Uma história da LUZ

Sumário para o blogonauta 

1. Big Bang (Sumário)

2. História milenar (Mitos da criação e começo da ciência com os gregos)

3. Modelo geocêntrico e o aperfeiçoamento do Telescópio

4. Teólogos, filósofos, poetas e astrónomos em debate

5. Máquina do Mundo (Lusíadas, Canto X)

6. Descobrimentos e a "ciência" (1)

7. Descobrimentos e a "ciência" (2)

8. Descobrimentos e a "ciência" (3)

9. Os Lusíadas: significado da epopeia

10. As "contra-epopeias"

11. A caminho do modelo heliocêntrico

12. O génio do "método experimental" (Tycho Brahe e Kepler)

12A. O génio do "método experimental" (Tycho Brahe e Kepler)

13. O génio do "modelo experimental" (Galileu) – Descobertas

14. Caso Galileu (1)

15. Caso Galileu (2)

16. A caminho das estrelas

17. Primeiras medições astronómicas

18. Desafio das Nebulosas

19. Medição das distâncias: Descoberta das Cefeidas

20. Medição das distâncias: a Fotografia entra em cena

21. Medição das distâncias: Cefeidas como Padrão de Medida

22. Interregno: Mini-Guiness sobre as Estrelas

23. História da Luz: Olho 
24. História da Luz

25. Espectroscopia

26. Medição das velocidades das galáxias (Efeito de Doppler)

27. Lei de Hubble

28. Modelos teóricos, que partem todos da Teoria da Relatividade

29. Modelo de Einstein

30. Modelo de Friedmann-Lemaître.

A Ronda da Noite (De Nachtwacht; 1642)

Para Rembrandt, a luz é muito mais que um elemento material da pintura; faz parte do seu plano espiritual. Os seus efeitos da luz criam a forma e o espaço e a cor subordina-se a estes, pelo que é considerado o "mestre das luzes e sombras". 


Faz-se Luz
de Mário Cesariny in "Pena capital"


Faz-se luz pelo processo
de eliminação das sombras
Ora as sombras existem
as sombras têm exaustiva vida própria
não dum e doutro lado da luz mas no próprio seio dela
intensamente amantes    loucamente amadas
e espalham pelo chão braços de luz cinzenta
que se introduzem pelo bico nos olhos do homem


Por outro lado a sombra dita a luz
não ilumina    realmente    os objectos
os objectos vivem às escuras
numa perpétua aurora surrealista
com a qual não podemos contactar
senão como amantes
de olhos fechados
e lâmpada nos dedos    e na boca.

GRÉCIA ANTIGA

Os antigos filósofos gregos distinguiam entre luz e visão. Não viam como duas entidades separadas a luz e a sensação que produzia no nosso cérebro (visão).

Poderíamos talvez resumir as várias opiniões em três “teorias”:

1) Teoria das eidolas

Leucipo (500 aC), que pertencia à reduzida escola dos atomistas, pensava que os objectos emitiam pequenas partículas da sua superfície, as eidola, que depois atingiam os nossos olhos e nos permitam ver os objectos. A luz era, portanto, essa emanação material transmitida da superfície dos objectos para o olho do observador.

No entanto, não era capaz de responder a algumas dificuldades:

- Como passavam as eidolas umas pelas outras sem chocarem ou se misturarem?

- Por que não interferiam as “nossas” eidolas com as dos nossos vizinhos?

- Como é que a imagem de um objecto grande “encolhe” para caber no olho?

- E por que não se gastam os objectos, já que estão sempre a emitir pequenas partículas?

2) Teria do fogo interno

Para Empédocles (493-430aC), que postulou a teoria dos quatro elementos, a luz e a visão estavam relacionadas com o fogo. Afrodite, ao criar o olho, ateou-lhe o fogo de modo que este o emitisse na direcção dos objectos, tornando possível a visão. Portanto, os seres vivos têm uma ténue chama dentro dos olhos. A visão está, portanto, intimamente ligada ao tacto: o “fogo interno” projecta raios de luminosos que tacteavam os objectos e retornam aos olhos trazendo consigo informações com as quais o cérebro forma a imagem.

Também aqui havia perguntas sem resposta:

- Por que não vemos no escuro?

- Haverá alguma relação entre a luz do dia e a emissão do “fogo” pelos olhos?

- Terá o meio material entre o olho e o objecto alguma influência sobre a luz e a visão?

3) Teoria da luz como qualidade dos corpos

Aristóteles (384-322 aC) foi o primeiro a adoptar a natureza "ondulatória" da luz, que seria uma espécie de fluido imaterial, uma qualidade dos corpos transparentes, que chegava aos nossos olhos através de perturbações do ar. Assim enfatizou a importância do meio material transparente, como o ar, como condição para a passagem da luz. Necessitava, contudo, da luz solar ou outra fonte luminosa. Como não aceitava a ideia de vazio, todo o espaço estava ocupado por matéria, então a luz não podia ser algo material, pois dois corpos não podiam ocupar o mesmo lugar no espaço.

Imagem do meio foi "muito" adaptada

Só por curiosidade, deixo uma ilustração que mostra como Arquimedes (287-212 aC) conseguiu, por meio de espelhos parabólicos, concentrar a luz do Sol incendiando os barcos romanos que faziam cerco a Siracusa (214-212 aC).

Esquema                                                        Aplicação 

Em 2005, estudantes do MIT tentaram reproduzir uma experiência semelhante, provando que era possível que este feito de Arquimedes tivesse ocorrido. 


IDADE MÉDIA
Seria muito interessante falar aqui do avanço da “física” islâmica medieval, cujos resultados só chegaram posteriormente à Europa. Destacaria apenas o persa Ibn-al-Haytham ou Alhazen (1000), que introduziu o conceito de raio de luz. Para ele, a visão era devida apenas à entrada, nos nossos olhos, da luz proveniente de fontes exteriores. A visão deve-se à reflexão dos raios solares, que considerava pequenas partículas, pelos objectos que encontravam no caminho para os olhos. Defendeu que a luz se deslocava a uma velocidade muito grande mas finita, com valores diferentes segundo o meio em que se propagava, variação que atribuiu à refracção.

NATUREZA DA LUZ

No início do século XVII já era conhecida a maior parte dos fenómenos ópticos. Mas, uma coisa era conhecê-los; outra, explicá-los cientificamente. Até meados do século surgiram muitas teorias. Mas as principais eram duas: a ondulatória e a corpuscular.

TEORIA CORPUSCULAR

Para explicar o famoso “fenómeno das cores” (a dispersão da luz por um prisma), semelhante ao arco-íris, Newton (1642-1727) fez entrar a luz solar num pequeno orifício, dotado de uma lente convergente, de modo a incidir num prisma de vidro triangular. O resultado foi a formação de uma imagem oblonga do Sol com várias bandas sucessivas coloridas.

Experiência      Esquema feito por Newton                 Decomposição da luz branca

Este fenómeno, designado por dispersão da luz branca, era interpretado como corrupção da luz branca, pura, do sol: as cores eram causadas pela sua passagem por um meio adulterador. Newton fez várias experiências e propôs várias hipóteses, nas quais verificou que não era possível decompor raios ou cores isoladas: por exemplo, o vermelho passando pelo prisma mantinha-se vermelho. Até que se lembrou de adicionar um outro cristal, mas agora invertido. E o resultado foi a recomposição da luz branca.

Decomposição, Recomposição e Decomposição da Luz Branca

Do livro de Newton, Optics (1721) Vol I, Parte II, Tabela IV, fig. 16.

O raio de luz é decomposto (refractado) pelo prisma ABC, recomposto pela lente MN e de novo decomposto pelo prisma KIH.

A este conjunto de cores Newton chamou “espectro” (palavra talvez relacionada com espíritos), dividindo-o em sete cores primárias: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta, numa analogia com a escala musical de sete notas.

Decomposição da Luz "Branca"

Newton não afirmara explicitamente que a luz é feita de partículas, mas as suas explicações sugeriam que os raios de luz se comportavam como se fossem feitos de pequenos corpúsculos, correspondendo a cada cor um tipo específico de partícula, opondo-se à maioria dos cientistas de então que se inclinavam para a natureza ondulatória da luz.

TEORIA ONDULATÓRIA

Christiaan Huyghens (1629-1695) repetiu a velha crítica dos gregos. Se a luz fosse feita de corpúsculos, como é que eles se cruzavam sem perturbar o movimento uns dos outros?

Então, teve a ideia de fazer uma analogia com as ondas sonoras. Tal como o som se propaga num meio invisível como o ar, segundo um movimento que passa sucessivamente de uma parte a outra, também a luz viria do corpo luminoso até aos olhos, não pelo ar, mas pelo éter. O éter fora já introduzido para explicar a chegada à Terra da luz solar. Não havendo ar entre os dois astros a luz precisava de um meio para se propagar. Esse meio era o éter que preenchia todos os espaços vazios do Universo.

A luz seria produzida pelo fogo do sol, que contém partículas em movimento muito rápido. Tais movimentos provocariam vibrações que se propagariam no éter. Esse movimento no éter produzia a sensação de visão quando atingia os olhos das pessoas. Portanto, a luz seria justamente esse movimento que ocorreria entre os objetos luminosos e os olhos.

Huyghens postulou que cada ponto da frente de uma onda actuava como uma fonte de ondas secundárias, que formavam uma nova frente de onda.

Teoria                                                         Esquema                            

Consideremos os pontos 1, 2, 3, … da frente de onda AB. Em t segundos, a luz percorre a distância ct. Agora, com o ponto 1 como centro e um raio ct desenha-se uma esfera (a tracejado). Repete-se o mesmo para os pontos 2 e 3, etc..

Em seguida desenha-se a superfície A1B2 (na imagem da esquerda há um erro: B2 deveria ser B1) tangencial às esferas a tracejado. Como a luz vai avançando, esta nova superfície é a nova frente de onda. Repetindo o processo a onda-luz vai-se propagando.

Manuscrito de Huyghens

Havia, no entanto, duas objecções sem resposta:

1) se a luz era uma onda deveria contornar um obstáculo como acontece com o som: ouvimos o som de um sino, mesmo que haja muitos obstáculos pelo meio;

2) o éter, um meio material necessário para a luz se propagar, nunca fora detectado.

DESCOBERTAS IMPORTANTES

Antes de vermos como foi resolvido este diferendo entre as duas teorias, gostaria de deixar dois apontamentos.

Velocidade da luz

Todos sabemos que a velocidade da luz é muito próxima dos 300 ml km/s. Mas antes de aqui chegarmos houve várias tentativas, cada vez mais rigorosas.

Já, num dos primeiros post (o que fala do Sistema Solar e de Júpiter), expliquei como Roemer, em 1676, fez a primeira medição experimental da velocidade da luz, aproveitando o eclipse dos satélites de Júpiter: 225 mil km/s.

Em 1849, Fizeau conseguiu um valor bastante mais aproximado. Aproveitando a ideia de Galileu, que falhara porque ele usara duas lanternas no cimo de dois montes próximos e não tinha com que medir o tempo com a precisão necessária, instalou, no alto de uma colina, um disco giratório com fendas. 

Esquema da experiência de Fizeau

Esquema simplificado da experiência de Fizeau

A luz emitida por uma fonte situada atrás desse disco passava pelas fendas e era reflectida num espelho situado a 8 km de distância. Ajustando a velocidade do disco, conseguia fazer a luz reflectida penetrar pela fenda seguinte àquela por onde saíra. Medindo o intervalo de tempo que demorava a segunda fenda a ocupar o lugar da primeira e a distância percorrida pela luz (16km), obteve o valor de 315 mil km/s para a velocidade da luz.

Pouco depois, em 1850, Foucault, utilizando o método do “espelho giratório” demonstrou que a velocidade da luz é maior no ar que na água, o que era mais um argumento em favor da teoria ondulatória, e, em 1862, obteve o valor de 298 mil km/s com um erro de 1000 km/s.

Experiência de Foucault           Variante moderna da experiência com um laser

Deixo aqui apenas o esquema da experiência idealizada por Foucault. Torna-se um pouco longo e complicado explicar aqui os cálculos. Mas quem quiser pode vê-los no sítio referido na imagem da esquerda.

Descoberta de outras “luzes”

William Herschel, em 1800, descobriu, como já referi num post anterior, os raios infravermelhos (IV): ao medir a temperatura na zona invisível do espectro, para lá da cor vermelha, notou aí um maior aumento de temperatura. Concluindo que uma luz invisível deveria ser a responsável pelos efeitos térmicos, chamou-lhe “radiação calorífica”.

Em 1801, Wilhelm Ritter detectou um efeito químico em sais de prata causado por uma “luz” invisível para lá do violeta, a que hoje chamamos radiação Ultravioleta (UV). Interpretou esta descoberta como uma evidência da simetria da Natureza.

Mais tarde, em 1895, W. Konrad Roentgen descobriu os Raios X, cuja experiência mais célebre foi obtida pela interposição da mão da esposa entre a fonte de Raios X e uma placa fotográfica.

Raios X da mão de Anna Bertha, esposa de Roentgen

EXPERIÊNCIA DE YOUNG

Em 1801, Thomas Young realizou uma experiência crucial. Fez passar um feixe de luz por um cartão com duas fendas muito próximas. Quando a luz passava por uma das fendas, formava-se um região uniforme com maior intensidade no centro de um anteparo.

Mas quando passava pelas duas fendas, não apareciam duas regiões claras, mas um conjunto alternado de bandas escuras e claras.

A barra "wave theory" indica a imagem esperada pela teoria ondulatória;
a barra "particle theory" a esperada pela teoria corpuscular;
a barra "observed" mostra o que foi observado na experiência de Young.
Esta imagem e a anterior foram adaptadas.

Para explicar este resultado, imaginou que os dois raios de luz se comportavam como duas ondas, numa tina de água, cuja amplitude aumenta quando as duas cristas se sobrepõem e se anula quando a crista de uma onda coincide com o vale da outra.

                 Experiência de Young                           Esquema                           Imagens com 2 fendas e só com uma   

Contudo, a ideia de a luz produzir escuridão era contra-intuitiva, pelo que a interpretação de Young não colheu muitos defensores. As coisas só mudaram quando, em 1819, Augustin Fresnel demonstrou matematicamente este fenómeno de interferência, oferecendo mais um argumento favor da teoria ondulatória da luz.

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Michael Faraday (1791-1867), que se dedicara o estudo dos fenómenos eléctricos e dos magnéticos, verificou que estavam intimamente relacionados: um campo magnético afectava o plano de polarização da luz. Embora ele fosse um excepcional experimentalista, não dispunha de suficientes conhecimentos, para traduzir estas relações em equações matemáticas.

Foi J.C. Maxwell quem, em 1862, desenvolveu a Teoria Electromagnética, que podia resumir-se por meio de quatro elegantes equações. A elegância das matemáticas é um aspecto a que muitos cientistas são sensíveis. “Por estranho que pareça, a beleza matemática guiou cientistas teóricos em predições que mais tarde foram confirmadas pela experiência. O exemplo de Maxwell é sempre um exemplo a recordar. Ao ver que duas das suas equações não apresentavam uma estrutura e um comprimento semelhantes quando escritas no papel, pressentiu a existência de um termo que devia faltar, com o qual estabeleceu as leis do electromagnetismo, predisse a existência das ondas electromagnéticas e interpretou a luz como mais uma dessa ondas. Uma grande descoberta baseada na estética das equações” (1*) mas também de muito trabalho e imaginação.

Equações de Maxwell

Mesmo não percebendo nada de matemática nem dos símbolos das operações aqui utilizados, todos podem admirar como é que, com num formalismo tão simples, se pode condensar a teoria electromagnética. Repare-se na simetria ou semelhança das quatro equações: B refere-se ao campo magnético e E a campo eléctrico. 

Na verdade, esta teoria estabelece que, como Faraday já verificara experimentalmente, a variação de um campo eléctrico provocava uma variação de um campo magnético e vice-versa. Mas a grande descoberta é que a velocidade de propagação destas variações era igual à velocidade da luz. Então a luz visível faz parte do espectro electromagnético.

Maxwell concluiu que a luz consistia em dois campos, um eléctrico e outro magnético com as respectivas ondas a oscilar segundo dois planos perpendiculares (ondas electromagnéticas), que se transmitiam através do “éter”.

Ondas electromagnéticas

Falta acrescentar que esta foi uma das descobertas teóricas mais importantes. Como veremos mais tarde, as teorias que unificam fenómenos são muito importantes sobretudo nos primeiros momentos do Universo. Além disso, ao unificar os dois campos - eléctrico e magnético - Maxwell descobriu a força electromagnética, uma das quatro forças fundamentais que regulam todos os fenómenos da natureza. Esta concretamente é responsável pelas ligações químicas e pela estabilidade de toda a matéria a nível atómico. Mas esta é uma história que ficará para mais tarde.


Alguns anos depois, Heinrich Hertz (1857-1894) fez uma experiência que iria revolucionar toda a comunicação.

Experiência de Hertz

Ao produzir faíscas num circuito eléctrico, verificou que estas originavam ondas electromagnéticas, que podiam ser transmitidas pelo ar e detectadas, num circuito semelhante, a alguns metros de distância.

Esquema da demonstração de Hertz

Estavam descobertas as ondas hertzianas, que transportam a informação radiofónica e televisiva.
São apenas mais um tipo de “luz”, as ondas de Rádio, tal como as radiações IV e UV e os Raios X, todas elas pertencentes ao espectro electromagnético.

Espectro Electromagnético

Ficava por resolver o problema do éter, que ninguém conseguia detectar. Mas disso falarei mais à frente.
Como se vê hoje ficam muitas pontas dependuradas, mas haja calma e paciência...

Referência bibliográfica

(1*) Eduardo BATTANER, Qué es el Universo? Qué es el hombre?, Alianza, Madrid 2011, p. 64.

EVOLUÇÃO DO OLHO (2)

(continuação)

OLHO COMPOSTO

ESTRUTURA

O olho composto ou facetado é o órgão visual presente em muitos artrópodes, como os insectos e crustáceos, e alguns animais marinhos. Chama-se Composto porque cada olho é formado por pequenas unidades repetidas, os omatídios, cujo número pode variar entre seis, na formiga subterrânea, 4000 na mosca e quase 40 mil na libelinha

Olho Composto da Mosca                         Esquema geral de um olho composto 

Cada omatídio divide-se em duas partes principais:

- sistema óptico com duas lente: à superfície, uma lente hexagonal (faceta), sob a qual há uma lente cónica (cone cristalino);

- rabdoma, uma estrutura radial bastante complexa semelhante à secção transversal de uma laranja, rodeado de várias células fotossensíveis (Rabdómeros, na composição dos quais entra a nossa velha conhecida Rodopsina).

O sistema dióptico foca a luz que entra na estrutura central do Rabdoma, onde se forma uma imagem invertida nas células retinulares fotossensíveis. Cada omatídio, em certos tipos de olho composto, tem ainda células pigmentadas que o separam dos vizinhos e asseguram que apenas a luz paralela ao eixo do omatídio atinja as células retinulares.

Esquema do Omatídio da Mosca

             

Estas células fornecem impulsos, através do nervo óptico que o transporta para o cérebro, onde se forma uma imagem única do mundo exterior a partir das imagens parciais fornecidas por cada omatídio (imagem em mosaico ou imagem “pixel”).

Variação das imagens conforme o número de pixels (imagem de cada omatídío)

                

Portanto, em contraste com outros tipos de olhos, o Olho Composto não tem uma lente central ou retina. Assim, a imagem apresenta uma má resolução, embora consiga detectar movimentos rápidos e também a polaridade da luz. 

SENSIBILIDADE

Os animais "superiores" não podem ter olhos compostos. Por exemplo, o ser humano para ter a mesma acuidade visual necessitaria de ter um olho composto deste tamanho. 

(p. 181)

FALHANÇO EVOLUTIVO OU PRECURSOR DO OLHO COMPOSTO?

Copepod Copilia

Tem apenas dois olhos, cada um dos quais pode ser considerado análogo a um omatídio do olho composto em que as duas lentes estão muito afastadas. A lente posterior (cone cristalino (L2)) encontra-se a grande distância atrás da lente anterior (córnea (L1)), a meio do corpo extraordinariamente transparente do animal, de modo que não deve ser a primeira que a fazer qualquer ligação com o olho. 

           Animal (aqui sem a cauda)                Estrutura das Lentes             Esquema do olho

Imagem do centro: (4a) Micrografia ao vivo; (4b) Esquema do sistema óptico, mostrando as posições da córnea, lente anterior (L1) e do cone cristalino ou lente posterior (L2); f, ponto focal da córnea; f ', ponto focal do sistema óptico.
Imagem da direita (1c): corte longitudinal esquemático do cone cristalino (cc = L2) e do rabdoma: re, células retinulares; pg, grânulos de pigmento; os vários R, rabdómeros que formam um Rabdoma; os rectângulos a, b e c representam os planos de corte utilizados neste estudo.

De momento, pode especular-se se não se tratará de uma experiência evolutiva mal sucedida. Ou será um percursor do olho composto: omatídios múltiplos para superar a limitada capacidade do canal de informação neural?

Somente a fêmea possui olhos enormes que ocupam quase metade do seu corpo transparente.

Cada olho é equivalente a um único omatídio de um olho composto com uma lente corneal, um cone cristalino e células retinais, no qual o cone cristalino está a uma certa distância da lente corneal. O olho, com uma lente corneal anterior (L1) e o cone cristalino (lente posterior, L2), é, portanto, um sistema óptico de duas lentes. Contudo, a função desta segunda lente deve ser a de encurtar o foco da lente anterior. Assim sendo, teríamos um único tipo de sistema óptico, um “amplificador de luz”, isto é, um sistema que aumenta a eficiência da captação de luz pela lente anterior, o que é muito útil a grandes profundidades, onde a luz é muito fraca.

Embora seja considerado primitivo relativamente à lentidão de “barredura” (scanning), de exploração do espaço, talvez ele esteja bem adaptado a níveis fracos de luz: portanto, “mais interessado” em amplificar a luz do que em explorar com rapidez o meio ambiente.  

Acidente judaico

Os copépodes são encontrados por vezes em abastecimento de água pública quando esta não é filtrada, nomeadamente em Nova Iorque, cujos habitantes se vangloriam tanto da pureza da sua água que preferem ou até consideram um direito bebê-la sem ser filtrada.

Ora, em Novembro de 2004, foram descobertos copépodes, na água de Nova Iorque, o que gerou um grande debate entre os rabinos judeus sobre a observação do kaskhrut. Kaskhrut significa “ser próprio, ser correcto” e é a lei sobre os alimentos. Qualquer judeu verifica sempre se esta palavra está escrita na embalagem. Não há dúvidas quanto à impureza do porco, camarões e lulas (1*). Mas o que pensar destes copépodes? Afinal, sendo crustáceos, não eram kosher (carne) e também não podiam ser ignorados como organismos microscópicos não alimentares pois alguns eram ser visíveis a olho nu. Perante estas dificuldades muitos judeus observantes acharam melhor comprar filtros para a sua água.

TRANSIÇÃO

Olho Framboesa de Strepsiptera

Não vi isto em lado nenhum, mas parece-me que se poderia considerar este tipo de olho, dadas as suas características, como de transição para os verdadeiros olhos compostos.

Animal e Olho(s) vistos ao microscópico electrónico
a) Cabeça do parasita X. peckii com os olhos em forma de framboesa;

b)  Olho da mosca com centenas de lentes;
c) à mesma escala, o olho do X. peckii, que tem menos "ilhós" (eyelets), mas maiores, cada um rodeado por microtrichia semelhantes aos pelos de uma escova.

        Esquema de um olho                          Reconstrução do sistema visual

Em contraste com o olho composto habitual que permite à maioria dos insectos ver o mundo “ponto a ponto”, as unidades ópticas deste insecto vêem “pedaços” da imagem total. A amarelo, as lentes; a vermelho, a retina; azul, as células receptoras; a verde, o tecido entre os “ilhós”.

Estes insectos foram assim chamados, devido às suas asas torcidas, do grego strepsi (torcido) e petra (asas). Mas a sua característica ímpar são os seus “olhos loucos”, como se pode ver nas imagens acima e de que falarei mais abaixo. Estas características são tão únicas que foi criada, para estes insectos, uma Ordem nova na classe dos Insectos, a Strepsitera, com cerca de 500 espécies conhecidas.

Parasitismo

São endoparasitas (vivem dentro do hospedeiro) que "exploram" 33 famílias de Insectos, o que pode dever-se ao seu tipo único de sistema imunológico.

O parasita Xenos peckii raramente é visto porque vive escondido no interior do corpo de um tipo de vespas. As fêmeas nunca deixam os seus hospedeiros, enquanto os machos têm uma tarefa de rápida execução: duas horas antes de morrer devem encontrar outra vespa parasitada por uma fêmea X. peckii, acasalar com ela e... missão cumprida. Os feromonas sexuais da fêmea ajudam a sua localização, mas parece mais provável que o macho se sirva da visão para encontrar a companheira.

De qualquer modo não exercem nenhum controlo biológico sobre as vespas já que a taxa de parasitismo não ultrapassa 1%. Ao contrário dos insectos que cujo interior é completamente degradado, neste caso, o hospedeiro apenas fica limitado na sua capacidade de reprodução, pois a fêmea parasita preenche-lhe todo o espaço reservado à função reprodutora.

Tipo único de olho

Este olho, chamado "ilhó", é único pois não se conhece em nenhum outro insecto, tendo sido começado a estudar em 1963. Assemelha-se a uma framboesa, estrutura comparável à dos olhos de algumas Trilobites, que desapareceram na grande extinção do Ordoviciano (444 milhões de anos). Mas isto não significa que sejam seus descendentes.

As maiores lentes dos Strepsiptera admitem mais luz, têm mais fotorreceptores e permitem maior resolução. Além disso a imagem é focalizada na retina.

Portanto, ter menos facetas não significa pior visão. No caso do X. peckii cada lente possui 100 fotorreceptores e uma retina individual por detrás de cada lente, o que lhe permite ver “porções” do campo visual e não apenas um ponto, melhorando a sua capacidade visual. Comparado com a mosca da fruta, que tem 700 facetas (cada uma com apenas 8 fotorreceptores), as quais contribuem com um ponto para a imagem, o X. peckii tem apenas 50 ilhós, cada um ocupando a mesma área de 15 facetas da mosca.

Estas lentes formam, devido à sua configuração, uma imagem invertida, que precisa de ser corrigida. Para isso o parasita dispõe de uma estrutura chamada quiasma (da letra grega X, chi, que se lê qui): cada ilhó está ligado ao cérebro por um nervo, que exibe um quiasma, isto é, roda 180⁰ em torno do seu próprio eixo, reinvertendo a parte da imagem que recebeu.

EVOLUÇÃO DO OLHO

Nas últimas décadas (2*) multiplicou-se o interesse pelo estudo dos Olhos Compostos, tendo sido três descobertos novos tipos (sobreposição de reflexão, sobreposição parabólica, aposição afocal) e mais recentemente um quarto (sobreposição de refração). Até então era conhecido apenas o olho de aposição.

Dois grandes tipos 

Poderá dizer-se que, quanto à sua estrutura e distribuição do pigmento entre os omatídios, o olho composto pode formar as imagens de duas maneiras, havendo, portanto, dois tipos de olho, embora com as variações atrás referidas e que, ao longo desta secção irei apresentar e ilustrar com um pouco mais de pormenor, embora de modo muito  sumário. Mas penso que valerá a pena olhar para nos maravilharmos com tanta criatividade e beleza escondidas.

1) No olho de Aposição, cada omatídio concentra apenas os raios luminosos que são mais ou menos paralelos ao seu eixo, de modo que cada um forma uma imagem (ponto imagem) de uma muito pequena parte do seu campo visual. Assim, a imagem total resulta da aposição (acto de colocar um objecto junto a outro) destas imagens parciais.

2) No olho de Sobreposição, um amplo número de omatídios concentra a luz de um largo campo visual de modo que a fracção da imagem por eles formada pode sobrepor-se às dos omatídios vizinhos, sendo focalizada num único fotorreceptor. A imagem ganha em brilho mas perde em nitidez relativamente à do olho de Aposição. 

Por outras palavras: 

- nos olhos de Aposição, cada omatídio é uma unidade independente que vê um ponto, um "pixel" do ambiente exterior;

- nos olhos de Sobreposição, os omatídios não actuam independentemente mas em conjunto para formar uma fracção da imagem total no fundo do olho (retina).

De um modo geral, embora haja muitas soluções, os insectos diurnos têm olhos de Aposição e os nocturnos bem como alguns animais de águas profundas, de Sobreposição, "multiplicando" assim a pouca luz existente.

Tipos de Olhos Compostos

(A) Olho Composto de Aposição: a luz atinge os fotorreceptores exclusivamente através da pequena lente corneal localizada directamente acima.

(B) Olho Composto de Sobreposição: várias centenas de facetas da córnea e de cones cristalinos recolhem e focalizam a luz através de toda a zona clara do olho (cz) num fotorreceptor único. 

DESENVOLVIMENTO
Estes últimos estudos permitiram traçar um quadro geral, como se mostra no esquema que se segue. 

Evolução do Olho Composto (p. 11)

As setas indicam desenvolvimentos e não linhas evolutivas específicas, que são muito mais complexas.

a) Antepassado hipotético com receptores com tubos pigmentados; 

b) Olho de Aposição;

c) Omatídio de Aposição Focal com imagem na ponta do Rabdoma;

d) Lentes multi-interface (Notonecta);

e) Lente-cilindro (Limulus); os números em d) e e) são índices de refracção;

f) Superposição Neural num insecto voador díptero;

g) Olho de Aposição Afocal com imagem intermediária e feixe colimado de saída;

h) Olho de Sobreposição com imagem projectada no fundo;

i) Sobreposição de Refração; o inserido mostra os caminhos dos raios axial e oblíquo;

j) Sobreposição de Reflexão; o inserido mostra as duas vistas dos caminhos do raio através do espelho;

k) Superposição parabólica (Macropipus); o inserido mostra o feixe focado recolimado por um espelho parabólico.  

Vejamos agora, com mais pormenor, cada um dos tipos de Olhos Compostos.

OLHO DE APOSIÇÃO

São os mais comuns e mais bem estudados e a sua relativa simplicidade sugere fortemente que podem ser o tipo ancestral de cada linhagem. Cada omatídio forma um ponto-imagem (pixel) na ponta do Rabdoma.

A imagem em cada omatídio pode produzir-se de três maneiras:

1) Nos insectos terrestres, é a córnea curva (faceta) que quase sempre forma a imagem. Sirva de exemplo a libélula. Têm dois olhos, como cerca de 30 000 lentes em cada um. Como já vimos, a luz entra num único omatídio, que está separado dos omatídios vizinhos por células de pigmentos, produzindo um ponto imagem que será transmitido ao cérebro pelo nervo óptico. O cérebro faz a aposição de todos esses pontos e forma a imagem.

Libélula e Olho Composto     Facetas                    Estrutura do Olho de Aposição

2) Debaixo de água, tem de haver um mecanismo que rectifique o efeito deformador da refração entre a água e o ar (quem já andou a apanhar enguias com um garfo sabe bem como a enguia nunca está onde a vemos, mas um pouco desviada!). As lentes são "progressivas" variando, portanto os índices de refracção, segundo dois modelos:

- as lentes multi-interfaces, como as do Notonecta glauca:

Micrografia da lente corneal             Aparelho dióptrico            Estrutura de um omatídio              

- as "lentes-cilindro", como as do caranguejo-ferradura Limulus: 

               Animal                          e                    as suas várias estruturas

A estrutura normal e fina de um fotorreceptor do Limulus:

a) esquema do animal;

b) as facetas do olho;

c) corte longitudinal de um omatídio: cada uma das camadas tem índices de refração diferentes;

d) corte transversal do omatídio;

e) microvilosidades do rabdómero.

SOBREPOSIÇÃO NEURAL

É estruturalmente muito semelhante ao Olho de Aposição, mas com uma diferença. No olho de Aposição, cada omatídio forma um ponto-imagem. Num olho de Sobreposição Neural, cada imagem é formada num único fotorreceptor a partir de grupos de 7 omatídios (porque não há células pigmentadas entre eles), o que significa que é 7 vezes mais brilhante,  melhorando a sensibilidade e ganhando uns 15 minutos extra para ver ao amanhecer e ao pôr do sol.

 Mosca doméstica e Olho ampliado             Esquema do Olho de Sobreposição neural
                

APOSIÇÃO AFOCAL

Na maior parte dos Olhos de Aposição (OA), existem dois componentes no sistema óptico de cada omatídio: a córnea e o cone cristalino. Não há dúvida de que a córnea é uma lente, mas o cone cristalino parece ser mais um mero separador óptico, pelo que rigorosamente se pode dizer que o OA consiste numa simples lente ((A) no esquema abaixo).

No entanto a descoberta de uma segunda verdadeira lente no cone cristalino implica uma alternativa diferente: a única lente é substituída por um “telescópio de duas lentes”. Assim a imagem não se forma na ponta do rabdoma mas dentro do cone cristalino ((C) na imagem abaixo) pelo que se  chama “afocal”. 

Borboleta e Olho                    Corte histológico do Olho                   Esquema do Olho

Quanto aos outros tipos de olhos de Sobreposição deixo apenas os nomes, esquemas e uma ou outra observação

SOBREPOSIÇÃO DE REFRAÇÃO

Este olho actua também como “um telescópio de duas lentes”, em que a luz é refractada dentro do omatídio pela segunda lente que vai curvando continuamente a luz ao longo do omatídio. Pode chegar a fazer aumentos de 100 ou até 1000 vezes. São olhos apropriados para quando há pouca luz. Um exemplo é o Pirilampo Lampyris noctiluca.

Fêmea (cima) e Macho                   Micrografia do olho           Esquema do olho

SOBREPOSIÇÃO DE REFLEXÃO

Camarões ou lagostas, que também vivem em zonas com uma luz débil, utilizam um outro tipo de olho de sobreposição, porque, na água, eram necessárias lentes muito complicadas para compensar o facto de a água ter um índice de refracção maior que o do ar. A solução veio pela via da sobreposição de reflexão, uma espécie de “sala de espelhos” que multiplica a luz. 
Aqui fica um exemplar muito curioso, dada a sua forma: o Camarão de Olhos afiados Dioptromysis paucispinosa. 

                    CamarãoEsquema do Olho de Sobreposição de Reflexão

SOBREPOSIÇÃO PARABÓLICA

Este olho “apareceu” para evitar a “aberração esférica” (3*). Para a corrigir, a lente toma uma forma parabólica, originando uma lente não esférica, mas mantendo o índice de refracção constante. Como exemplo, aí fica o Caranguejo Macropipus puber.

Caranguejo  Macropipus puber                         Esquema do olho (pág. 11 Fig. 2k)

              

OLHOS COMPOSTOS COM ANTI-REFLECTOR

Estruturas de anti-reflexão nos olhos podem aumentar a sua eficiência visual permitindo a captura de um maior número de fotões. Além de células de pigmentos de cor, foram encontradas cores metálicas em animais fossilizados. Algumas destas envolviam redes de difracção, que consistiam em estrias paralelas com espaçamento maior ou igual ao dos comprimentos de onda da luz visível.

Quatro omatídios de um díptero Dolichopodid, 
tendo cada um deles a superfície coberta por uma grade reflectora (barra de escala = 3 μm).

Foi proposto que a grade deste díptero do Eoceno (45 milhões de anos) provavelmente evoluiu de uma estrutura anti-reflexo presente no olho da traça. Um anti-reflector análogo é hoje utilizado em placas solares. 

OLHO DAS AVES

Já mostrei o olho humano que é muito semelhante ao dos Mamíferos.

Contudo, as Aves desenvolveram olhos altamente eficientes. Por exemplo, uma águia pode ver uma lebre a três quilómetros.

Águia americana                                                       Olho

Visão Binocular                                            Esquema do olho 

Comovemos do lado esquerdo da imagem, na parte detrás da cabeça há um "sector cego" (azul); dos lados, duas zonas de visão monocular (laranja); na frente, a visão binocular normal de 20⁰, embora possa ser alargada mais 10⁰ para cada lado.

Os olhos da águia têm o mesmo tamanho e peso do olho humano, apesar da águia pesar apenas 14 kg. Mas a sua estrutura é muito diferente (ver imagem). Além da diferença no tamanho, tem uma espécie de pente (pecten) que multiplica a “alimentação” da retina. Além disso, dispõe, na retina, como muitos outros animais, de uma zona chamada fóvea, onde há uma grande concentração de fotorreceptores (cones). Mas, enquanto no nosso olho, esta zona tem 200 mil cones, no da águia há cerca de um milhão, o que lhe permite uma acuidade visual muto superior à nossa.

Comparação entre a acuidade visual da Águia e do Homem

OLHOS ESPECIAIS

Aqui vou apresentar apenas algumas curiosidades.

Camarão Mantis 

Algumas das características deste camarão, nomeadamente o seu sistema visual, fazem dele um dos predadores mais temíveis. É certamente o animal com a visão mais sofisticada do mundo. Pode mover os olhos independentemente e consegue perceber uma ampla gama de luz: vísível, várias “cores” de UV e luz polarizada. Pode também distinguir até 100 mil cores, enquanto a visão humana se fica pelas 10 000 (mas não a minha, de certeza!).

 Camarão Mantis                                                 Olhos

 Um dos olhos                                       Estrutura da banda central

           Comparação com a visão do homem           Espectro de visão no ar (cima) e na água

Cada olho, que está dividido em três bandas, é capaz de perceber a “profundidade” e tem uma visão estereoscópica, muito úteis durante a caça. Aparentemente, a banda do meio, muito complicada, contém 16 tipos diferentes de fotorreceptores (12 para análise de cores, em comparação com os nossos 3 cones fotorreceptores (esquema acima à esquerda) e 4 para a luz UV e IV (esquema à direita), filtros de cor e muitos receptores de polarização, tornando a retina destes seres a mais complexa do mundo. Todo este aparato a nível do olho pode servir para simplificar o trabalho de processamento do sistema nervoso central.

Choco (Sepia officianalis)

Parece-me um bom modelo para uns óculos!

Sepia Officinalis                                                  Olho

PEIXES DE QUATRO-OLHOS

 Há vários vertebrados que fizeram uma tentativa evolutiva para quatro-olhos, desenvolvendo olhos auxiliares. Vou fazer referência a quatro.

Peixe Bathylychnops exilis

É conhecido pelas protuberâncias pouco habituais que brotam dos seus olhos. Posicionadas na parte inferior, são verdadeiros olhos já que têm lente e retina próprias bem desenvolvidas. Possivelmente servirão para detectar ameaças vindas de baixo. Além disso, possuem um terceiro par de "olhos" que não têm retina. 

             Cabeça do peixe                                       Esquema dos olhos (p.196; Fig. 5.31)

Como é um “comedor” mesopelágico (200 a 1000 m de profundidade) precisa de um campo visual binocular no meridiano horizontal e acima. Mas, sendo também um “limpador do fundo do oceano” necessita de um olho auxiliar e até, talvez de lentes esclerais (que não tocam na córnea, apoiando-se na esclerótica) para reconhecimento dos detritos bioluminescentes.

Peixe Anableps anableps
Tem dois sistemas ópticos distintos: um para visão aérea e outro para visão aquática. Estes sistemas têm retinas separadas, uma lente assimétrica de modo a poder focalizara a visão aérea e aquática e apenas um nervo óptico. O sistema está dividido horizontalmente já que o peixe nada normalmente nessa posição. Esta disposição permite-lhe ver simultaneamente acima e abaixo da água. 

É provável que só consiga “dar atenção” a uma imagem de cada vez, mas podem saltar rapidamente de uma para outra. Esta adaptação propicia-lhe sobretudo uma protecção extra contra os predadores embora também possa contribuir para a busca de alimento.

Estes olhos não são tão delicados como parecem, pois estão protegidos por uma estrutura óssea pouco habitual (ver imagem abaixo).

Em cima: o peixe; em baixo, o olho dividido e protegido (foto nº 11)

A sua lente é, como referi, assimétrica, ligeiramente piriforme. Enquanto a parte inferior da lente é arredondada como em qualquer outro peixe, a superior é alongada de modo a adaptar-se melhor aos dois meios em que tem de ver. 

À esquerda: corte histológico da parte superior e inferior da lente;

à direita, a mesma imagem onde procurei desenhar uma circunferência que praticamente coincide com a parte inferior da lente e uma elipse (melhor seria uma oval) que delimita bem a parte superior da lente. 

Visão simultânea aérea e aquática                               Esquema do olho

Dialommus fuscus

Porque tem uma alimentação terrestre, a sua córnea está dividida, não segundo o eixo longitudinal do peixe mas verticalmente, de modo a permitir-lhe permanecer na vertical com uma córnea apontando para o ar e outra para a água, embora tenha apenas uma pupila. A divisão é feita com pigmentos e com uma condensação de colagénio.

Dialommus fuscus a "escalar" para terra              o olho mostra a divisão na transversal

                              

Mnierpes macrocephalus

Está provavelmente muito relacionado com o D. fuscus, pois a divisão da córnea é muito semelhante. Sendo um peixe mesopelágico, o olho auxiliar aponta para o fundo do oceano, enquanto o olho principal é dirigido para cima segundo um ângulo de 35⁰ com a horizontal.

Segundo alguns raramente está mais de 5 minutos em contacto com o sol e mais de 20 minutos fora de água durante a noite; segundo outros, porque tem a capacidade de respirar ar e de se manter húmido, pode permanecer fora da água até quatro horas.

OLHOS TUBULARES

De qualquer modo, estas soluções não resolvem o problema dos baixos ou quase nulos níveis de luz solar que se observam nas zonas maIs profundas. Então como podem ver aí sem luz solar?

Uns utilizam a bioluminiscência, luz produzida por órgãos próprios, chamados fotóforos. Outros vivem em simbiose com seres microscópicos, como o caso muito conhecido da “associação” do Vibrio harveyi com colónias de Phaeocystis microalga, que chega a formar manchas leitosas tão grandes que são visíveis do espaço, como esta que tem mais de 250 km, chamada Mar Leitoso.

Mar Leitoso nas costas orientais da África

Mas há também uma outra solução: os olhos de forma tubular. Este crescimento em altura resulta como nos arranha-céus, da falta de espaço; a sua cabeça não tem suficiente espaço livre para expandir o olho de forma circular para as dimensões exigidas pela falta de luz. Com esta estrutura telescópica pode-se aumentar a quantidade de luz que entra no olho.

Esquema de um Olho Tubular

A retina “normal é responsável pela visão ao perto, enquanto a acessória, mais pequena, é usada para a visão ao longe. Geralmente têm muito poucos cones (não precisam destas que são responsáveis pela visão a cores), sendo constituídas especialmente por bastonetes (usados na visão a preto e branco), que podem chegar a milhões por centímetro quadrado.

Aqui ficam três exemplos: um das trilobites, já extintas, e dois peixes actuais.

Trilobite Erbenochile erbeni

Trilobite reconstituída

Fonte da imagem da esquerda: Nat Geog portuguesa Junho.2004, p.32

Peixe Macropinna microstoma 

Peixe Macropinna                                           Esquema do seu olho

Peixe Opisthoproctus soleatus

Opisthoproctus soleatus

OLHOS DO MESMO LADO DA CABEÇA

Solha do mar (Pseudopleuronectes americanus)

Evolução da fase larvar (olhos na posição normal) para a forma adulta 

OLHOS DISFARÇADOS

E para terminar uma brincadeira: os falsos olhos para iludirem os predadores.


Peixe Borboleta

Olho falso                       Olho verdadeiro dissimulado com uma cinta preta

REFERÊNCIAS
(1*) Sobre as leis kosher, que definem os alimentos puros e impuros pode ler-se o cap. 8 do livro de Paul COPAN, O Deus da Bíbla é cruel? Compreender o Deus do Antigo Testamento. Uma resposta a Dawkins, Hitchens e Saramago, Aletheia, Lisboa 2011, pp. 125-134.
(2*) Uma boa e curta síntese é feita no artigo de Michael F. LAND, “The Optics of Animal Eyes” in C. MUSIO (Ed.), Vision. The Approach of Biophysics and Neurosciences, World Scientific, 2001, pp. 20-30.
(3*) Este fenómeno surge quando os raios luminosos incidem próximo da borda das lentes, o que origina uma maior refracção do que a que sofrem os raios que incidem no eixo óptico. Assim, o resultado é uma imagem desfocada ou borratada.

Aberração esférica