El pico del calamar

 El pico del calamar tiene desconcertados a los científicos. ¿Cómo es posible que algo tan duro esté unido a un cuerpo blando, sin una estructura ósea que le sirva de soporte? ¿Cómo logra esta criatura usar su pico sin dañar los tejidos circundantes?

Reflexione: La proporción de los componentes químicos del pico —quitina, agua y proteínas— cambia gradualmente a lo largo de este. Eso explica por qué la punta del pico es sumamente dura, mientras que la base es suave y flexible, lo que permite al calamar usar el pico sin sufrir ningún desgarro.

El profesor Frank Zok, de la Universidad de California, afirma que este descubrimiento “podría revolucionar los métodos que emplean numerosos campos de la ingeniería para unir entre sí materiales de distinta composición”. Una de las posibles aplicaciones es la fabricación de prótesis para las extremidades. Ali Miserez, investigador de la misma universidad, espera poder “crear una prótesis que imite la composición química del pico del calamar. En un extremo tendría la elasticidad de un cartílago, y en el otro, [...] la solidez de un material resistente al desgaste”.

Las plumas del búho

El búho es la envidia de la aviación. ¿Por qué? Por su silencioso vuelo. De hecho, ninguna otra ave es tan sigilosa. ¿Cuál es su secreto?

Reflexione: Las plumas de la mayoría de las aves producen un ruidoso silbido cuando el aire pasa sobre ellas. En cambio, las del búho anulan ese ruido. ¿Cómo? Primero, el borde desflecado de las plumas remeras rompe las ondas de sonido que normalmente se crean cuando un ave baja las alas durante el vuelo. Y segundo, la mullida capa de suavísimas plumas que cubren todo su cuerpo amortiguan los demás ruidos.

A los ingenieros en aeronáutica les encantaría sacarle el jugo a lo que saben sobre el vuelo del búho. Para empezar, hay aeropuertos que limitan los despegues y los aterrizajes temprano en la mañana y tarde en la noche debido a estrictos controles en los niveles de ruido. Con aviones más silenciosos, se podrían realizar más vuelos. Ya existen varias posibilidades, pero apenas se está comenzando. Se calcula que todavía faltan varias décadas para fabricar un avión tan sigiloso como el búho.

La concha de los moluscos

Las conchas marinas parecen frágiles, pero no son tan fáciles de partir. Tenía que darles con un martillo para romper un trocito. La dureza de las conchas es sobresaliente en el caso de los moluscos.

Reflexione: La capa interna de la concha de los moluscos, llamada nácar o madreperla, está formada de escamas microscópicas separadas por nanómetros (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro). La complejidad del nácar a escala nanométrica es asombrosa, y es muy probable que sea un factor clave en la dureza del material.

El redactor de artículos científicos Charles Petit califica de “increíblemente ordenada” la imagen ampliada del nácar. Al microscopio, un corte transversal se presenta como una pared de ladrillos, con placas hexagonales planas de un tipo de carbonato cálcico cristalino, ordenadas en capas perfectas. Lo que las une es un pegamento flexible de alto contenido proteínico que segrega el molusco.

El secreto de la concha de los moluscos podría tener una gran variedad de aplicaciones, como blindajes, carrocerías de autos y alas de aviones. La naturaleza emplea estructuras a nanoescala para producir materiales con propiedades mecánicas superiores. Los ingenieros aún tienen que aprender mucho para desarrollar el mismo tipo de habilidad.

El caparazón del escarabajo

El caparazón del escarabajo está formado por escamas superpuestas que son diez veces más finas que un cabello.

Reflexione: Se descubre que el secreto del color blanco brillante del escarabajo no tiene nada que ver con la pigmentación, sino con el tamaño de los filamentos que conforman las escamas y el espacio entre ellos, lo cual hace que se disperse la luz de un modo particularmente eficaz. Los revestimientos minerales industriales, como los que se usan en el papel de alta calidad, los plásticos y algunas pinturas, tendrían que ser el doble de gruesos para alcanzar la misma blancura”.

Los científicos creen que el caparazón le sirve para camuflarse entre los hongos blancos en que suele hallarse. Pero lo que más les interesa es aprovechar el secreto de su color para producir, por ejemplo, materiales sintéticos ultrablancos. El papel en el que escribimos, el color de los dientes e incluso la claridad de las luces “mejorarán significativamente si la tecnología logra tomar y aplicar las ideas de diseño que aprendemos de este escarabajo”.

Hojas repelentes al agua

¿Vasos plásticos autolavables? ¿Ventanas que permanecen secas bajo la lluvia? ¿Articulaciones de baja fricción para micromáquinas? Los científicos afirman que estos serían algunos de los beneficios que podrían obtenerse si se desentrañan los secretos que guardan las hojas de loto.

Reflexione: Su superficie, cubierta de diminutas papilas repletas de microcristales de cera, mantiene a raya las gotas que caen sobre las hojas; de ahí que estas sean repelentes al agua. Además, su inclinación hace que el líquido resbale sin apenas tocarlas, lo cual no solo las conserva secas, sino también limpias. ¿Por qué? Porque las gotas arrastran todas las partículas de polvo y suciedad.

Los científicos se han propuesto copiar las características de la hoja de loto para crear materiales repelentes al agua y adaptarlos, por ejemplo, a las micromáquinas que se dañan con el líquido. Esta clase de superficie puede tener una infinidad de aplicaciones.

El pico del tucán

Como volar no es su fuerte, este habitante del centro y del sur de América se desplaza dando saltitos. Algunas especies del tucán emiten un sonido parecido al de la rana, pero de mayor intensidad. De hecho, puede escucharse en la jungla a casi un kilómetro (media milla) de distancia. Sin embargo, lo que más sorprende a los científicos es su pico.

Reflexione: El pico de algunos tucanes alcanza el tercio de la longitud de su cuerpo. Uno pensaría que pesa mucho, pero no. La superficie del pico está hecha de queratina, la misma sustancia que contienen las uñas y el cabello, así como de varias capas de pequeñas placas hexagonales sobrepuestas en forma de tejas.

Su consistencia se ha comparado con una esponja rígida. Algunas partes son huecas y otras están formadas por filamentos y membranas, que lo hacen sumamente ligero y resistente. Es casi casi como si el tucán fuera un experto en ingeniería mecánica.

La estructura de su pico le permite absorber fuertes impactos. Con razón los expertos quieren adaptarla a las necesidades de la industria aérea y automotriz. Los tableros de mandos hechos con materiales semejantes a los del pico del tucán ofrecerían mayor protección a los automovilistas en caso de choque.

La fría luz de la luciérnaga

En las zonas tropicales y templadas de nuestro planeta vive la luciérnaga, un insecto que se caracteriza por los destellos de luz que emite para atraer a su pareja. Cabe destacar que este tipo de luz es superior tanto a la incandescente como a la fluorescente que el hombre ha logrado producir. Así que la próxima vez que revise su factura de la luz, piense en lo que algo tan pequeño como la luciérnaga es capaz de hacer.

Reflexione: La bombilla incandescente solo emite un 10% de su energía en forma de luz; el resto prácticamente se desperdicia, pues se transforma en calor. La bombilla fluorescente realiza mucho mejor su función, ya que emite el 90% de su energía en forma de luz. Pero ni una ni otra iguala a la luciérnaga. En el caso de esta, casi el cien por ciento de su energía se transforma en luz, emitiendo muy pocos rayos ultravioletas e infrarrojos.

El secreto de la luciérnaga radica en una reacción química que tiene lugar en ciertas células especializadas llamadas fotocitos. En el proceso, una sustancia conocida como luciferina se combina con el oxígeno (que sirve de combustible) bajo la acción de la enzima luciferasa. Dicha reacción genera luz fría, llamada así porque prácticamente no emite calor. Con razón Thomas Edison, el inventor de la bombilla, “debió sentir envidia de las luciérnagas”.

El sistema de navegación de la mariposa

La mariposa monarca viaja 3.000 kilómetros (1.800 millas) desde Canadá hasta una pequeña zona boscosa de México. ¿Cómo se guía si su cerebro es apenas del tamaño de la cabeza de un alfiler?

Analice lo siguiente: La monarca está dotada de una brújula solar, cuyo referente fijo es el Sol. Además, emplea un reloj circadiano sumamente exacto (una función biológica basada en un ciclo de veinticuatro horas) que le sirve para reajustar su rumbo en función de la trayectoria del astro rey. La mariposa “construye su reloj circadiano de una forma jamás vista en otros insectos o mamíferos”.

Conocer mejor los secretos del reloj circadiano de la monarca podría ayudar a los científicos a lograr un mejor entendimiento de esta función en los seres humanos y los animales. Incluso podrían descubrirse nuevos tratamientos para los trastornos neurológicos. Es importante comprender cómo procesa el cerebro la información sobre el tiempo y el espacio, y la monarca es un caso extraordinario en este campo.

Las patas de la gaviota

La gaviota no se congela aunque esté parada sobre el hielo. ¿Cómo conserva el calor en su cuerpo? Parte del secreto estriba en el sistema de intercambio de calor que tiene en las patas.

Analice lo siguiente: Los sistemas de intercambio de calor consisten en un tubo que transporta líquido caliente muy cerca de otro tubo que transporta líquido frío. Si ambos líquidos fluyen en la misma dirección, solo se transfiere, como mucho, la mitad del calor. Pero si fluyen en direcciones contrarias, se transfiere casi el cien por ciento del calor.

En el sistema de intercambio de calor de las patas de la gaviota, la sangre fluye en direcciones contrarias. La que va hacia abajo se enfría a una temperatura que casi llega al punto de congelación, y la que regresa al cuerpo se va calentando de nuevo. Respecto a las aves que viven en climas fríos, el principio de intercambio de calor contracorriente es tan eficaz e ingenioso que el hombre lo ha adaptado a las obras de ingeniería a fin de conservar energía.

Una sorprendente colaboración en el suelo

Una asombrosa colaboración que se produce en el suelo entre ciertas plantas y bacterias hace posible la vida.

Analice lo siguiente: El nitrógeno es un gas esencial para el crecimiento y la reproducción vegetal. No obstante, para que las plantas lo puedan utilizar, este gas primero debe pasar por un proceso de fijación que lo transforma en compuestos como el amoníaco. Para lograrlo, las leguminosas colaboran con bacterias del género Rhizobium. Tal colaboración —con beneficios mutuos— entre organismos de especies diferentes se denomina simbiosis.

Mediante una sustancia química especial, las leguminosas atraen hacia sus raíces a las bacterias, que penetran en ellas. Aunque las bacterias y estas plantas pertenecen a dos reinos diferentes, colaboran “en la creación de algo que, en esencia, es un nuevo órgano: un nódulo en la raíz completamente dedicado a la fijación de nitrógeno”. El interior del nódulo se convierte en el nuevo hogar y laboratorio de las bacterias. Estas se valen principalmente de una enzima especial —un tipo de proteína denominada nitrogenasa— para fijar el nitrógeno que toman del aire acumulado en el suelo.

“Toda la nitrogenasa que existe en el planeta [...] podría caber en un cubo grande”, por ello, cada molécula cuenta. Pero hay un problema: el oxígeno anula la función de la nitrogenasa. ¿Cómo evitarlo? Las leguminosas producen una sustancia especial que elimina cualquier molécula de oxígeno potencialmente dañina.

Alrededor del nódulo hay una membrana que controla el intercambio de amoníaco, azúcares y otros nutrientes que ocurre entre los microbios y las plantas. Como todas las plantas, las leguminosas mueren con el tiempo, pero el amoníaco permanece en la tierra. Por ello, a las leguminosas se las ha calificado con razón de “estiércol verde”.

La ventilación de los termiteros

Se ha dicho, y con buena razón, que los termiteros son maravillas de la ingeniería. Estas impresionantes estructuras, construidas a base de tierra y saliva, pueden alcanzar los seis metros de altura (20 pies). El sol cuece sus paredes, de 45 centímetros (18 pulgadas) de espesor, hasta dejarlas tan duras como el hormigón. Algunos termiteros se han edificado literalmente de la noche a la mañana.

Cerca del centro del termitero vive la reina, que pone varios miles de huevos cada día. Las termitas obreras, ciegas y sin alas, se encargan de llevar los huevos a celdas especiales donde cuidan de las larvas una vez que estas salen del huevo. Ahora bien, es posible que la mayor maravilla de este nido sea su sistema de ventilación.

Analice lo siguiente: Una serie de cámaras y galerías mantienen una temperatura constante en el interior aunque las condiciones exteriores cambien. Por ejemplo, en Zimbabue (África), la temperatura exterior puede llegar a más de 38°C (100°F) durante el día y bajar hasta los 2°C (35°F) por la noche. Sin embargo, el interior del termitero se mantiene a 31°C (87°F). ¿Por qué?

En la zona inferior del termitero hay agujeros de ventilación situados estratégicamente que permiten la entrada de aire fresco, mientras que el aire caliente y viciado es expulsado por la parte de arriba. Desde una cámara subterránea entra aire más frío que circula a través de los túneles y celdas. Las termitas abren y cierran los agujeros para regular la temperatura según sea necesario. Para ellas es fundamental que la temperatura siempre sea la misma, pues eso les permite cultivar el hongo que constituye su alimento principal.

El diseño del termitero es tan extraordinario que un grupo de arquitectos empleó un sistema parecido para construir un edificio de oficinas en Zimbabue. Dicho edificio tan solo consume el 10% de la energía que necesitaría uno del mismo tamaño construido según los modelos tradicionales.

El adhesivo del geco

A los científicos les admira la capacidad que tiene el geco para escalar superficies lisas —incluso para correr boca abajo por los techos— sin resbalar. ¿Cómo logra este pequeño lagarto realizar tal proeza? Efectivamente, las patas de este reptil se asemejan a manos y se aferran a las superficies lisas con pasmosa agilidad. Cada dedo tiene unas laminillas revestidas de millares de estructuras parecidas a pelos de las que brotan centenares de filamentos o garfios microscópicos. Las fuerzas de interacción molecular (denominadas fuerzas de Van der Waals) que se generan entre estos filamentos y la superficie son capaces de soportar el peso del cuerpo del animal, incluso cuando se desplaza boca abajo sobre cristal.

Los investigadores quieren crear adhesivos que, al igual que las patas del geco, se adhieran a las superficies planas. Tales sustancias tendrían, entre otras, “una amplia variedad de aplicaciones en el campo de la medicina, desde vendajes resistentes al agua hasta una cinta adhesiva que sustituya las suturas quirúrgicas”.

El ojo compuesto

“Una capa tras otra de estructuras perfectamente ordenadas.” Así describe el ojo compuesto de muchos insectos el profesor Luke Lee, de la Universidad de California.

Reflexione: El ojo compuesto de algunos insectos, como el de la abeja y el de la libélula, está formado por un gran número de unidades visuales, cada una de las cuales apunta en una dirección. Las imágenes que recogen estos lentes por separado se combinan para crear una amplia visión en forma de mosaico que resulta extraordinaria a la hora de percibir movimientos.

Los investigadores están tratando de imitar el ojo compuesto de los insectos a fin de fabricar detectores de movimientos de alta velocidad y cámaras multidireccionales ultradelgadas, que podrían tener un buen número de aplicaciones. En el campo de la medicina, por ejemplo, podrían usarse para examinar el estómago. El paciente se tragaría la “microcámara”, que recogería imágenes valiéndose de su ojo compuesto y las enviaría mediante ondas.

Un equipo de bioingenieros ya ha inventado un ojo compuesto artificial con más de ocho mil quinientos lentes que caben en la cabeza de un alfiler. No obstante, esta tecnología palidece ante el ojo compuesto del mundo de los insectos. La libélula, por ejemplo, posee unas treinta mil unidades visuales en cada ojo.

La seda de araña

▪ Es más liviana que el algodón y, sin embargo, en relación con su peso, es más resistente que el acero. Tras décadas de estudiar la seda segregada por las arañas constructoras de telas circulares, los biólogos están fascinados con la seda dragline. Se trata de la más resistente de los siete tipos que producen estas arañas y la que usan para formar la estructura de sus redes y como hilo de seguridad en sus desplazamientos. Es más fuerte e impermeable que las hebras que segrega el gusano de seda, utilizadas comúnmente en la confección de tejidos.

Reflexione: La obtención de fibras sintéticas como el kevlar requiere el uso de altas temperaturas y disolventes orgánicos. La araña, por el contrario, produce seda a temperatura ambiente utilizando agua como disolvente. Además, la seda dragline posee mayor resistencia que el kevlar. Una telaraña de este hilo ampliada al tamaño de un campo de fútbol podría detener a un jumbo en pleno vuelo.

No es de extrañar que la resistencia de esta sustancia haya despertado tanto el interés de los investigadores. Aimee Cunningham escribe en la revista Science News que “los científicos sueñan con explotar dicha propiedad en artículos que van desde chalecos antibalas hasta cables de suspensión para puentes”.

Pero copiar esta fibra natural no resulta nada fácil, pues su fabricación tiene lugar dentro del cuerpo de la araña y el proceso aún no se comprende a la perfección. “El hecho de que haya tantos cerebros en el mundo intentando reproducir lo que las arañas hacen naturalmente en el sótano de nuestras casas nos hace conscientes de nuestra pequeñez”.