¿Cuál es el potencial biológico para la visión de longitudes de onda fuera del rango visual humano?

Los ojos humanos han evolucionado para percibir la luz solo entre aproximadamente 350-700nm, porque esa forma de luz es la más común en nuestras vidas. Otros animales pueden percibir luces con frecuencias ligeramente diferentes. ¿Pueden los ojos evolucionar teóricamente de manera que puedan observar toda la luz tal como la conocemos hoy? Si no, ¿cuál sería aproximadamente la cantidad máxima de frecuencias que se pueden percibir?

Mmm, interesante pregunta. Creo que hay 2 aspectos. 1: A medida que aumenta el rango de frecuencias, aumenta la entrada de señales, lo que necesita un mejor cerebro. 2: dado que el espectro visible tiene una longitud de onda en el rango de nm pero, por lo demás, como la radio, está en metros a KMS en longitud de onda, creo que las neuronas (u otras células especiales) no podrían actuar como antena, por lo que habrá un límite.
"... aproximadamente 350-700 nm, porque esa forma de luz es la más común en nuestras vidas". Esto no es correcto. Da la casualidad de que evolucionamos para ver en este espectro.
@anongoodnurse ciertamente no es una coincidencia que haya sucedido de esta manera. Estoy en mi teléfono, así que no puedo vincularlo, pero hay gráficos que muestran la cantidad de luz que llega a la tierra. La mayor parte es luz entre 350-700nm. Es crucial para la supervivencia ver el color y, por lo tanto, evolucionamos para verlo.

Respuestas (1)

Existen algunos límites sobre qué luz se puede detectar biológicamente según la física y la química. Aunque hay animales que pueden sentir más UV o más infrarrojos que los humanos, aún están sujetos a estas limitaciones.

Cómo funciona la visión

La forma en que operan la mayoría de los tipos de visión es mediante el uso de fotones para provocar un cambio conformacional en una proteína opsina al influir en un enlace químico en una molécula sensible (un cromóforo, por ejemplo retinal , que cambia de 11-cis a todo-trans) unido a la opsina. Para detectar una determinada longitud de onda de luz utilizando este mecanismo, es necesario que la energía de la luz sea suficiente para provocar este cambio químico en el cromóforo de opsina, sin que sea suficiente energía para destruir la molécula por completo rompiendo un enlace.

Detección de luz de baja energía (longitud de onda larga)

La luz de longitud de onda más larga ("infrarroja") también se conoce como calor. Detectar fotones de "calor" es difícil porque no tienen mucha energía. Por lo tanto, necesita una molécula que sea muy sensible. Resulta que las estrategias de visión basadas en opsina usan cromóforos que son demasiado estables para detectar luz de longitud de onda larga.

Algunas serpientes tienen una sensibilidad particular a los infrarrojos , por ejemplo, la víbora de pozo. Sin embargo, estos animales no "ven" infrarrojos con sus ojos : tienen otro órgano especializado llamado órgano de fosa. El órgano de fosa utiliza receptores que se parecen mucho más a los receptores de calor de la piel que a los fotorreceptores del ojo, pero el órgano de fosa utiliza un efecto de cámara estenopeica para organizar la luz entrante en una membrana sensible al calor muy sensible.

Los humanos, por supuesto, también pueden sentir el infrarrojo, pero de la misma manera: a través de la piel en lugar de los ojos, y en baja resolución. Sin embargo, si te paras afuera bajo el sol y cierras los ojos, probablemente aún puedas "ver" la dirección del sol: ¡un lado de tu cuerpo se sentirá más cálido que el otro! En cierto modo, esto es como una forma de "visión" de baja resolución si desea definir ese término de manera muy amplia. La sensibilidad infrarroja de la serpiente se parece más a esta sensación que a la vista.

Cuando llega a longitudes de onda muy largas, por ejemplo, ondas de radio, la longitud de onda es demasiado larga y de muy baja energía para ser relevante incluso a nivel molecular : estas formas de luz viajarán directamente a través de las células, y los fotones individuales no transportan suficiente energía para influir en las moléculas en formas que pueden ser percibidas por la biología.

Detección de luz de alta energía (longitud de onda corta)

Las longitudes de onda de luz muy cortas tienen el problema opuesto: demasiada energía. La radiación ionizante (del rango ultravioleta superior y más corto) tiene suficiente energía para liberar electrones y crear iones. Este tipo de radiación daña las moléculas biológicas, incluido el ADN, por lo que los organismos tienen muchas buenas razones para evitar este tipo de radiación. La exposición a la radiación de longitud de onda corta también puede causar el blanqueamiento (destrucción permanente) de las moléculas fotosensibles y el calentamiento potencialmente dañino de los pigmentos que rodean el tejido, además de los efectos directos sobre otras moléculas en las células.

Los insectos y otros organismos que pueden ver en el rango UV ven principalmente en el rango UV cercano, >300nm, no muy lejos de nuestro propio rango de visión (correspondiente aproximadamente a "UVA"). Sin embargo, no es cierto que los humanos no puedan ver estas longitudes de onda debido a la falta de sensibilidad de nuestros fotorreceptores: en cambio, la luz ultravioleta es bloqueada (al menos en parte) por la córnea y el cristalino , ¡presumiblemente para proteger la retina del daño!

Los seres humanos y otros organismos tienen cierta sensibilidad a las longitudes de onda UV dañinas, pero no a través de la visión. En cambio, los humanos y otros organismos perciben los rayos UV en función del daño causado dentro de las células, lo que recluta mecanismos de reparación y apoptosis para evitar que el daño provoque cáncer.

Resumen:

Los procesos químicos detrás de la visión determinan el rango de longitudes de onda potenciales que se pueden detectar. Los animales en la tierra pueden tomar muestras de todo este rango. Los mecanismos para detectar longitudes de onda fuera de ese rango requerirían enfoques completamente diferentes, y tal vez incluso una bioquímica única. Los mecanismos tendrían que ser tan diferentes que probablemente no nos referiríamos a esos mecanismos como "visión" (por ejemplo, incluso la sensibilidad infrarroja de la víbora no se considera realmente como visión), pero llegaríamos a un nuevo término, como "sensibilidad a la radio" o "sensibilidad a la radiación", al igual que tenemos diferentes nombres para "escuchar" ondas de presión de frecuencia relativamente alta con los oídos, pero tenemos "sensibilidad a la vibración" para las ondas de presión de baja frecuencia que se sienten a través de la piel .

Una respuesta muy informativa. Sin embargo, ¿es posible que algunas especies puedan desarrollar un proceso de "vista" que no se base en la opsina? Por ejemplo, ¿podría una especie desarrollar una estructura capaz de recibir radio AM? Este artículo ( seas.harvard.edu/news/2016/12/… ) describe una radio muy pequeña que es "biocompatible". Aunque usar "vista" para describir esto no coincidiría muy bien con el significado actual de la palabra.
@Χpẘ Sí, esto es exactamente a lo que me refería en mi resumen: creo que la víbora es un gran ejemplo de un lugar donde coloquialmente podríamos decir visión, pero si busco en Google Scholar "pit viper infrarrojo", la literatura científica en su mayoría si no se refiere exclusivamente a la visión solo entre comillas; los otros términos utilizados son "detección de infrarrojos" o "imágenes de infrarrojos"; es una exageración llamarlo visión porque no es de los ojos.
@Χpẘ Además, en lo que respecta a la biocompatibilidad en el artículo que vinculó, a lo que se refieren es que los diamantes no causan una respuesta alérgica / de cuerpo extraño. Ningún mecanismo biológico conocido puede crear diamantes ni sustituir átomos de carbono individuales en un diamante con nitrógeno.
Sí, pero eso no significa que una evolución no sea posible. Otro ejemplo, IBM ha construido una radio a partir de un nanotubo de carbono. Mirando el futuro desde el punto de vista de la vida más temprana, me atrevería a decir que no era predecible que la vista humana estuviera en el futuro (¡dejando de lado por un momento la cuestión de quién habría estado haciendo predicciones!). El OP dice que "los ojos evolucionan teóricamente", lo cual está bastante mal definido. La "evolución" ni siquiera se limita a la evolución basada en la tierra. La segunda "teoría" podría referirse a una gran cantidad de disciplinas, como la física, la genética, etc. En tercer lugar, el significado de "ojos" probablemente cambiaría.
@Χpẘ Hay "posible" en un sentido de ciencia ficción y "posible" en el sentido de que podría suceder a partir de principios biológicos conocidos. Estoy de acuerdo en que si uno deja atrás la biología conocida en favor de orígenes de vida no terrestres y caminos biológicos completamente diferentes, mucho es "posible", pero en su mayoría pertenece a WorldBuilding.SE, no a Biology.SE.
"principios biológicos conocidos" no incluye principios biológicos desconocidos. Los principios biológicos desconocidos no son ciencia ficción, simplemente no se conocen. No fue hace mucho tiempo (¿75 años?) que la vida que sobrevivía a temperaturas superiores a 100 C habría sido SF. Los organismos radiorresistentes son mucho más comunes de lo que se pensaba antes de Chernóbil. Es un error, en mi opinión, equiparar lo que se sabe con lo que es posible (en sentido real, no SF)