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Magníficos Materiales

Jonathan Sarfati, Doctor en Química

Los seres vivos disponen de materiales que poseen propiedades, tales como fuerza y elasticidad que los hacen superiores a los materiales hechos por el hombre.

Los científicos que estudian estos materiales están constantemente descubriendo y aprendiendo de los secretos de la naturaleza.

Tal como lo resume un estudio científico,

«la investigación en el campo de los materiales biomiméticos se está covirtiéndo rápidamente en un campo muy prometedor»1

La increíble dureza de las caracolas2

La prestigiosa revista evolucionista Nature ha mostrado su asombro ante la maravillosa caracola gigante. La califica como

«una de las mayores obras maestras de ingeniería de la naturaleza»3

El animal inicia la construcción de su caparazón segregando una capa exterior de material orgánico llamado periostraco. Esta capa forma una base sobre la cual se forman pequeños cristales alargados, dispuestos en ángulo recto con respecto a la membrana. Esta capa tiene un grosor de tan sólo un micrómetro; la milésima parte de un milímetro, (1/25.000 pulgadas). A continuación, sobre esta capa inicial se añaden más substancias minerales hasta alcanzar un espesor de algunos milímetros.

Esta nueva capa posee una estructuda de tres pequeñas capas entrecruzadas. Está formada por diminutos bastones de aragonita, una forma de carbonato de calcio (CaCO3), unidos entre sí por proteínas adhesivas. El resultado es un caparazón compuesto por un 99% de materia mineral y un 1% de proteínas. En cada capa los bastones se disponen formando un ángulo de 90 grados con respecto a los bastones de las capas adyacentes. Además, cada bastón está compuesto a su vez por otros bastones más pequeños, y éstos también se componen de otros más pequeños todavía. Y así sucesivamente, hasta llegar a los cristales individuales.4

Caracola reina (Strombus gigas) adulta.

Roberto Ballarini, Ingeniero de Ciencia de los Materiales de la Universidad Case Western Reserve, ha investigado la resistencia de la caracola. Sus trabajos han demostrado que la estructura de la caracola impide que las grietas se extiendan por su superifice. Así, a pesar de que la aragonita es muy quebradiza, esta estructura consigue que se convierta en «uno de los compuestos naturales quebradizos más duros que se conocen.» De hecho, es 30 veces más fuerte y alrededor de 1.000 veces más dura (más resistente a la fractura) que el mineral puro.5 Este científico de materiales confía en «fabricar componentes electrónicos más resistentes y flexibles»4 imitando esta estructura.

Y la caracola viviente hace algo que ningún material hecho por el hombre puede hacer, repararse a sí misma. Su Xiao-Wei, un compañero de Ballarini, ha mostrado cómo la caracola repara los agujeros que sufre. En menos de 24 horas, la caracola es capaz de colmatar una brecha construyendo una membrana transparente. A continuacion procede a depositar pequeños cristales de aragonita, formando muchas capas finas. Sólo entonces, al cabo de 6 u 8 días, el animal deposita sobre los cristales alargados una estructura de capas cruzadas de una dureza increible.3

El proceso de reparación requiere una cuidadosa coordinación de las capas orgánicas y las capas minerales. Su y sus colegas esperan que su investigación mostrará cómo el hombre puede diseñar y fabricar materiales de tal dureza.

La armadura del abulón6

El abulón u oreja de mar es un marisco muy conocido tanto por su carne comestible como por los brillantes colores de su caparazón interior. Los Maorís de Nueva Zelanda lo llaman paua, y hacen hermosas joyas usando sus caparazones. Pero los científicos que investigan los materiales están interesados en su gran fortaleza, y confían en poder aprender a diseñar chalecos antibalas usando sus técnicas. Otros caparazones, como el caracol, utilizan también materiales compuestos dispuestos en estructuras intrincadas para obtener una gran resistencia, como se describe en la sección precedente. Estas estructuras están hechas principalmente de carbonato de calcio (CaCO3), y una pequeña cantidad de proteínas, pero lo que hace que su caparazón sea mucho más duro de lo que el carbonato de calcio puro será jamás es la manera en que están dispuestas. Sin embargo el abulón presenta una estructura diferente, aunque igualmente ingeniosa que combina proteínas y carbonato de calcio.

El Crecimiento de Abulón

El caparazón del abulón está formado por dos clases de carbonato de calcio (CaCO3): calcita para la parte exterior rugosa, y aragonita para el interior liso, 7 que también se denomina nácar o madreperla. Investigadores de Ingeniería de la Universidad de California, San Diego, han descubierto cómo se forma el interior de la concha del abulón, y por qué es tan resistente.8 Introdujeron láminas de vidrio muy finas en su interior durante el proceso de formación, el abulón las aceptó como si fueran parte de su caparazón, y formó nuevas capa encima. Luego las retiraron en diferentes intervalos de tiempo para analizar el material usando un microscopio electrónico.

El animal inicia la formación su caparazón depositando una primera capa de proteínas. A continuación deposita una capa de calcita. Posteriormente, una serie de proteínas la transforman en aragonita, algo que de forma natural no se formaría nunca pues es menos estable.9 Todos estos diminutos cristales se alinean en la misma dirección.10 Después una proteína especialmente estructurada detiene el crecimiento del caparazón hacia el exterior , de lo contrario se formarían agujas.

Así se consigue que los cristales crezcan en sentido lateral formando placas, que crecen hasta unirse con las placas adjacentes. Independientemente del tamaño del abalón, estas placas tienen un espesor de 0,5 micras y un diámetro de 10 micras. Posteriormente se forma una capa de proteínas cuya misión consiste en separar las distintas capas de placas. La construcción de la capa siguiente comienza antes de que la capa anterior esté finalizada, lo que hace que el caparazón, durante su proceso de formación, se asemeje a un bosque de árboles de Navidad.8

Estructura y Resistencia

Una imagen de rayos X del caparazón de un caracol marino triton snail, Charonia, en la que se aprecia la columella central.

Al final las placas quedan apiladas de forma irregular, y así reflejan la luz produciendo la apariencia típica de la madreperla. Sin embargo, las diferentes capas de placas presentan una estructura regular, y aparecen separadas por una capa de proteínas de entre 10 y 20 micras de espesor. Esta proteína mantiene las placas fuertemente unidas. pero al mismo tiempo permite que las placas puedan separarse. Esta separación permite absorber la energía de un impacto fuerte. Los laminados (capas de materiales) construídos por el hombre carecen de esta capacidad de separación, en consecuencia la ruptura de una capa, causa el debilitamiento de toda la estructura.11

Las capas de proteínas también desempeñan otra función esencial. Evitan que las grietas se extiendan por el caparazón. Además, aunque el nácar contiene sólo un 5% de proteínas, esta cantidad es suficiente para que los componentes minerales se estrucutren de forma espontánea. Pupa Gilbert, un físico de la Universidad de Wisconsin-Madison, dice:

«El noventa y cinco por ciento de la masa de este biomineral se ensambla espontaneamente, y tan sólo el 5 por ciento se forma bajo la dirección activa del organismo. Es uno de los mecanismos más eficientes que puedan concebirse»12

¿Diseño o Azar?

En el primer párrafo de su artículo científico,8 los investigadores rinden el obligado homenaje a las maravillas de la evolución mediante selección natural durante millones de años. Pero en el resto del trabajo no se hace ni la más mínima mención de cómo la evolución pudo crear una coordinación tan estrecha de los distintos procesos químicos. Así pues, la evolución no les proporcionó ninguna guía.

Muy al contrario, los científicos analizaron el proceso de construcción como si hubiera sido diseñado por un ingeniero con el proposito de ser resistente. Tanto es así, que reconocen que

«... actualmente es imposible sintetizar ni siquiera las más sencillas estructuras bio inducidas»8

Así pues, es perfectamente lógico y coherente con la buenas práticas científicas concluir que en realidad fueron diseñadas por un Maestro Ingeniero, cuya capacidad supera a la nuestra.

Uñas: Estructuras de fibra que proporcionan enorme resistencia13

Recientemente los científicos han descubierto lo que siempre hemos querido saber, la razón por la cual, cuando nos mordemos o nos rompemos las uñas, éstas tienden a resquebrajarse en sentido lateral hacia los bordes y no en sentido longitudinal en dirección la base.

Roland Ennos, investigador de la Universidad de Manchester, tiene la costumbre de morderse las uñas. Quizás por ese motivo se interesó (junto con otros investigadores) en evaluar la dureza de las uñas de los estudiantes.14 Descubrieron que para romper las uñas en sentido longitudinal se requiere el doble de fuerza que para romperlas en sentido lateral.

Y así es como debería ser, dice Ennos.

«De lo contrario, sufriríamos dolores durante toda nuestra vida, porque cada grieta nos causaría una herida en la base de la uña, provocándonos un gran dolor y causándonos infecciones»

Las uñas son exclusivas de los seres humanos y los primates. No sólo protegen la parte superior de nuestros dedos, sino que también ayudan a mantener la piel de las yemas de los dedos en su lugar, lo cual nos permite asir y manipular objetos. Recientemente Ennos y sus colegas, analizando las uñas con el microscopio electrónico descubrieron por qué las uñas no se rompen longitudinalmente en dirección a la base. Las uñas están formadas por tres capas de tejido que contiene la proteína queratina. Se ha descubierto que las fibras de queratina de la capa central son paralelas a la media luna de la base de la uña. Esta disposición evita que las grietas se extiendan longitudinalmente en dirección a la base. Las fibras de queratina de las dos capas exteriores están orientadas aleatoriamente proporcionando la necesaria resistencia.

¿Cuánta fuerza? Según Ennos,

«La fuerza necesaria para romper nuestras uñas es equivalente a la requerida para romper la pezuña de un caballo [sic]»

«Es muy sorprendente»15

Así pues, las uñas de nuestros dedos son tan fuertes como las pezuñas de los caballos! El zoólogo John Gosline, de la Universidad de British Columbia, ha observado que las grietas en los cascos de los caballos siguen la misma orientación que las grietas en uñas de los humanos.

Y lo explica así:

«Uñas y cascos son estructuras externas que sufren tensiones mecánicas procedentes del ambiente exterior»

«En el caso de un caballo, una grieta longitudinal puede provocar cojera y llevar a la muerte»

El Hilo de la Araña: La Fibra más Fuerte del Mundo16

El hilo de la araña es más fuerte y más elástico que el textil sintético más fuerte que el hombre ha conseguido crear

La mejor fibra sintética hecha por el hombre es el Kelvar17 pues posee la capacidad de detener balas, sin embargo la tela de la más humilde de las arañas supera al Kelvar en muchos aspectos.17 Según Fritz Vollrath experto en arañas danés,

«el hilo de la araña es más fuerte y más elástico que el Kevlar, y el Kevlar es el textil sintético más fuerte que el hombre ha conseguido crear»18

El hilo de tipo dragline, usado por la araña para construir el soporte principal de su red, es cien veces más fuerte que el acero, un cable de seda un poco más grueso que una manguera de jardín puede soportar el peso de dos aviones Boeing 737.19 También se puede estirarse hasta el 40% de su longitud,17 Otro tipo de hilo, el flageliforme, puede alargarse más de un 200%.19

Además, la fabricación de Kevlar requiere condiciones muy estrictas, se requiere hervir el ácido sulfúrico lo cual produce productos químicos peligrosos que son difíciles de eliminar.17 Sin embargo las arañas consiguen fabricarlo a temperatura ambiente, y usando un baño de ácido mucho menos agresivo que ellas mismas generan en conductos especiales.18

Y las arañas pueden fabricar su seda a diferentes velocidades, por ejemplo para escapar de un depredador pueden fabricar a una velocidad 10 veces superior a la normal, no ocurre lo mismo con los procesos industriales, puesto que al acelerar un proceso industrial de este tipo no se produce fibra sino mugre. La tela de la araña ni siquiera contamina pues las arañas se comen sus propias telas cuando han acabado de usarlas.18

La Complejidad de los Hilos de la Araña

La increíble fuerza y elasticidad del hilo de la araña se debe a una

«complejidad que hace que las fibras sintéticas hechas por el hombre parezcan rudimentarias»17

Las fibras sintéticas hechas por el hombre suelen ser sólo hebras simples de material, en contraste la fibra producida por la araña posee una estructura formada por un núcleo rodeado por capas concéntricas de nanofibras (pequeños hilos). Algunas capas contienen nanofibras alineadas en paralelo al eje, mientras que otras capas contienen nanofibras enrolladas como una escalera de caracol. Las nanofibras enrolladas como una escalera de caracol permiten que el hilo pueda extenderse, ya que simplemente se yerguen en lugar de permanecer en reposo.

Las nanofibras en sí son extremamente complejas, pues están compuestas por pequeñas proteínas cristalinas dispuestas en matrices amorfas (que carecen de una estructura regular) alineadas en cadenas de proteínas enredadas. Estos nanocristales poseen cargas eléctricas que previenen el deslizamiento de las cadenas, proporcionando así la fuerza requerida, al mismo tiempo el material amorfo, que es elástico, permite que la fibra pueda estirarse.

Resistencia al Calor

David Knight de la Universidad de Oxford y la compañía Oxford Biomaterials han realizado diversas pruebas de hilos de araña de la especie Nephila edulis a temperaturas que van desde -60 hasta +150 grados Celsius. (-76–302 grados Farenheit). Desde el frío extremo al calor extremo, las hebras conservaban una capacidad de expansión de como mínimo el 20% antes de romperse.

Se debilitaban a temperaturas superiores a los 150 grados Celsius, pero no se desintegraban hasta los 370 grados Celsius. (700 grados Farenheit)20 David Knight sugiere que la seda de la araña constituiría un excelente material para coser nervios y tendones, especialmente porque puede esterilizarse mediante el calor antes de su uso.21

Hilando con Cristales Líquidos

Algunos investigadores han intentado producir seda inyectando una solución de proteínas de seda, denominada espidroína, a través de pequeños agujeros, pero las fibras obtenidas mediante este método no son ni la mitad de fuertes que las producidas por la araña. Parece que la araña consigue la alta complejidad necesaria para su hilo haciendo pasar la espidroína por una fase de cristal líquido, durante la cual ciertas moléculas de forma alargada se alinean en estructuras paralelas (también se usa una fase de cristal líquido en la fabricación del Kevlar). Christopher Viney de la Universidad Heriot-Watt de Edimburgo, cree que esto les permite fluir más fácilmente, obtiendo así un importante ahorro de energía.17

Asimismo el estado líquido alinea las moléculas de las proteínas, de manera que puedan formarse los nanocristales y las nanofibrilas en forma de espiral. Esto parece ocurrir dentro de un canal en forma de larga espiral convergente (conducto-S) dentro del cual se comprime y se bombea el agua. Este proceso provoca que las caras hidrofóbicas (que repelen el agua) de las proteínas se orienten hacia el exterior consiguiendo así la formación de los nanocristales lo cual permite la formación de fibras.

Los trabajos de Thomas Scheibel y su equipo en la Universidad Técnica de Munich nos han ayudado a entender la importancia de las propiedades hidrofóbicas (y por tanto lipofílicas; que atraen la grasa ) e hidrofílicas (que atraen el agua) de las proteínas que intervienen en la fabricación de la fibra.22 La fase crucial del proceso de formación del hilo consiste en enlazar unas pocas proteínas en agregados llamados oligómeros, del griego oligos, que significa pocos. La proteína de la seda posee una alta concentración de sal (NaCl), que detiene la oligomerización hasta que es necesaria.23

El pH es también crucial.

La glándula que segrega la seda es muy alcalina, mientras que el conducto que hila es ligeramente ácido. Esto es muy importante: las condiciones alcalinas tienden a eliminar los protones de los grupos de la tirosina en las proteínas, lo que les deja cargados negativamente y, por tanto con tendencia a repeler, impidiendo la formación prematura de grumos.23

¿Podría haber evolucionado el proceso de producción del hilo de la araña?

La revista científica Nature en un artículo de revisión24 trató en profundidad una serie de temas importantes, por ejemplo, la alta resistencia, el análisis de las fuerzas de tensión y torsión, la composición de los espidrones incluyendo algunos de los aminoácidos no esenciales, el hilado de cristal líquido, un tipo particular de cristal líquido denominado la fase nemática en el que unas moléculas alargadas se alinean en paralelo (la fase utilizada en los dispositivos de visualización de imágenes), la disposición de fondos externos convencionales utilizados en el hilado industrial, así como la avanzada tecnología de hilado interna que hasta ahora no ha podido ser imitada por el hombre.

En el artículo también se explica cómo podemos aprender mucho del diseño de la araña, por ejemplo, la geometría hiperbólica del conducto-S para que el material se alargue a una velocidad constante, evitando disclinaciones (la disclinación es un defecto similar al debilitamiento de las dislocaciones en los cristales sólidos). La complejidad estructural de la seda es aún mayor que lo que se había pensado! Por desgracia, siempre se rinde homenaje a la evolución como si ésta fuera el diseñador, sin la menor prueba de que haya sido así.

Huesos: Vigas que se reparan a sí mismas25

Bosquejo de esta sección técnica:

• Los huesos son un soporte dinámico, y siempre están en un permanente proceso de reconstrucción para hacer frente a las tensiones cambiantes.

• La forma de hueso es el resultado de un delicado equilibrio entre la deposición de hueso y la resorción ósea.

• La fortaleza de los huesos se debe en gran parte a un mineral llamado Hidroxiapatita (HA).

• Un componente vital para el crecimiento del hueso es una proteína pequeña y altamente conservada denominada osteocalcina.

• Se han descubierto grandes fragmentos de esta proteína en los huesos de dinosaurio «datados» en más de 100 millones de años, aunque según las tasas de decaimiento observadas no debería haber nada después de tanto tiempo.

• La vitamina K juega un papel esencial en la modificación de los tres residuos de aminoácidos de la osteocalcina, sin ella no podría amalgamarse el calcio.

• El reciente descubrimiento de la estructura cristalina de osteocalcina muestra que se une al calcio siguiendo un patrón geométrico preciso que permite su acoplamiento a una cara del cristal de Hidroxiapatita (HA).

• Por lo tanto el proceso de construcción del hueso es irreduciblemente complejo.

• Los puntos anteriores considerados globalmente explican la ausencia de fósiles intermedios entre los invertebrados y los vertebrados.

• Los huesos se reconstruyen en respuesta a las tensiones

Los huesos proporcionan la mayor parte de la estructura y el sostén al cuerpo de los vertebrados. Son análogos a las vigas de un edificio, pero los huesos tienen una enorme ventaja sobre las vigas hechas por el hombre; los huesos están constantemente regenerándose y recostruyéndose para hacer frente a las fuerzas cambiantes.26

Para conseguirlo es necesaria una meticulosa actividad de las células que construyen el hueso (osteoblastos) y de las células que lo reabsorben (osteoclastos). Se ha demostrado recientemente que la hormona estimulante del tiroides (TSH), conocida por actuar tal y como su nombre indica, estimulando la producción de hormonas en la glándula tiroides, juega un papel importante en esto, también. Se encarga de supervisar a ambos tipos de células, sin ella, los huesos sufren osteoporosis en algunas regiones (poca materia osea, y por lo tanto debilidad), y simultáneamente, exceso de densidad en otras regiones.27

La osteocalcina y la hidroxiapatita

La fuerza de los huesos proviene principalmente de un mineral hexagonal; la hidroxiapatita (Fórmula Ca5(PO4)3(OH)).28 Pero para que sea efectiva la hidroxiapatita debe organizarse siguiendo unos patrones muy precisos. En los huesos de los vertebrados, esta función la realiza una proteína especial llamada osteocalcina (OC). Es una proteína pequeña, de 49 aminoácidos de longitud (5,8 kDa), y es «muy conservada», lo que significa que su secuencia es casi idéntica entre los vertebrados. La osteocalcina humana posee la siguiente secuencia Tyr-Leu-Tyr-Gln-Trp-Leu-Gli-Ala-Pro-Val-Pro-Tyr-Pro-Asp-Pro-Leu-Gla-Pro-Arg-Arg-Gla-Val-Cys -Gla-Leu-Asn-Pro-Asp-Cys-Asp-Glu-Leu-Ala-Asp-His-Ile-Gly-Phe-Glu-Gln-Ala-Tyr Arg-Arg-Phe-Tyr-Gly-Pro-Val.29

Como todas las proteínas, las instrucciones para la construcción de la osteocalcina se encuentran en el ADN (véase la página 160 y siguientes), pero producir osteocalcina no consiste simplemente descodificar/traducir el código y sintetizarla en el ribosoma. En primer lugar, la transcripción (ADN a ARN-mensajero) está regulada por el Calcitriol 1-alpha,25-dihidroxicolecalciferol (abeviado 1,25-(OH)2D3) Vitamina D3, este es uno de los motivos por los que la vitamina D es tan importante para gozar de huesos sanos.

En una primera fase la osteocalcina se decodifica (se traduce) como preproosteocalcina, la cual presenta una longitud de 98 aminoácidos. Y se compone de tres partes: una proteína señal de 23 residuos que se rompe durante la traducción, un propéptido objetivo de 26 residuos, y la proteína madura de 49 residuos.30

Pero todavía no ha concluído el proceso; ahora se requiere otra vitamina; la K. La vitamina K1 o filoquinona, conocida principalmente por su papel vital en la cascada de la coagulación de la sangre, es un cofactor esencial en la carboxilación. Es decir, los residuos específicos de glutamil (Glu, del aminoácido ácido glutámico) en las posiciones 17, 21 y 24 tienen un segundo grupo carboxilo (COOH) añadido a los residuos para formar residuos de carboxyglutamil (Gla). Esto cambia la estructura y estabiliza la porción a-helicoidal de la proteína.30

Incluso en este estado, la osteocalcina es bastante deforme. Pero cuando la osteocalcina se une a los iones de calcio, se pliega para alcanzar una estructura especial.31 Los dos grupos carboxilos de los residuos de gamma-carboxyglutamyl quelantan32 a los iones Ca2+, como lo demuestra la espectroscopía infraroja de transformación de Fourier (FTIR).33 No se produjeron cambios espectrales al añadir Ca2+ a la osteocalcina descarboxilatada (es decir que sería como antes de convertirse en vitamina K), mostrando así que la carboxilación es necesaria para el enlace.33

Sorprendentemente (para aquellos que creen en edades de millones de años), en los huesos de un Iguanodon de supuestamente 120 millones de años de edad se ha hallado una cantidad de osteocalcina suficiente grande como para producir una reacción inmune, 34 y sin embargo las proteínas no pueden perdurar millones de años. Y el hecho de que es una proteína ósea muestra que no puede ser resultado de una contaminación externa.

La Estructura de Cristal de la Osteocalcina

Recientemente, se ha descubierto la estructura cristalina de la osteocalcina del cerdo,utilizando cierto tipo de difracción de rayos X. Este descubrimieto nos permite conocer el alto grado de diseño que se requiere para que pueda cumplir su cometido.31 El sitio activo posee una región con carga negativa que se une la carga positiva iones Ca2+. En la posición 30 tres residuos Gla y Asp coordinan cinco iones Ca2+. Pero no de cualquier forma; los cinco iones de calcio se enlazan formando exactamente la misma disposición que en la cara expuesta del cristal de Hidroxiapatita (HA), paralelo al eje c. De modo que la osteocalcina (OC) puede acoplarse a la Hidroxiapatita (HA) y añadir así el calcio, y por tanto construir el cristal, haciendo que el hueso crezca en la zona necesitada. Para ello, los bloques de construcción de la osteocalcina (OC), los aminoácidos, debe disponerse siguiendo una secuencia muy precisa.

Por ejemplo, hay un núcleo muy denso compuesto por los residuos hidrofóbicos Leu 16, Leu 32, Phe 38, Ala 41, Tyr 42, Phe 45 y Tyr 46. También se observan los enlaces de hidrógeno para estabilizar la conexión entre diferentes hélices-α, Asn 26 en el enlace de la hélice α1-α2y Tyr 46 en α3. Las hélices α1 y α2 forman una disposición en forma de V estabilizada por un puente de disulfuro entre Cys 23 y Cys 29.

La Fibra Óptica de la Esponja35

Las fibras ópticas son fibras de vidrio my finas de unos 120 micras de diámetro (el espesor de un cabello humano es de entre 50 y 70 micras). Están compuestas de un núcleo rodeado de un revestimiento hecho de un cristal de un tipo diferente, de tal modo que al iluminarse en un extremo de la fibra, el revestimiento hace que la luz se refleje de nuevo en el nucleo de la fibra sin perderse (este fenómeno se denomina reflexión interna total). Por lo tanto, actúan como guías de ondas que consiguen transmitir la luz a lo largo de la longitud de la fibra.36

Estas fibras han revolucionado la industria de las telecomunicaciones, porque consiguen transportar señales de voz o de datos en forma impulsos luminosos a distancias de 50 km sin necesidad de un repetidor de señales. Aunque los cables de cobre transmiten la misma información (en forma de impulsos eléctricos), las fibras ópticas poseen muchas ventajas. Son mucho más ligeras, requieren menos energía, pueden transmitir mucha más información, son inmunes a las interferencias electromagnéticas y son más difíciles de piratear.36

La esponja de mar Euplectella, o la Euplectella aspergillum, fabrican atractivas fibras de vidrio, llamados espículas. Se da el caso que, un equipo de investigadores encabezados por Joanna Aizenberg han demostrado que estas fibras ópticas son excelentes.37

Las fibras de las esponjas poseen una longitud de entre 5 y 15 centímetros, y un diámetro de entre 40 y 70 micras, aproximadamente el grosor de un cabello humano, son pues más delgadas que las fibras sintéticas artificiales. Muestran una estructura sofisticada: un núcleo de cristal de silicio puro de 2 micras de diámetro que rodea un filamento orgánico ultra-delgado, y un revestimiento formado por capas delgadas. El revestimiento funciona de la misma forma que el revestimiento óptico en las fibras ópticas hechas por el hombre, encauzando las ondas perfectamente. Las fibras de las esponjas son excelentes conductoras de la luz porque contienen pequeñas cantidades de iones de sodio. La esponja añade estos iones en una manera controlada usando moléculas orgánicas a temperaturas ordinarias. Sin embargo, las fibras ópticas artificiales se fabrican a temperaturas suficientemente altas como para derretir parte de vidrio, y la adición de cantidades controladas de iones de sodio es un verdadero reto porque hace que las fibras pierdan su consistencia vidriosa.37

Las fibras de la esponja son mucho más flexibles que las fibras hechas por el hombre, incluso se puede hacer un nudo con ellas sin que se rompan. Las fibras sintéticas hechas por el hombre se rompen porque tan pronto como se inicia una pequeña grieta se extiende fácilmente a través del material que es frágil como el cristal. Esta es una de las principales causas de los cortes sufridos por las fibras ópticas comerciales, lo cual acarrea costosas reparaciones.38 Pero los separadores entre las finas capas del emboltorio de las fibras de esponja impiden la propagación de grietas. 37

Geri Richmond de la Universidad de Oregon, ha dicho:

«Es un maravilloso ejemplo de cómo la exquisita naturaleza es como una sofisticada diseñadora y constructora de sistemas complejos.»39

Aizenberg dijo,

«Estamos en la edad de piedra en comparación con la naturaleza»39

Resilina: El superpegamento de los insectos

La goma más flexible del mundo, la resilina, proviene de los insectos. Es la que confiere a las pulgas su alta capacidad para el salto y causa los chirridos ensordecedores de las cigarras, y también juega un papel importante en las alas de los insectos. De hecho, se descubrió por primera vez en las alas de libélula hace unos 40 años.

La resilina también debe ser lo suficientemente estable como para durar toda la vida de un insecto, puesto que el insecto, en su edad adulta, deja de fabricarla. Chris Elvin, un biólogo molecular de CSIRO Livestock Industries, en Queensland, Australia, ha declarado:

«El gen de la resilina se desactiva en los insectos adultos, así que no dispone de ningún medio para renovar sus provisiones. Si se considera el número de ciclos de contracción y extensión que la resilina debe realizar en el transcurso de la vida de un insecto, la capacidad de resistencia a la fatiga del material a lo largo de su vida es extraordinaria»

«Los implantes de disco intervertebral deben durar más de 100 millones de ciclos, que es aproximadamente el número de veces que movemos nuestra espalda a lo largo de nuestra vida, y sabemos que la resilina puede durar tanto tiempo.»40

Recientemente el equipo de Elvin ha conseguido reproducir esta super-goma.41 Sin embargo, realmente no inventaron nada, sino que copiaron las instrucciones previamente existentes.

En 2001 se descubrió el gen de la resilina en el genoma de la mosca de la fruta, así que copiaron el gen en las bacterias intestinales comunes, Escherichia coli. Luego, indujeron a las bacterias producir la proteína cruda siguiendo las instrucciones recibidas. Pero esto no es todo, el gen de la resilina se limita a controlar las secuencias de aminoácidos de las cadenas de proteínas, pero además es necesario que éstas estén unidas entre sí de maneras muy específicas para producir la super goma. Así que los insectos requieren no sólo las instrucciones para la fabricación de la proteína, sino también las instrucciones para su procesamiento.

Como dice un artículo:

«El mundo de los organismos vivos hace que la ingeniería humana se avergüenze.»42 El equipo de Elvin usó una luz brillante con un catalizador de metal de rutenio para obtener el enlace de las proteínas de la forma correcta.»

Esta resilina artificial era tan buena como el caucho natural de insectos. Su «elasticidad era casi perfecta», sólo el 3% de la energía almacenada en el estiramiento se perdía en forma de calor al contraerse la resilina. En comparación, incluso las super bolas de polibutadieno pierden el 20% de su energía en cada rebote. Y la resilina puede «triplicar su longitud en reposo sin romperse.»42 Elvin dice que ésta es «un caucho tan perfecto como el mejor.»42

RESUMEN

Un artículo reciente en el Journal of the Royal Society (Reino Unido) señaló que los científicos de materiales están aprendiendo de los materiales descubiertos en la naturaleza, y este conocimiento está creciendo rápidamente:

«La naturaleza nos proporciona una amplia gama de materiales con diferentes funciones que pueden servir como una fuente de la bio-inspiración para el científico de materiales...para la concepción de nuevos materiales inspirados en la naturaleza se requiere un análisis a fondo de los tejidos naturales que incluya las relaciones entre estructura y función. El mundo de los organismos vivos nos ofrece lecciones repletas de oportunidades de las que podemos aprender: sobre los procedimientos de construcción y adaptación funcional, sobre la estructuración jerárquica, sobre la reparación de los daños y auto-curación. La investigación sobre materiales biomiméticos es un campo prometedor que está creciendo rápidamente.»1

Referencias : 
  1. Fratzl, P., Biomimetic materials research: what can we really learn from nature’s structural materials? J. Royal Soc. 4(15):637–642, 2007; 10.1098/rsif.2007.0218.
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  7. La calcita es romboédrica/trigonal mientras que la aragonita es ortorrómbica.
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