¿Por qué la visión humana está restringida a 400-700 nm?

Respuesta corta
El espectro visible tiene la energía más alta de la luz solar en la superficie de la tierra, lo que explica la ubicación bruta del espectro visible en la vida en la tierra. El rango de frecuencia específico varía según la especie y puede explicarse por las estrategias de supervivencia específicas de la especie.

Antecedentes
Cuando miras el espectro de luz solar en la superficie de la tierra, el espectro visible tiene la mayor intensidad (fig. 1).

^{Irradiación solar. Fuente: Universidad de California .}

Por lo tanto, tiene sentido utilizar el rango de frecuencias que se representa más en la luz solar como punto de partida.

Entonces la pregunta es, ¿por qué los humanos utilizan aproximadamente 400 a 700 nm y no infrarrojos o UV? Eso se puede explicar porque no lo necesitamos. Se ha planteado la hipótesis de que nuestro rango está relacionado con los comportamientos de búsqueda de alimento y nuestro sistema visual es particularmente sensible en el rango de frecuencia de la coloración de las frutas (maduras) , que se cree que fue de gran beneficio para nuestros ancestros homínidos (Osorio & Vorobyev, 1996). ) .

Entonces, ¿por qué los animales extienden su visión a los rayos ultravioleta ? Muchos peces, anfibios, reptiles, aves y algunas especies de mamíferos utilizan la visión ultravioleta. Muchas aves pueden identificar el néctar y las bayas que reflejan los rayos UV, y los plumajes que reflejan los rayos UV en las aves y las escamas en los peces se utilizan para el reconocimiento (Shi y Yokoyama, 2003) . Además, se sabe que algunas especies de artrópodos usan la visión ultravioleta para reducir las distorsiones del reflejo de la luz bajo el agua, como en el camarón mantis que presenta 12 tipos de fotorreceptores (en lugar de cuatro en los humanos) (Thoen et al ., 2014) .

¿Por qué entonces los animales extienden su rango dinámico al infrarrojo ? Un efecto beneficioso notable de la percepción de infrarrojos es la detección del calor corporal . La generación de calor va acompañada de la generación de luz infrarroja. La detección de esta luz emitida es de gran utilidad para depredadores nocturnos, como la serpiente cascabel (Hartline & Newman, 1982) .

<sub>Referencias
- Hartline & Newman, Sci Am (1982); 246 (3): 116-27
- Osorio & Vorobyev, Proc Roc Soc B (1996); 263 (1370)
- Shi y Yokoyama, PNAS (2003); 100 (142003): 8308-13
- Thoen et al., Science (2014); 343 (6169): 411-3</sub>

<sub>Lectura adicional
1. ¿Está calibrada nuestra visión del color para el cielo, la vegetación y la sangre?
2. ¿Hay alguna razón física para que los colores estén ubicados en una banda muy estrecha del espectro EM?</sub>

La mayor parte de la luz del sol en realidad no llega a la superficie de la tierra debido a la atmósfera.

[ fuente ]

Entonces, la luz que llega a la Tierra incluye rayos UV cercanos, visibles, infrarrojos cercanos y una banda de ondas de radio. Ver cualquier otra parte del espectro sería imposible ya que no llega a la tierra.

Usted preguntó por qué solo vemos en el rango de luz visible; esto se debe a la evolución. Las aves, entre otros animales, pueden ver la luz ultravioleta . De hecho, todos los vertebrados tienen el potencial de visión ultravioleta cercana . Los seres humanos, como vertebrados, también tienen fotorreceptores sensibles a los rayos UV . Sin embargo, nuestra lente es opaca a la luz ultravioleta:

[de Clinical Ocular Anatomy and Physiology a través de este sitio web ]

Solo especulando, parecería que la capacidad de ver el UV cercano es una condición ancestral que perdimos en algún momento; o no proporcionó una ventaja significativa (regresión neutral) o hubo alguna ventaja proporcionada por una lente opaca a los rayos UV, ya sea directamente (como protección contra la luz UVB) o indirectamente (a través del antagonismo pleiotrópico).

Por otro lado, los fotorreceptores humanos no pueden detectar la luz IR. Una vez más, este es un producto de la evolución. Estos investigadores plantean la hipótesis de que cuanto más larga es la longitud de onda de la luz detectada, más ruido se produce. Este ruido se debe a la activación de la molécula de pigmento por el calor. O bien, podría ser que eso nunca sucedió. Un fotorreceptor sensible a los infrarrojos podría ser posible, pero la evolución no conduce a una adaptación perfecta. En otras palabras, no hay necesariamente una razón por la cual.

En cuanto a las ondas de radio, tienen una energía demasiado baja para interactuar apreciablemente con la materia, al menos en lo que se refiere a la visión.

no es realmente

Eso es sólo el espectro visible humano .

Los humanos en realidad tienen un espectro reducido en comparación con muchos animales. Los mamíferos en particular tienen un espectro reducido en comparación con los no mamíferos. Los reptiles y las aves tienen 4 tipos de células sensibles al color (conos) y pueden ver en el ultravioleta. Muchos invertebrados pueden ver un espectro aún más amplio. Los mamíferos perdieron dos de estas células. Los mamíferos modernos descienden de los primeros mamíferos que eran nocturnos. Por lo tanto, la visión del color era menos útil. Los primates desarrollaron un tercer cono (una variante mutante de uno de los dos que tenían antes) Los primates hicieron esto porque muchos son frugívoros y el color es excelente para determinar cuándo la fruta está madura.

Esta es mi especulación, pero no hay o hay pocos productos químicos orgánicos que puedan absorber las ondas de radio que tienen longitudes de onda más largas. Los ojos perciben las luces absorbiendo la luz con sustancias químicas orgánicas, pero para detectar longitudes de onda más largas, los ojos pueden necesitar dispositivos más sofisticados como sintonizadores.

Además, la atmósfera absorbe menos de 100 nm de ondas de radio del espacio exterior, por lo que incluso si los ojos pudieran sentir tales ondas de radio, no vería ninguna señal en la tierra.

"Luz visible" es la longitud de onda de la luz que podemos ver, si los seres humanos pudieran ver los rayos UV o IR, esas longitudes de onda se hubieran incluido en la definición de "luz visible". Ahora, nuestro Sol es más brillante en luz amarillo-verde, que (¿adivinas?) Está justo en el medio del espectro de "luz visible". Entonces, la única pregunta que queda es: "¿Por qué solo podemos ver ese espectro corto?" La respuesta es EVOLUCIÓN. La misma razón que nos hizo tener solo 5 dedos en nuestras manos, solo 2 ojos y solo dos riñones. El ancho de banda del "espectro visible" es suficiente para que los seres humanos (como especie) sobrevivan.

Estas longitudes de onda cumplen dos condiciones.

Primero, los fotones de longitud de onda más corta (radiación EM) tienden a ser peligrosos para la biología. Incluso la luz ultravioleta (<350nm) ya puede dañar el ADN. Esto se debe al hecho de que las energías de enlace en las moléculas biológicas tienden a tener valores cercanos a la energía de la radiación EM de longitud de onda corta. Es por esto que las partículas de alta energía se llaman radiación ionizante. Para referencia, consulte este documento . energía de ionización para el ADN estimada en un rango de 4 a 5 eV, que es de 300 a 250 nm.

En segundo lugar, en la mano del espectro de baja energía, el agua absorbe una gran cantidad de radiación IR:

Entonces, como puede ver, lo que vemos, también conocido como espectro visible, se encuentra muy bien en el valle de absorción de agua, pero no se extiende al área de luz ultravioleta intensa que dañará los químicos de su cuerpo.

Ahora, ¿por qué es así? Porque los átomos tienen estas masas y los electrones a su alrededor tienen estas energías. Entonces los enlaces y las interacciones moleculares tienen estos valores.

(En el rango de frecuencias de radio, a diferencia de los rayos UV, no tiene suficiente energía para provocar cambios moleculares significativos, por lo que no puede percibir WiFi)