reflectoras se deben a unas microestructuras con un tamaño del orden de la micra y que tienen una longitud similar a las longitudes de onda en el visible e infrarrojo cercano.

En estudios previos se había comprobado que estos pelillos no sólo permiten reflejar la radiación al exterior, sino que además les permiten emitir el exceso de calor al exterior, lo que les da un margen de entre 5 y 10 grados centígrados, que es lo suficientemente amplio para su entorno y que les da mayores posibilidades de supervivencia en esas condiciones.

Pero, al parecer, nadie se había molestado en estudiar cómo esos pelillos reflejaban la radiación. Porque, aunque estas hormigas parecen gotas de mercurio correteando por la arena del desierto, no poseen ningún material metálico sobre sus cuerpos.

Ahora, un grupo de físicos y biólogos belgas han estudiado precisamente las cualidades reflectoras de los pelillos de las hormigas de plata. Han llegado a la conclusión de que se basan en la reflexión total de luz.

Unos binoculares son muy distintos a unos prismáticos. Para unas mismas prestaciones los segundos son mucho más cortos. Esto se debe al uso de un juego de prismas que hacen reflejarse la luz varias veces, con lo que se pliega la trayectoria de los rayos de luz en el interior.

Podríamos pensar que se podría lograr el mismo objetivo con un juego de espejos, pero no es así. Un espejo no es más que un placa de vidrio a la que se le ha pegado una capa metálica a un lado. Pero un espejo no refleja el 100% de la luz, sino bastante menos.

La reflexión total se produce cuando la luz circula por un medio de alto índice de refracción (por ejemplo vidrio) choca contra una superficie que da a otro medio de bajo índice de refracción (por ejemplo aire). Si lo hace con el ángulo adecuado la luz no pasa al otro medio, sino que es reflejada casi en su totalidad de nuevo hacia el interior.

Las cámaras réflex usan un pentaprisma que usa el mismo principio físico, aunque es distinto al de los prismáticos. Esto permite al usuario ver la imagen que transmite el objetivo con la orientación correcta y con gran luminosidad. Lamentablemente, los chicos del marketing que trabajan para los fabricantes de cámaras se metieron en las tareas de los ingenieros hace tiempo y las cámaras réflex de gama baja ya no tienen un pentaprisma, sino un pentaespejo (más barato). Esta es una de las razones por la que la imagen que se ve por el visor de estas cámaras sea tan oscura, la otra es la óptica poca luminosa acoplada.

El caso es que los pelillos que recubren el cuerpo de Cataglyphis bombycina tienen una sección más o menos triangular, por lo que actúan como prismas frente a la luz. Esto permite a las hormigas reflejar la luz 10 veces mejor que si no tuvieran estos pelos.

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Las imágenes de microscopia electrónicas permitieron a estos investigadores estudiar la forma y sección de estos pelillos. Confirmaron la sección triangular de los pelos en la parte dorsal de la cabeza, tórax y abdomen de estos insectos. También descubrieron que las dos capas superiores de cada pelo que miran hacia el exterior (hacia el Sol) están corrugadas con surcos paralelos y oblicuos al eje longitudinal del pelo, pero la parte que mira hacia el cuerpo es lisa.

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La distancia entre surcos adyacentes de 204 nm es una distancia tan corta que facilita la difracción de la luz, lo que permite aumentar la índice de refracción del interior del pelo. Como resultado, este corrugado permite aumentar la cantidad de luz que entra en cada pelo y la cantidad de luz que lo abandona por reflexión total.

Estas geometrías permiten a los pelos superficiales reflejar casi el 100% de la luz que llega a ellos para ángulos comprendidos entre 35° y 90°. Para ángulos pequeños se produce penetración de la luz, pero entonces esta luz puede ser reflejada por pelos que están más en el interior. Todo ello aumenta la reflectancia de las hormigas a la luz. Si los pelos fueran cilíndricos las condiciones de supervivencia de estas hormigas serían mucho más reducidas.

Estos investigadores compararon hormigas de esta especie afeitadas con no afeitadas y comprobaron que los pelos multiplican por 10 la reflectancia de las mismas frente a la luz. Además, introdujeron un termómetro en el abdomen para medir la temperatura interna y las iluminaron para simular las condiciones naturales de su hábitat. En 90 segundos la temperatura interna de las no afeitadas era dos grados centígrados inferior a la de las afeitadas.

Hay otras especies de hormigas que viven en selvas que también tienen pelos de sección triangular, así que quizás, esta forma evolucionó por otros motivos y luego se adaptó a las condiciones del desierto para sobrevivir al intenso calor que allí reina.

Aunque hay muchos animales y plantan que han desarrollado estructuras que interaccionan con la luz similares a los materiales fotónicos que fabrica el ser humano, las hormigas de plata del desierto del Sáhara son únicas en usar este tipo de mecanismo para controlar la temperatura.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4917

Fuentes y referencias:
Artículo original
Sobre las hormigas de plata del Sáhara.
Fotos y gráficos: Quentin Willot, Priscilla Simonis, Jean-Pol Vigneron y Serge Aron

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. apalankator:

    Muy interesante adaptación los pelillos de esta hormiga, me imagino que se podrán crear estructuras parecidas artificialmente para mejorar los aislamientos térmicos de maquinarias, edificios, etc.

  2. Miguel Ángel:

    Pues sí, amigo “apalancator”, no nos queda otra que aprender de la naturaleza que ha ido afinando el diseño de los pelillos hasta lograr la perfección. Podríamos proponer otro diseño, pero a lo sumo aspiraría a empatar con esta maravilla.

    Un abrazo.

  3. Tomás:

    Que existan esos ejemplares selváticos, podría asegurar que el Sáhara haya sido una selva hace unos cientos de miles de años -en realidad, su clima ha variado bastante incluso en épocas de hace algo más de unos diez mil años-. Las actuales hormigas quizá desciendan de las que habitaron esas selvas.

  4. lluís:

    – Asombroso,absolutamente asombroso el mecanismo de reflexión de la luz en esas hormigas. ¡Hay que ver lo que da de sí la ley de Snell, aliada con la biología!

  5. Tomás:

    Pues me extraña que esas hormiguitas sepan tanto de la ciencia humana. Hasta pienso que no saben que esos pelillos de sección triangular y su disposición son los que les salvan la vida; y dudo que sepan lo del Sr. Snel. Ha de ser cosa de la señora Evolución. Por cierto que ayer escuché haber alguien que discute a Darwin su principio de que un mayor número de descendientes permite una más rápida adaptación al medio (coadaptación para mí), cosa tan de “sentido común”.

  6. Miguel Ángel:

    Querido amigo Tomás:

    En nuestro segundo encuentro ya hablamos sobre ese principo de Darwin y te dije que, formulado así, me parece incorrecto:
    Es más relevante la tasa evolutiva que el número bruto de descendientes. Un ejemplo lo tenemos en el cangrejo de herradura: unos 60.000 huevos en cada puesta y no ha experimentado cambios morfológicos en cientos de millones de años (no se han adaptado al agua fría de los polos, nadan igual que sus ancestros y, como las piezas bucales son también iguales, podemos deducir que tampoco han variado significativamente sus hábitos alimenticios).
    También influye la rapidez con que se reproduce el ser vivo: hay bacterias que se reproducen por mitosis (solo dos descedientes a partir de un progenitor), pero sus descendientes pueden adaptarse con rapidez porque, en solo unas horas, ya tenemos una nueva generación de bacterias.
    Creo que solo es correcto si decimos que “a igual tasa evolutiva y rapidez de reproducción, un mayor número de descendientes permite una adaptación más rápida al medio”.

    Muchos abrazos.

  7. Tomás:

    Desde luego, querido amigo. Tal como suele expresarse, e incluso como parece entenderse de mi comentario, es decir solo de la simple mayor descendencia, es mucho más acertado como tu lo dices. Esos 60.000 pueden fácilmente convertirse en otros tantos minibocatas para peces y pececillos, no quedando ni uno. Y en cuanto a las bacterias, nada te digo del 2^n al aumentar n. Para superar esos 60.000, le sobrarían con 16 generaciones. Pero tú explicas y razonas en un campo que ni el mismo Darwin te discutiría. Deduje que el antidarwiniano, si alguna razón tenía, pudiera deberse al cuidado extremo de una prole (más allá de los huevos), tal como hacemos los humanos, otros mamíferos, muchas aves, y algunos reptiles y peces, e hicieron bastantes dinosaurios, pero, posiblemente, el locutor no se refería a eso.
    Lo que pasa es que suelen presentarse estas cosas como que “un científico (descubre) algo que Darwin no consideró, o que estaba equivocado”, y titulares así, incluso en la radio, y tal cosa me molesta bastante, porque parece que todo el mundo quiere tumbarlo, sin darse cuenta que fue un precursor que ni conocimiento tenía de las leyes de Mendel, pese a lo cual explicó muy acertadamente el proceso evolutivo y predijo con éxito, como suele exigir el método científico. Incluso mi admirada, por varios motivos, Lynn Margulis se comportó así. Parecen olvidar una frase que Darwin repite: “Estoy convencido de que la selección natural es el medio más importante, pero no el único, de modificación”.
    Por ello, rememora que para nada me opuse a tu consideración, e incluso, creo recordar, que me mostré conforme con ella. Y si no lo hice, ahora tengo la ocasión de hacerlo.
    Queda hecho. Un abrazo comundarwiniano.

  8. Miguel Ángel:

    Pues no lo he dicho bien en el 6: la rapidez de adaptación solo depende de la tasa evolutiva (que son los cambios por unidad de tiempo) y, por tanto, ya lleva incluida la velocidad de reproducción.
    Disculpas por la chapucilla.
    Por regla general se cumple lo que decía Darwin, como en el caso de los unicelulares.
    Pero el contraejemplo del cangrejo de herradura también es correcto y nos habla de algo que se le escapaba a Darwin. De todos modos hay que disculparle porque entonces no se sabía nada del genoma, y él simplemente apostó por los cambios graduales. Ahora sabemos que unos genomas cambian más rápidamente que otros y que es un factor tan decisivo como el número de descendientes.

  9. Tomás:

    Bien, pero no te martirices por una simple redundancia, que así es como lo tomé. Creo que es importante mi punto de vista: Darwin merece toda nuestro respeto por el hecho de ser un precursor -como lo fue Lamarck, tan olvidado y siempre tomado como aquel cuya teoría fue superada por la de Darwin, cuando este mismo lo defiende (no recuerdo si lo llega a citar expresamente quizá en la primera edición; no estoy seguro)-.
    Al decir esto me refiero a quien llegó a publicar sobre el tema, pues precursores ya los hubo en la Grecia antigua: Anaximandro, por ejemplo, bien que solo como vaga idea -a mi entender- viene a decir que los animales superiores descienden de animales inferiores y estos, los mamíferos, incluido el hombre, de un pez y, en último término, de un “elemento húmedo” que podríamos imaginar como es sopa primigenia que, a veces, ahora mencionamos.
    En defensa de Darwin debo decir que su más firme propósito fue el luchar contra el creacionismo absolutamente aceptado en su época, apoyado este por la cercana acción divina: esos tan desacreditados por toda evidencia 6000 años. Y esa intención la defiende con la muy acertada teoría evolutiva que solo es aceptada más plenamente al sumarle las experiencias de Mendel; es decir, con el neodarwinismo. Pero en su contra quiero citar que, quizá para amansar la fiereza de sus enemigos, termina su obra escribiendo: “Hay grandeza en esta concepción de que la vida… ha sido alentada por el Creador…”.
    En realidad, Lamarck es el primero que publica una teoría evolutiva, que no siempre es desacertada. Pensemos -así lo admite el mismo Darwin en varias ocasiones y cualquiera de nosotros solo observando la naturaleza- en los seres de varias especies muy alejadas, como mamíferos, peces o artrópodos, que por el desuso de sus ojos, son ciegos, o casi, una vez adaptados a cuevas carentes de luz. Porque en algunos casos, que cita el mismo Darwin, la misma especie no es ciega en superficie; es decir que el proceso evolutivo hacia esa ceguera ha de ser muy reciente en algunos casos. Hoy mismo ya se ha abierto cierta brecha en la negación absoluta de que los caracteres adquiridos no son heredables, sobre todo una vez que el hombre se ha convencido de su propia complejidad; es decir, que somos mucho más simbióticos de lo que creíamos. Y, para mí, del efecto Baldwin, que no es sino un caso particular de lamarckismo. Para su admisión, o mejor, su interpretación nos basta considerar la tolerancia a la lactosa de ya gran parte de la humanidad, aunque no de toda, lo que indica un proceso en marcha. Pero también en el tema de la epigenética heredable que tú alguna vez -recuerdo- has mencionado y, por mi parte, la interpretación del progreso de la aparición del callo en la quilla de las avestruces, hasta el interior del huevo.
    Bien, he mencionado el mendelismo, imprescindible, pero no todos los actuales conocimientos sobre el genoma que, a su vez, lo explican. O sea que estamos ante una teoría casi completa, pero gracias a todos; por orden de lista teporal Lamarck, DARWIN, Mendel y los fundamentales Margulis, Gould-Eldredge -equilibrio puntuado, además de relación ontegenia-filogenia mejorando todo lo anterior (pero recordaré en esto a regañadientes a Haeckel por tramposillo, aunque acertado)-, Margulis… Ahora no se me ocurren más, pero seguro que me dejo a alguien.
    Todos han tenido algún fallo. Darwin, al parecer, al afirmar que “Natura non facit saltum”, afirmación que ya consideró muy peligrosa su gran amigo Huxley, pero eso no puede llevarnos a denostar a nuestro mejor genio que acertó en lo fundamental. La enseñanza es que no podemos acobardarnos porque se pueda decir que si, en una teoría, hemos de admitir que puede haber un error, la rechacemos y admitamos el estúpido y acientífico creacionismo, ni por eso ni siquiera por las trampas de Haeckel. Podemos pedirles, sin más, que aporten una prueba: y nos mostrarán la biblia; pura ciencia, sin duda.
    Y he de felicitarte -voy a tener que ponerte entre los que he nombrado- por tu visión de la que podremos llamar “tasa evolutiva”. ¡Qué grande eres -no solo en estatura-!
    Bueno, veo que me voy animando y me salgo del tiesto, así que lo dejo.
    Un fuerte abrazo, mi buen y muy querido amigo.

  10. Miguel Ángel:

    Maese Tomás:

    Grande no…como mucho “largo”, y hasta en eso me dejas canijo según una acepción que aparece en el Buscón de Quevedo cuando describe a Cabra: “él era un clérigo cervatana, largo solo en el talle” (Largo = generoso, espléndido).
    Atrás me dejas también con esa fenomenal referencia a Anaximandro, que confieso desconocía por completo.

    Un largo abrazo.

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