NeoFronteras

¿Por qué no vemos el infrarrojo?

Área: Biología — Miércoles, 15 de Junio de 2011

Los animales habrían evolucionado para evitar pigmentos sensibles a la gama infrarroja del espectro electromagnético en sus sistemas de visión y así tener una mejor relación señal/ruido.

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Imagen de dos retinas diferentes que muestran distintas proporciones de células fotosensible al color. Foto: University Of Rochester.

Los mecanismos implicados en la visión son una maravilla de la Naturaleza y permiten al Universo verse a sí mismo. Los humanos tenemos una magnífica visión en color, otros animales la tienen peor y otros pueden ver unas frecuencias que nosotros no vemos. Algunos incluso tienen sensibilidad a un mayor número de colores que nosotros, ya que tienen un mayor número de pigmentos fotosensibles en sus retinas. Cómo es la visión del mundo para esas criaturas es algo que no podemos ni imaginar.
Algunos animales pueden ver el ultravioleta, pero ninguno puede ver el infrarrojo. Es verdad que algunas serpientes pueden sentir el infrarrojo, pero no lo detectan con los ojos. De este modo, el espectro “visible” puede extenderse para algunos seres más allá del violeta, pero no por debajo del rojo. Algunos ven el ultravioleta, pero puede que no vean el rojo. ¿Por qué la extensión de la visión puede darse para frecuencias altas, pero no para frecuencias bajas?
Ahora, unos expertos de la Johns Hopkins University School of Medicine han conseguido dar una explicación experimental a esto. Han descubierto que las moléculas de los fotorreceptores pueden ser disparadas por el calor dando lugar a falsas alarmas y de ahí la limitación.
La molécula de la rodopsina está dentro los bastones de nuestra retina y es responsable de la visión a bajos niveles de iluminación en blanco y negro. Al absorber un fotón de luz cambia su forma y esto dispara una señal eléctrica en la célula (el bastón) que al final llega al cerebro. Pero además de ser sensible a los fotones de luz visible (principalmente a los azul-verdosos) puede ser sensible a otros tipos de energía como la energía térmica y se puede producir una falsa señal. Estas señales falsas podrían comprometer nuestra habilidad a la hora de ver objetos en noches oscuras.
Una de las capacidades de nuestra visión (que incluye ojos y cerebro) se puede realizar en un lugar apartado en el que no haya contaminación lumínica una noche sin luna. Incluso en esas condiciones, alumbrados solamente con la luz de las estrellas, somos capaces de ver. Ninguna cámara comercial moderna, sea de película o digital, iguala en sensibilidad a nuestra visión.
King-Wai Yau y sus colaboradores se pusieron a investigar cómo se producen estas falsas señales en los pigmentos fotosensibles.
La energía térmica está por todos lados siempre y cuando estemos por encima del cero absoluto de temperatura. Un objeto físico a temperatura ambiente emite rayos infrarrojos y nuestros cuerpos lo emiten sin duda. La cuestión es cuánta energía térmica puede absorber la rodopsina sin que salte la señal falsa.
Durante 30 años se ha creído que esta energía térmica hace dispararse al pigmento a través de un mecanismo distinto al de la captura de luz, pero el resultado estaba basado sólo en cálculos teóricos. Aunque esto estaba basado solamente en la rodopsina. Hay otros pigmentos en los fotorreceptores de nuestra retina sensibles a otros colores y que nos permiten nuestra rica visión del color. Así, hay otros pigmentos sensibles principalmente al rojo, al azul o al verde en los conos de nuestras retinas. Estos conos responsables de la visión del color funcionan a niveles de iluminación superiores comparados con los bastones.
Pero medir los falsos eventos de estos pigmentos en una célula aislada es muy complicado, ya que la señal eléctrica en un sólo cono es tan débil que prácticamente no es medible. Para poder medir estas falsas señales estos investigadores tuvieron idear otra manera de hacerlo. Se las apañaron para que un bastón usara pigmentos de cono y así poder medir la señal de salida de una célula individual y calcular las falsas alarmas. Las señales de los bastones son más intensas que las producidas por los conos y justo por encima del umbral de lo que es medible en la actualidad.
En el caso del pigmento azul no hizo falta hacer esto porque la Naturaleza ya lo había hecho por los investigadores. En muchos anfibios los bastones de sus retinas contienen el pigmento sensible al azul y fue fácil medir la señal que producían.
Así que se pusieron a medir la señal que estas células y las especialmente diseñadas producían en la oscuridad según se iban calentado desde un estado frío. Encontraron que el pigmento sensible al rojo producía más falsas alarmas que la rodopsina y que el pigmento sensible al azul producía aún menos falsas alarmas. Por tanto, la relación señal/ruido mejoraba conforme aumentaba la sensibilidad a la frecuencia luminosa, siendo peor en el extremo rojo que en el azul. El resultado valida por tanto la hipótesis de Barlow que ya cuenta con 60 años.
Además, entre los resultados obtenido está que el calor hace dispararse a estos pigmentos de la misma manera que lo hace la luz, con el mismo mecanismo. Ambos inducen idénticos cambios en las proteínas en cuestión.
Estas moléculas son lo suficientemente grandes como para contener muchos átomos y enlaces. La cantidad total de energía térmica que uno puede obtener de todos ellos es, en teoría, suficiente para disparar una falsa alarma.
Es concebible que se pudieran crear pigmentos sensibles al infrarrojo, pero la tasa a la que se dispararían espontáneamente sería inasumible. Habría mucho ruido sobre la señal y la visión no sería buena. Por esta razón los animales habrían evolucionado para evitar pigmentos sensibles a la gama infrarroja del espectro electromagnético en sus sistemas de visión. Si además tenemos en cuenta que la evolución trabaja sobre lo que hay y que casi nunca inventa las cosas desde cero, las modificaciones evolutivas de los pigmentos pensados para el espectro visible difícilmente servirían para el infrarrojo debido a las limitaciones que acabamos de “ver”.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
La sorprendente percepción del color.
Ventajas cromáticas en los daltónicos.
Test inverso de daltonismo.
El origen genético de la visión.
Pruebas fósiles de estadio intermedio en la evolución del ojo.
La asombrosa visión de los estomatópodos.
Sobre los primeros ojos.
Un ojo de pez reflector.
Eliminan daltonismo en monos.
Nuestra vista evolucionó en África.
Sobre la visión de la cucaracha de mar.

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9 Comentarios

  1. Juan Romay:

    Aunque no está situado en los ojos,la serpiente Cascabel, que tienen un órgano con el que consigue “ver termográficamente” a sus presas y lo utilizan para cazar en la oscuridad.

  2. NeoFronteras:

    Incluso nuestra piel siente el infrarrojo, pero de ahí a “ver” hay un trecho. No parece que esa u otras serpientes puedan “ver” con ese sistema, aunque les sirve para localizar las presas. Otros animales tienen sistemas de ecolocalización, pero tampoco está claro que puedan formar imágenes.
    Para que algo sea una “imagen” debe de tener la suficiente resolución.

  3. pvl:

    Supongo que el equipo biológico ideal de visión sería el equivalente a los equipos de visión por infrarrojos utilizados por los militares para operaciones nocturnas: es decir un equipo de quita y pon que solo actuara en la obscuridad, porque durante un día soleado, el dispositivo no ofrece ninguna ventaja. Desconozco loa hábitos concretos de caza de las serpientes de cascabel, pero sabiendo cuales son los hábitos de la mayoría de los animales que habitan desiertos nocturnos)y el hábitat subterráneo de muchas de sus presas como son los roedores, es fácil deducir cual es la utilidad y el uso que la serpiente da a su sentido termográfico. No me extrañaría nada que las serpientes que se alimenten de murciélgos en cuevas tambien posean este tipo de sentido.

  4. Nemo:

    En los tres (creo) tipos de ojos producidos independientemente en la evolución, ¿existen células similares a conos y bastoncillos?

  5. NeoFronteras:

    Básicamente los cefalópodos, los artrópodos y los vertebrados tienen ojos y retinas distintas, incluso pigmentos distintos. Pero dentro de cada una de esos conjuntos de animales hay similitudes, aunque pueden cambiar los pigmentos. Así por ejemplo, muchos mamíferos no ven el rojo, incluidos los toros, pero sus retinas son muy similares a las nuestras.

  6. Nemo:

    Entiendo que el experimento se refiere a los vertebrados, pero no sé si extienden las conclusiones a los demás. Los cefalópodos tienen ojos simples y un comportamiento asimilable (movilidad, depredación, códigos de color corporal) por lo que la evolución les ha podido llevar por la misma senda. Pero muchos insectos tienen ojos múltiples (cuesta imaginar lo que “ven”) y creo que algunos moluscos tienen “proto-ojos” que les orientan respecto a la luz. Su caso podría ser distinto.

  7. NeoFronteras:

    Pues sí, se refiere más bien a los vertebrados, pero es de imaginar que alguien experto en el asunto pueda extrapolar los resultados a otros seres.
    Si los pigmentos son similares las limitaciones serán muy similares.
    Lo importante es darse cuenta que la evolución no puede eliminar un pigmento y crear otro distinto desde cero, sino que el nuevo se obtendría sobre las modificaciones del primero.

  8. Alberto Castro:

    Muy bueno el artículo. Con lo único que no estoy de acuerdo es con: “Ninguna cámara comercial moderna, sea de película o digital, iguala en sensibilidad a nuestra visión”.
    Las buenas cámaras superan al ojo, hay que tener en cuenta que la apertura del objetivo puede ser muy superior al de la pupila. Además permiten (en caso de película) tiempos de exposición largos.

  9. NeoFronteras:

    Se puede decir que el ojo humano obtura a 1/25 segundos. A esa velocidad ninguna cámara comercial es capaz de proporcionar una buena foto sólo con luz estelar. Además a ISO alto sólo hay mucho ruido. Para exposiciones largas o bien se enfría el CCD con nitrógeno líquido o hay que usar película por el mismo problema señal/ruido que el relatado aquí.
    Y efectivamente, si nuestros ojos funcionaran a un f=1,4 veríamos incluso mejor. No es lo mismo nuestra pequeña pupila que un buen objetivo luminoso fotográfico, pero esto depende del objetivo no del cuerpo de cámara.
    Así que se puede mantener que el ojo es más sensible que la cámara convencional (caso aparte los dispositivos militares). Además el ojo cuenta con un cerebro detrás que procesa las imágenes muy bien.

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