A escala microscópica, las extravagantes manchas oculares de la cola de un pavo real están construidas como máquinas ópticas: conjuntos de varillas y vainas a escala nanométrica, dispuestas con precisión matemática. Pero estas intrincadas arquitecturas, perfeccionadas por la evolución para deslumbrar a sus parejas con azules y verdes brillantes, resultan ser capaces de algo aún más extraño: la emisión de láseres.
Los investigadores han descubierto que cuando estas plumas se sumergen en un tinte fluorescente y se les aplica un pulso de luz, emiten intensos rayos láser. El fenómeno no se debe a pigmentos ni recubrimientos superficiales, sino a estructuras ocultas en las fibras de la pluma, estructuras que parecen atrapar y amplificar la luz de una forma desconocida hasta ahora en biología. Los hallazgos marcan la primera vez que se encuentra una cavidad láser (un componente fundamental de cualquier láser) funcionando en un tejido animal.
Más que una bonita pluma
El color intenso de una pluma de pavo real no se basa en pigmentos, sino que es un ejemplo de color estructural. Los materiales con color basado en pigmentos absorben ciertas longitudes de onda de luz y reflejan otras. Por otro lado, el color estructural surge de la interacción física entre la luz y las estructuras a escala nanométrica. En los ocelos de las plumas de la cola, las nanopartículas de melanina recubiertas de queratina forman conjuntos muy regulares y finamente espaciados (estructuras repetidas a escala de cientos de nanómetros), que reflejan la luz en patrones iridiscentes predecibles.
En las plumas de pavo real, estas estructuras se encuentran dentro de finos filamentos conocidos como bárbulas. Estas disposiciones periódicas funcionan como cristales fotónicos naturales: materiales que permiten el paso de ciertas longitudes de onda de luz, mientras que excluyen otras.
El nuevo estudio partió de una pregunta audaz: ¿podrían estas mismas microestructuras hacer algo más que reflejar la luz? ¿Podrían, en las condiciones adecuadas, amplificarla?
Láseres en los ocelos
Para probar la idea, los investigadores aplicaron rodamina 6G, un colorante comúnmente usado en láseres de laboratorio, a las manchas oculares de las plumas de pavo real. Tiñeron y secaron cada muestra varias veces para permitir que el colorante penetrara completamente en las estructuras internas. Luego, aplicaron un pulso de luz láser de 532 nanómetros a las plumas teñidas: luz verde, cercana al máximo de absorción de la rodamina. Y detectaron algo extraordinario.
De las plumas emergió luz láser: delgadas y brillantes líneas espectrales a 574 y 583 nanómetros, en el rango amarillo-naranja. Estas emisiones eran inconfundiblemente estrechas, coherentes y dependientes del bombeo: las tres características distintivas del láser auténtico, a diferencia del mero brillo de la fluorescencia común.
Los científicos observaron las mismas líneas láser en cada parte del ocelo de la pluma, independientemente del color. Esto no puede ser una coincidencia. “Es como tirar dos dados de 100 caras y obtener siempre los mismos dos números”, dijo el físico Nathan Dawson, autor principal del estudio.
Una arquitectura oculta en plumas de pavo real
La emisión láser se ha observado ocasionalmente en materiales biológicos, pero casi siempre como una forma de “emisión láser aleatoria”. Este efecto se produce cuando la luz se dispersa caóticamente a través de medios desordenados. Se han reportado láseres aleatorios en todo tipo de materiales, desde plumas de loro hasta tejido humano. Sin embargo, sus emisiones son impredecibles y varían en longitud de onda incluso con pequeños cambios en la estructura o la iluminación.
Las plumas de pavo real no mostraron ninguna de estas aleatoriedades. Independientemente del color de la región de la pluma que el equipo analizó, surgieron las mismas dos líneas láser, con longitudes de onda casi idénticas. Los resultados fueron consistentes en múltiples plumas y múltiples experimentos.
“Si estos fueran modos láser aleatorios, no se observarían los mismos picos siempre. La consistencia implica que existe una estructura de retroalimentación muy regular que realiza el trabajo”.
Los autores proponen que estructuras diminutas, previamente no caracterizadas —quizás gránulos de proteína o cavidades de queratina a escala nanométrica— forman las cavidades resonantes necesarias para la emisión láser. Estos resonadores hipotéticos, incrustados en las bárbulas de las plumas, necesitarían ser extraordinariamente consistentes en tamaño y propiedades ópticas para producir las líneas espectrales uniformes observadas en los experimentos.
Los autores proponen que estructuras diminutas, previamente no caracterizadas —quizás gránulos de proteína o cavidades de queratina a escala nanométrica— forman las cavidades resonantes necesarias para la emisión láser. Estos resonadores hipotéticos, incrustados en las bárbulas de las plumas, necesitarían ser extraordinariamente consistentes en tamaño y propiedades ópticas para producir las líneas espectrales uniformes observadas en los experimentos.
De hecho, los cálculos sugieren que las dos líneas láser principales corresponderían a cavidades con longitudes ópticas de aproximadamente 92 a 93 nanómetros, diminutas incluso para estándares biológicos. Los modos de galería, otra posible explicación, se descartaron porque requieren geometrías suaves y circulares que no se encuentran en las plumas de pavo real. La dispersión aleatoria también se descartó debido a la estabilidad espectral.
Hacia una caja de herramientas láser biológica
¿Cuál es el propósito evolutivo de esta cavidad láser integrada? Probablemente no exista ninguno. No hay evidencia de que los pavos reales utilicen estas propiedades del láser para comunicarse o exhibirse. Probablemente sea solo una consecuencia de la estructura de sus plumas.
Aun así, las implicaciones son significativas. Este descubrimiento podría abrir una nueva ventana a la forma en que se organizan las estructuras regulares en los seres vivos. Medir la emisión láser podría algún día ayudar a detectar pequeñas características estructurales en células, tejidos o incluso virus, en cualquier lugar donde se pueda aplicar un tinte.
Ya se están explorando los láseres biológicos para su uso en el interior del cuerpo, en imágenes, diagnóstico y terapia dirigida. Sin embargo, implantar cavidades láser artificiales conlleva complicaciones. ¿Y si la naturaleza ya las hubiera creado?
Este podría ser el primer paso hacia láseres totalmente biocompatibles. Estructuras como estas podrían algún día usarse como sensores dentro del cuerpo.
“Siempre me gusta pensar que, para muchos logros tecnológicos que benefician a los humanos”, dijo Dawson a Science, “algún organismo en algún lugar ya los ha desarrollado a través de algún proceso evolutivo”.
Los hallazgos aparecen en la revista Scientific Reports.
Fuente: ZME Science.
