¿Cómo modificar el ojo humano para ver en las bandas ultravioleta e infrarroja?

Esta es una respuesta complicada porque la percepción se crea en múltiples puntos de la cadena óptica, comenzando con la lente (que está ligeramente coloreada y, por lo tanto, filtra activamente los rayos UV y los violetas) hasta los nervios ópticos (que son sensibles a tres picos principales del espectro EM visible ). ) y finalmente al cerebro que percibe y traduce los impulsos nerviosos en algo que reconocemos, como seres sintientes, como colores.

Entonces, la respuesta a la pregunta tiene tanto que ver con la biología de los órganos del ser como con la neurociencia del cerebro. Si estamos hablando solo del ojo humano, entonces tendríamos que hacer cambios en la biología y las respuestas del nervio óptico.

Primero, los humanos solo poseen tres receptores de color únicos... Pero las mariposas tienen Más

Si desea que el ojo humano perciba las longitudes de onda por debajo del espectro EM visible, deberá reasignar al menos uno de los conos para generar un estímulo de respuesta en esas longitudes de onda, y deberá definir qué tan amplio desea que el respuesta ser. Luego, para percibir la radiación EM por encima del espectro visible, tendrá que asignar otro cono para que sea sensible a ese rango y definir qué tan sensible es (cuanto menor sea el rango de longitud de onda que detecta, más sensible es, pero menos ve en general).

Aquí hay otra imagen que muestra la (sensibilidad del cono humano no normalizado a las longitudes de onda de radiación EM):

Por lo tanto, es posible que deba deslizar los conos azules a UV y los rojos y verdes a IR. O bien, podría ponerlos todos en UV, o en IR, y aún así poder definir un conjunto de colores falsos generados por los nervios receptores del cono rojo-verde-azul (RGB) del ojo humano que viven completamente en el IR o UV bandas del espectro EM. La imagen resultante, registrada por el ojo, aún se vería a todo color, pero dado que los rangos de respuesta serán muy diferentes, no se sabe cómo se verá la imagen final.

Es muy posible que esto sea lo que vería el ojo humano, al mirar nuestro propio sol, si los receptores del cono fueran sensibles a las longitudes de onda en los rangos de rayos X y UV:

Aquí hay uno del sol usando SOLO sensibilidad UV. Esto parece favorecer al receptor de cono azul que domina la sensibilidad visible:

Pero, ¿y las mariposas?

Entonces, la razón por la que las mariposas son interesantes para esta discusión es que su óptica admite ver de siete a diez bandas de colores únicas, donde los humanos viejos solo vemos tres (aunque se superponen en algunos puntos). Si está discutiendo cambios en el ojo humano, puede considerar agregar algunos receptores de cono más que son sensibles a diferentes longitudes de onda. ¿Por qué?...

En segundo lugar, los rangos de IR y UV en el espectro EM son muy grandes...

Echa un vistazo a esta imagen, verás cuán sensibles son los ojos humanos a rangos muy estrechos de todo el espectro electromagnético. Las bandas completas de UV e IR, combinadas, tienen aproximadamente 10 veces el tamaño de la estrecha banda de luz visible.

Entonces, para poder ver todo el espectro IR, o todo el espectro UV, y aún así tener suficiente sensibilidad a cambios menores en la respuesta de las fluctuaciones de longitud de onda, necesitará ojos que tengan más conos . Como pieris rapae:

¿Imagina todos esos conos repartidos en el rango IR? Podría necesitar algunos más.

La nada en el medio...

Sus ojos no registrarán una respuesta y, por lo tanto, no dispararán un nervio, hasta que estén excitados por la frecuencia de EM a la que están sintonizados. Entonces, si su ojo hipotético es sensible a IR y UV, pero no a la luz visible en el medio, entonces esas áreas que emiten SOLAMENTE luz visible aparecerán negras; no habrán excitado los receptores en los ojos y, por lo tanto, no se enviará ninguna señal al cerebro. El concepto es similar a nuestros ojos ahora. Si cerramos los ojos o apagamos las luces, entonces todo parece negro. Ahora, haga esto en una habitación con una luz IR (emisor), sigue siendo el mismo efecto. Tus ojos no harán seenada ya que no están programados para excitar una respuesta cuando son bombardeados por esa longitud de onda. Sí, la radiación EM sigue llegando a tus ojos, pero los receptores no la registran, por lo que tu cerebro no lo hace.

Hay una serie de cuestiones aquí.

Resolución

Ok, digamos que creas un nuevo tipo de cono que es sensible a los rayos UV . ¿Dónde lo vas a poner? La retina ya está repleta de conos, por lo que debe quitar otros conos para que se ajusten a los nuevos conos. Entonces, sus muchachos pueden ver los rayos UV, pero su sensibilidad a uno o más canales de color empeora.

Ahora, si estos son cibernéticos o similares, potencialmente podría miniaturizar los conos nuevos y los conos viejos y resolver este problema. Tal vez incluso les dé a sus muchachos una mejor resolución de lo normal.

Otro problema es que las bandas IR no son físicamente capaces de generar imágenes de alta resolución en relación con la luz visible. Cuanto más profundo en IR, peor se vuelve la imagen. Por otro lado, UV obtiene una mejor resolución hasta cierto punto.

Luz utilizable

La luz del sol genera una gran cantidad de IR cercano, pero disminuye exponencialmente, por lo que se reduce al 12% (más o menos) en el rango de 1500 nm.

Puede usar longitudes de onda más largas, pero necesitaría que los conos fueran muy sensibles en esa banda. Tal vez podría centrar la sensibilidad del cono en IR profundo con caída exponencial lejos del pico. La ganancia exponencial de la luz solar hacia el infrarrojo cercano se vería compensada por la disminución exponencial de la sensibilidad del cono, lo que podría brindarle una buena visión con poca luz en un amplio espectro.

Si va a IR lejano (8-15 µm, 8000 a 15000 nm), podrá ver objetos a temperatura ambiente , aunque eso incluye su propio globo ocular, lo que podría volverse incómodo. Es probable que necesite algún tipo de sistema de enfriamiento especial para mantener la lente, la retina, etc. más fría que lo que sea que esté tratando de mirar. No estoy seguro de cuán viable es un sistema de enfriamiento de este tipo con la biología, aunque es perfectamente plausible con la cibernética.

En el otro extremo, tenga en cuenta que la atmósfera absorbe los rayos UV lejanos y los daña a nivel molecular, por lo que existe una limitación física sobre la profundidad de los rayos UV (200-300 nm).

Espacio de color

Hay un par de maneras de hacer esto. Primero, puede reemplazar los conos rojo/azul existentes con conos nuevos que tengan una curva de respuesta más amplia. Así que ahora un objeto que refleja IR se vuelve rojo, o más rojo que antes. Lo mismo se aplica a los objetos UV que se ven azules o violetas (dependiendo de los conos que altere para la respuesta UV). Potencialmente, podría reemplazar solo un cono (digamos verde) con una respuesta realmente amplia en ambos extremos, pero no estoy seguro de que sea beneficioso.

En segundo lugar, puede agregar nuevos conos en los nuevos rangos. Esto le brinda un control mucho mejor sobre qué espectro puede cubrir, y probablemente le brinde una mejor absorción de la luz (la mayoría de los materiales son malos para absorber una amplia gama de longitudes de onda para efectos fotoeléctricos , aunque las células de unión múltiple podrían ayudar aquí).

Ahora, hay dos subopciones aquí. La forma más sencilla es unir estos nuevos conos a las salidas nerviosas existentes. Entonces verías IR como rojo, UV como azul, como antes. (O IR como azul y UV como verde, o lo que sea que haga flotar su bote. Nuevamente, no estoy seguro de que haya alguna razón particular para hacerlo, pero es posible que descubra que ayuda a la visión nocturna o algo así).

La otra opción es generar nuevas señales nerviosas. Esto también requiere volver a cablear el cerebro para aceptar estas nuevas señales. Obviamente, es posible, pero no tengo idea de lo difícil que sería, o si razonablemente podría hacerse en un adulto.

Sin embargo, si funcionara, la persona tendría un espacio de color mucho mayor. La diferencia entre rojo e IR sería descaradamente obvia para estas personas, junto con la diferencia entre azul/violeta y UV. También habría una diferencia para ellos entre verde y verde con IR, o verde con UV, o verde con IR y UV.

Habría 1 color nulo (negro "verdadero"), 5 colores primarios (uno para cada cono), 10 colores secundarios (cada combinación de dos conos), 10 colores terciarios (cada combinación de tres conos, que también es la combinación de ausencias de conos), 5 colores cuaternarios (cada combinación de cuatro conos, o ausencia de 1 cono), y 1 color todo (blanco "verdadero"). Además de todos los trillones de colores intermedios. Me tomé la libertad de nombrarlos y pensar en pronunciaciones tentativas. Esas no son convenciones de nomenclatura estándar ANSI ni nada.

Los detalles de qué objetos del mundo real se traducen a qué colores pentacromáticos dependen mucho de las curvas de respuesta exactas que utilice. Además, es posible mover los conos existentes para que el "rojo" de tus muchachos no se corresponda con el rojo normal.

Por ejemplo, podría hacer que IR equivalga a IR lejano, Rojo equivalga a IR cercano, Verde equivalga a rojo/verde, Azul equivalga a verde/azul y UV equivalga a UV. Esto le da un rango espectral realmente amplio, pero pierde mucha respuesta de color humana. Para la gente normal, parecerías daltónico rojo-verde.

Para ampliar la respuesta de JDlugosz sobre la percepción de la rueda de colores, con la suposición MUY importante de que estos humanos modificados nacen con una vista mejorada, creo que sus humanos modificados perderán la capacidad de percibir el color rosa .

El color rosa es lo que tu mente llama la unión de ambos extremos del espectro visible. Por eso el rosa está entre el rojo y el violeta en el círculo cromático. Si tomara el espectro rectangular en la excelente respuesta de Andrew y lo envolviera de extremo a extremo, el rosa estaría en esa unión.

Si tomara el espectro mejorado y lo envolviera de extremo a extremo, obtendría un nuevo color en el punto donde se encuentran el infrarrojo y el ultravioleta.

Llamo a este color transpink .

¿Qué pasa con el viejo rosa? No estoy seguro, pero me imagino que sería como el color que ves cuando mezclas dos tonos de un color. Tal vez el rosa se vuelve verde, en una forma interesante de daltonismo.

Buscando

Al mirar un arcoíris, su gente verá colores adicionales arriba y abajo, rojo y violeta. Estos serán infrarrojos y ultravioleta. El cielo del mediodía, si recuerdo bien mi Dispersión de Rayleigh , será de un tono violeta. Y las puestas de sol tendrán cantidades perversas de infrarrojos en ellas.

personas que usan protector solar

Para alguien con visión mejorada, el protector solar es pintura facial . No estoy seguro de cómo funciona con precisión el protector solar: absorbe los rayos UV o los refleja. De cualquier manera, cambiará el 'color' de las caras de las personas, ya que una cara sin protección solar reflejará una parte del espectro UV. El protector solar cambiará eso.

Ya hay personas que pueden ver parte del espectro UV. Estas longitudes de onda normalmente están excluidas por la lente, no debido a la falta de sensibilidad de los conos. Si la lente está ausente (y reemplazada por una lente artificial), la luz ultravioleta se vuelve visible.

Aquí hay una descripción bastante detallada de alguien que se sometió a una cirugía de cataratas y ahora puede ver un espectro de luz más amplio de lo normal.

Especialmente relevantes para la pregunta son las imágenes que se supone que simulan cómo ciertas cosas se ven ahora para este tipo.

Vamos con la idea de modificar el pigmento en los conos del ojo. Esto tiene cierta base en la tecnología actual. Con algo de terapia génica, han podido revertir el daltonismo en monos ( artículo en National Geographic ).

Por lo tanto, cambie el pigmento en las celdas cónicas para que el azul se vea en el UV cercano y el rojo en el IR cercano. Posiblemente podría encontrar esos genes en colibríes para el pigmento UV. IR es más difícil porque la longitud de onda es más larga y la energía es más baja. Resulta que los peces dorados pueden ver los rayos UV y lo hacen un poco mejor que nosotros en rojo . IR es difícil para los ojos porque la luz tiene una longitud de onda tan larga y menos energía.

Si observa un viejo anuncio de película pancromática , los colores rojos son más difíciles de hacer para una película sensible. Esta es también la razón por la cual la película IR también es más difícil. Vamos con el "podemos superar eso".

Ya que mencioné el cine, esto plantea un punto importante. Y este no es tan fácil de superar.

La visión de todo lo que no sea verde será borrosa. O, alternativamente, todo lo que no sea una parte del espectro de visión será borroso.

Con la película, debe ajustar el enfoque para la luz IR.

Ese punto rojo es donde se enfoca el IR. La línea roja es donde se enfoca la luz visible. Si está mirando algo que está a 7 metros de distancia, algo que está a 10 metros de distancia se verá borroso en IR. Esto se debe a la aberración cromática que se obtiene con una lente simple (como las que tenemos en los ojos).

Un ejemplo de esto:

El de arriba está enfocado correctamente, el de abajo, el azul está desenfocado. Todo se verá así.

Esto se debe a que diferentes longitudes de onda enfocan a diferentes distancias:

Si observa la sensibilidad espectral humana, verá que tratamos de dar cuenta de esto:

El rojo y el verde están muy juntos en longitud de onda y sensibilidad, y enfocamos nuestros ojos en ellos. Como se señala en la hiperfísica , hay algunas cosas divertidas que nuestro cerebro y nuestros ojos hacen con la luz azul:

Los conos "azules" se identifican por el pico de su curva de respuesta a la luz a aproximadamente 445 nm. Son únicos entre los conos en que constituyen solo alrededor del 2% del número total y se encuentran fuera de la fóvea central donde se concentran los conos verde y rojo. Aunque son mucho más sensibles a la luz que los conos verde y rojo, no es suficiente para superar su desventaja en número. Sin embargo, la sensibilidad azul de nuestra percepción visual final es comparable a la del rojo y el verde, lo que sugiere que hay un "amplificador azul" algo selectivo en algún lugar del procesamiento visual en el cerebro.

La percepción visual de objetos intensamente azules es menos distinta que la percepción de objetos de color rojo y verde. Esta reducción de la agudeza se atribuye a dos efectos. En primer lugar, los conos azules están fuera de la fóvea, donde los conos compactos dan la mayor resolución. Toda nuestra visión más distinta proviene de enfocar la luz en la fóvea. En segundo lugar, el índice de refracción de la luz azul es tan diferente del rojo y el verde que cuando están enfocados, el azul está ligeramente desenfocado (aberración cromática). Para ver un ejemplo "extraño" de este efecto de desenfoque en la luz azul, intente ver un holograma con una lámpara de vapor de mercurio. Obtendrá tres imágenes con las líneas dominantes de mercurio verde, naranja y azul, pero la imagen azul se ve menos enfocada que las otras dos.

Entonces, si bien es posible que pueda ver en esas otras partes del espectro, no se enfocará en absoluto y puede ser difícil de usar fuera de un desenfoque alrededor de los objetos verdes (que permanecen dentro del espectro de luz tradicionalmente visible). ).

La forma de la curva de respuesta específica de cada tipo de cono y la naturaleza del procesamiento realizado aguas abajo conducen a la percepción de diferentes colores y qué colores se mezclan entre sí. Tenemos una rueda de color con púrpura completando el círculo: con diferentes sensores, este podría no ser el caso. Puede que no haya "anillo" sino extremos claros, ¡o dos anillos diferentes!

Según el procesamiento, es posible que perciba dos colores simultáneos en lugar de su acorde como un color distinto.

Al agregar (por ejemplo) un sentido UV sin estropear el mecanismo del ojo existente, es posible que vea uv como una superposición distinta y separada, mientras que el púrpura sigue funcionando igual, y uv no se mezcla para formar acordes con otros colores. Dado que estamos discutiendo la modificación de la visión humana (a diferencia de la visión extraterrestre), ese podría ser el caso.

¿Se permiten lentes de contacto de óptica no lineal? (¿O anteojos, en los primeros días de esta tecnología?)

Convertirían hacia arriba o hacia abajo las longitudes de onda ópticas según el voltaje aplicado y posiblemente una frecuencia de "oscilador local" (de un LED UV o IR) al igual que los convertidores de banda de frecuencia en la radioafición, y se apagarían cuando quisieras ver el natural espectro.

Es una tecnología conocida en el laboratorio de física, y aunque eso no prueba que podamos empaquetarla (incluso en vasos voluminosos) hoy, la convierte en una posibilidad hipotética.

Comenzaría con gafas de sol recubiertas de niobato de potasio para cubrir la banda del infrarrojo cercano, mezclando la imagen transmitida con un LED IR interno para producir una imagen azul... obtendrá cobertura UV en la próxima generación.

Hay una manera en la que puedo pensar:

Existe una forma de daltonismo rojo-verde que ocurre debido a una mayor superposición espectral percibida entre el rojo y el verde. En este caso, los dos tienden a sangrar juntos. Hipotéticamente, si pudiera corregir esto, el rojo y el verde aparecerían como colores distintos, ya que habría más espacios entre los dos espectros.

Suponiendo que eso funcione, supongamos que podría corregir en exceso ese problema y hacer que las personas vean parcialmente en el infrarrojo, como pueden hacerlo algunos animales. Esto explicaría el infrarrojo.

http://enchroma.com/tecnologia/

Para el ultravioleta, podría alterar los conos en el ojo para que, en lugar de percibir todo el rango azul, capten aproximadamente la mitad del rango azul y una pequeña porción de ultravioleta. Esta sería una solución extremadamente defectuosa, pero sería una modificación comparativamente simple.