segunda-feira, 9 de maio de 2016

A FÍSICA E A BIOLOGIA DA COR E DA VISÃO (modificado em 9/6/2016)


Vemos por todo o lado cores na Natureza, seja na Terra seja no céu, não apenas as sete cores tradicionalmente atribuídas ao arco-íris mas todos os cambiantes entre elas. É um defeito muito raro aquele que impede alguém de ver as cores, limitando-o a ver o mundo a preto e branco. Vemos também as cores nos objectos artificiais, por exemplo os quadros pintados pelos grandes mestres e que admiramos hoje nos museus.

Do ponto de vista da física, a cor está associada ao comprimento de onda da luz. O físico inglês Isaac Newton (1642 ou 1643 conforme o calendário adoptado, juliano ou gregoriano – 1726 ou 1727, idem), criou, com o auxílio de um prisma de vidro, o arco-íris em sua casa, pelo que sabemos, desde essa altura, que a luz branca, designadamente a que nos chega do Sol, é uma mistura de luzes de várias cores. Numa experiência realizada por Newton em 1665 ou 1666, a  luz solar vinda de uma janela entrava num prisma e, dentro do vidro, surgiam as cores do arco-íris, ao mesmo tempo que o feixe sofria um desvio: à saída verificava-se novo desvio, ampliando-se o desdobramento das cores. Quando colocou um segundo prisma no qual incidia apenas a luz vermelha, convenientemente isolada da luz das outras cores, esse feixe de luz entrava no novo prisma, era desviado por ele, mas saia ainda vermelho. A explicação só podia ser que a luz branca, antes de entrar no primeiro prisma, era composta por luz de todas as cores, que se manifestavam no interior do vidro. Newton concebeu uma teoria corpuscular da luz, segundo a qual as diferentes cores correspondiam a partículas de luz diferentes, mas, no século XIX, para explicar os fenómenos da difracção e da interferência, vingou antes a teoria ondulatória da luz. A sobreposição de ondas de luz com vários comprimentos de onda obedecia ao princípio geral da decomposição das ondas. Em 1865, fez no Ano Internacional da Luz 150 anos, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) percebeu que as ondas luminosas eram ondas electromagnéticas, isto é, a propagação no espaço de uma perturbação periódica dos campos eléctrico e magnético, os dois associados um ao outro.

A luz pode ser visível ou invisível conforme os nossos olhos a vejam ou não. A parte visível do espectro, que corresponde a uma faixa de comprimentos de onda entre 3900 e 7000 angstroms (isto é, entre 390 e 700 nanómetros, usando o nanómetro, uma subunidade do Sistema Internacional que se define como um milionésimo do milionésimo do milímetro), não passa de uma pequena parte do espectro total de luz. Antes de Maxwell já se conheciam as ondas infravermelhas e as ondas ultravioletas. A luz ou radiação infravermelha foi o primeiro tipo de ondas invisíveis a ser descobertas, tendo o seu primeiro observador sido o astrónomo e físico anglo-germânico William Herschel (1738-1822), que, em 1800, com  o auxílio de um prisma e de um termómetro, numa experiência semelhante à de Newton, detectou uma radiação com comprimentos de onda maiores do que os do vermelho à qual chamou “raios caloríficos”, uma vez que o termómetro assinalava na zona infravermelha do espectro uma temperatura maior do que a da vizinhança. A radiação ultravioleta foi descoberta um ano depois pelo físico e químico alemão Johann Wilhelm Ritter (1776-1810), que notou o escurecimento do cloreto de prata colocada na zona para além do violeta, isto é, na região onde existe luz com comprimentos de onda menores que os da luz de cor violeta: chamou-lhes “raios oxidantes” para enfatizar a sua reactividade química. Como o comprimento de onda é um número que varia continuamente, deduziu-se que existe luz de todos os comprimentos de onda, quer dizer, de todas as cores, entre o vermelho e o ultravioleta. Depois de Maxwell, descobriram-se outras luzes invisíveis, como, do lado do vermelho, as ondas de rádio e as microondas (em 1886, pelo físico alemão Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894),  e, do lado do violeta, os raios X (em 1895. pelo físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen, 1845-1923) e os raios gama (em 1900, pelo físico francês Paul Ulrich Villard, 1860-1934). Podemos dizer que o século XIX foi o século da radiação invisível, tendo começado com as descobertas das radiações infravermelha e ultravioleta e encerrado com a descoberta da radiação gama: Aprendemos no século XX, com o desenvolvimento da teoria atómica e nuclear, que a maior parte da luz vem de transições electrónicas nos átomos, moléculas e sólidos, mas que a radiação gama vem necessariamente dos núcleos atómicos. No século XX foram aperfeiçoados os processos de captação da luz proveniente das estrelas: esses astros já se viam com luz visível, usando os chamados telescópios  ópticos, mas passaram a ser vistos também com luz invisível, infravermelha, rádio e microondas (radiotelescópios), raios X e raios gama. Os telescópios de raios ultravioletas, de raios X e de raios gama têm de ser colocados em satélites em órbita, pois a atmosfera bloqueia as radiações de comprimentos de onda inferiores ao violeta, ditas ionizantes, que são prejudiciais para a vida (se não existisse a atmosfera, a vida também existiria na Terra tal como a conhecemos, baseada no código genético que reside no  ADN).

O nosso olho é cego para toda a luz com comprimentos de onda que não estejam compreendidos entre os que correspondem ao vermelho e ao violeta. Existe pouca variação na espécie humana na capacidade de captação de luz visível. É, porém, curioso que, num ambiente escuro, se realize uma rápida adaptação do olho para poder ver mais um pouco ao lado do vermelho. Não podemos ver ultravioleta, pois o próprio globo ocular está feito para não deixar passar essa radiação mais energética e, por isso, mais perigosa. De resto a atmosfera terrestre defende-nos dos raios ultravioletas do Sol através da camada de ozono.  Situações raras de visão do normalmente invisível ocorrem em doentes que foram sujeitos a cirurgia das cataratas. Um caso é o do pintor impressionista francês Claude Monet (1840-1926), que fez uma cirurgia desse tipo em 1923, e que passou a pintar com cores algo diferentes, designadamente com os azuis mais vivos. Provavelmente passou a ter parcialmente visão ultravioleta.

O Sol emite luz de todos os comprimentos de onda mas tem um pico pronunciado, atendendo à temperatura de 6000 kelvins à sua superfície, precisamente no meio da faixa de luz visível. A luz do Sol é branca por se tratar de mistura de todas as cores. É evidente que nos adaptámos ao longo do lento percurso de evolução biológica para captar ao máximo a luz que a nossa estrela emite ao máximo. Se acaso tivéssemos vivido nas vizinhanças de uma estrela que emitisse principalmente luz infravermelha, muito provavelmente os nossos olhos seriam semelhantes a câmaras de infravermelhos, capazes de ver no escuro. Não vemos da Terra o disco do Sol branco, porque a atmosfera capta uma parte da luz que nela incide, mas os astronautas em órbita na Estação Espacial Internacional vêem o Sol como um disco de uma brancura muito intensa.

Preferimos a luz branca para trabalhar e uma lâmpada, imita embora de um modo imperfeito, a luz do Sol: as lâmpadas de incandescência foram substituídas na iluminação por lâmpadas fluorescentes compactas e estas estão a ser substituídas por lâmpadas LED, que são muito mais eficientes e duradouras. Hoje dispomos de lasers, com imensas aplicações, que emitem luz com um comprimento de onda bem determinado, que tanto pode pertencer ao visível como ao invisível (os primeiros lasers foram de microondas, mas já há, por exemplo, lasers de infravermelhos, ultravioletas e raios X, embora ainda não haja lasers de raios gama)

Visão humana

No ambiente do nosso planeta, os nossos olhos adaptaram-se lentamente, no caminho de evolução biológica, a distinguir as cores. Os olhos não passam de câmaras fotográficas naturais, existindo no globo ocular uma lente (cristalino, mesmo atrás da pupila, protegido pela córnea) e uma película fotográfica (a retina,  a membrana mais interna do olho, na qual se forma uma imagem invertida). Os responsáveis pela percepção cromática são células situadas na retina chamadas cones e bastonetes. Estes não passam de fotoreceptores ou sensores de luz, que convertem a luz que, entra pelos olhos, em corrente eléctrica pouco intensa, que é conduzida ao cérebro, onde o sinal emitido é descodificado. Os cones, em número de seis milhões em cada olho, são de três tipos. Cada um deles capta melhor cada uma das três cores básicas – o vermelho (559 nanómetros ou L de long, longo), o verde (531 nanómetros, ou M, de medium, médio) e o azul (419 nanómetros, ou S, de short, curto) – com as quais se podem criar todas as outras. Por outro lado, os bastonetes, centrados no verde, são capazes de captar luz muito menos intensa: são por isso os sensores da visão nocturna. Como, ao contrário dos cones, os bastonetes, em número muito maior do que os cones (são cerca de 120 milhões!), se podem situar na periferia, eles revelam-se grandes meios da visão periférica. Diz o povo que "de noite todos os gatos são pardos" uma vez que só os conseguimos ver com a ajuda dos bastonetes, que não permitem grande discriminação cromática.

No conjunto dos nossos dois olhos existem, portanto,  cerca de 250 milhões de sensores (basta somar o número de cones com o número de bastonetes nos dois olhos). Esse valor corresponde a 250 megapixels, uma resolução muito superior à de uma moderna câmara digital que consegue, se for boa qualidade, apenas uns 18 megapixels. Ainda por cima, a nossa vista possui mecanismos naturais de interpolação entre os pixels, semelhantes aos que algumas câmaras utilizam com base em algoritmos desenvolvidos pelo homem.

O daltonismo de algumas pessoas, isto é, à “cegueira” a algumas cores, deve-se a diminuição do número ou deficiência de funcionamento de alguns cones. Essas pessoas não conseguem distinguir algumas cores, principalmente o verde e o vermelho. Com o azul não há,  por via de regra, problemas. O daltonismo, que abrange cerca de oito por cento dos homens (alguns não têm consciência do defeito embora existam testes simples para o diagnosticar, constituídos por padrões de círculos de diferentes cores) mas apenas 0,4 por cento das mulheres. Trata-se de um defeito genético, associado ao cromossoma X, um cromossoma que surge sozinho nos homens (XY) mas emparelhado nas mulheres (XX), que é incurável. Existem vários tipos de daltonismo, pois os cones podem estar afectados, no seu número ou no seu funcionamento, de várias maneiras. Claro que a proveniência genética do daltonismo era completamente desconhecida no século XIX, quando o químico, meteorologista e físico inglês John Dalton (1766-1844), percursor da teoria atómica, estudou a anormalidade que detectou nele próprio. Modernamente foi possível fazer um exame genético de células de Dalton que confirmaram, sem margem para dúvida, o seu daltonismo, esclarecendo até o respectivo tipo.

O defeito extremo de visão consiste na cegueira completa à variedade de cores. Acontece quando os cones ou não existem ou não funcionam. As pessoas ditas monocromatas (vêem basicamente em tons de cinzento) só vêem tipicamente com os bastonetes. Não passam de 0,003 por cento da população, isto é, uma em cada 30000 pessoas. O neurocientista, médico e escritor inglês Oliver Sacks (1933-2015), no seu livro A Ilha das Pessoas sem Cor, falou deste tipo de defeito de visão, referindo o caso de uma atol da Polinésia, onde 5% dos habitantes estão afectados. Mas, embora muito incomuns na espécie humana, existem monocromatas atípicos, que só vêem com um tipo de cones. De resto, podem faltar ou falhar um dos três tipos de cones (vermelhos, verdes e azuis), dizendo-se as pessoas dicromatas.

A cor cuja percepção surge no cérebro, resulta de três factores: a fonte de luz, o objecto que reflecte ou difunde parte da luz que recebe (a ocorrência de reflexão ou difusão depende da regularidade da superfície do objecto, ocorrendo normalmente os dois tipos de fenómenos, com prevalência de um) e os nossos olhos, que podem ver melhor ou pior as cores. É óbvio que vemos hoje uma pintura num museu, iluminada por luz artificial, com cores diferentes das que foram vistas pelo seu autor ou pelos seus primeiros espectadores, que dispunham de outro tipo de iluminação. E, como as pessoas não vêem de uma forma exactamente igual, cada quadro proporciona uma experiência estética diferente a cada observador. Não só a percepção da cor é diferente na retina, mas também o processamento cerebral é diferente. Quando, através do nervo óptico, o sinal eléctrico contendo informação sobre a luz chega ao cérebro, a sensação de cor emergente é necessariamente subjectiva. São conhecidos casos muito interessantes de sinestesia, isto é, junção de sensações, por exemplo aparecimento de sensações de sons motivada por estímulos visuais. O poeta francês Arthur Rimbaud (1854-1891) fala, em versos, das cores das vogais: “A negro, E branco, I rubro, U verde, O azul, vogais, / Ainda desvendarei seus mistérios latentes.”(soneto “Vogais”, de 1871). Independentemente das patologias, sempre curiosas, o facto é que a nossa percepção das cores tem um lado eminentemente cultural, pois sempre associámos cores a factos e sentimentos. Há uma história cultural das cores.

Visão animal

Os outros animais também vêem cores, como pode ser facilmente verificado por testes simples, mas, em geral, não possuem os três tipos de cones de que somos dotados e que  permitem, nas pessoas sem defeitos, ver cerca de um milhão de cores. De facto, só alguns animais têm uma visão semelhante à nossa: o grupo mais óbvio é formado por alguns primatas, que são como nós tricromáticos. Mas nem todos os primatas são tricromáticos. A evolução conduziu a desenvolvimentos separados: muitos macacos do Novo Mundo só têm visão dicromática, porque seguiram uma linha evolutiva diferenciada. Os cangurus e as abelhas também têm uma visão tricromática, embora o caso das abelhas seja muito particular, pois elas não vêem o vermelho, tal como nós, vendo  antes  o ultravioleta, conseguindo por isso localizar o Sol no céu, mesmo num dia de espessa névoa. A visão do ultravioleta não é exclusiva das abelhas, sendo própria de outros insectos e até de outras ordens (os peixinhos dourados conseguem ver o ultravioleta).

A esmagadora maioria dos mamíferos não  primatas têm visão dicromática: não conseguem distinguir entre o vermelho e o verde, isto é, são daltónicos como alguns humanos. E existem mamíferos de visão monocromática como alguns animais marinhos: é o caso das baleias, que vivem no mar alto e que por isso não necessitam de um sentido da cor. Mas muitos animais têm mais tipos de cones do que os seres humanos: várias espécies de répteis, anfíbios, peixes, aves e insectos têm maior capacidade de reconhecimento de cores do que os humanos pois a sua visão é tetracromática. Alguns insectos – como certas espécies de borboletas – e algumas aves – como provavelmente os pombos – são mesmo pentacromáticos, Como dispõem de cinco tipos de cones, o mundo é, para eles, bem mais colorido do que para nós: uma espécie pentacromática poderá, pelo menos em princípio, distinguir até dez mil milhões de cores.

O caso mais extremo de capacidade de visão cromática conhecido no mundo animal é constituído por estomatópodes (chamadas lacraias do mar, no Brasil), que são crustáceos marinhos que captam de um modo muito eficaz as suas presas (camarões, caranguejos, pequenos peixes, etc.)  graças ao seu muito apurado sentido da visão. Têm 16 tipos de cones, 12 tipos de cones sensíveis à luz e 4 .tipos que filtram a luz permitindo detectar luz polarizada, isto é, luz com um plano de vibração do campo electromagnético bem definido).  Esses animais conseguem ver luz ultravioleta, mas não é ainda claro se conseguem ver luz infravermelha (tal como algumas serpentes, com visão nocturna).

História evolutiva

Os mecanismos evolutivos para se conseguir ver melhor certas cores tiveram, em geral, a ver com a captura de alimentos. Uma boa visão da cor vermelha foi muito útil para os nossos antepassados pré-históricos para apanharem  frutos dessa cor, ao passo que, para as abelhas, que não a vêem foi muito útil a visão do ultravioleta na polinização que fazem de campos de flores (não é preciso verem o vermelho, pois não há muitas flores vermelhas). Tal como para as abelhas, a visão ultravioleta é também muito útil para algumas aves.

As aves são, entre todos os animais, aqueles que têm maior capacidade visual, no discernimento tanto de formas como de cores. Fala-se em “olho de águia”: este é quatro a oito vezes mais capaz do que o olho humano. A extraordinária visão dessas aves  tem a ver com a variedade de cones (o grau de cromatismo), com o número de cones e bastonetes (o  número de megapixels) e, evidentemente, com o tamanho e a sofisticação dos restantes componentes ópticas do olho, uma vez que, para se obter uma boa fotografia, importam não só os sensores mas também as lentes, assim como os dispositivos de controlo destas. Uma águia ou um falcão são aves da rapina: conseguem ver um minúsculo rato num prado quando estão a voar a mais de um quilómetro de altitude, já que o tamanho dos seus globos oculares é enorme comparado com o tamanho do seu corpo e dispõem de bons sistemas de focagem durante o voo.  Também se fala do “olho de lince”, que é equivalente a “olho de águia”. Esses felinos são, de facto, animais com capacidade visual muito desenvolvida, mas a expressão “olho de lince” pode ter mais a ver com a capacidade de visão sobrenatural atribuída a esse animal pela mitologia grega (esse aspecto ressalta na origem do nome Accademia dei Lincei, a primeira academia científica, da qual o físico italiano Galileu Galilei, 1564-1642, foi membro). Tanto no ar como na terra, a visão foi evoluindo ao longo de milhões de anos no mundo animal para que cada espécie conseguisse encontrar mais facilmente os seus alimentos e, além disso, pudesse ver as suas presas sem ser visto pelos seus eventuais predadores, garantindo assim a sua sobrevivência. A visão das cores, em particular nos pássaros, desempenha também um papel na selecção sexual.

A história evolutiva que conduziu à visão da cor no mundo animal é extraordinária, ainda encerrando bastantes enigmas. A variedade de situações é enorme, porque há toda uma variedade de histórias genéticas. Um antepassado muito remoto dos primatas deve ter sido tetracromático, mas, a certa altura, no tempo dos dinossauros (que viveram entre o Triásico, há 231 milhões de anos, e o Cretácico, há 66 milhões de anos), os antepassados dos actuais mamíferos perderam, por uma mutação (modificação ocasional do DNA no processo de duplicação), uma boa parte da visão da cor, ao ficar só com dois dos quatro cones existentes. Os primatas readquiriram no Terciário Inferior, há mais de vinte milhões de anos, alguma da sua capacidade de ver a cor, graças a um fenómeno chamado duplicação de genes (mecanismo de duplicação de uma região do ADN que contém um gene). Paleontólogos, geneticistas, biólogos, físicos e químicos trabalham hoje em conjunto para esclarecer os mistérios que permanecem acerca da origem da fantástica capacidade de os animais verem o mundo colorido. Apesar de restar ainda muito por esclarecer, todos os avanços têm corroborado  a teoria do grande naturalista inglês Charles Darwin (1809-1882), segunda a qual, após a diferenciação que define uma nova espécie, é crucial a adaptação ao meio ambiente.

REFERÊNCIAS

Indicam-se algumas obras, tanto científicas como de divulgação científica, que permitem aprofundar as matérias aqui brevemente expostas. Segue-se a ordem em cada secção. alfabética

Sobre a física da cor:

 - Mota, Paulo Gama (coord.), Museu da Ciência, Luz e Matéria, Coimbra: Universidade de Coimbra, 2006.
 - Tito de Mendonça, José, Uma Biografia da Luz: A triste história do fotão cansado, Lisboa: Gradiva, 2015.
 - Weiss, Richard Weiss, A Brief History of Light and Those that Lit the Way, Singapore: World Scientific, 1996.
 - Wyszecki, Günther and Stiles, W. S.. Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae (2nd ed.). New York: Wiley Series in Pure and Applied Optic, 2000.

 Sobre a visão humana:

 - Bucklow, Spike, Red: The Art and Science of a Colour, London: Reaktion Books, 2016~
  - Ecksut, Joann and Ecksut, Arielle, Secret Language of Color: Science, Nature, History, Culture, Beauty of Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Violet, New York, Black Do; Leventhal, 2013
 - Ings, Simon, A Natural History of Seeing: The Art and Science of Vision, New York and London: W. W. Norton & Company, 2008.
 - Kernell, Daniel, Color and Color vision, An Introductory Survey, Cambridge: Cambridge University Press, 2016.
 - Palmer, Stephen E., Vision Science: Photons to Phenomenology, Cambridge, Mass.:The MIT Press; 1999.
 - Rameau, Henri, Os Olhos e a Visão, Lisboa: Estúdios Cor, 1971.
 - Sacks, Oliver, A Ilha sem Cor, Lisboa: Relógio d’Água, 2008.
 - Vavilov, Sergei Ivanovitch, Os Olhos e o Sol, Lisboa: Arcádia, 1963.

 Sobre a visão animal e a história evolutiva:
 - Ali,Mohamed Ather and Klyne, M. A.. Vision in Vertebrates. New York: Plenum Press, 1985. 
- Bischof, Hans-Joachim and Zeigler, H. Philip, eds. Vision, brain, and behavior in birds. Cambridge, Mass.: MIT Press, 1993.
 - Darwin, Charles, A Origem das Espécies, Oeiras: Lello Editores, 2010.
 - Johnsen, Sönke, The Optics of Life: A Biologist's Guide to Light in Nature, Princeton: Princeton University Press, 2011.
 - Hubel, David H., Eye, brain and vision, New York: Scientific Amarican Library, 1988
 - Land, Michael F., and Nilsson, Dan-Eric, Animal Eyes, Oxford: Oxford University Press, 2002.

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