Hay muchos compuestos naturales que presentan fluorescencia, y tienen diversas aplicaciones. Algunos animales de las profundidades marinas, como el ojón, tienen estructuras fluorescentes.
Comparación con la bioluminiscencia y la biofosforescenciaEditar
FluorescenciaEditar
La fluorescencia es la absorción temporal de longitudes de onda electromagnéticas del espectro de luz visible por parte de moléculas fluorescentes, y la posterior emisión de luz a un nivel de energía inferior. Cuando se produce en un organismo vivo, a veces se denomina biofluorescencia. Esto hace que la luz que se emite sea de un color diferente al de la luz que se absorbe. La luz estimulante excita un electrón, elevando la energía a un nivel inestable. Esta inestabilidad es desfavorable, por lo que el electrón energizado vuelve a un estado estable casi tan inmediatamente como se vuelve inestable. Esta vuelta a la estabilidad se corresponde con la liberación del exceso de energía en forma de luz de fluorescencia. Esta emisión de luz sólo es observable cuando la luz estimulante sigue proporcionando luz al organismo/objeto y es típicamente amarilla, rosa, naranja, roja, verde o púrpura. La fluorescencia se confunde a menudo con las siguientes formas de luz biótica, la bioluminiscencia y la biofosforescencia. Los sapitos de calabaza que viven en la selva atlántica brasileña son fluorescentes.
BioluminiscenciaEditar
La bioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia en que es la producción natural de luz por reacciones químicas dentro de un organismo, mientras que la fluorescencia es la absorción y reemisión de luz del medio ambiente. Las luciérnagas y el rape son dos ejemplos de organismos bioluminiscentes. Para aumentar la confusión potencial, algunos organismos son tanto bioluminiscentes como fluorescentes, como el pensamiento de mar Renilla reniformis, donde la bioluminiscencia sirve como fuente de luz para la fluorescencia.
FosforescenciaEditar
La fosforescencia es similar a la fluorescencia en su requisito de longitudes de onda de luz como proveedor de energía de excitación. La diferencia radica en la relativa estabilidad del electrón energizado. A diferencia de la fluorescencia, en la fosforescencia el electrón conserva su estabilidad, emitiendo una luz que sigue «brillando en la oscuridad» incluso después de haber retirado la fuente de luz estimulante. Por ejemplo, las pegatinas que brillan en la oscuridad son fosforescentes, pero no se conocen animales verdaderamente biofosforescentes.
MecanismosEditar
Cromatóforos epidérmicosEditar
Las células pigmentarias que muestran fluorescencia se denominan cromatóforos fluorescentes, y funcionan somáticamente de forma similar a los cromatóforos normales. Estas células son dendríticas y contienen pigmentos llamados fluorosomas. Estos pigmentos contienen proteínas fluorescentes que son activadas por iones K+ (potasio), y es su movimiento, agregación y dispersión dentro del cromatóforo fluorescente lo que causa el patrón de fluorescencia dirigido. Las células fluorescentes están inervadas igual que otros cromatóforos, como los melanóforos, células pigmentarias que contienen melanina. La señalización y el patrón de fluorescencia a corto plazo están controlados por el sistema nervioso. Los cromatóforos fluorescentes pueden encontrarse en la piel (por ejemplo, en los peces) justo debajo de la epidermis, entre otros cromatóforos.
Las células fluorescentes epidérmicas de los peces también responden a los estímulos hormonales mediante las hormonas α-MSH y MCH de forma muy similar a los melanóforos. Esto sugiere que las células fluorescentes pueden tener cambios de color a lo largo del día que coinciden con su ritmo circadiano. Los peces también pueden ser sensibles a las respuestas de estrés inducidas por el cortisol a los estímulos ambientales, como la interacción con un depredador o la participación en un ritual de apareamiento.
FilogenéticaEditar
Orígenes evolutivosEditar
La incidencia de la fluorescencia a través del árbol de la vida está muy extendida, y se ha estudiado más ampliamente en los cnidarios y los peces. El fenómeno parece haber evolucionado varias veces en múltiples taxones como en los anguilliformes (anguilas), gobioidei (gobios y cardenales), y tetradontiformes (peces ballesta), junto con los otros taxones que se discuten más adelante en el artículo. La fluorescencia es muy variable desde el punto de vista genotípico y fenotípico, incluso dentro de los ecosistemas, en lo que respecta a las longitudes de onda emitidas, los patrones mostrados y la intensidad de la fluorescencia. En general, las especies que dependen del camuflaje muestran la mayor diversidad en la fluorescencia, probablemente porque el camuflaje puede ser uno de los usos de la fluorescencia.
Algunos científicos sospechan que las GFP y las proteínas similares a las GFP comenzaron como donantes de electrones activados por la luz. Estos electrones se utilizaban entonces para reacciones que requerían energía lumínica. Se cree que las funciones de las proteínas fluorescentes, como la protección contra el sol, la conversión de la luz en diferentes longitudes de onda o para la señalización, evolucionaron de forma secundaria.
Funciones adaptativasEditar
Actualmente, se sabe relativamente poco sobre el significado funcional de la fluorescencia y las proteínas fluorescentes. Sin embargo, se sospecha que la fluorescencia puede cumplir funciones importantes en la señalización y la comunicación, el apareamiento, los señuelos, el camuflaje, la protección contra los rayos UV y la antioxidación, la fotoaclimatación, la regulación de los dinoflagelados y en la salud de los corales.
AcuáticaEditar
El agua absorbe la luz de longitudes de onda largas, por lo que menos luz de estas longitudes de onda se refleja para llegar al ojo. Por lo tanto, los colores cálidos del espectro de la luz visual parecen menos vibrantes al aumentar la profundidad. El agua dispersa la luz de longitudes de onda más cortas por encima del violeta, lo que significa que los colores más fríos dominan el campo visual en la zona fótica. La intensidad de la luz se multiplica por 10 cada 75 m de profundidad, de modo que a 75 m de profundidad la luz es un 10% más intensa que en la superficie, y a 150 m sólo es un 1% más intensa que en la superficie. Dado que el agua filtra las longitudes de onda y la intensidad del agua que llega a determinadas profundidades, las diferentes proteínas, por las longitudes de onda y las intensidades de luz que son capaces de absorber, se adaptan mejor a diferentes profundidades. Teóricamente, los ojos de algunos peces pueden detectar la luz hasta 1000 m de profundidad. A estas profundidades de la zona afótica, las únicas fuentes de luz son los propios organismos, que emiten luz a través de reacciones químicas en un proceso llamado bioluminiscencia.
La fluorescencia se define simplemente como la absorción de radiación electromagnética a una longitud de onda y su reemisión a otra de menor energía. Por tanto, cualquier tipo de fluorescencia depende de la presencia de fuentes de luz externas. La fluorescencia biológicamente funcional se encuentra en la zona fótica, donde no sólo hay suficiente luz para causar fluorescencia, sino también suficiente luz para que otros organismos la detecten.El campo visual en la zona fótica es naturalmente azul, por lo que los colores de la fluorescencia se pueden detectar como rojos, naranjas, amarillos y verdes brillantes. El verde es el color más común en el espectro marino, el amarillo el segundo, el naranja el tercero y el rojo es el más raro. La fluorescencia puede aparecer en los organismos de la zona afótica como un subproducto de la bioluminiscencia de ese mismo organismo. Parte de la fluorescencia en la zona afótica es simplemente un subproducto de la bioquímica de los tejidos del organismo y no tiene un propósito funcional. Sin embargo, algunos casos de significado funcional y adaptativo de la fluorescencia en la zona afótica del océano profundo es un área activa de investigación.
Zona fóticaEditar
PecesEditar
Los peces óseos que viven en aguas poco profundas suelen tener una buena visión del color debido a que viven en un entorno colorido. Por lo tanto, en los peces de aguas poco profundas, la fluorescencia roja, naranja y verde sirve muy probablemente como medio de comunicación con sus congéneres, sobre todo teniendo en cuenta la gran variabilidad fenotípica del fenómeno.
Muchos peces que presentan fluorescencia, como los tiburones, los peces lagarto, los peces escorpión, los escualos y los peces planos, también poseen filtros intraoculares amarillos. Los filtros intraoculares amarillos en las lentes y la córnea de ciertos peces funcionan como filtros de paso largo. Estos filtros permiten a las especies que visualizan y explotan potencialmente la fluorescencia, con el fin de mejorar el contraste visual y los patrones que no son vistos por otros peces y depredadores que carecen de esta especialización visual. Los peces que poseen los filtros intraoculares amarillos necesarios para visualizar la fluorescencia explotan potencialmente la señal luminosa de sus miembros. El patrón fluorescente es especialmente prominente en los peces con patrones crípticos que poseen un camuflaje complejo. Muchos de estos linajes también poseen filtros intraoculares amarillos de paso largo que podrían permitir la visualización de dichos patrones.
Otro uso adaptativo de la fluorescencia es generar luz naranja y roja a partir de la luz azul ambiental de la zona fótica para ayudar a la visión. La luz roja sólo puede verse a corta distancia debido a la atenuación de las longitudes de onda de la luz roja por el agua. Muchas especies de peces que emiten luz fluorescente son pequeñas, viven en grupo o son bentónicas/afóticas y tienen un patrón llamativo. Este patrón es causado por el tejido fluorescente y es visible para otros miembros de la especie, sin embargo el patrón es invisible en otros espectros visuales. Estos patrones fluorescentes intraespecíficos también coinciden con la señalización intraespecífica. Los patrones presentes en los anillos oculares para indicar la direccionalidad de la mirada de un individuo, y a lo largo de las aletas para indicar la direccionalidad del movimiento de un individuo. Las investigaciones actuales sospechan que esta fluorescencia roja se utiliza para la comunicación privada entre miembros de la misma especie. Debido a la prominencia de la luz azul en las profundidades del océano, la luz roja y la luz de longitudes de onda más largas se confunden, y muchos peces depredadores de los arrecifes tienen poca o ninguna sensibilidad para la luz de estas longitudes de onda. Peces como el pez hada, que han desarrollado una sensibilidad visual a las longitudes de onda más largas, son capaces de mostrar señales fluorescentes rojas que dan un alto contraste con el entorno azul y son conspicuas para sus congéneres en rangos cortos, pero son relativamente invisibles para otros peces comunes que tienen una sensibilidad reducida a las longitudes de onda largas. Por lo tanto, la fluorescencia puede utilizarse como señalización adaptativa y comunicación intraespecífica en los peces de arrecife.
Además, se sugiere que los tejidos fluorescentes que rodean los ojos de un organismo se utilizan para convertir la luz azul de la zona fótica o la bioluminiscencia verde de la zona afótica en luz roja para ayudar a la visión.
TiburonesEditar
Se ha descrito un nuevo fluoróforo en dos especies de tiburones, en el que se debe a un grupo no descrito de metabolitos de moléculas pequeñas bromadas de triptófano-quinurenina.
CoralEditar
La fluorescencia sirve para una amplia variedad de funciones en los corales. Las proteínas fluorescentes de los corales pueden contribuir a la fotosíntesis convirtiendo las longitudes de onda de la luz, que de otro modo serían inutilizables, en otras para las que las algas simbióticas del coral son capaces de realizar la fotosíntesis. Además, las proteínas pueden fluctuar en número según haya más o menos luz disponible como medio de fotoaclimatación. Asimismo, estas proteínas fluorescentes pueden poseer capacidades antioxidantes para eliminar los radicales de oxígeno producidos por la fotosíntesis. Por último, a través de la modulación de la fotosíntesis, las proteínas fluorescentes también pueden servir como medio para regular la actividad de las algas fotosintéticas simbiontes del coral.
CefalópodosEditar
Alloteuthis subulata y Loligo vulgaris, dos tipos de calamares casi transparentes, tienen manchas fluorescentes sobre sus ojos. Estas manchas reflejan la luz incidente, lo que puede servir como medio de camuflaje, pero también para señalar a otros calamares con fines de escolarización.
MedusasEditar
Otro ejemplo bien estudiado de fluorescencia en el océano es el hidrozoo Aequorea victoria. Esta medusa vive en la zona fótica de la costa oeste de Norteamérica y fue identificada como portadora de la proteína verde fluorescente (GFP) por Osamu Shimomura. El gen de estas proteínas verdes fluorescentes ha sido aislado y tiene importancia científica porque se utiliza ampliamente en los estudios genéticos para indicar la expresión de otros genes.
Camarón mantisEditar
Varias especies de camarones mantis, que son crustáceos estomatópodos, incluida la Lysiosquillina glabriuscula, tienen marcas amarillas fluorescentes a lo largo de sus escamas antenales y su caparazón (concha) que los machos presentan durante las exhibiciones de amenaza a los depredadores y a otros machos. La exhibición consiste en levantar la cabeza y el tórax, desplegar los apéndices llamativos y otros maxilípedos, y extender lateralmente las prominentes escamas antenales ovaladas, lo que hace que el animal parezca más grande y acentúe sus marcas amarillas fluorescentes. Además, a medida que aumenta la profundidad, la fluorescencia del camarón mantis representa una mayor parte de la luz visible disponible. Durante los rituales de apareamiento, el camarón mantis emite activamente fluorescencia, y la longitud de onda de esta fluorescencia coincide con las longitudes de onda detectadas por sus pigmentos oculares.
Zona afóticaEditar
SifonóforosEditar
Los sifonóforos son un orden de animales marinos del phylum Hydrozoa que constan de un zooide especializado medusoide y un pólipo. Algunos sifonóforos, incluido el género Erenna que vive en la zona afótica entre las profundidades de 1600 m y 2300 m, presentan una fluorescencia de color amarillo a rojo en los fotóforos de su tentilla en forma de tentáculo. Esta fluorescencia se produce como un subproducto de la bioluminiscencia de estos mismos fotóforos. Los sifonóforos exhiben la fluorescencia en un patrón de parpadeo que se utiliza como señuelo para atraer a las presas.
Pez dragónEditar
El pez dragón depredador de aguas profundas Malacosteus niger, el género estrechamente relacionado Aristostomias y la especie Pachystomias microdon utilizan pigmentos accesorios rojos fluorescentes para convertir la luz azul emitida por su propia bioluminiscencia en luz roja de los fotóforos suborbitales. Esta luminiscencia roja es invisible para otros animales, lo que permite a estos peces dragón tener luz adicional en las oscuras profundidades del océano sin atraer o señalar a los depredadores.
TerrestresEditar
AnfibiosEditar
La fluorescencia está muy extendida entre los anfibios y se ha documentado en varias familias de ranas, salamandras y cecilias, pero su alcance es muy variable.
La rana arborícola de lunares (Hypsiboas punctatus), muy extendida en Sudamérica, fue descubierta involuntariamente como el primer anfibio fluorescente en 2017. La fluorescencia se debe a un nuevo compuesto que se encuentra en las glándulas linfáticas y de la piel. El principal compuesto fluorescente es Hyloin-L1 y da un brillo azul-verde cuando se expone a la luz violeta o ultravioleta. Los científicos responsables del descubrimiento sugirieron que la fluorescencia puede utilizarse para la comunicación. Especularon que la fluorescencia posiblemente esté relativamente extendida entre las ranas. Sólo unos meses más tarde, se descubrió la fluorescencia en la rana Hypsiboas atlanticus, estrechamente relacionada con ella. Debido a que está vinculada a las secreciones de las glándulas de la piel, también pueden dejar marcas fluorescentes en las superficies en las que han estado.
En 2019, se descubrió que otras dos ranas, el diminuto sapo de calabaza (Brachycephalus ephippium) y el sapo de calabaza rojo (B. pitanga) del sureste de Brasil, tienen esqueletos naturalmente fluorescentes, que son visibles a través de su piel cuando se exponen a la luz ultravioleta. Inicialmente se especuló que la fluorescencia complementaba sus colores ya aposemáticos (son tóxicos) o que estaba relacionada con la elección de pareja (reconocimiento de la especie o determinación de la aptitud de una pareja potencial), pero estudios posteriores indican que la primera explicación es improbable, ya que los intentos de depredación de los sapos parecen no verse afectados por la presencia/ausencia de fluorescencia.
En 2020 se confirmó que la fluorescencia verde o amarilla está muy extendida no sólo en las ranas adultas que se exponen a la luz azul o ultravioleta, sino también entre renacuajos, salamandras y cecilias. La extensión varía mucho según las especies; en algunas es muy marcada y en otras apenas es perceptible. Puede basarse en la pigmentación de su piel, de sus mucosas o de sus huesos.
MariposasEditar
Las mariposas de cola de golondrina (Papilio) tienen sistemas complejos para emitir luz fluorescente. Sus alas contienen cristales infundidos con pigmentos que proporcionan luz fluorescente dirigida. Estos cristales funcionan para producir luz fluorescente mejor cuando absorben el resplandor de la luz azul celeste (longitud de onda de unos 420 nm). Las longitudes de onda de la luz que las mariposas ven mejor corresponden a la absorbencia de los cristales de las alas de la mariposa. Esto probablemente funciona para mejorar la capacidad de señalización.
Los lorosEditar
Los loros tienen un plumaje fluorescente que puede ser utilizado en la señalización de la pareja. Un estudio que utiliza experimentos de elección de pareja en periquitos (Melopsittacus undulates) encontró un apoyo convincente para la señalización sexual fluorescente, ya que tanto los machos como las hembras prefieren significativamente las aves con el estímulo experimental fluorescente. Este estudio sugiere que el plumaje fluorescente de los loros no es simplemente un subproducto de la pigmentación, sino una señal sexual adaptada. Teniendo en cuenta las complejidades de las vías que producen los pigmentos fluorescentes, es posible que existan costes significativos. Por lo tanto, los individuos que exhiben una fuerte fluorescencia pueden ser indicadores honestos de alta calidad individual, ya que pueden hacer frente a los costes asociados.
ArachnidsEdit
Las arañas son fluorescentes bajo luz ultravioleta y poseen una enorme diversidad de fluoróforos. Sorprendentemente, las arañas son el único grupo conocido en el que la fluorescencia está «taxonómicamente extendida, se expresa de forma variable, es evolutivamente lábil y probablemente está sometida a selección y tiene una importancia ecológica potencial para la señalización intra e interespecífica». Un estudio de Andrews et al. (2007) revela que la fluorescencia ha evolucionado múltiples veces en los taxones de arañas, con nuevos fluoróforos que han evolucionado durante la diversificación de las arañas. En algunas arañas, las señales ultravioletas son importantes para las interacciones entre depredadores y presas, la comunicación intraespecífica y el camuflaje con flores fluorescentes a juego. Diferentes contextos ecológicos podrían favorecer la inhibición o el aumento de la expresión de la fluorescencia, dependiendo de si la fluorescencia ayuda a las arañas a ser crípticas o las hace más llamativas para los depredadores. Por lo tanto, la selección natural podría estar actuando sobre la expresión de la fluorescencia a través de las especies de arañas.
Los escorpiones también son fluorescentes debido a la presencia de beta carbolina en sus cutículas.
OrnitorrincoEditar
En 2020 se informó de la fluorescencia de varios ejemplares de ornitorrinco.
PlantasEditar
Muchas plantas son fluorescentes debido a la presencia de clorofila, que es probablemente la molécula fluorescente más ampliamente distribuida, produciendo una emisión roja bajo un rango de longitudes de onda de excitación. Este atributo de la clorofila es comúnmente utilizado por los ecologistas para medir la eficiencia fotosintética.
La flor de Mirabilis jalapa contiene betacianinas violetas, fluorescentes, y betaxantinas amarillas, fluorescentes. Bajo la luz blanca, las partes de la flor que sólo contienen betaxantinas aparecen de color amarillo, pero en las zonas donde están presentes tanto las betaxantinas como las betacianinas, la fluorescencia visible de la flor se desvanece debido a los mecanismos internos de filtrado de la luz. Anteriormente se sugirió que la fluorescencia desempeñaba un papel en la atracción de los polinizadores, sin embargo, posteriormente se descubrió que la señal visual por fluorescencia es insignificante en comparación con la señal visual de la luz reflejada por la flor.
AbióticoEditar
Gemología, mineralogía y geologíaEditar
Las piedras preciosas, minerales, pueden tener una fluorescencia distintiva o pueden tener una fluorescencia diferente bajo luz ultravioleta de onda corta, ultravioleta de onda larga, luz visible o rayos X.
Muchos tipos de calcita y ámbar presentan fluorescencia bajo luz ultravioleta de onda corta, ultravioleta de onda larga y luz visible. Los rubíes, las esmeraldas y los diamantes muestran fluorescencia roja bajo luz ultravioleta de onda larga, azul y a veces verde; los diamantes también emiten luz bajo radiación de rayos X.
La fluorescencia en los minerales está causada por una amplia gama de activadores. En algunos casos, la concentración del activador debe limitarse por debajo de un determinado nivel, para evitar el apagado de la emisión fluorescente. Además, el mineral debe estar libre de impurezas, como el hierro o el cobre, para evitar el apagado de la posible fluorescencia. El manganeso divalente, en concentraciones de hasta varios porcentajes, es responsable de la fluorescencia roja o naranja de la calcita, de la fluorescencia verde de la willemita, de la fluorescencia amarilla de la esperita y de la fluorescencia naranja de la wollastonita y la clinoedrita. El uranio hexavalente, en forma de catión uranilo, es fluorescente en todas las concentraciones en un verde amarillo, y es la causa de la fluorescencia de minerales como la autunita o la andersonita, y, en baja concentración, es la causa de la fluorescencia de materiales como algunas muestras de ópalo hialita. El cromo trivalente a baja concentración es la fuente de la fluorescencia roja del rubí. El europio divalente es la fuente de la fluorescencia azul, cuando se observa en el mineral fluorita. Los lantánidos trivalentes, como el terbio y el disprosio, son los principales activadores de la fluorescencia amarilla cremosa que exhibe la variedad yttrofluorita del mineral fluorita, y contribuyen a la fluorescencia naranja del circón. La polvellita (molibdato de calcio) y la scheelita (tungstato de calcio) presentan una fluorescencia intrínseca amarilla y azul, respectivamente. Cuando están presentes juntos en una solución sólida, la energía se transfiere del tungsteno, de mayor energía, al molibdeno, de menor energía, de manera que niveles bastante bajos de molibdeno son suficientes para causar una emisión amarilla para la scheelita, en lugar de azul. La esfalerita de bajo contenido en hierro (sulfuro de zinc) emite fluorescencia y fosforescencia en una gama de colores, influenciada por la presencia de diversas impurezas traza.
El crudo (petróleo) emite fluorescencia en una gama de colores, desde el marrón apagado de los petróleos pesados y los alquitranes hasta el amarillo brillante y el blanco azulado de los petróleos muy ligeros y los condensados. Este fenómeno se utiliza en las perforaciones de exploración petrolífera para identificar cantidades muy pequeñas de petróleo en los recortes de perforación y las muestras de núcleo.
Líquidos orgánicosEditar
Las soluciones orgánicas como el antraceno o el estilbeno, disueltas en benceno o tolueno, presentan fluorescencia con la irradiación de rayos ultravioleta o gamma. Los tiempos de decaimiento de esta fluorescencia son del orden de los nanosegundos, ya que la duración de la luz depende del tiempo de vida de los estados excitados del material fluorescente, en este caso el antraceno o el estilbeno.
La fluorescencia se define como un destello de luz producido en un material transparente por el paso de una partícula (un electrón, una partícula alfa, un ion o un fotón de alta energía). El estilbeno y sus derivados se utilizan en los contadores de centelleo para detectar dichas partículas. El estilbeno es también uno de los medios de ganancia utilizados en los láseres de colorante.
AtmósferaEditar
La fluorescencia se observa en la atmósfera cuando el aire está sometido a un bombardeo energético de electrones. En casos como la aurora natural, las explosiones nucleares a gran altitud y los experimentos de cañones de electrones con cohetes, las moléculas e iones formados tienen una respuesta fluorescente a la luz.
Materiales comunes que presentan fluorescenciaEditar
- La vitamina B2 presenta fluorescencia amarilla.
- El agua tónica emite fluorescencia azul debido a la presencia de quinina.
- La tinta del resaltador suele ser fluorescente debido a la presencia de piranina.
- Los billetes, sellos de correos y tarjetas de crédito suelen tener elementos de seguridad fluorescentes.
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