Como são estes olhos e o que eles veem?

Transcrição

1 Seção 2 Como são estes olhos e o que eles veem? Esta seção é composta por três conjuntos de painéis e aparatos interativos com o objetivo de mostrar os principais tipos de olhos do reino animal, com ênfase no olho em câmara (como o olho humano) e como se forma a imagem neste tipo de olho. Como são estes olhos e o que eles veem? A estrutura de olhos compostos, ocelos e olho em câmara estão associadas aos tipos de imagem que esses olhos veem. Um aparato interativo apresenta detalhes da estrutura de um olho humano. Defeitos da visão Um aparato interativo mostra os pontos no olho humano onde a imagem é formada em olhos normais, míopes e hipermetropes. Lentes de correção podem ser aplicadas pelos visitantes da exposição. Ilusão de óptica As ilusões de óptica são decorrência de tentativas do encéfalo para interpretar as imagens com base em experiências anteriores. Quatro tipos diferentes de ilusões de óptica são apresentados e também três imagens que mostram movimento embora sejam estáticas. 20

2 Como são estes olhos e o que eles veem? Olhos compostos Formados por uma série de unidades, os omatídeos, cada um deles com uma lente. As imagens formadas pelos omatídeos são unidas como em um mosaico. lente um omatídeo cristalino facetas Olho de mosca Como o olho composto vê Ocelos São olhos pequenos e simples que informam ao sistema nervoso sobre a intensidade e a direção da luz, mas não formam imagens. células sensoriais luz células da retina fortes pigmentos fibras nervosas Ocelo de planária Como o ocelo vê Olhos em câmara Possuem células fotossensíveis, cones e bastonetes, que permitem a percepção da luz, a visão de cores e a percepção de profundidade. cristalino nervo óptico Olho humano Como o olho em câmara vê 21

3 Tipos de olhos e o que eles veem olhos compostos - formados por uma série de unidades, os omatídeos, cada um deles com uma lente. As imagens formadas pelos omatídeos são unidas como em um mosaico. As libélulas, por exemplo, possuem mais de 28 mil omatídeos nos olhos. ocelos são olhos pequenos e simples que informam ao sistema nervoso sobre a intensidade e a direção da luz, mas não formam imagens. São compostos por células sensoriais, como no caso da planária, por exemplo, ou por células sensoriais e uma única lente (ocelos de insetos). O olho em câmara tem forma globular e localiza-se numa cavidade óssea e é protegido pelas pálpebras. Em seu interior possui células fotossensíveis, cones e bastonetes, que permitem a percepção consciente de luz, a visão de cores e a percepção de profundidade. Este tipo de olho pode se movimentar por meio de seis músculos a ele ligados. Um mockup representando todas as estruturas do olho humano pode ser manipulado. As partes mais relevantes que possuem relações com os demais painéis da exposição serão tratadas em seguida. A focalização dos raios luminosos As partes principais do sistema de focagem do olho são: a córnea, o cristalino, e a retina. A córnea é um tecido resistente e transparente, em forma de cúpula que cobre a parte frontal do olho (não deve ser confundido com o branco do olho, a esclerótica). A córnea fica em frente da íris (parte colorida do olho). O cristalino é uma estrutura transparente, duplamente convexo, localizado atrás da íris. A retina é formada por células nervosas e revestem o fundo do globo ocular. Ela possui células foto sensíveis que convertem os raios de luz em sinais elétricos que são enviados ao longo do nervo óptico até o cérebro, que então interpreta as imagens. A mácula ou macula lútea (do latim macula, "ponto" + lútea, "amarelo") é um ponto ovalado de cor amarela junto ao centro da retina do olho humano. Tem um diâmetro de cerca 1,5 mm. É na mácula que se encontra a maior densidade de células cone do olho, responsáveis pela visão de cores. Essa alta densidade de cones faz com que a mácula seja o ponto do olho onde enxergamos com a maior clareza e definição. Porém, a grande quantidade de cones traz como consequência uma menor densidade de bastonetes. À noite, quando há pouca luz, os cones não conseguem ser estimulados com tanta eficácia, sendo nossa visão noturna fruto quase exclusivo da ação dos bastonetes. A fóvea ou mancha amarela é a região central da retina do olho humano onde se concentram os cones e onde se forma a imagem que será transmitida ao encéfalo. A Fóvea fica localizada no fundo da retina, ligeiramente para o lado temporal e seu tamanho é de 3mm de largura por 2mm de altura. É nela que há o encontro focal dos raios paralelos que penetram no olho. Fora da fóvea a acuidade visual vai gradativamente perdendo a eficiência, à medida que a concentração de cones, vai reduzindo. Basicamente a fóvea é composta de três tipos de cones: um para a cor vermelha, verde e outro para a azul. O ser humano tem um pequeno ponto cego no olho. Fica localizado no fundo da retina. Está situado ao lado da fóvea e é o ponto que liga a retina ao nervo óptico. Este ponto é desprovido de visão. Em pessoas com visão normal, raios paralelos de luz entram no olho, são refratados (desviados) pela córnea e pelo cristalino e se concentram precisamente na retina, fornecendo uma imagem nítida e clara. 22

4 DEFEITOS DA VISÃO Miopia Hipermetropia A imagem forma-se antes da retina. A imagem forma-se após a retina visão do míope visão do hipermétrope Para corrigir a miopia o foco do olho deve ser estendido com lentes divergentes. Para corrigir a hipermetropia o foco do olho deve ser encurtado com lentes convergentes. 23

5 Disturbios da visão As quatro disturbios oculares mais comuns, ou erros de refração, são a miopia, hipermetropia presbiopia e astigmatismo. Elas não são doenças, mas simplesmente defeitos menores na construção do olho. Os olhos humanos atingem sua forma e tamanho adulto ao redor dos vinte anos. Nesta idade os referidos distúrbios geralmente se estabilizam. O olho míope pode ter uma córnea acentuadamente curva ou um globo ocular mais alongado, ou ambos. Os raios de luz são desviados com maior intensidade (maior refração da luz) e convergem em um ponto na frente da retina. Em outras palavras, os raios luminosos convergem antes de atingir a retina. A partir deste ponto focal dos raios de luz começam a divergir. Por isso, a imagem que atinge a retina é desfocada. Esta imprecisão é chamado um erro refrativo e uma imagem difusa é formada. A visão do miope pode ser corrigida com lentes divergentes. Num olho hipermetrópe a luz não é suficientemente desviada (refratada) pela córnea e cristalino e se concentra (foco) num ponto atrás da retina. As pessoas hipermétropes veem bem objetos distantes, mas a visão de perto é dificultada. O globo ocular dos hipermétropes é mais curto e/ou a capacidade de refração é reduzida. A visão do hipermétrope pode ser corrigida com lentes convergentes. Pessoas com astigmatismo possuem a córnea com curvatura imperfeita. Este erro de estrutura dá às córnea diferentes poderes refratários através de seu comprimento e largura e distorce a visão. Alguns raios de luz se concentram (focam) na frente da retina e outros atrás dela. Como resultado, nunca a retina recebe uma única imagem nítida; a imagem que se obtém é pouco nítida e distorcida. A presbiopia é um defeito óptico que afeta a maioria das pessoas. Como a idade a visão de perto torna-se cada vez mais difícil, pois os olhos tem dificuldade de colocar objetos próximos em foco. 24

6 Ilusão de ÓPTICA O encéfalo processa os sinais recebidos pelo olho. Veja movimento com imagens estáticas Olhe para a imagem e depois para outro ponto próximo a ela. A imagem realmente gira? Você consegue contar os pontos pretos? As duas retas têm o mesmo comprimento? As retas horizontais são paralelas? 25

7 Ilusões de óptica (Wikipedia) O termo Ilusão de óptica se aplica a todas as ilusões que "enganam" o sistema visual humano fazendo-nos ver algo que não está presente ou fazendo-nos ver de um modo errôneo. Algumas ilusões são de caráter fisiológico, outras de caráter cognitivo. Os circuitos neuronais do nosso sistema visual evoluem, por aprendizagem neuronal, para um sistema que faz interpretações muito eficientes das cenas 3D usuais, com base na emergência no nosso cérebro de modelos simplificados que tornam muito rápida e eficiente essa interpretação, mas causam muitas ilusões ópticas em situações fora do comum. A nossa percepção do mundo é em grande parte autoproduzida. Os estímulos visuais não são estáveis: por exemplo, os comprimentos de onda da luz refletida pelas superfícies mudam com as alterações na iluminação. Contudo o cérebro atribui-lhes uma cor constante. Uma mão gesticulando produz uma imagem sempre diferente e, no entanto, o cérebro classifica-a consistentemente como uma mão. O tamanho da imagem de um objeto na retina varia com a sua distância, mas o cérebro consegue perceber qual é o seu «verdadeiro» tamanho. A tarefa do cérebro é extrair as características constantes e invariantes dos objetos a partir da enorme quantidade de informação sempre mutável que recebe. O cérebro pode também deduzir a distância relativa entre dois objetos quando há sobreposição, interposição ou oclusão. Ele pode também deduzir a forma de um objeto a partir das sombras. No entanto, existem vários tipos de ilusões de distância e profundidade que surgem quando esses mecanismos de dedução inconsciente resultam em deduções errôneas. A imagem da retina é a fonte principal de dados que dirige a visão, mas o que nós vemos é uma representação virtual 3D da cena em frente a nós. Não vemos uma imagem física do mundo, vemos objetos. E o mundo físico em si não está separado em objetos. Vemos o mundo de acordo com a maneira como o nosso cérebro o organiza. O processo de ver é um de «completar» o que está em frente a nós com aquilo que o nosso cérebro julga estar vendo. O que vemos não é a imagem na nossa retina - é uma imagem tridimensional criada no cérebro, com base na informação sobre as características que encontramos, mas também com base nas nossas «opiniões» sobre o que estamos vendo. O que vemos é sempre, em certa medida, uma ilusão. A nossa imagem mental do mundo só vagamente tem por base a realidade. Porque a visão é um processo em que a informação que vem dos nossos olhos converge com a que vem das nossas memórias. Os nomes, as cores, as formas usuais e a outra informação sobre as coisas que nós vemos surgem instantaneamente nos nossos circuitos neuronais e influenciam a representação da cena. As propriedades percebidas dos objetos, tais como o brilho, tamanho angular, e cor, são determinadas inconscientemente e não são propriedades físicas reais. As ilusões surgem quando os julgamentos implícitos na análise inconsciente da cena entram em conflito com a análise consciente e raciocinada sobre ela. A interpretação do que vemos no mundo exterior é uma tarefa muito complexa. Já se descobriram mais de 30 áreas diferentes no cérebro usadas para o processamento da visão. Algumas parecem corresponder ao movimento, outras à cor, outras à profundidade (distância) e mesmo à direção de um contorno. E o nosso sistema visual e o nosso cérebro tornam as coisas mais simples do que aquilo que elas são na realidade. E é essa simplificação, que nos permite uma apreensão mais rápida (ainda que imperfeita) da «realidade exterior», que dá origem às ilusões de óptica. 26

8 Uma ilusão de distância O sistema visual «conhece a perspectiva», e isso nos é muito útil para interpretar uma imagem tridimensional. Mas isso gera algumas ilusões, quando numa figura plana há pistas que enganam o sistema visual e o levam erradamente a fazer uma interpretação usando a perspectiva. Em situações usuais, quando o sistema visual detecta linhas que parecem paralelas (embora na imagem da retina não o sejam), usa o seu ângulo para estimar o ângulo do nosso olhar relativamente ao solo. É um mecanismo automático que nos é muito útil. Mas o que se passa é que o sistema visual por vezes o usa erradamente no caso de certas figuras planas. No exemplo acima vemos a linha que está em baixo como sendo mais curta do que a outra. Mas as duas linhas têm exatamente o mesmo tamanho. Isso acontece porque o sistema visual usa o ângulo entre as duas retas laterais para estimar o ângulo do nosso olhar relativamente ao solo. E isso faz com que se pense que a linha de baixo está mais próxima. Ora, se ambas têm a mesma aparência visual e a linha de cima está mais longe, então ela deve ser na realidade mais longa. E é assim mesmo que a vemos. O sistema visual (julgando ser muito esperto) engana-se redondamente. Mas esta é uma «ilusão» que mostra o sucesso do sistema visual na estimativa da perspectiva. A capacidade que ele tem para realizar é aquilo a que se chama a «constância do tamanho» dos objetos. É essa capacidade que faz com que, quando uma pessoa se afasta de nós, não a «sintamos» diminuindo de tamanho. Em outras palavras, existe um mecanismo cerebral que impõe a constância do tamanho dos objetos, como se eliminasse o efeito da perspectiva. E o mecanismo funciona com bastante precisão. Se virmos uma folha de certo tamanho ao longe, desde que a distância não seja exagerada, e tivermos ao nosso lado algumas folhas de vários tamanhos diferentes, sabemos normalmente escolher entre elas a que tem o mesmo tamanho daquela que está longe! O problema é quando esse mecanismo é usado indevidamente. Outro exemplo de ilusão de óptica é o triangulo de Kaniza, um triângulo branco flutuante, que não existe, mas pode ser visto. O encéfalo tem necessidade de ver objetos familiares e tem a tendência de criar uma imagem inteira a partir de elementos individuais. 27

9 Seção 3 Como enxergamos as cores? Como se formam as cores em plantas e animais? Como enxergamos as cores? Esta seção mostra como as cores são formadas do ponto de vista da física e como elas são percebidas e interpretadas pelo encéfalo dos seres vivos. Um aparato interativo mostra as cores primárias e como é possível compor estas cores para obter outras. Como se formam as cores em plantas e animais? Na natureza há dois tipos de cores: estruturais e pigmentares. As cores pigmentares são ocasionadas por moléculas (pigmentos) com capacidade de absorver algumas cores e reemitir outras. As cores das flores são pigmentares. As cores estruturais são ocasionadas por estruturas microscópicas presentes em alguns tecidos biológicos como, por exemplo, asas de borboletas, escamas de cobras e penas de aves. Um conjunto de mock ups explicita que as cores estruturais fazem parte do órgão ou tecido vivo e não podem ser extraídas por solventes como as cores pigmentares. 28

10 Como enxergamos as cores? retina NEURÔNIOS os que formam o nervo óptico transmitem informações da retina para o encéfalo NEURÔNIOS fazem sinapses com cones e bastonetes CONES células fotorreceptoras que detectam as cores primárias BASTONETES células fotorreceptoras que detectam diferentes níveis de luminosidade entrada da luz CÉLULAS PIGMENTADAS bloqueiam a passagem da luz para outras regiões forma movimento profundidade cor nervo óptico retina As alterações elétricas originadas pela absorção da luz são transmitidas pelo nervo óptico até o encéfalo onde são interpretadas e compostas. cor / forma movimento / profundidade 29

11 As células cone O painel mostra que existem três tipos de células cone que são as responsáveis pela visão de cores. As células cone são células fotorreceptoras presentes na retina do olho e responsáveis pela visão de cores; funcionam melhor em luz relativamente brilhante, ao contrário de bastonetes que funcionam melhor com pouca luz. Os cones estão presentes em grande número na fóvea, mas sua concentração se reduz rapidamente para a periferia da retina. A retina do olho humano possui em média 4,5 milhões de cones e 90 milhões de bastonetes. Os seres humanos tem visão tricromática, pois possuem três tipos de cones. O primeiro responde a luz de comprimentos de onda longos (vermelho). O segundo tipo responde mais a luz de comprimento de onda médio, atingindo um máximo de absorção da cor verde. O terceiro tipo responde a luz de comprimento curto, de uma cor azulada. Os três tipos têm picos de comprimentos de onda entre nm, nm, e nm, respectivamente. A diferença entre os sinais recebidos a partir dos três tipos de cones permite que o cérebro perceba todas as cores possíveis. Todos os receptores contem o pigmento fotoopsina, com variações na sua conformação causando diferenças nos comprimentos de onda óptimos absorvidos. A cor amarela, por exemplo, é percebida quando os cones que absorvem comprimentos de onda longos são estimulados ligeiramente mais do que os cones que absorvem comprimentos de onda medianos. As opsinas Os fotopigementos que absorvem luz são denominados opsinas. Eles se localizam na membrana das células cone. A opsina é formada por uma parte proteica, uma cadeia polipeptídica de 348 aminoácidos, e uma parte não proteica, o 11-cis-retinal, derivado da vitamina A. Quando a luz incide no 11-cis-retinal esta molécula é transformada produzindo reações que levam a um impulso nervoso. A opsina dos bastonetes absorve fortemente a luz verde azulada e é responsável pela visão monocromática no escuro. As opsinas das células cone são denominadas fotopsinas, diferem em apenas alguns aminoácidos, o suficiente para que absorvam a luz em comprimentos de onde diferentes. Estes pigmentos são a base da visão a cores. A luz incide na frente da retina onde há fibras nervosas que se juntam formando o nervo óptico. A absorção de luz pelos pigmentos origina alterações elétricas nos cones que são transmitidas por neurônios que compõem o nervo óptico até o encéfalo onde ela é interpretada. A informação óptica passa por várias partes do cérebro em seu caminho até a região occipital do encéfalo, onde uma parte significnte da imagem é avaliada e processada. 30

12 Aparato interativo Como as cores são formadas? Gire cada um dos botões separadamente para perceber as cores primárias. Gire ao mesmo tempo mais de um botão para combinar as cores primárias e compor outras cores. composição das cores = = = 31

13 Cores A cor é uma percepção visual provocada pela ação de um feixe de fótons sobre células especializadas da retina, que transmitem através de informação pré-processada no nervo óptico, impressões para o sistema nervoso. A cor de um material é determinada pelas médias de frequência dos pacotes de onda que as suas moléculas constituintes refletem. Um objeto terá determinada cor se não absorver justamente os raios correspondentes à frequência daquela cor. Assim, um objeto é vermelho se absorve preferencialmente as frequências fora do vermelho. Teoria da cor (Wikipédia) Quando se fala de cor, há que distinguir entre a cor obtida aditivamente (cor luz) ou a cor obtida subtrativamente (cor pigmento). No primeiro caso, chamado de sistema RGB, temos os objetos que emitem luz (monitores, televisão, lanternas, etc) em que a adição de diferentes comprimentos de onda das cores primárias de luz Vermelho + Azul (cobalto) + Verde = Branco. No segundo sistema (subtrativo ou cor pigmento) iremos manchar uma superfície sem pigmentação (branca) misturando-lhe as cores secundárias da luz (também chamadas de primárias em artes plásticas); Ciano + Magenta + Amarelo. Este sistema corresponde ao "CMY" das impressoras e serve para obter cor com pigmentos (tintas e objetos não-emissores de luz). Subtraindo os três pigmentos temos uma matiz de cor muito escura, muitas vezes confundido com o preto. O sistema "CMYK" é utilizado pela industria gráfica nos diversos processos de impressão, como por exemplo: o off-set, e o processo Flexográfico, bastante usado na impressão de etiquetas e embalagens. O "K" da sigla "CMYK" corresponde à cor "Preto" (em inglês, "Black"), sendo que as outras são: C = Cyan (ciano) M = Magenta (rosa) Y = Yellow (amarelo) K = Black (preto) Alguns estudiosos afirmam que a letra "K" é usada para o "Preto" ("Black") como referência a palavra "Key", que em inglês significa "Chave". O "Preto" é considerado como "cor chave" na Industria Gráfica, uma vez que ele é usado para definir detalhes das imagens. Outros afirmam que a letra "K" da palavra "black" foi escolhida pois, a sigla "B" é usada pelo "Blue" = "Azul" do sistema RGB. As cores primárias de luz são as mesmas secundárias de pigmento, tal como as secundárias de luz são as primárias de pigmento. As cores primárias de pigmento combinadas duas a duas, na mesma proporção, geram o seguinte resultado: magenta + amarelo = vermelho amarelo + ciano = verde ciano + magenta = azul cobalto Focos de luz primária combinados dois a dois geram o seguinte resultado: azul cobalto + vermelho = magenta vermelho + verde = amarelo verde + azul cobalto = ciano. 32

14 A principal diferença entre um corpo azul (iluminado por luz branca) e uma fonte emissora azul é de que o pigmento azul absorve o verde e o vermelho refletindo apenas azul enquanto que a fonte emissora de luz azul emite efetivamente apenas azul. Se o objeto fosse iluminado por essa luz ele continuaria a parecer azul. Mas, se pelo contrário, ele fosse iluminado por uma luz amarela (luz Vermelha + Verde) o corpo pareceria negro. Note-se ainda que antes da invenção do prisma e da divisão do espectro da luz branca, nada disto era conhecido, pelo que ainda hoje é ensinado nas nossas escolas que Amarelo/Azul/Vermelho são as cores primárias das quais todas as outras são passíveis de ser fabricadas, o que não é incorreto. As cores percebidas por nossos receptores visuais não correspondem as cores encontradas na Natureza. Na Natureza amarelo, azul e vermelho são as cores de onde todas as outras se originam a partir de suas combinações: amarelo + azul = verde vermelho + amarelo = laranja azul + vermelho = roxo. A combinação de cores primárias formam cores secundárias, que combinadas com cores secundárias formam cores terciárias e assim por diante. 33

15 COMO SE FORMAM AS CORES EM PLANTAS E ANIMAIS? Cores Estruturais A presença de estruturas microscópicas em alguns tecidos biológicos faz com que, de toda a luz incidente nelas, apenas certas cores sejam percebidas. asa de borboleta Escamas da asa ampliadas vezes Escamas ampliadas vezes Escamas ampliadas vezes Cores pigmentares De todas as cores absorvidas pelas moléculas dos pigmentos, apenas algumas são reemitidas. = + Flor contendo pigmento Flor cujo pigmento foi retirado por solvente Solvente contendo o pigmento retirado da flor = + Asa de borboleta com cor estrutural Não há pigmento na asa para ser retirado Solvente sem pigmento 34

16 Cores na natureza Na natureza as cores podem ser pigmentares ou estruturais. As cores pigmentares são geradas pela absorção seletiva de pigmentos, ou seja, eles absorvem alguns comprimentos de onda e refletem outros. A cor vermelha, por exemplo, é gerada por um tipo de pigmento que absorve todos os comprimentos de onda exceto o vermelho. Por isso, o comprimento de onda do vermelho é o único a ser refletido pelo pigmento. Os pigmentos podem ser removidos dos organismos por solventes, nos quais se dissolvem. O painel acima apresenta mock ups da flor de azaleia que possui cor pigmentar. Os pigmentos podem ser retirados por solventes. No caso da cor estrutural, como as asas de borboleta e escamas de cobras, os solventes não removem a cor. A cor estrutural é causada pela interação da luz com estruturas muito dominutas (nanoescala), com geometrias da ordem de grandeza de comprimentos de onda visíveis de luz. A luz que encontra estas estruturas microscópicas está sujeita a fenômenos ópticos, incluindo interferência, efeitos de grade de difração, efeitos de cristal fotônico, e espalhamento de luz. Esses fenômenos levam a reflexão seletiva de determinados comprimentos de onda de luz através de interferência construtiva e destrutiva. Este tipo de coloração é bastante diferente do que podemos considerar cor de absorção eletronica, isto é, a cor derivada da absorção seletiva de comprimentos de onda discretos do espectro visível por electrons temporariamente promovidos a orbitais mais elevadas de energia. Ao contrário de coloração de absorção electronica, a cor estrutural não é uma propriedade do material, mas é antes uma função da geometria de um material. As tonalidades brilhantes encontrados nas penas do pavão são o resultado de disposição periódica de moléculas de melanina e dos espaços de ar numa estrutura bidimensional fotonica. As ondas de luz refletidas por esta estrutura são seletivamente reforçadas e anuladas, em última análise, produzindo aquilo que nossos olhos percebem como uma única cor predominante. Variando-se a periodicidade geométrica destas estruturas de melanina, a cor percebida é muito diferente. Se estas penas foram finamente moídas, a periodicidade da sua nanoestrutura será perdida e um pó essencialmente incolor permaneceria. Tais exemplos de cor estrutural são encontrados em todo o mundo natural, a partir de exoesqueletos de insetos, asas de borboletas, escamas de cobras, pedras de opala, etc. É comum a visuzalização de franjas coloridas na superfície das bolhas de sabão. Estas franjas devem-se à interferência entre os raios de luz refletidos nas duas faces da fina película de líquido que forma a bolha de sabão. Numa parte da bolha, vista de um certo ângulo, a interferência pode intensificar certos comprimentos de onda, ou cores, da luz refletida, enquanto suprime outros comprimentos de onda. A cor vista depende das intensidade relativas dos diferentes comprimentos de onda na luz refletida. Em outras zonas, vistas de outros ângulos, os comprimentos de onda que se reforçam ou se cancelam são outros. A estrutura das franjas de cores depende da espessura da película de líquidos nos diferentes pontos. 35