Maria McNamara revoluciona la ciencia con los colores de los fósiles

¿Por qué los colores de la naturaleza son como son?

Hay animales con colores realmente sorprendentes, con patrones inimaginables, con intensidades increíbles o con brillos metálicos preciosos. Nos hacen preguntarnos si sería posible encontrar la respuesta a cómo serían sus colores hace millones de años. La coloración aparece en los organismos de tres formas principales: por coloración pigmentaria, por coloración estructural y por bioluminiscencia.

La coloración pigmentaria no depende del ángulo desde el que observamos la planta o el animal y se debe a pigmentos que absorben o reflejan directamente longitudes de onda específicas. Por el contrario, la coloración estructural depende del ángulo e implica interferencia, es decir, reflexión, transmisión o dispersión de la luz por micro o nanoestructuras biológicas con índices de refracción distintos. La bioluminiscencia implica reacciones exergónicas del oxígeno con diferentes sustratos y enzimas que producen fotones de luz visibles.

Muchos mamíferos, aves, mariposas, peces, plantas, etc. tienen los colores que tienen debido a pigmentos. Por ejemplo, las aves producen eumelaninas (coloración negra, marrón y gris) y feomelaninas (coloración amarilla y roja) en los melanosomas, estructuras que tienen vesículas recubiertas que transportan precursores químicos para formar diferentes melaninas. Además, utilizan carotenoides (en gran parte por la dieta), junto con otros pigmentos, como flavinas y porfirinas. Por otro lado, las mariposas, que también cuentan con una amplia variedad de colores y patrones, tienen pigmentos de papiliocromo (amarilla), el carotenoide luteína (azul-verde) y otras variantes de estos pigmentos según la especie. Por otro lado, los peces tienen una variedad de cromatóforos (células con estructuras a base de pigmentos), incluidos los melanóforos (que contienen melanina), los xantóforos (con pigmentos amarillos a base de carotenoides) y los eritróforos (con pigmentos rojos a base de carotenoides).

Las funciones y la diversidad de los pigmentos en las plantas superan a las conocidas en los animales y ya sabemos que se han utilizado y se utilizan para tintes y pinturas.

Pero en la naturaleza también hay otro tipo de coloración que permite al organismo generar colores en longitudes de onda muy específicas dependiendo de la geometría de las estructuras que se hayan formado. A veces son cristales fotónicos unidimensionales, como se observa en los escarabajos joya japoneses (Chrysochroa fulgidissima) y otros bupréstidos, los escarabajos Cicindela scutellaris, las mariposas Papilio ulysses y el colibrí Coeligena prunellei. Estos insectos y aves tienen capas alternas de quitina/melanina, quitina/aire o aire/melanina en una matriz de queratina con diferentes periodicidades que dan como resultado los tonos metálicos de los escarabajos o los colores azul-verde observados en las mariposas y los colibríes. En general, los iridosomas reflejan longitudes de onda de luz específicas por las estructuras de partículas formadas a partir de materiales con un índice alto de refracción. Se colocan a modo de cinta que forma una arquitectura fotónica unidimensional similar a un cristal compuesto por láminas alternas de alto y bajo índice de refracción en las células. Estos son los colores que presentan algunos seres vivos y son los que interesaron a nuestra investigadora.

Maria McNamara (1980)

Cuando era niña, Maria imaginó que algún día sería una gran bióloga. Pasaba mucho tiempo identificando flores silvestres y recolectando insectos, rocas y peces pequeños. En la escuela, le fascinaba todo lo que tuviera que ver con la geología, los volcanes y la naturaleza en general. En 1999 cumplió su primer deseo de ser una experta en las materias que le divertían y eligió estudiar Ciencias de la Tierra en la Universidad Nacional de Irlanda, en Galway. Un año después, descubrió la paleontología y ya no miró atrás. «Asistí a una conferencia, el primer día de mi segundo año de carrera y me di cuenta de golpe de que eso era lo mío», dice Maria.

Con su título en mano, McNamara empezó su doctorado en el University College de Dublin en 2003. Allí observó los procesos de fosilización de las faunas lacustres del noreste de España, del Mioceno, una época geológica que se remonta a 533 millones de años.

Observando colores

McNamara utilizó la microscopía óptica a lo largo de su doctorado, pero también pasó mucho tiempo detrás de un antiguo microscopio electrónico de barrido (SEM) Hitachi estudiando los orgánulos de los melanosomas. Estas estructuras albergan la melanina que absorbe la luz y son responsables del color dentro de los tejidos animales blandos fosilizados. «El Hitachi era fabuloso, pero constantemente había que hacer miles de trucos para observar estas estructuras de 300 nm», dice McNamara. «No hay manera de recubrir estas muestras, por lo que constantemente estábamos jugando con la distancia de trabajo, la corriente de la sonda y el tamaño del punto para llevar la resolución al máximo».

A pesar de la adversidad experimental, a Maria le atraía la vida universitaria. Le apasionaba la investigación y podía pasar horas y horas en el laboratorio buscando respuestas. Después de su doctorado, McNamara se quedó en el University College de Dublin para estudiar la preservación de las plumas, una decisión que revolucionaría el mundo de la paleontología y reescribiría los orígenes evolutivos de los animales emplumados; pero ella todavía no lo sabía.

Utilizando plumas de aves actuales, intentó simular la descomposición en el laboratorio para investigar los procesos de fosilización. Sin embargo, después de 18 meses, las plumas no se habían podrido.

Ella misma piensa que podía haber llevado a cabo experimentos a temperaturas elevadas para acelerar la descomposición, en lugar de imitar el entorno natural, pero como ella dice: «Los experimentos de fosilización tratan de explorar procesos y no necesariamente las tasas de transformaciones químicas que realmente tienen lugar durante millones de años… pero mi pensamiento no había evolucionado hasta ese punto cuando llevé a cabo el experimento y fracasé».

Cuando surgió la oportunidad de trabajar como geóloga de geoparques en el Servicio Geológico de Irlanda, McNamara cambió de entorno. Fue responsable de cuidar 200 km² de terreno, identificar posibles geositios que pudieran ser accesibles al público, plantear senderos para caminar y andar en bicicleta, producir folletos informativos, visitar escuelas y trabajar con agricultores locales. Hizo muchas cosas, pero echaba de menos la creatividad, los experimentos y la resolución de preguntas asociadas con la academia. Deseosa de regresar, solicitó una beca posdoctoral en la Asociación de Antiguos Alumnos Marie-Curie.

«Visualicé mi proyecto de la noche a la mañana, escribí la solicitud y recibí los fondos». Así que en 2009, se encontró en el Departamento de Geología y Geofísica de la Universidad de Yale, en Estados Unidos, observando los colores estructurales de insectos fósiles con el reputado paleontólogo Derek Briggs.

Haciendo fósiles en el laboratorio

Investigaciones anteriores habían insinuado que la coloración estructural dentro de los insectos fosilizados se conservaba, pero esto no se había estudiado de una forma exhaustiva. McNamara diseñó un proyecto que utilizaba microscopía electrónica de barrido y transmisión, microespectrofotometría y análisis de rayos X sincrotrón para caracterizar las estructuras físicas que generan ese color. También utilizó modelos de Fourier en 2 dimensiones para determinar si las estructuras fósiles podían generar longitudes de onda de luz visibles y luego modeló los colores predichos. Sus resultados cambiaron la forma en que la ciencia observaba a los insectos.

Los colores estructurales biológicos se producen cuando nanoestructuras dentro de los tejidos dispersan la luz. Este color estructural está muy extendido entre los escarabajos, mariposas, polillas y otros insectos, pero se sabía poco sobre su evolución. A los dos años de estar en Yale, Maria descubrió que los colores metálicos en los escarabajos fósiles, de entre 15 y 47 millones de años, eran generados por reflectores multicapa: pilas de espejos a nanoescala que se encuentran dentro de los caparazones de los insectos.

Identificó también las mismas nanoestructuras productoras de color dentro de las escamas de las alas de polillas fósiles de 47 millones de años. Además, en cada caso, el modelado indicó que los colores originales se alteraron durante la fosilización debido a cambios de temperatura y presión que redujeron la estructura física del insecto. «Mi equipo mostró que cuando se observan escarabajos modernos, se los calienta y se los presiona, las cutículas de color estructural cambian de verde a cian, de azul a morado y, finalmente, a negro», dice. Esto sucede porque las capas del reflector multicapa se vuelven más delgadas, por lo que la longitud de onda de la luz se desplaza hacia el azul y luego abandona el rango visible hasta que ya no se ve ningún color, solo el negro. Investigaciones posteriores pusieron de manifiesto cristales fotónicos tridimensionales en escamas de escarabajos fósiles, conocidas por ser una de las estructuras más complejas de la naturaleza.

A su vez, estudios análogos sobre plumas de dinosaurios demostraron que la geometría y distribución de los melanosomas se alteraban bajo presiones y temperaturas altas. Que esto implicara que el cambio de color tuviera lugar durante la fosilización de las plumas, poniendo así en duda las teorías sobre el color de los dinosaurios, generó mucha controversia. Lo más importante fue que McNamara sentó las bases para que otros paleontólogos estudiaran insectos antiguos y plumas de dinosaurios utilizando un arsenal similar de métodos analíticos.

Creando polémica

Dejando a un lado los exitosos resultados de la investigación, a Maria no le gustaba mucho su vida en Estados Unidos; estaba encantada de trabajar con Derek Briggs, pero como ella misma dice, «nosotros [mi marido y yo] no disfrutábamos de la vida en Estados Unidos: me inquietaban las armas de fuego y echaba de menos la cercanía de la gente, charlar y hacer tejido social». Así que cuando Mike Benton, de la Universidad de Bristol en Reino Unido, le pidió que se uniera a su equipo para investigar la evolución de los dinosaurios, dejó Yale y cruzó el Atlántico.

Su estancia en Bristol fue corta (menos de un año), pero impulsó su innovadora investigación sobre los dinosaurios emplumados. Incluso hoy, McNamara todavía colabora estrechamente con Benton en los orígenes de las plumas, los insectos fosilizados, las ranas, etc.

En 2013, McNamara ocupó el puesto de catedrática en la Facultad de Ciencias Biológicas, Terrestres y Ambientales del University College de Cork (Irlanda) y comenzó a construir un laboratorio centrado en experimentos de fosilización y preparación de muestras. «Queríamos llevar a cabo experimentos que simularan lo que sucede cuando los fósiles quedan enterrados en la corteza terrestre», dijo.

McNamara tiene ahora en su equipo a más de una docena de investigadoras e investigadores y ha puesto en marcha un laboratorio de microhaces. Su dotación básica incluye un SEM, un microscopio óptico, un ultramicrótomo y un estereomicroscopio, un epiiluminador, un sistema FTIR Perkin Elmer, un equipo de maduración de alta presión personalizado y un microscopio Raman. El grupo de McNamara ha publicado varias investigaciones innovadoras sobre el color de los fósiles y los dinosaurios emplumados.

En Cork, y por primera vez en el mundo, ella y sus colegas descubrieron estructuras parecidas a plumas en muestras fosilizadas de un dinosaurio herbívoro primitivo, llamado Kulindadromeus zabaikalicus. Hasta ese momento, se pensaba que sólo los dinosaurios carnívoros tenían plumas, pero los resultados publicados en Science indicaron que tales estructuras estaban muy extendidas, incluso en los primeros dinosaurios.

Por otro lado, por primera vez, McNamara y sus colegas utilizaron SEM y análisis con microsonda para demostrar que los tejidos mineralizados de piel de serpiente conservaban evidencia de color. Estos tejidos contenían tres tipos de células pigmentarias; melanóforos, xantóforos, con pigmentos carotenoides y pterina, e iridóforos que crean iridiscencias. Antes se pensaba que el color de la piel se conservaba en los fósiles por restos orgánicos relacionados con la melanina. Maria demostró que el color se puede conservar en tejidos mineralizados y esto fue otro punto de inflexión para que la comunidad científica se cuestione algunos aspectos de la prehistoria natural. Sus hallazgos y su metodología abren líneas de investigación apasionantes y muy coloridas.

Referencias

• Chatterjee, Atrouli (2022). Pigmentary and Structural Coloration in Nature. Encyclopedia
• Pool, Rebecca (2020). Maria McNamara: Shaking up science, rewriting history. Wiley Analytical Science

Sobre la autora

Marta Bueno Saz es licenciada en Física y Graduada en Pedagogía por la Universidad de Salamanca. Actualmente investiga en el ámbito de las neurociencias.