Segunda entrada sobre el mundo escondido de los insectos visto a través de los ojos de las microscopías. Entrada basada en un artículo enviado a Actes de les 7esJEQC donde se profundiza en las estructuras macro y nano de los insectos y en como estas tienen un papel clave en muchas de las funciones.

Agarrándose a la vida: Las estructuras que produceen la adhesión en los insectos

A comienzos del siglo XVII, poco tiempo después de la invención del microscopio, se pudo estudiar estudiar los detalles de los mecanismos adhesivos de los insectos por primera vez. Rápidamente se inició una animada discusión sobre como los insectos pueden adherirse y andar sobre muchos tipos de superficies. A lo largo de los últimos dos siglos, se han propuesto muchas hipótesis sobre la adhesión de insectos, desde “esponjas rellenas de gluten” o el entrelazamiento de pelos hasta ventosas y secreciones adhesivas (Fig. 1 y 1b) [8-10].

Figura 1. (a) Uno de los primeros dibujos de los pies adhesivos de una mosca publicado por Robert Hooke en 1665. “El pie de una mosca […] es de una invención muy admirable y curiosa” (Figura adaptada de [8] , dominio público). (b) Al viajar a la tierra de Brobdingnag, el capitán Lemuel Gulliver es atacado por avispas gigantes “Rastreando esta materia viscosa que, según nos dicen nuestros naturalistas, permite a estas criaturas andar con los pies hacia arriba sobre un techo” (Figura adaptada de [9], dominio público)

Podemos dividir en dos los sistemas adhesivos de los insectos: a)Estructuras adhesivas físicas que se entrelazan mecánicamente o generan una fuerza atractiva a través de las interacciones de van der Waals, siendo sistemas similares a los que presenta la flor de loto, es decir la presencia de micro y nanoestructuras que aportan superhidrofobicitat y autoneteja a las hojas de Nelumbo (fig. 1 a) y b) las secreciones de sustancias adhesivas químicas que actúan a través de enlaces moleculares, fuerzas capilares y fuerzas viscosas. Sistemas que los permiten, por ejemplo, adherirse rápidamente a las superficies (y a menudo desprenderse de ellas) o la capacidad de autonetejar-se y así eliminar contaminantes. Las estructuras fibrilares o ramificadas son las más habituales en los sistemas adhesivos que se encuentran en los insectos. Así como los sistemas basados en interacciones como el enlace de hidrógeno, las fuerzas viscosas y las fuerzas de Van de Waals (fig. 2b). Es importante remarcar que graciasa la comprensión de estos sistemas de adhesión, tenemos productos en el mercado bioinspirados que aportan interesantes soluciones para mejorar la adhesión o para crear el efecto de autonelimpieza [11].

Figura 2 a) Imágenes del efecto loto, la hoja de loto e imágenes de SEM y de la representación de las micro y nanoestructuras [12] ; b) Estructura lamelar de la cutícula del insecto, que forma la mayor parte del exoesqueleto de un insecto. Se observan 3 regiones diferentes de capas que descansan sobre una capa epidérmica viva que alberga varias células relacionadas con la microestructura y que son productoras de cutículas. La capa más externa de epicutícula representa la primera línea de defensa entre el insecto y su entorno externo. A menudo contiene secreciones de lípidos, ceras u otros recubrimientos para manipular la humectabilidad, quizás las más intrigantes de las cuales son las nanopartículas intrincadamente estructuradas, conocidas como ratosomas, que se encuentran en los saltamontes de la familia Cicadellidae. Bajo esta capa se encuentra la exocutícula, que experimenta una reticulación extensa y tiene una rigidez relativamente alta. En muchos insectos, se endurece rápidamente para actuar como un envoltorio protector desprendido de la muda para el desarrollo prolongado de un endocúcul más suave e hidratado debajo. Las capas exo- y endocuticulares forman colectivamente el que se conoce como el procutículo, un material compuesto con proteínas, polifenoles, agua y lípidos. Junto con los arreglos cristalinos del importante y abundante polisacárido lineal, la quitina. a) Adaptado de [13] Copyright 1982, Springer. B) Barras de escala: 20 μm. Adaptado de [14] Copyright 2016, Springer.

Los pequeños aviones que nos rodean: La importancia de las alas

Cerca de doce mil especies de vertebrados y más de un millón de especies de insectos han desarrollado alas para desplazarse. En todas las especies de insectos voladores, las alas proporcionan tres funcionalidades clave: (i) actúan como palancas, transmitiendo la fuerza de los músculos en la base del ala al aire circundante (ii) son perfiles aerodinámicos que dirigen el aire a través de los golpes del ala para generar sostén, y (iii) actúan como vigas en voladizo, que se deforman bajo una variedad de fuerzas. Se estima que el ala de un insecto tiene una resistencia (módulo de Young) de 2 y 5 GPa, comparable a la del nailon, aunque este valor puede variar según la ubicación del ala, las especies de insectos y la estructura general de las alas.

Figura 3. Representación de la variación del módulo de young en el ala de un insecto

Las alas están hechas de cutícula, que a su vez está formada por tubos vacíos ramificados de diferentes diámetros y grosores de pared, con secciones transversales elípticas, circulares o en forma de campana para impartir una rigidez de flexión dependiente del axial. En general, las venas tienen un diámetro mayor y paredes más gruesas cerca de la base del ala donde las tensiones son más grandes, después se estrecha hacia las puntas de las alas para reducir las fuerzas de inercia. Las venas juegan un papel importante en la variación de la flexibilidad entre los bordes anterior y posterior de las alas (Figura 4). Como método para promover más deformaciones dentro de esta estructura venosa relativamente rígida, la cutícula de ciertas alas de insecto contiene segmentos lineales flexibles, que actúan como líneas de pliego [15]. Estas bandas se distribuyen independientemente de las venas de apoyo; aquellas que se mueven radialmente (de base a punta) intermedian la flexión y la torsión, mientras que otras orientadas transversalmente (de borde a borde de salida) actúan como bisagras de una vía para ayudar las alas a doblarse y restablecerse después de completar una carrera descendente [15]. Otras líneas flexibles permanecen rígidas durante los movimientos de vuelo, pero se deforman de manera reversible cuando las alas entran en contacto con los obstáculos para evitar daños estructurales. Las membranas de las alas no solo sirven como un elemento deformable, sino que también pueden contribuir a la rigidez general de la flexión. Su grosor varía aproximadamente cuatro órdenes de magnitud entre diferentes especies de insectos, desde menos de 500 nm en las delicadas alas de las moscas de la fruta (Drosophila sp.) hasta 1 mm en las robustas alas delanteras de los escarabajos (orden Coleoptera).


Figura 4. Las alas de libélula están crecidamente jactadas y engrosadas para proporcionar integridad estructural y variación espacial en la flexibilidad. A) Fotografía de la versión anterior de la libélula vagabunda errante, Sympetrum vulgatum, con imágenes SEM asociadas de las diversas características estructurales del ala. Reproducido bajo los términos de la licencia CC-BY [16]. Copyright 2010, Jongerius y Lentink y B) Imágenes de SEM realizadas en los Centros Científicos y Tecnológicos de la UB (CCITUB) de una abeja de la especie OSMIA cedida por el museo de Ciencias Naturales de Barcelona.

Cuando los insectos controlan el agua

Las adaptaciones que también se relacionan con el agua, se presentan en entornos que varían ampliamente en términos de humedad, acceso a la humedad y predominio de las interfaces, lo cual puerta a una serie de presiones evolutivas con soluciones diferentes. Algunas de estas soluciones son externas: las libélulas, caballetes del diablo y los cigarrillos tienen estructuras cuticulares en sus alas que protegen contra la interferencia de las gotas de lluvia y la suciedad. Otras son internas: para evitar la deshidratación. A pesar de sus diferencias funcionales y espaciales, la mayoría de las adaptaciones específicas del agua en insectos comparten mecanismos de acción comunes: modifican la humectabilidad a través de una interfaz diferente aire-agua o mantienen presiones osmóticas o hidrostáticas específicas. Un caso curioso es el escarabajo de la especie Hoplia Coerulea (figura 5) que pertenece a la subfamilia Melolonthinae. Esta especie tiene la capacidad de cambiar de color y aprovecharlo por diferentes cosas en función de la captación de agua que hace en el ámbito estructural [17]. Las escamas a la cutícula del escarabajo Hoplia Coerulea pueden absorber agua, con la consecuencia que estas escamas, que se han demostrado que son responsables de la coloración azul brillante del coleóptero, de manera reversible se pueden transformar en un color verde esmeralda con un contenido de agua creciente. Las escamas contienen una interesante estructura fotónica periódica, compuesta de un sólido y una capa porosa compuesta con varillas rectangulares paralelas. El índice de refracción mediano de toda la estructura y su periodo vertical explica razonablemente bien la coloración azul del insecto. El contacto del agua con la estructura del escarabajo va llenándola modificando el color del escarabajo. El mecanismo natural muestra la manera de producir un material higrocròmic muy eficiente, es decir un medio que cambia significativamente el color cuando se modifica el contenido de agua.

Figura 5 a) Se muestra en dos formas diferentes una serie de imágenes hechas cada tres minutos durante el proceso de secado, de duración unos 15 minutos. La serie izquierda no está procesada, mientras que a la serie correcta (derecha), las imágenes se han procesado de forma que no aparece la coloración verde oscura, la coloración azul parece más ligera. Adaptado de [17] b) Imágenes de SEM a diferentes aumentos realizadas a los CCITUB de escarabajo de la especie Hoplia Coerulea cedida por el museo de Ciencias Naturales de Barcelona.

Superficies hidrofílicas e hidrofóbicas

La hoja de la flor de loto es todo un paradigma dentro de la naturaleza como superficie superhidrofòbica y autolimpiante[18-21]. Estas propiedades son debidas a toda una serie de patrones en superficie jerárquicos micro y nanoestructuradas (ejemplo fig. 6). Los insectos presentan características similares. Las superficies tanto de algunas alas de insectos como de las hojas de lotos están salpicadas de micropilares cónicos con diámetros en la base de 4 a 10 μm y de alturas entre 6 y 10 μm, separadas entre 15 y 30 μm.
Estas micro y nanoestructuras (y) evitan la acumulación de agua (y, por lo tanto, de peso a través de la humectación (ii) exhiben una baja adherencia a partículas extrañas (iii) promueven el laminado de gotas para encapsular y eliminar cualquier contaminante que consiga adherirse a la superficie (iv) estimulan coalescencia de gotitas, que ayuda a proteger contra la acumulación de agua de nieblas finas, y (v) dificultan el crecimiento bacteriano. En términos generales, estos diseños hidrófobos se pueden generalizar en al menos cuatro grupos: a) micro o nanoestructuras simples (p. ej., Con forma de pilar o cúpula), b) micro o nanoestructuras complejas (formas variadas), c) escalas (generalmente de 2 a 3 μm en una dimensión), pelos o setas mucho más largas (generalmente más de 5 µm de largo) que sus diámetros, y d) organizaciones jerárquicas que incluyen cualquier combinación de estos elementos.


Figura 6 a) La especie colémbolos (Collembola) ha desarrollado una variedad de estructuras superficiales periódicas y jerárquicas con propiedades hidrófobas. A-E) Imagen de Entomobrya intermedia e imágenes SEM que muestran motivos hexagonales y triangulares en P. flavescens. B-F) Imagen de Vertagopus arboreus e imágenes SEM que muestran motivos cuadrados y pentagonales irregulares en I. viridus. C-G) Imagen de Kalaphorura burmeisteri, e imágenes SEM que muestran estructuras granulares secundarias y motivos hexagonales en S. quadrispina. D-H) Imagen de Sr. ornata, e imágenes SEM que muestran estructuras granulares secundarias y patrones elípticos variables en A. pygmaeus, barras de escala: A – G = 2 μm, A –G = 500 nm. Reproducido con permiso [22] Copyright 2012, Springer.

Independientemente de su motivo de diseño, las estructuras que inducen la hidrofobia en los insectos generalmente buscan maximizar el área de interfaz aire-agua y minimizar el área de contacto agua-sólido. Este concepto de *hidrofobicitat fue presentado por primera vez por Cassie y Baxter en 1944 [23] para explicar la naturaleza hidrofóbica de las plumas de pato y como podrían servir de bioinspiración para la ropa repelente al agua. Esta teoría se describe las micro y nanoestructuras jerárquicas como superficies curvas uniformes con una composición heterogénea (p. ej., de aire y sólido), y postula que el aire que llena el espacio entre estas estructuras está esencialmente atrapado y se comporta como un sólido no humectante.
Otro punto a tener mucho en cuenta para evaluar la importancia de estas estructuras está relacionado con la visión de los insectos. El entelamiento por humedad, se forma en una superficie cuando las gotas de más de 190 nm de diámetro (más de la mitad de la longitud de ola más corta de la luz visible) se condensan y acumulan [24]. Este fenómeno representa un desafío para la visión de los insectos, puesto que los insectos carecen de párpados y, por lo tanto, no tienen forma de eliminar externamente la humedad que bloquea la visión u otros contaminantes. Los mosquitos, la familia Culicidae, tienen una excelente visión que puede funcionar en ambientes poco iluminados y húmedos [25]. Para mantener una visión constante y evitar la entelamiento la superficie de cada mosquito está recubierto densamente con una especie de tetinas de tamaño nanométrico. Estas tetinas tienen un diámetro del alrededor de 100 nm y están espaciados aproximadamente a 50 nm en una matriz hexagonal no empaquetada; también proporcionan un índice de refracción determinado para mejorar su transparencia. Estas nanoestructuras contienen espacios de aire que impiden que el agua entre en contacto con una gran parte de la superficie, tal como comentábamos en el modelo de humectación de Cassie-Baxter [23,26-28].

Sensores naturales: Sensores y producción de señales mecánicas

Independientemente de su motivo de diseño, las estructuras que inducen la hidrofobia en los insectos generalmente buscan maximizar el área de interfaz aire-agua y minimizar el área de contacto agua-sólido. Este concepto de hidrofobicidad fue presentado por primera vez por Cassie y Baxter en 1944 [23] para explicar la naturaleza hidrofóbica de las plumas de pato y como podrían servir de bioinspiración para la ropa repelente al agua. Esta teoría se describe las micro y nanoestructuras jerárquicas como superficies curvas uniformes con una composición heterogénea (p. ej., de aire y sólido), y postula que el aire que llena el espacio entre estas estructuras está esencialmente atrapado y se comporta como un sólido no humectante.
Otro punto a tener mucho en cuenta para evaluar la importancia de estas estructuras está relacionado con la visión de los insectos. El entelado por humedad, se forma en una superficie cuando las gotas de más de 190 nm de diámetro (más de la mitad de la longitud de ola más corta de la luz visible) se condensan y acumulan [24]. Este fenómeno representa un desafío para la visión de los insectos, puesto que los insectos carecen de párpados y, por lo tanto, no tienen forma de eliminar externamente la humedad que bloquea la visión u otros contaminantes. Los mosquitos, la familia Culicidae, tienen una excelente visión que puede funcionar en ambientes poco iluminados y húmedos [25]. Para mantener una visión constante y evitar el entelado la superficie de cada mosquito está recubierto densamente con una especie de tetinas de tamaño nanométrico. Estas tetinas tienen un diámetro del alrededor de 100 nm y están espaciados aproximadamente a 50 nm en una matriz hexagonal no empaquetada; también proporcionan un índice de refracción determinado para mejorar su transparencia. Estas nanoestructuras contienen espacios de aire que impiden que el agua entre en contacto con una gran parte de la superficie, tal como comentábamos en el modelo de humectación de Cassie-Baxter [23,26-28].


Figura 7. Imagen de Microscopía electrónica de barrido (SEM) realizada en los CCITUB de la especie phyllomer cedida por el museo de Ciencias Naturales de Barcelona.

Detección y producción de vibraciones

La pérdida de audición afecta a uno de cada seis humanos adultos y es una de las afecciones crónicas más generalizadas en la edad adulta [37]. Es importante la busqueda de nuevos sistemas miniaturizados que sean biológicamente compatibles, que puedan detectar de manera eficiente y que puedan producir sonidos en diferentes rangos de frecuencia. Estos sistemas pueden usar como ejemplo los sistemas asociado a los insectos. Los insectos pueden “escuchar” todo tipo de sonidos a través de una gran variedad de estructuras, muy pocas de las cuales se asemejan a las orejas de los vertebrados.

El sonido es una vibración que se propaga como una ola de presión mecánica a través de un medio de transmisión, como el aire, el agua o un sustrato sólido. Como la mayoría de los insectos son animales terrestres, el aire es el medio portador más prominente. Es, sin embargo, un medio compresible de baja densidad. Esto significa que aunque las olas de sonido se propagan una distancia considerable a través del aire, su intensidad disminuye mucho más rápido que en los medios sólidos o líquidos, ya una tasa exponencial descrita por la ley de atenuación de Stokes [38]. Los órganos que pueden detectar sonidos en el aire a gran distancia (campo lejano) son, por lo tanto, mucho más sensibles que aquellos que solo son receptivos a los sonidos o vibraciones que se producen en su vecindad inmediata (campo próximo).
Los detectores de campo próximo son muy comunes en el mundo de los insectos, desde los órganos de Johnston en la base de las antenas de mosquitos hasta los órganos similares a antenas que se proyectan hacia atrás en las cucarachas, incluso los pelos táctiles mencionados anteriormente [39]. Los órganos del tímpano en insectos (detectores de campo lejano) pueden detectar la ola de presión de un campo de sonido desde más de 10 m de distancia y frecuencias que van desde 2 hasta más de 100 000 Hz [40]. Estos órganos están compuestos por tres componentes: una membrana timpánica, un saco lleno de aire presionado contra la membrana y un órgano sensorial cordotonal [41–43].

Figura 8. Imagen de SEM realizada a los CCITUB de la especie phyllomer cedida por el museo de Ciencias Naturales de Barcelona.

Sensores y manipulación de luz

La mayoría de los animales han utilizado la luz como portador principal de información para la comunicación [44] desde el surgimiento de la visión después de la explosión en el Cámbrico hace unos 500 millones de años [45,46]. En particular, las intrincadas estructuras ópticas libran señales especializadas que se procesan en información a través de sistemas visuales complejos, los ojos [47,48]. El exoesqueleto de la cutícula de ciertos insectos contiene nanoestructuras ordenadas, casi ordenadas o desordenadas que reflejan la luz en determinados rangos de longitud de ola y pueden producir colores llamativos, mientras que la cutícula en el exterior otros insectos forma capas nanoestructuradas que evitan la reflexión de la luz por completo, haciéndolas transparentes. Se han desarrollado mecanismos para manipular la luz junto con los cuales la detectan; La superficie de algunos ojos de insecto está modelada con características en la nanoescala que promueven una transmisión eficiente de la luz y también actúan como un elemento disuasivo hidrófobo para la condensación que bloquea la visión. Este conjunto de aperos de control de la luz es esencial para la supervivencia de los insectos y ha brindado inspiración para los sistemas de ingeniería que aprovechan los fenómenos físicos fundamentales para producir y detectar señales visuales.

Mecanismos de producción de color

En general, existen dos clases principales de coloración animal: la coloración pigmentaria a causa de la absorción de luz selectiva por la longitud de ola por medio de tintes químicos y la coloración estructural a causa de la interacción de la luz incidente con nanoestructuras ordenadas, casi ordenadas o desordenadas que causan interferencia [49-51] (figura 9). Ambos mecanismos de coloración tienen propiedades ópticas únicas que pueden combinarse de manera no trivial y modular propiedades ópticas con aplicaciones potenciales que van desde pantallas, hasta pinturas brillantes y duraderas, hasta camuflaje adaptativo y materiales transparentes [52-56].

Figura 9. La orden y el desorden en las estructuras fotónicas pueden llevar a efectos ópticos únicos. A) Trastorno local en la cresta del reflector de la mariposa, Morpho rhetenor, produce un color azul estable. Adaptado con permiso. [57] Copyright 1999, la Royal Society. B) Estructura de Bouligand en escarabajos enjoyados, Chrysina gloriosa, da como resultado una señal óptica polarizada circularmente. Adaptado [326] Copyright 2009, la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia. C) Red de quitina completamente desordenada en escarabajos blancos, el estigma de Lepidiota, resulta en una blancura brillante. Adaptado según los términos de la licencia CC-BY [58] Copyright 2014, Matteo Burresi.

La transparencia en los insectos

Otra forma usada por los insectos para evitar la detección es empleando la transparencia, ya que les proporciona un camuflaje casi perfecto y por tanto, un excelente mecanismo de defensa. Existen ejemplos que la usan, como algunos animales marinos, por ejemplo las medusas, que son muy transparentes [59]. Sin embargo, conseguir transparencia es más fácil con iluminación tenue o en agua de mar turbia que en ambientes muy iluminados en el aire, donde se observan fácilmente pequeños desajustes de transparencia. El efecto de transparencia se observa en las alas y los ojos de ciertos insectos, proporcionando una inspiración potencial para diseñar materiales transparentes.

La transparencia es la propiedad física de permitir que la luz pase a través de un material sin ser dispersada o absorbida. En términos más físicos, la reflectividad es mínima, mientras que la transmitancia se acerca a la unidad. El vidrio es casi transparente en el rango de longitud de onda visible, pero cada superficie de vidrio es todavía capaz de reflejar aproximadamente el 4% de la luz incidente a causa de la falta de coincidencia del índice de refracción del vidrio (RI ≈ 1.5) y la del aire (RI ≈ 1), lo cual resulta en una reflexión visible que puede ser descrita por las ecuaciones de Fresnel [59-61]. Para minimizar este efecto, los materiales en los sistemas naturales a menudo se estructuran de forma que el índice de refracción cambie gradualmente entre ellos; esto se conoce como ajuste de impedancia [60]. La evolución ha seleccionado varios trucos basados en nanoestructuras para obtener este efecto.

Las alas transparentes de insectos son un ejemplo prominente de igualación de impedancias. Si bien la mayoría de las alas son películas delgadas de quitina [62], relativamente poco estructuradas, algunas libélulas, cigarrasy mariposas han optimizado la transparencia de sus alas empleando una nanoestructura local [337–341]. Un ejemplo lo tenemos en la especie corythucha Cyliata que adquiere transparencia gracias a las estructuras que posee (figura 10).

Figura 10. Imágenes de SEM a diferentes aumentos realizadas en los CCITUB de la especie corythucha Cyliata cedida por el museo de Ciencias Naturales de Barcelona.

Los ojos de los insectos

A diferencia de los humanos, los insectos tienen ojos facetados y compuestos que consisten en numerosas unidades anatómicamente idénticas, como en los ejemplos de las especies Tachinidae Gonia y phyllome (Figura 11) [68–72]. Se clasifican según el sistema óptico que emplean para enfocar la luz incidente de manera eficiente en las partes sensibles a la luz de sus fotoreceptores, ya sea como ojos de superposición óptica o de aposición óptica. Los ojos de aposición son el tipo principal de ojos que se encuentran en los insectos. Aquí, cada faceta es un detector de luz separado. Consta de una lente facetaria que cubre un*ommatidium, que es un conjunto de células fotoreceptores, células pigmentarias y un cono (cristalino) [73–75]. La luz incidente se enfoca a través de la lente en una larga estructura cilíndrica similar a una guía de ola llamada rabia (fusionada). Los ojos de superposición óptica son empleados principalmente por polillas nocturnas, y usan lentes de múltiples facetas para enfocar la luz en fotoreceptores [73, 74,76]. Los ojos de aposición tienen una resolución espacial más alta que los ojos de superposición, mientras que los ojos de superposición tienen una mayor sensibilidad a la luz. Por lo tanto, las polillas pueden vivir un estilo de vida nocturno en contraposición con las mariposas, que están activas durante el día. [68,77] El número de facetas por ojo puede variar significativamente, desde ≈100 en hormigas hasta 30 000 en algunas libélulas. Un número bajo de facetas hace que las hormigas sean casi incapaces de formar una imagen, mientras que las libélulas tienen una resolución superior.

Figura 11. Imágenes de SEM realizadas a los CCITUB de la especie a) Tachinidae Gonia y b) phyllome cedidas por el museo de Ciencias Naturales de Barcelona.

Sensores y regulación térmica

Las temperaturas varían ampliamente en algunos de los hábitats donde residen los insectos y las fluctuaciones ocurren en un amplio rango de escalas de tiempos. Si bien la respuesta a los cambios de temperatura durante determinadas épocas (por ejemplo, las estaciones) es importante para la hibernación y la supervivencia de las especies a largo plazo, los cambios a corto plazo en la temperatura, que incluyen la noche y el día e incluso el sol y la sombra, son importantes para la supervivencia de algunos individuos [78]. Los insectos emplean soluciones para los problemas de regulación térmica que alcanzan las disciplinas científicas, desde controles biológicos (por ejemplo, tasa metabólica variable) hasta técnicas físicas (por ejemplo, coloración estructural y enfoques químicos (por ejemplo, síntesis de proteínas anticongelantes).

Sensores térmicos

Algunos insectos han desarrollado detectores de calor accionados mecánicamente. Por ejemplo, los escarabajos que buscan incendios forestales, Melanophila, vuelan a los incendios forestales (y otras fuentes de calor inmenso) para depositar sus huevos en árboles de coníferas recientemente muertos, puesto que no pueden superar la reacción de defensa resinosa natural de árboles vivos [79-80]. Los escarabajos que buscan incendios forestales detectan los incendios forestales utilizando los órganos especializados en el pozo de detección de infrarrojos situados a ambos lados del tórax, cerca de sus patas medianas. Cada órgano sensorial consiste en una estructura cuticular esférica ≈12–16 μm de diámetro con una cavidad central que está conectada al proceso distal de una célula nerviosa. Adyacente a cada órgano sensorial, una glándula limpia continuamente el sensor *secretant briznas de cera [80]. La luz infrarroja (*IR) se detecta a través de la absorción de luz en el órgano del pozo, lo cual puerta a una diferencia de presión detectada por un sensor de fuerza [79-81]. En cierto modo, estos escarabajos sienten la luz *IR. Los incendios forestales se queman a temperaturas entre 400 y 1200 ° C, por lo cual emiten longitudes de ola *IR en el rango de 2 a 4 μm [82]. Las células Ir de *Melanophila son capaces de detectar y responder a longitudes de ola exclusivamente en esta región [83]. Estos hallazgos indican claramente que los escarabajos *Melanophila pueden detectar un incendio de 10 hectáreas desde una distancia de 12 km a causa de la transparencia atmosférica en estas longitudes de ola [79].

Melanophila, el detector natural de incendios

Control térmico

La distribución efectiva de los recursos alimentarios es de gran interés para la creciente población mundial; más de 750 mil millones de dolares de alimentos perecederos se malgastan cada año, muchos de los cuales están relacionados con la elevada temperatura de los alimentos durante el transporte y el almacenamiento [84]. A pesar de su pequeño tamaño, los insectos han encontrado principios de diseño únicos para regular la temperatura, los cuales son biocompatibles. Existen dos tipos de mecanismos de termoregulación en los insectos; los que manipulan la producción de calor interno y los que manipulan el intercambio de calor externo. El vuelo está fundamentalmente vinculado a la termoregulación, puesto que lo quiere es una forma de locomoción energéticamente costosa que generalmente requiere una alta tasa metabólica para suministrar suficiente energía. Para volar, los músculos de vuelo de un insecto tienen que ser capaces de producir una gran potencia mecánica, que a su vez produce grandes cantidades de calor. En condiciones suaves, el calor generado por un insecto volador se disipa sin causar ningún mal. Sin embargo, si el insecto volador también está expuesto a fuentes externas de calor, como la luz solar o una temperatura ambiente superior a la normal, debe termoregularse para mantener una temperatura corporal no letal.
Un ejemplo de biomimetismo lo tenemos con la empresa de alimentación Unilever, la cual presentó recientemente una patente sobre la incorporación de proteínas resistentes a la congelación modificadas genéticamente para la producción de helados [85]. Con la adición de pequeñas cantidades de estas proteínas, la compañía afirma que el helado se puede congelar a temperaturas inferiores a -40 ° C sin ningún riesgo de formación de cristales de hielo (que normalmente provocan quemaduras por congelación) cuando se descongelan a la temperatura de los congeladores domésticos comunes (−4 a −16 ° C). El helado congelado tardaría mucho más a fundirse si se expone a temperaturas elevadas de envío, lo cual reduce el riesgo de deterioro. Este concepto puede extenderse a otros perecederos más nutritivos.

Sensores químicos y defensa

En mayor medida que los vertebrados, los insectos navegan por su mundo en gran parte mediante la detección y el despliegue de estímulos químicos. Los insectos usan el olfato para encontrar su comida y sus compañeros [86], y producen moléculas de señalización volátiles denominadas feromonas para transmitir una amplia gamma de mensajes a los organismos que los rodean. Sin embargo, los insectos tienen que superar una dificultad fundamental para enviar y recibir comunicaciones químicas de manera efectiva: el mundo es grande y es pequeño. Los volúmenes de las emisiones de feromonas o alomonas de un insecto suelen ser de un sol microlitro, como máximo, por lo cual los compuestos de señalización volátiles se diluyen extremadamente con la evaporación. Como resultado de esta dilución, los insectos han desarrollado sensores químicos sofisticados que brindan a las neuronas una exposición máxima al medio ambiente al mismo tiempo que brindan protección y selectividad según sea necesario, así como varios métodos para dispersar sus señales químicas de forma que garantice la proximidad a sus objetivos. Los campos de detección química y administración de fármacos también enfrentan el problema de la dilución; En ambos contextos, recientemente se han aplicado innovaciones inspiradas en insectos para superarlas. La amplia variedad de mecanismos de los insectos para la detección y dispersión química generalmente involucra áreas de gran superficie y / o medios sofisticados para mover moléculas a través de la piel o la cutícula, estrategias que también tienen utilidad en contextos diseñados.

Conclusiones

Hemos compartido algunas de las características asociadas a las micro y nanoestructuras que se encuentran en el fascinante y vasto mundo de los insectos. Tenemos la esperanza que los lectores puedan ahora o en el futuro identificar un problema que comparten con un insecto que ha desarrollado una solución eficiente. El artículo se basa en el review: It’s Not a Bug, It’s a Feature: Functional Materiales in Insects representa una minúscula, diríamos que nano, descripción de algunos de los materiales funcionales más atractivos de los insectos, teniendo en cuenta, como comentábamos antes que existen más de un millón de especies de insectos conocidas y por tanto, miles de posibilidades y características para su completa descripción.
Hacer una aproximación del mundo de los insectos es de extremada importancia, puesto que tanto la abundancia como su diversidad está en un alarmante declive. La población general de insectos ha disminuido en un 45% en los últimos 40 años, esta desaceleración se está produciendo en el contexto de una “sexta ola de extinción” antropogénica del mismo orden de magnitud que la suma de las cinco extinciones en masa anteriores.
El valor total de los servicios prestados por insectos solo en los EE.UU, se ha estimado en 57 mil millones de dolares anuales, lo cual, además de los elementos obvios (como la polinización y la alimentación de los animales más grandes), también incluye beneficios menos visibles, como los 380 millones de dolares que los escarabajos peloteros aportan a los granjeros estadounidenses cada año enterrando heces de ganado. Dada la importancia de los insectos en la cadena alimentaria mundial y como polinizadores, las consecuencias de estas disminuciones pueden ser nefastas, tan ecológica como económicamente.

Agradecimientos a la Dra. Aranzazu Villuendas, la Sra. Eva Prats y el Sr. J.M.Rebled de los Centros Científicos y Tecnológicos de la Universitat de Barcelona por la obtención de las imágenes de microscopia *SEM y a Berta Caballero del Museo de Ciencias Naturales de Barcelona por habernos dejado algunas de las muestras del estudio.

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