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La regadera de Filipinas, un ejemplo de bioinspiración

29/11/2018

Esta esponja es un curioso animal cuyo esqueleto, que recuerda a un exquisito encaje de cristal, es un prodigio de ingeniería que puede servir de inspiración para el diseño de nuevos materiales ultrarresistentes. En Japón es muy apreciada como regalo de boda. El Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN-CSIC) conserva varios ejemplares históricos en su colección de Invertebrados.

 

Biomimética significa imitar a la naturaleza viva y es algo tan antiguo como el ser humano. Se trata de una ciencia que utiliza a la naturaleza como fuente de inspiración para encontrar diseños, procesos, materiales o productos que permitan resolver problemas humanos. Para ello requiere el concurso de disciplinas muy diversas como la biología, la física, la química, las matemáticas, etc. Cuando se aplica a la ingeniería o a la arquitectura, el término más apropiado es bioinspiración, ya que se trataría de interpretación, en lugar de copia directa.


Las esponjas eran numerosas en los mares del Precámbrico, hace aproximadamente unos 580 millones de años. Se trata de animales muy simples, sin tejidos diferenciados ni órganos. Quizás fuera debido a esta simplicidad que hasta principios del siglo XIX se creía que eran plantas. Todas las esponjas se agrupan en el filo Porifera, que significa animales que tienen poros. Es precisamente a través de esos poros como entra el agua en su interior, filtrándose la materia orgánica en suspensión que le sirve de alimento.


La canasta de flores de Venus o esponja de cristal (Euplectella aspergillum), como también se la llama, es un bello porífero que se ancla en el fondo marino gracias a su peculiar esqueleto, que es extraordinariamente flexible. Pertenece al grupo de las hialoesponjas, esponjas vítreas o esponjas de cristal (clase Hexactinellida) y fue descrita en 1841 por el gran zoólogo inglés Richard Owen (1804-1892), quién hablaría de ella como una de las más singulares, bellas y raras producciones marinas de las Islas Filipinas.


Encontrar a un miembro de la misma especie para aparearse debe ser muy difícil en el océano profundo. Quizás por eso, los camarones de la especie Spongicola japonica vean una oportunidad en el esqueleto de esta esponja, que no deja de ser una jaula de cristal. Los pequeños crustáceos han de penetrar en su interior cuando aún son larvas y una vez que crezcan no podrán salir. Es un ejemplo de simbiosis, los camarones limpian a la esponja de parásitos y ella les proporciona alimento. Esta peculiaridad de su biología ha hecho muy famosas a estas esponjas, especialmente en Japón donde estos esqueletos son regalos de boda muy apreciados pues simbolizan el voto "hasta que la muerte nos separe".


Pero lo más interesante de esta especie, que ha llamado la atención no sólo de biólogos, sino también de ingenieros, arquitectos, etc. es la complejidad estructural de su esqueleto, que le confiere una extraordinaria estabilidad mecánica. Dicha firmeza es el resultado de un ensamblaje jerárquico, en el que se pueden distinguir hasta siete niveles. El proceso es muy complejo, ya que se parte de unas nanopartículas de sílice consolidadas que se organizan en anillos concéntricos microscópicos, que están pegados entre sí por una matriz orgánica, para formar espículas laminadas. Después, estas espículas se ensamblan en haces, gracias a un cemento a base de sílice laminado, para finalmente dar lugar a una estructura cilíndrica macroscópica de celosía cuadrada reforzada por aristas diagonales.


El diseño del esqueleto de la esponja de cristal permite trasmutar la fragilidad de su material base, el vidrio, y dotarle de una gran rigidez y resistencia mecánica, gracias a la combinación de estructuras tridimensionales a diferentes escalas, lo que se consigue a un mínimo coste. Este aspecto resulta esencial cuando hablamos de organismos que viven en ambientes donde los recursos críticos a menudo son limitados. Así, el esqueleto de E. aspergillum, que está constituido en un 90% de sílice, combinando materiales y estructuras relativamente simples puede dar lugar a materiales multifuncionales que puedan servir de inspiración para el diseño de nuevos materiales de alto rendimiento. Estudios recientes han demostrado que sus espículas anclaje son comparables a las fibras ópticas hechas por el hombre, en términos de propiedades ópticas, y superiores en términos de resistencia a la fractura.


La regadera de Filipinas es una de las especies más llamativas de la colección de esponjas del MNCN. Se conservan tres ejemplares, de los cuales dos proceden, según el historiador del Museo Agustín J. Barreiro, de la colección particular del profesor Graells, donada por su yerno a la muerte del sabio naturalista. También existen dos preparaciones microscópicas de 1911 y 1912, esta última de la Estación de Biología Marina de Santander. Las dos preparaciones proceden de ejemplares colectados por Francisco Ferrer Hernández, un gran especialista en esponjas que trabajó en esa época en el Museo.


Referencias bibliográficas:


Blanco, L. 2018. La infinita biblioteca de la biodiversidad biológica acelerará la capacidad de la biomimética. Naturalmente, 19: 16-21.


Monna, M. A., Weaverb, J. C., Zhang, T., Aizenbergb, J., Kesari. H. 2015. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. PNAS, 112(16): 4976-4981. https://doi.org/10.1073/pnas.1415502112


Sánchez-Almazán, J. I. 2017. La colección histórica de esponjas del Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN.CSIC): 1771-1939. Graellsia, 73(2): e060. http://dx.doi.org/10.3989/graellsia.2017.v73.181

 

James C. Weaver, J. C., Aizenberg, J., Fantner, G. E. et al. 2007. Hierarchical assembly of the siliceous skeletal lattice of the hexactinellid sponge Euplectella aspergillum. Journal of Structural Biology, 158: 93-106.

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