Como sabemos se os animais podem ver cores? 

Como humanos, somos muito dependentes da visão de cores para entender o mundo ao nosso redor. A cor é uma propriedade da luz. Esta viaja em ondas e a distância entre duas ondas é chamada de comprimento de onda. Percebemos luzes de diferentes comprimentos de onda como tendo cores diferentes; os comprimentos de onda longos parecem avermelhados e os comprimentos de onda curtos parecem azulados (Figura 1). A luz branca se compõe de todos os comprimentos de onda misturados.

É o que vemos quando olhamos para um arco-íris no céu e você mesmo pode demonstrar esse efeito (Figura 1B): se projetar a luz de um CD em uma superfície vazia, verá a luz dividida em cores diferentes, lembrando um arco-íris ou “espectro”. Chamamos a faixa de comprimentos de onda que podemos ver de “luz visível”; esta tem comprimentos de onda de cerca de 400 nm (1nm=10^-9 m), que aparece em violeta, até 700 nm, que aparece em vermelho. A luz fora dessa faixa de comprimentos de onda existe, mas não podemos vê-la [1]. 

Nossos olhos contêm células sensíveis à luz chamadas cones e bastonetes. Tanto os cones quanto os bastonetes respondem à luz, mas têm funções diferentes na visão. Os bastonetes são importantes na penumbra (por exemplo, à noite) porque são altamente sensíveis à luz. No entanto, os bastonetes não podem detectar cores, motivo pelo qual o mundo parece preto e branco à luz da lua. Para ver cores, nós precisamos de cones. Os cones são responsáveis pela visão das cores, mas necessitam de luz forte para funcionar. Os humanos, normalmente, têm três tipos de cones: azul (A), verde (V) e vermelho (Ve). Cada tipo de cone pode detectar uma faixa particular de comprimentos de onda: os cones A respondem mais fortemente à luz que tem um comprimento de onda de cerca de 420 nm, os cones V ao que tem 534 nm  e os cones Ve ao que tem 564 nm [1]. 

Podemos medir a intensidade das respostas dos cones a diferentes comprimentos de onda de luz e traçar algo chamado “curvas de sensibilidade espectral”, como você pode ver no painel esquerdo da Figura 2A. Por exemplo, a sensibilidade espectral do cone A humano atinge o pico em 420 nm, tornando-se zero abaixo de 380 nm e acima de 550 nm. Em outras palavras, um cone A pode responder à luz de 500 nm, mas apenas fracamente. A luz brilhante de 500 nm (verde) produziria a mesma resposta que a luz fraca de 420 nm (azul) em um cone A, o que significa que o cone A não pode distinguir a luz brilhante de 500 nm da luz fraca de 420 nm. Se tivéssemos apenas cones A, não poderíamos ver nenhuma cor, apenas diferenças de luminosidade (Figura 2B).

Para ver cores, um animal conta com um processo conhecido como comparação. O cérebro processa as informações de cores comparando o que lhe é entregue por dois ou mais tipos de cones. Para ser capaz de distinguir as cores, o olho tem que ter pelo menos dois sensores de luz diferentes. 

Então é assim que sabemos se outros animais conseguem ter visão de cores. Não podemos, obviamente, pedir a eles para descreverem as cores que enxergam, como fazemos com os humanos, mas podemos projetar experimentos que observem o comportamento animal e testem sua visão de cores. Esse, no entanto, é um processo complicado e a visão de cores foi constatada com sucesso em apenas algumas espécies animais, porque são experimentos realmente difíceis.

Muitas vezes é mais fácil verificar se os olhos do animal contêm dois ou mais tipos de sensores de luz, pois sabemos que ter pelo menos dois tipos de sensores deve permitir que um animal distinga as cores. Para identificar quais células sensíveis à luz um animal possui, realizamos a “eletrofisiologia”: medimos os sinais elétricos que mandam informação do olho para o cérebro.

Primeiro, inserimos um eletrodo em uma célula sensível à luz. Em seguida, lançamos uma série de luzes monocromáticas (luzes de comprimentos de onda muito limitados) no olho, por exemplo, de 300 a 700 nm em etapas de 10 nm (ou seja, 300, 310, 320, até 700 nm). Depois, registramos a atividade elétrica da célula em resposta a cada comprimento de onda de luz. Finalmente, coletamos as respostas obtidas em todo o espectro de comprimentos de onda. Se repetirmos esse processo várias vezes para registrar células diferentes, descobriremos por fim quantos e quais tipos de sensores de luz o animal possui [2]. 

Animais e humanos têm diferentes tipos de células sensíveis à luz

Todos os animais possuem o mesmo conjunto de células sensíveis à luz que nós? As abelhas também têm três tipos de células semelhantes aos nossos cones. Mas elas são deslocadas para comprimentos de ondas mais curtos: ultravioleta (UV), azul e verde em vez de azul, verde e vermelho (Figura 2A). De fato, as abelhas quase não são atraídas por flores vermelhas, porque não veem bem o vermelho. Assim como algumas pessoas daltônicas, elas têm dificuldade em distinguir entre vermelho e verde. Mas, conseguem ver padrões de luz ultravioleta invisíveis a nós. Muitas flores têm padrões UV em suas pétalas, que agem como um sinal para ajudar as abelhas e outros insetos a encontrarem e polinizarem a flor. E alguns pássaros e insetos também têm padrões UV, que usam para se reconhecer. Por exemplo, como mostra a Figura 2C, as borboletas amarelas macho e fêmea parecem quase idênticas a nossos olhos. 

No entanto, se você tirar fotos com uma câmera sensível apenas à luz ultravioleta, verá claramente diferentes padrões nas asas. Como as abelhas têm células sensíveis aos raios ultravioleta, mas não a células sensíveis ao vermelho (Figura 2A), elas veem o mundo de maneira muito diferente de nós. 

Nem todos os animais têm três tipos de células sensíveis à luz como os humanos e as abelhas. Por exemplo, muitos pássaros têm quatro: cones UV, A, V e Ve (Figura 2A). Essas aves podem ver uma ampla gama de comprimentos de onda, que vão do ultravioleta ao vermelho. E provavelmente são melhores do que nós em distinguir cores apenas ligeiramente diferentes. Alguns pássaros mudam a sensibilidade de seus cones para diferentes comprimentos de onda no espectro usando gotas de óleo coloridas dentro de seus olhos. Essas gotas de óleo funcionam de um modo similar aos óculos de sol com lentes coloridas. Alguns insetos com olhos compostos também fazem isso [2]. 

As borboletas são outro exemplo de um animal com visão colorida complexa. Seu sistema de visão de cores parece ter evoluído de um sistema de três cores baseado em células de detecção de UV-, A- e V-, como o das abelhas. Ao longo de milhões de anos, a visão de cores de algumas borboletas tornou-se mais complexa pela adição de células extras sensíveis à luz e com diferentes sensibilidades espectrais, provavelmente para ajudá-las a encontrar flores com néctar. Por exemplo, a rabo-de- andorinha amarela japonesa (nome científico Papilio xuthus) tem seis tipos de células sensíveis à luz: UV, violeta (Vi), A, V e “banda larga” (BL) (Figura 3A).

As células BL receberam esse nome porque respondem a uma ampla variedade de comprimentos de onda diferentes, em vez de uma cor específica [3]. Nós, recentemente, estudamos a varejeira comum, Graphium sarpedon, e encontramos que nela havia pelo menos quinze diferentes classes de células sensíveis à luz no olho [4] (Figura 3B). Esse é o maior número de tipos diferentes de células sensíveis à luz já identificado em um inseto. 

Em algumas borboletas, as sensibilidades espectrais das células sensíveis à luz até diferem entre os sexos de uma espécie, o que é chamado de “dimorfismo sexual”. Na pequena borboleta branca, Pieris rapae, apenas as fêmeas possuem células sensíveis ao violeta, enquanto os machos possuem células sensíveis ao azul de pico duplo (Figura 3C). No caso da borboleta de enxofre, Colias erate, o dimorfismo sexual é encontrado no número de células sensíveis ao vermelho: as fêmeas têm três tipos que são sensíveis a tons ligeiramente diferentes do vermelho, enquanto os machos têm apenas um tipo [5]. 

Quantidade é qualidade?

Você pode estar se perguntando: por que as borboletas precisam de tantos tipos de células sensíveis à luz? Ter mais tipos resulta em melhor visão de cores? Vamos dar uma olhada em alguns exemplos.

Como já vimos, a maioria dos humanos tem três classes de cones. Mas algumas pessoas (geralmente homens) têm apenas dois tipos de cones totalmente funcionais, com sensibilidade reduzida no terceiro tipo. Chamamos essa condição de cegueira das cores ou daltonismo [6]. Contudo, ter apenas dois tipos de cones é suficiente para a visão de cores. Isso significa que a maioria das pessoas “cegas para cores” ainda pode ver muitas delas. O mais apropriado então é chamar essas pessoas de deficientes das cores e não cegas das cores.

Se alguém com deficiência das cores e alguém com visão normal observam a mesma cena, podem ver coisas bem diferentes; pessoas com daltonismo geralmente têm dificuldade em distinguir o vermelho do verde. Em suma, ter menos classes de células sensíveis à luz limita a capacidade de ver as cores. Por outro lado, algumas pessoas têm quatro tipos de cones. Isso é muito raro e só se encontra em mulheres. Acredita-se que elas vejam muito mais cores do que as pessoas com visão normal. O cone extra lhes permite enxergar cores adicionais que são invisíveis para a maioria de nós [7]. Parece que mais células sensíveis à luz resultam em melhor visão de cores. 

A variedade mais rica de células sensíveis à luz já encontrada no reino animal está nos olhos do camarão-grilo, que tem até dezesseis tipos (Figura 3D) [5]. Pode-se supor que esse camarão tenha uma visão de cores melhor do que qualquer outro animal. Mas, na realidade, sua visão de cores acaba sendo surpreendentemente ruim [8]. Os seres humanos podem distinguir entre comprimentos de onda de luz que diferem em apenas 1 nm. Mas o camarão-grilo mal consegue ver diferenças de comprimento de onda de 15 nm. Parece que seu cérebro processa as informações de cores diferentemente do cérebro de outros animais. Alguns pesquisadores acham que o camarão-grilo pode não comparar as informações fornecidas por todos os seus diferentes tipos de células sensíveis à luz da mesma forma que outros animais: ele talvez use alguns “atalhos” de processamento para detectar cores rápido, mas com menor precisão. 

A borboleta rabo-de-andorinha amarela japonesa, P. xuthus, tem boa visão de cores; é capaz de detectar diferenças de comprimento de onda de cerca de 1 nm, o que é semelhante ao desempenho humano. Seus olhos têm pelo menos seis tipos diferentes de células sensíveis à luz, mas elas usam todas para a visão de cor?

Essa questão foi respondida treinando-se as borboletas para detectar a diferença entre duas luzes de comprimentos de onda ligeiramente diferentes e fazendo uma simulação de computador para prever como as borboletas se comportariam se várias combinações de células sensíveis à luz fossem usadas. A simulação de computador indicou que sua visão de cores é baseada principalmente nas células de detecção de UV-, A, V e Ve, sugerindo que sua visão de cores é um sistema de quatro cores, como a dos pássaros. As outras duas classes de células sensíveis à luz, Vi e BB, provavelmente não são usadas para ver cores, mas sim para outras funções visuais. Talvez a visão da borboleta funcione de maneira semelhante à visão humana, com suas células UV-, A-, V- e Ve- funcionando como cones e as células BL- e/ou Vi funcionando como bastonetes. 

Temos então um caso de “quantidade é qualidade” quando se trata de células sensíveis à luz? Você acha que a varejeira comum (G. sarpedon), com quinze tipos de células sensíveis à luz no olho (Figura 3B), tem melhor visão de cores do que nós? Não sabemos ainda.

A resposta só pode ser encontrada por meio de experimentos futuros que observem o comportamento das borboletas. No entanto, a partir de informações sobre visão de cores que aprendemos com humanos e borboletas, parece improvável que as varejeiras comuns usem todas as quinze células sensíveis à luz apenas para ver as cores. Acreditamos que elas provavelmente usem apenas quatro delas para a visão de cores, como a Papilio, um parente próximo das varejeiras comuns.

Em comparação com a visão humana, a adição de sensores UV certamente expande o alcance da luz visível na região do comprimento de onda UV, ampliando o espectro de cores que pode ser visto. Os outros onze tipos de células podem ser úteis para detectar estímulos específicos, por exemplo, objetos em movimento rápido contra o céu ou comprimentos de onda de luz específicos refletidos de parceiros ou inimigos em potencial. 

Como poderemos usar a pesquisa no futuro?

É impossível para nós ver o mundo como as borboletas; nossos olhos e cérebros carecem do equipamento necessário. Mas ainda vale a pena e é emocionante tentar entender como é a experiência visual de uma borboleta combinando evidências de vários tipos de experimentos. Também estamos interessados em como os sistemas de visão de cores evoluíram ao longo do tempo, comparando a visão de cores de muitos insetos diferentes. Nesse processo, podemos até descobrir princípios úteis para construir sistemas “visuais” melhores para a inteligência artificial. Aves e insetos contam com o sentido da visão para guiar seu voo, encontrando comida e evitando obstáculos e predadores. Imagine se pudéssemos programar drones aéreos que usassem seus “olhos” (câmeras) para pilotar a si mesmos com a mesma habilidade dos animais! 

Outro uso possível de nossa pesquisa sobre a visão de insetos é na agricultura. Hoje em dia, muitos inseticidas químicos são usados para proteger nossas plantações. Infelizmente, esses produtos químicos costumam ser prejudiciais ao meio ambiente e as pragas de insetos podem se tornar resistentes a eles. Talvez seja possível manter os insetos longe das plantações, de forma limpa e segura, usando luz em vez de produtos químicos. Para chegar a isso, primeiro precisamos entender como funcionam os olhos dos insetos. 

Glossário

Visão de cores: Capacidade de detectar diferenças nos comprimentos de onda que compõem a luz e não apenas a luminosidade. 

Célula sensível à luz (ou “fotorreceptor”): Tipo especial de célula nervosa, encontrada nos olhos do animal, que gera sinais elétricos quando a luz a atinge. 

Eletrofisiologia: Medição da atividade elétrica dentro de organismos vivos. A eletrocardiografia e a eletroencefalografia são técnicas eletrofisiológicas usadas pelos médicos para examinar humanos. 

Olho composto: Tipo de olho que a maioria dos insetos e crustáceos possuem. Consiste em muitas unidades chamadas omatídios. Cada omatídio tem, por baixo, uma lente com um feixe de células sensíveis à luz. 

Fonte original

Chen, P.-J., Awata, H., Matsushita, A., Yang, E.-C e Arikawa, K. 2016. “Extreme spectral richness in the eye of the common bluebottle butterfly, Graphium sarpedon.” Front. Ecol. Evol. 4:1–12. DOI:10.3389/fevo.2016.00018.

Referências

[1] Land, M. F. e Nilsson, D.-E. 2002. Animal Eyes. Oxford: Oxford University Press.

[2] Cronin, T. W., Johnsen, S., Marshall, N. J. e Warrant, E. J. 2014. Visual Ecology. Princeton, Oxford: Princeton University Press.

[3] Arikawa, K. 2003. “Spectral organization of the eye of a butterfly, Papilio.” J. Comp. Physiol. A 189, 791–800. DOI:10.1007/s00359-003-0454-7.

[4] Chen, P.-J., Awata, H., Matsushita, A., Yang, E.-C. e Arikawa, K. 2016. “Extreme spectral richness in the eye of the common bluebottle butterfly, Graphium sarpedon.” Front. Ecol. Evol. 4:1–12. DOI: 10.3389/fevo.2016.00018.

[5] Marshall, J. e Arikawa, K. 2014. “Unconventional colour vision”. Curr. Biol. 24, R1150–R1154. DOI: 10.1016/j.cub. 2014.10.025.

[6] Backhaus, W. G. K., Kliegl, R. e Werner, J. S. 1998. Color Vision: Perspectives from Different Disciplines. Berlin, New York: Walter de Gruyter. 

[7] Jorge, G., Deeb, S. S., Bosten, J. M. e Mollon, J. D. 2010. “The dimensionality of color vision in carriers of anomalous trichromacy.” J. Vis. 10, 12. DOI: 10.1167/10.8.12.

[8] Thoen, H. H., How, M. J., Chiou, T. H. e Marshall, J. 2014. “A different form of color vision in mantis shrimp”. Science 343, 411–413. DOI: 10.1126/science. 1245824.

Citação

Chen, P., Stewart, F. e Arikawa, K. (2018). “The more, the better? A butterfly with 15 kinds of light sensors in its eye.” Front. Young Minds. 6:70. DOI: 10.3389/frym.2017.00070. 

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