La termografía permite a los investigadores ver el interior de las alas de las mariposas
Imagen: Nanfang Yu y Cheng-Chia Tsai
Las mariposas son tan llamativas en el espectro térmico como lo son en el espectro de la luz visible. Investigadores de Columbia Engineering y la Universidad de Harvard publicado un estudio en la revista Nature en el que se examina las propiedades termodinámicas de las alas de mariposa y la importancia del enfriamiento radiativo para mantener en vuelo a estas delicadas criaturas. Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada en Columbia, describe el papel tan importante que ha desempeñado la termografía en el estudio.
«Es la forma menos invasiva de medir la temperatura», explica Yu. En el estudio, el equipo identificó las complejas estructuras vivas de las alas de mariposa que se encargan específicamente de la termorregulación. Con una cámara termográfica como la cámara FLIR T865, «puede ver prácticamente el esqueleto de una mariposa», en palabras de Yu. «Es casi como una radiografía, puede ver la estructura, las venas de las alas, la membrana... toda la sección transversal del material de las alas». En la imagen térmica, desaparecen los colores brillantes y los patrones de las alas de las mariposas. En su lugar, lo que se ve es la estructura subyacente del ala misma.
Mariposas de la familia Pieridae en imagen térmica. Imagen: Nanfang Yu y Cheng-Chia Tsai
Los estudios anteriores sobre alas de mariposa estaban limitados a utilizar equipos como los termopares para medir la temperatura. Incluso las sondas más pequeñas son grandes en comparación con el grosor de las alas de una mariposa, por lo que el hecho de realizar la medición puede afectar a la temperatura local. Además, se podrían cometer otros errores debido a que las mediciones solo se hacían punto por punto. Con las imágenes térmicas, «puede medir y ver toda la distribución de temperatura», comenta Yu. Su equipo ha sido capaz de ver y medir la diferencia de temperatura entre venas, membranas y otras estructuras de las alas de mariposa, como las almohadillas aromáticas. Descubrieron que las zonas de las alas que contienen células vivas (las venas) tienen una mayor emisividad térmica que las zonas «sin vida» (la membrana).
Las estructuras vivas de las alas (venas, almohadillas/parches aromáticos) tienen una mayor emisividad para facilitar la disipación del calor a través de la radiación térmica. Imagen: Nanfang Yu y Cheng-Chia Tsai
«Esta técnica de imagen nos permite examinar las adaptaciones físicas que disocian la apariencia física de las alas de sus propiedades termodinámicas», explica Yu en un artículo de Columbia Engineering. «Hemos descubierto que las diversas nanoestructuras y el grosor desigual de las cutículas crean una distribución heterogénea de enfriamiento radiativo (disipación de calor a través de la radiación térmica) que reduce de forma selectiva la temperatura de las estructuras vivas, como las venas y las almohadillas aromáticas de las alas».
Pero medir la temperatura de las alas de mariposa con tecnología termográfica también tiene sus problemas. «El desafío es que, en el caso del ala de una mariposa, la cámara termográfica ofrece una lectura de temperatura que no es del todo fiable», explica Yu. «El ala de una mariposa es semitransparente en infrarrojos, por lo que cuando ve el ala en una cámara termográfica, no solo está recibiendo la radiación térmica del ala misma, sino que también recibe la radiación térmica generada por lo que se encuentra detrás del ala». Podemos observar un fenómeno similar en una fina hoja de plástico, como una bolsa del supermercado, que al igual que el ala de una mariposa, es opaca a la luz visible, pero transparente en infrarrojos.
Los materiales muy finos, como las bolsas de plástico o las alas de mariposa, pueden ser transparentes en el espectro infrarrojo. Para obtener una lectura de temperatura fiable de las alas de una mariposa, el equipo de Yu tuvo que cuantificar la emisividad y reflectividad del ala y eliminar de sus mediciones las fuentes de temperatura del fondo.
Además de trazar la distribución térmica de las alas de mariposa, los investigadores también llevaron a cabo estudios de comportamiento que observaron en la imagen térmica. Utilizando una pequeña fuente luz como fuente de calor, demostraron que las mariposas utilizan sus alas para sentir la dirección e intensidad de la luz solar. A la temperatura de «activación», aproximadamente unos 40 °C, todas las especies que estudiaron se giraban en unos segundos para evitar la luz y que sus alas se sobrecalentaran.
Las alas de mariposa tienen sensores mecánicos que detectan la dirección y la intensidad de la luz. De esta manera, la mariposa se mueve rápidamente para evitar que sus alas se sobrecalienten. Imagen: Nanfang Yu y Cheng-Chia Tsai
Esta no es la primera vez que Yu utiliza una cámara termográfica para estudiar insectos. «Cuando me uní a Columbia en 2013, la cámara FLIR fue uno de los primeros equipos que compré cuando estaba montando mi laboratorio», dice Yu. Aunque su estudio se centra principalmente en la nanofotónica, Yu está especialmente interesado en la confluencia entre biología, fotónica y física. Sus colegas investigadores en el campo de la biología «suelen preguntarme sobre la historia de la vida de los animales que estudian... Me interesa mucho ayudarles a resolver estos misterios desde un punto de vista físico y fotónico».
En una colaboración previa con un compañero nanobiólogo, Yu estudió las hormigas plateadas del Sáhara, que buscan alimento durante el calor del día en uno de los ambientes terrestres más calientes de la Tierra. En este estudio, publicado en Science en 2015, los investigadores también utilizaron una cámara científica de FLIR para monitorizar la temperatura corporal de las hormigas. Se preguntaban cuánto tiempo podrían sobrevivir unos insectos tan pequeños en unas condiciones tan duras. «Lo interesante es comprender cómo se desenvuelven termodinámicamente estos insectos pequeños y ligeros —pequeñas hormigas o las finas alas de mariposa—, ya que por defecto no son muy buenos en ello», explica Yu. Debido a su poca capacidad térmica, los pequeños animales como los insectos pueden calentarse a temperaturas extremas en unos pocos segundos.
Imagen infrarroja de mariposas de la familia Lycaenidae. La intensidad de la imagen es proporcional a la emisividad térmica (la capacidad de disipar el calor mediante radiación térmica). La imagen muestra que las partes vivas de las alas tienen una emisividad térmica elevada. Imagen: Nanfang Yu y Cheng-Chia Tsai
Las hormigas plateadas lidian con el calor extremo utilizando el fino vello que cubre sus cuerpos. Estos vellos cumplen dos funciones: la retrodispersión de la luz en la longitud de onda visible e infrarroja para reducir la cantidad de absorción de energía solar, y el aumento de la emisividad térmica, para que cuando el cuerpo de la hormiga se caliente pueda distribuir mejor el calor en forma de radiación térmica.
«Queríamos descubrir de qué manera estaban programados los pequeños animales para sobrevivir en ambientes de calor extremo», comenta Yu. Su último estudio continúa explorando esta cuestión sobre cómo hacen los pequeños insectos para refrigerarse. Las alas de mariposa están cubiertas de sensores mecánicos que detectan el sobrecalentamiento y las escamas de sus alas contienen nanoestructuras que ayudan a facilitar el enfriamiento radiativo. Además del interés biológico que tienen estos descubrimientos, Yu cree que podrían servir de inspiración para diseñar nanoestructuras resistentes al calor, así como aviones con sensores de calor.
La termografía ayuda a revelar cómo las mariposas como esta Satyrium caryaevorus previenen el sobrecalentamiento. En realidad, la membrana que se encuentra entre las venas del ala está más caliente que el resto del ala, pero aparece más fría porque es semitransparente y está contra un fondo frío. Imagen: Nanfang Yu y Cheng-Chia Tsai
Yu y su compañera Naomi E. Pierce, profesora de Biología en Hessel, planean continuar su investigación sobre las alas de mariposa. Pierce es conservadora de lepidópteros en el Museo de Anatomía Comparada de Harvard, y tiene acceso a una gran colección de mariposas y polillas. Actualmente están llevando a cabo una extensa exploración de la colección utilizando una cámara termográfica y esperan comprender los factores que contribuyen al diseño de un ala de mariposa. Yu compara el trabajo con «descifrar un libro complejo» debido a los muchos y diversos elementos que han participado en la evolución de las alas de mariposa. Evidentemente, este es un libro que merece la pena leer atentamente para ver qué otros descubrimientos podríamos revelar.
Obtenga más información sobre las soluciones de alto rendimiento de FLIR para investigación y ciencia.