Em formação

Por que a visão humana está restrita a 400-700 nm?


Em todo o espectro eletromagnético, 400-700 nm é um espectro estreito de frequências e focado na região de comprimentos de onda curtos. Por exemplo, as ondas de rádio cobrem uma grande faixa de frequências não explorada pelo sistema visual. Então, qual é a razão biológica que nos levou a usar uma largura de banda de frequência tão pequena para a visão?


Resposta curta
O espectro visível tem a maior energia da luz solar na superfície da Terra, explicando a localização bruta do espectro visível na vida na Terra. A faixa de frequência específica varia entre as espécies e pode ser explicada por estratégias de sobrevivência específicas da espécie.

Fundo
Quando você olha para o espectro de luz solar na superfície da Terra, o espectro visível tem a maior intensidade (Figura 1).


Irradiação solar. Fonte: Universidade da Califórnia.

Portanto, faz sentido usar a faixa de frequências mais representada na luz do sol como ponto de partida.

Então a questão se torna: por que humanos utilizam aproximadamente 400 a 700 nm, e não infravermelho ou UV? Isso pode ser explicado porque não precisamos disso. Nossa gama foi hipotetizada como relacionada a comportamentos de forrageamento e nosso sistema visual é particularmente sensível na faixa de frequência do coloração de frutas (maduras), que se acredita ter sido de grande benefício para nossos ancestrais hominídeos (Osorio & Vorobyev, 1996).

Por que então os animais estendem sua visão para UV? Muitos peixes, anfíbios, répteis, aves e algumas espécies de mamíferos usam a visão ultravioleta. Muitos pássaros podem identificar os raios ultravioleta néctar e frutas vermelhas, e plumagens refletoras de UV em pássaros e escamas em peixes são usadas para reconhecimento (Shi & Yokoyama, 2003). Além disso, algumas espécies de artrópodes são conhecidas por usar visão UV para reduzir distorções de reflexão de luz debaixo d'água, como no camarão mantis que apresenta 12 tipos de fotorreceptores (em oposição a quatro em humanos) (Thoen et al., 2014).

Por que, então, os animais estendem sua gama dinâmica para o infravermelho? Um efeito benéfico notável de perceber infravermelho é a detecção de calor corporal. A geração de calor é acompanhada pela geração de luz infravermelha. A detecção dessa luz emitida é muito útil para predadores noturnos, como a cobra chocalho (Hartline & Newman, 1982).

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

Leitura Adicional
1. Nossa visão de cores está calibrada para céu, vegetação e sangue?
2. Existe uma razão física para as cores estarem localizadas em uma faixa muito estreita do espectro EM?


A maior parte da luz do sol não atinge realmente a superfície da Terra devido à atmosfera.

[fonte]

Portanto, a luz que atinge a Terra inclui quase UV, visível, quase infravermelho e uma faixa de ondas de rádio. Ver qualquer outra parte do espectro seria impossível, pois não atinge a Terra.

Você perguntou por que só vemos na faixa de luz visível; isso é devido à evolução. Os pássaros, entre outros animais, podem ver a luz ultravioleta. Na verdade, todos os vertebrados têm potencial para visão ultravioleta próxima. Os humanos, assim como os vertebrados, também possuem fotorreceptores sensíveis aos raios ultravioleta. No entanto, nossa lente é opaca à luz ultravioleta:

[a partir de Anatomia e fisiologia ocular clínica através deste site]

Apenas especulando, parece que a habilidade de ver perto do UV é uma condição ancestral que perdemos em algum ponto; ou não forneceu nenhuma vantagem significativa (regressão neutra) ou houve alguma vantagem fornecida por uma lente UV-opaca, seja diretamente (como proteção contra luz UVB) ou indiretamente (por meio de antagonismo pleiotrópico).

Por outro lado, os fotorreceptores humanos não podem detectar a luz infravermelha. Novamente, este é um produto da evolução. Esses pesquisadores levantam a hipótese de que quanto maior o comprimento de onda da luz detectado, mais ruído é produzido. Este ruído é devido à ativação da molécula de pigmento pelo calor. Ou pode ser que nunca tenha acontecido. Um fotorreceptor sensível ao infravermelho pode ser possível, mas a evolução não leva à adaptação perfeita. Em outras palavras, não há necessariamente um motivo para isso.

Quanto às ondas de rádio, elas têm energia muito baixa para interagir de forma apreciável com a matéria, pelo menos no que diz respeito à visão.


Não é realmente

Isso é apenas o humano espectro visível.

Os humanos, na verdade, têm um espectro reduzido em comparação com muitos animais. Os mamíferos, em particular, têm um espectro reduzido em comparação com os não mamíferos. Répteis e pássaros têm 4 tipos de células sensíveis à cor (cones) e podem ver no ultravioleta. Muitos invertebrados podem ver um espectro ainda mais amplo. Os mamíferos perderam duas dessas células. Os mamíferos modernos descendem dos primeiros mamíferos que eram noturnos. Portanto, a visão colorida era menos útil. Os primatas desenvolveram um terceiro cone (uma variante mutante de um dos dois que tinham antes). Os primatas fizeram isso porque muitos são frugívoros e a cor é excelente para determinar quando os frutos estão maduros.


Esta é minha especulação, mas não existem ou existem poucos produtos químicos orgânicos que podem absorver ondas de rádio com comprimentos de onda mais longos. Os olhos percebem a luz ao absorver a luz com produtos químicos orgânicos, mas para sentir um comprimento de onda mais longo, os olhos podem precisar de dispositivos mais sofisticados, como sintonizadores.

Além disso, ondas de rádio de menos de 100 nm do espaço sideral são absorvidas pela atmosfera, então mesmo que os olhos pudessem sentir essas ondas de rádio, você não vê nenhum sinal na Terra.


"Luz visível" é o comprimento de onda da luz que podemos ver, se os seres humanos pudessem ver UV ou IV, esses comprimentos de onda teriam sido incluídos na definição de "luz visível". Agora, nosso Sol é mais brilhante em luz verde-amarela, que (você acha?) Está bem no meio do espectro da "luz visível". Portanto, a única questão restante é: "Por que podemos ver apenas esse curto espectro?" A resposta é EVOLUÇÃO. O mesmo motivo que nos fez ter apenas 5 dedos nas mãos, apenas 2 olhos e apenas dois rins. A largura de banda do "espectro visível" é suficiente para fazer o ser humano (como espécie) sobreviver.


Esses comprimentos de onda satisfazem duas condições.

Primeiro, fótons de comprimento de onda mais curto (radiação EM) tendem a ser perigosos para a biologia. Mesmo a luz ultravioleta (<350nm) já pode danificar o DNA. Isso se deve ao fato de que as energias de ligação em moléculas biológicas tendem a ter valores próximos à energia da radiação EM de comprimento de onda curto. É por isso que as partículas de alta energia são chamadas de radiação ionizante. Para referência, veja este artigo. energia de ionização para DNA estimada na faixa de 4-5eV, que é 300-250nm.

Em segundo lugar, no lado do espectro de baixa energia, a água absorve muita radiação IR:

Então, como você pode ver, o que vemos também conhecido como o espectro visível está bem situado no vale da absorção de água, mas não se estende à área de luz ultravioleta forte que danificará os produtos químicos do seu corpo.

Agora, por que isso? Porque os átomos têm essas massas e os elétrons ao seu redor têm essas energias. Portanto, ligações e interações moleculares têm esses valores.

(Na faixa de frequências de rádio, você, ao contrário do UV, não tem energia suficiente para provocar quaisquer mudanças moleculares significativas, razão pela qual você não consegue perceber o WiFi)


A alta sensibilidade aos raios ultravioleta em olhos de foca com capuz melhora a detecção do urso polar

Os pesquisadores demonstraram que as focas encapuzadas nativas do Oceano Ártico e do Atlântico Norte têm olhos extremamente sensíveis à luz ultravioleta (UV), permitindo-lhes detectar ursos polares que normalmente seriam camuflados, pois os raios ultravioleta são refletidos pela neve e pelo gelo, mas absorvidos pelo branco pele.

O estudo - publicado na revista Biology Open é uma colaboração entre a City University London, UCL (University College London), Moorfields Eye Hospital e a University of Tromsø - também mostra que isso também permite que as focas vejam suas próprias espécies em terra. e também melhora a visão subaquática, onde passam a maior parte do tempo.

Falando sobre o estudo, o Professor Ron Douglas da Divisão de Optometria e Ciências Visuais da City University London e um dos autores do estudo, disse:

"Nosso estudo mostra que o Hooded Seal exibe uma sensibilidade incomum à luz ultravioleta, já que a maquiagem de seu olho permite que ele amplie o componente UV da luz. Acreditamos que isso proporciona aos selos uma vantagem em ambientes oceânicos profundos, ao mesmo tempo que permite eles podem localizar facilmente seus filhotes quando carregados no gelo, o que é importante quando eles nascem em março e o sol está baixo no horizonte. Também ajuda a identificar predadores, como ursos polares, que normalmente estariam camuflados contra a neve. "

Para a maioria dos mamíferos, como os humanos, os comprimentos de onda visuais da luz estão entre aproximadamente 400-700 nm, com a luz azul e vermelha correspondendo às extremidades mais curta e mais longa do espectro, respectivamente. A parte adicional do espectro detectado pelos selos (UVA), aparece entre 315 e 400nm.

Em contraste com a maioria dos mamíferos, o olho da foca pelágica (Cystophora cristata) tem uma composição incomum que permite melhorar sua sensibilidade aos comprimentos de onda de luz UV e azul, pois, ao contrário de outros carnívoros, eles têm uma adaptação especial a uma parte do olho conhecida como o tapetum lucidum (TL).

Existindo como uma camada reflexiva atrás da retina central, o LT ocupa normalmente de 20 a 30 por cento da área central da retina e reflete a luz de volta através da retina, melhorando a sensibilidade dos olhos. Comumente dourado em reflexão em carnívoros em terra, o TL é frequentemente observado refletindo o flash de uma câmera durante a fotografia de animais de estimação, como cães e gatos, e pode conferir uma visão noturna aprimorada.

Quando a equipe examinou o olho da foca encapuzada, eles encontraram uma composição muito diferente e incomum, com o TL sendo de cor branca e cobrindo toda a retina, já que falta quase completamente a melanina que fornece a cor dourada em outros mamíferos. Este mecanismo especial permite que o TL atue como um grande espelho, aumentando a refletância dos componentes UV e azul da luz mais de 10 vezes em comparação com outros comprimentos de onda. Isso não apenas melhora sua sensibilidade a essas partes do espectro e os ajuda a localizar predadores em potencial, mas também melhora a visão subaquática onde os comprimentos de onda azul da luz viajam mais fundo do que outros.


Polinização por angiospermas

Imagem de destaque: Uma abelha em um capítulo de equinácea (um grupo de pequenas flores formando uma cabeça de flor), Minns Garden, Cornell University, Ithaca, New York, EUA. Crédito: E.J. Hermsen (NEGÓCIO).

Tópicos abordados nesta página:

Introdução

Um dos principais fatores responsáveis ​​pela grande diversidade de estruturas florais e espécies de plantas com flores é a polinização. As flores não são coloridas ou perfumadas para agradar as pessoas, embora certamente esses atributos tenham se mostrado uma vantagem evolutiva para algumas plantas do Antropoceno. Em vez disso, um dos principais objetivos das flores é atrair polinizadores animais para que a polinização e a fertilização possam ocorrer. Embora possamos apenas estimar, mais de 85% das espécies de plantas com flores do mundo podem ser polinizadas por animais (veja aqui), e a polinização animal é muito importante para a produção de certas culturas, como o cacau (Theobroma cacao) maçãs (Malus domestica) cerejas, damascos, pêssegos e ameixas (Prunus spp.) mirtilos e cranberries (Vaccinium spp.) e melões, abóboras e abóboras (Citrullus, Cucumis, e Cucurbita) (leia mais aqui). Enquanto as abelhas (particularmente as abelhas, Apis mellifera) são os polinizadores mais importantes de plantas agrícolas, muitos outros tipos de animais atuam como polinizadores, incluindo outros insetos, mamíferos e pássaros. Plantas com flores que não são polinizadas por animais geralmente são polinizadas pelo vento e algumas têm pólen distribuído pela água. Outras flores são autopolinizadas.

As características florais podem ser alinhadas com os atributos dos polinizadores alvo, como seu peso, capacidades físicas, capacidades visuais e olfato. Os polinizadores podem receber um recompensa de uma flor, geralmente alimento na forma de néctar ou pólen, para uma visita. O conceito de síndromes de polinização ou polinizador síndromes tenta generalizar quais características florais se correlacionam com categorias específicas de polinizadores (por exemplo, besouros, abelhas, morcegos, etc.). Embora as síndromes de polinização possam ser diretrizes úteis, apenas a observação e o estudo detalhados podem estabelecer quais polinizadores potenciais realmente visitam um determinado tipo de flor e que tipo de polinizador efetivamente distribui pólen para que a reprodução sexual possa ocorrer. Além disso, muitas flores podem ser polinizadas por mais de um tipo de polinizador.

Síndromes de Polinização

MorcegosAbelhasBesourosPássarosBorboletasMoscas carniceirasMariposas noturnasVento
Nome para síndrome de polinizaçãoQuiropterofiliaMelitofiliaCantarofiliaOrnitofiliaPsicofiliaSaprofiliaFalanofiliaAnemofilia
CorVariável, muitas vezes monótonoBrilhante e variável, pode ter padrões de UVSem brilho (marrom, verde, branco)Laranja, vermelho, amareloBright & amp variablePálido ou opaco (verde, marrom)Pálido / opaco (branco)Enfadonho
Forma
Tigela, escova para garrafas, etc.Sino, plataforma de pouso, tubo, etc.tigelaFunil / tubo, escova para garrafas, etc.Plataforma de pouso, tubo, etc.Funil, armadilha, etc.Tubo, etc.-
SimetriaRegular ou irregularRegular ou irregularRegularRegular ou irregularRegularRegular ou irregularRegularRegular
RecompensaTecido floral, néctar, pólenNéctar, óleo, pólen, resinaTecido floral, néctar, pólenNéctarNéctarNenhumNéctarNenhum
Guias de néctarNãoAs vezesNãoNãoAs vezesNãoNãoNão
OdorMédio, como fruta ou fruta estragadaFraco, agradávelNenhum ou forte, frutífero ou desagradávelNenhumFracoForte e nojento Médio a forte, doceNenhum
Outras notasOpen & amp produz perfume à noite com flores grandesAs abelhas veem UV, mas não veem vermelhoPode produzir calor---Produz perfume à noiteAnteras, estigmas, pétalas expostas podem estar ausentes / pequenas

Gráfico de síndromes de polinização (acima). Atributos florais associados a diferentes tipos de polinizadores. Em simetria, "regular" significa que uma flor tem simetria radial "irregular" significa que uma flor tem simetria bilateral. Nota: Se você estiver usando um dispositivo pequeno e não puder ver a tabela inteira, poderá rolar horizontalmente para ver colunas adicionais. Modificado da Tabela de Traços da Síndrome do Polinizador no site do Serviço Florestal do USDA Celebrando Flores Silvestres e Rosas-Guerrero et al. (2014), tabela S1.

Polinização no registro fóssil

A polinização é difícil de estudar diretamente no registro fóssil. Afinal, as flores são efêmeras e o ato de polinização é passageiro. Podemos usar evidências estruturais e filogenéticas de plantas modernas para nos ajudar a inferir as relações entre as plantas antigas e seus polinizadores. Por exemplo, flores com nectários, ou estruturas secretoras de néctar, são indicadores de polinização animal, uma vez que o néctar serve como recompensa para alguns tipos de polinizadores. As características do próprio pólen, como o tamanho do grão de pólen e a tendência de formar aglomerados, podem indicar se a polinização foi provavelmente mediada pelo vento ou por animais. Fósseis de animais às vezes fornecem evidências indiretas de polinização, como adaptações para alimentação de néctar. O pólen preservado no trato digestivo de animais fósseis e coprólitos (cocô fóssil) contendo ou composto por pólen também pode ser um indicador de polinização animal, uma vez que o pólen é a recompensa que alguns animais recebem por visitar uma flor.

Massa de pólen possivelmente representando um coprólito. Fotomicrografias eletrônicas de varredura de um possível coprólito constituído por pólen do Cretáceo Inferior de Portugal. Esquerda (A): Massa total / coprólito possível, barra de escala = 150 mícrons. Centro e direita (B-C): Detalhes de grãos de pólen individuais do coprólito, barras de escala = 15 mícrons. Cópia da Figura 3 de Friis et al. (2004), Araceae do Cretáceo Inferior de Portugal: Evidência da emergência de monocotiledôneas. PNAS 101: 16565-16570. Copyright 2004 National Academy of Sciences. Reproduzido aqui a seguir PNAS direitos e permissões de amplificação.

Por incrível que pareça, há algumas evidências relativamente diretas de polinização no registro fóssil. Embora o registro fóssil de orquídea talvez possa ser descrito como terrível (especialmente quando considerado em relação à diversidade de orquídeas modernas), alguns insetos preservados em âmbar têm polínias (massas de pólen, às vezes com outras estruturas associadas) anexadas a eles (por exemplos, veja aqui, aqui e aqui). Embora esses insetos não tenham sido preservados no ato de depositar pólen em um estigma, os aglomerados de pólen anexados indicam fortemente que os insetos estiveram envolvidos na visita e transferência de pólen entre as flores.

Polinização por insetos (entomofilia)

Os insetos também são o grupo mais importante de polinizadores animais, e uma estimativa recente sugere que existem mais de 5 milhões de espécies de insetos vivas hoje. Os insetos polinizadores comuns incluem abelhas, vespas, moscas, besouros, borboletas e mariposas. A polinização por insetos em plantas com sementes provavelmente apareceu no Paleozóico. A entomofilia foi documentada em cicadáceas e alguns gnetófitos entre as gimnospermas vivas. Provavelmente também ocorreu em alguns grupos de plantas com sementes extintas, como os cicadeóides. Algumas das primeiras angiospermas foram provavelmente polinizadas por insetos, e a polinização de angiospermas por insetos certamente estava presente no Cretáceo (dois exemplos do Cretáceo Superior são fornecidos posteriormente nesta página).

A primeira aparição conhecida dos principais grupos de insetos polinizadores no registro fóssil varia. Evidências fósseis para as ordens que incluem moscas (Diptera), besouros (Coleoptera), mariposas e borboletas (Lepidoptera) e formigas, abelhas e vespas (Hymenoptera) são anteriores ao primeiro aparecimento de angiospermas no registro fóssil. As moscas com veios emaranhados do início do Cretáceo (Nemestrinidae) são os fósseis de insetos mais antigos que apresentam modificações estruturais em suas peças bucais e asas que parecem ser especificamente para obter alimento de flores (veja aqui). As abelhas, um clado da ordem Hymenoptera e um dos grupos mais importantes de insetos polinizadores, são relativamente jovens. O fóssil mais antigo com características de abelha, Melittosphex burmensis, é preservado em âmbar birmanês do Cretáceo Inferior e tem cerca de 100 milhões de anos. O fóssil exibe uma mistura de características de abelhas e vespas aparentadas. Possui adaptações (por exemplo, fios de cabelo ramificados) que sugerem que ele coletou pólen (leia mais aqui e aqui).

Abelhas sudoríparas (família Halictidae) preservadas em âmbar. Normalmente, as abelhas sudoríparas se alimentam de néctar e pólen. Deixou: Nesagapostemon moronei (Mioceno, República Dominicana). Direito: Oligochlora semirugosa (Mioceno, República Dominicana). Créditos: Nesagapostemon moronei, MACT-1172, holótipo e Oligochlora semirugosa, KU-DR-21, holótipo (Michael S. Engel, via Wikimedia Commons, CC BY 3.0).Espécimes publicados por Engel (2009) ZooKeys 29: 1-12. Imagens modificadas de originais.

Visão do inseto e cor da flor

As cores e padrões florais podem ser correlacionados com a hora do dia em que os insetos-alvo estão ativos e, muitas vezes, tiram proveito das capacidades visuais dos insetos. Por exemplo, flores polinizadas por insetos noturnos podem ser abertas à noite e ter cores mais opacas, enquanto flores direcionadas a insetos ativos durante o dia podem ter cores mais vivas. As flores também podem ter padrões, chamados guias de mel ou guias de néctar, que apontam os insetos para o centro da flor, onde o pólen e outras recompensas o aguardam.

Muitos insetos têm visão de cores que cobre uma faixa diferente do espectro de luz da visão humana. Freqüentemente, eles podem ver cores na porção ultravioleta (UV) do espectro. Algumas flores têm padrões que são visíveis apenas na faixa de UV. Assim, esses padrões são visíveis para os insetos, mas invisíveis para os humanos! Esses padrões podem ser revelados se as flores forem iluminadas com luz no espectro UV. Sob a luz ultravioleta, as porções de uma flor que absorvem luz no espectro ultravioleta parecerão escuras ou pretas, enquanto as partes de uma flor que refletem os raios ultravioleta parecerão mais claras.

Espectro visual de abelhas melíferas vs. humanos. Mel de abelhasApis mellifera) podem ver a luz em cerca de 300–650 nm na faixa de comprimentos de onda, com picos nos comprimentos de onda UV, azul e verde. As fontes variam, mas o intervalo visível para humanos é geralmente considerado como sendo cerca de 400-700 nm (de 380-400 nm na extremidade violeta do espectro até 700-750 nm na extremidade vermelha do espectro), com picos em os comprimentos de onda azul, verde e vermelho (veja aqui e aqui). A luz UV é luz no intervalo de 10–400 nm. Crédito da imagem: espectro de cores (Fulvio314, via Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0). Imagem modificada do original.

Vídeo mostrando um capítulo sob luz normal e ultravioleta. Um capítulo é um grupo de pequenas flores que juntas se parecem com uma única flor, é típico da família aster (Asteraceae). À esquerda está um capítulo mostrado sob a luz do dia normal, observe que ele é uniformemente amarelo. À direita, o mesmo capítulo é mostrado em UV. As áreas pretas absorvem a luz ultravioleta, enquanto as áreas amarelas claras refletem a luz ultravioleta. Nota: este vídeo não tem narração. Crédito: Veja o invisível (Orion17, via YouTube).

Embora o exame de flores sob a luz ultravioleta possa revelar padrões ocultos, isso não nos mostra como o mundo realmente parece para um inseto que pode ver a luz na porção ultravioleta do espectro. As áreas pretas que absorvem a luz ultravioleta não pareceriam necessariamente escuras para um inseto. Isso ocorre porque a cor de um objeto é determinada pela porção do espectro de luz visível que ele reflete, não a parte que absorve. Por exemplo, um objeto que parece amarelo reflete a cor na parte amarela do espectro (aproximadamente 570–590 nm) e absorve outros comprimentos de onda da luz visível. As áreas que aparecem com cores claras sob a luz ultravioleta refletem os raios ultravioleta. Isso significa que, para um inseto, a cor nessas áreas inclui uma parte do espectro UV.

Para complicar ainda mais, alguns insetos não conseguem ver todo o espectro de luz visível aos humanos. As abelhas não conseguem ver muito do espectro vermelho, então essa gama de cores é subtraída na "visão das abelhas". Por outro lado, algumas borboletas podem ver todo o espectro de luz visível humana mais UV, e podem detectar diferenças sutis na cor que os humanos não podem ver (leia mais aqui). Assim, as cores e os padrões das flores podem parecer muito diferentes aos insetos do que aos humanos.

Alguns tentaram aproximar como as cores das flores realmente apareceriam para os insetos usando a fotografia sob diferentes tipos de luz e manipulação digital (leia mais aqui).

Vídeo mostrando as cores de plantas com flores vistas por humanos, abelhas e borboletas. Nota: este vídeo tem música de fundo, mas sem narração. Crédito: Insecta Spectra (Vídeo de Robin Noorda, imagens do Dr. Klaus Schmidtt, Tropism, via YouTube).

Recompensas

Recompensas para polinizadores são tipicamente recompensas alimentares, na forma de tecido floral, pólen e / ou néctar. O néctar é produzido por tecidos especializados ou estruturas florais conhecidas como nectários. Besouros às vezes podem se alimentar de tecido floral ou pólen, enquanto borboletas e mariposas são recompensadas com néctar. As abelhas podem estar atrás de pólen e néctar. AbelhasApis mellifera), por exemplo, se especializaram cestos de pólen nas patas traseiras, onde podem embalar pólen para levar de volta à colmeia.

As recompensas às vezes podem ser mais incomuns ou especializadas. Por exemplo, algumas flores da família do mangostão (Clusiaceae) recompensam seus polinizadores, abelhas sem ferrão (Família Apidae, Tribo Meliponini), com resina que podem usar para construir seus ninhos. Flores semelhantes, chamadas Paleoclusia chevalieri, foram descobertos em sedimentos do Cretáceo Superior (ca. 90 Ma) de New Jersey, EUA. Uma abelha sem ferrão em âmbar (Cretotrigona prisca) foi encontrado em depósitos mais jovens do Cretáceo Superior (66-70 Ma?) de Nova Jersey. Se o Paleoclusia flores produziram resina como recompensa, essas descobertas sugerem que essa relação planta-polinizadora especializada entre alguns membros da família do mangostão e as abelhas sem ferrão pode ser muito antiga, originando-se em algum momento entre 90 e 66 milhões de anos atrás!

Flores de Clusiaceae do Cretáceo e abelhas sem ferrão. Esquerda: Fotomicrografia eletrônica de varredura de uma flor de Paleoclusia chevaieri (Cretáceo Superior, New Jersey, EUA). Os lóbulos do estigma (indicados por pontas de flechas) ficam no topo do ovário. Restos do androceu e do perianto podem ser vistos na base do ovário. À direita: Desenho de Cretotrigona prisca, uma abelha sem ferrão preservada em âmbar (Cretáceo Superior, Nova Jersey, EUA). Créditos: Paleoclusia chevalieri, CUPC 1203, CUPC image 6052 (copyright 2006 CUPC, via plantsystematics.org, usado com permissão, termos de uso) Desenho de Cretotrigona prisca (de Michener & amp Grimaldi 1988, A abelha fóssil mais antiga: história apoid, estase evolutiva e antiguidade do comportamento social. PNAS 85: 6424-6426. Reproduzido aqui a seguir PNAS termos direitos e permissões de amplificação). Imagens modificadas de originais.

Decepção

Flores enganosas atraem os polinizadores com a promessa de algo desejável, mas, em vez disso, aproveitam-se delas e, muitas vezes, não lhes fornecem nada em troca. Um tipo típico de engano envolve a imitação de coisas nojentas para atrair moscas, como carniça (carne morta), fungo ou esterco. Essas flores chamadas de carniça geralmente têm cores opacas - podem ser acastanhadas, marrons, esverdeadas ou mosqueadas. Seu cheiro pode ser nauseante. Às vezes, eles também são termogênicos ou prendem seus polinizadores (veja abaixo).

Exemplos de flores carniceiras são o toadshade (Trillium sessile) e planta carniça (Stapelia gigantea) Na família arum (Araceae), uma inflorescensa inteira (grupo de flores) pode formar uma única estrutura que imita carniça. As flores são minúsculas e agrupadas em uma coluna chamada espádice as flores e espádice são cercadas por um capuz em forma de pétala, o espata. Exemplos de flores carniceiras na família do arum incluem o titan arum (Amorphophallus titanum) e outros membros do gênero Amorfófalo, bem como o evocativamente denominado lírio-arum cavalo morto (Helicodiceros muscivorus) Jack-in-the-púlpito (Arisaema triphyllum), um membro da família arum nativa do leste da América do Norte, imita fungos e é polinizada por mosquitos de fungos.

Carniça e estruturas florais que mimetizam fungos. Esquerda: Toadshade (Trillium sessile), uma flor de carniça. Painéis centrais: Konjac (Amorphophallus konjac), mostrando a estrutura de floração por fora e por dentro. Observe que as flores são pequenas e agrupadas na base de um pilar conhecido como espádice. Flores e espádix são cercadas por uma grande espata marrom. À direita: Jack-in-the-púlpito (Arisaema triphyllum), mostrando a espata (a estrutura em forma de capuz) que envolve um grupo de flores de jack-in-the-púlpito é polinizada por mosquitos de fungo. Todas as imagens de E.J. Hermsen (NEGÓCIO).

O mimetismo vem em outras formas. A decepção sexual é conhecida em certas orquídeas. Essas flores imitam as abelhas ou vespas fêmeas, enganando os machos para tentar acasalar com elas. No processo, o inseto macho pega pedaços de pólen que pode transferir para outra flor.

Vídeo mostrando um macho vespa tentando acasalar com uma orquídea sexualmente enganosa. Crédito: A decepção sexual de Orchid provoca ejaculação (New Scientist via YouTube).

Características estruturais

Além da cor e da recompensa, as características estruturais podem encorajar ou desencorajar certos tipos de insetos polinizadores. As orquídeas são famosas por suas modificações estruturais, que às vezes têm como alvo polinizadores muito específicos. Orquídea de Darwin (Angraecum sesquipedale), que cresce na ilha de Madagascar, é uma dessas orquídeas. Esta orquídea tem um esporão muito longo, ou tubo, com néctar na parte inferior do tubo pode ter até cerca de 11 polegadas (28 cm) de comprimento. Em seu livro de 1862 sobre polinização de orquídeas, Charles Darwin previu que uma mariposa com uma tromba correspondentemente longa (parte da boca em forma de tubo) deve polinizar a orquídea (veja aqui). O polinizador, a mariposa spinx de Morgan (Xanthopan morganii) não foi descoberto até o início do século 20 e só foi provado de forma conclusiva como sendo o polinizador na década de 1990 (veja aqui).

Recursos estruturais especializados em flor-polinizadores. Esquerda: orquídea de Darwin (Angraecum sesquipedale) mostrando esporão de néctar longo, que tem uma quantidade relativamente pequena de néctar na parte inferior. À direita: mariposa spinx de Morgan (Xanthopan morganii) mostrando tromba longa (parte bucal) que pode atingir o néctar no esporão. Créditos: Angraecum sesquipedale (Wilferd Duckitt, via Wikimedia Commons, CC BY 2.0) Xanthopan morganii (Esculapio, via Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0). Imagens modificadas de originais para DEAL.

Anteras, as estruturas produtoras de pólen nas flores, geralmente se abrem por longas fendas para liberar seu pólen. No entanto, algumas flores têm anteras que se abrem por minúsculos poros apicais ou fendas. Essas flores são polinizadas por abelhas sonicadoras, como os zangões (Bombus) As abelhas podem vibrar seus corpos na frequência certa para liberar o pólen das anteras em um processo conhecido como polinização por zumbido. Algumas plantas de cultivo bem conhecidas têm flores adaptadas para polinização por zumbido, incluindo membros da família das beladuras (Solanaceae) - como a batata e o tomate (Solanum spp.) - e membros da família heath (Ericaceae), como mirtilos e cranberries (Vaccinium spp.).

Vídeo explicando a polinização por zumbido. Crédito: Esta abelha vibrante desbloqueia o tesouro escondido de uma flor (Deep Look, PBS Digital Studios via YouTube).

Termogênese (produção de calor)

Termogênese foi documentado em membros de 11 famílias de plantas com flores (veja aqui). Termogênese significa que uma flor ou inflorescência gera calor. A termogênese é frequentemente associada a grandes flores polinizadas por besouros, como o lírio d'água gigante (Victoria) da América do Sul. O calor também é produzido por algumas plantas polinizadas por insetos atraídos pela carniça, como o lírio-arum de cavalo morto (Helicodiceros muscivorus). A relação entre polinização e termogênese provavelmente antecede a origem das angiospermas, porque a termogênese é conhecida por ocorrer em cicadáceas vivas, um grupo que aparece pela primeira vez no Paleozóico. A termogênese Cycad está associada à polinização por tripes e besouros.

A termogênese pode desempenhar uma variedade de funções na polinização e reprodução das plantas que podem ser benéficas para qualquer planta, polinizador ou ambos. Em alguns casos, a termogênese (calor) pode proteger a planta e servir como recompensa para os polinizadores. Por exemplo, o termogênico repolho gambá oriental da América do Norte (Symplocarpus foetidus) geralmente floresce quando ainda há neve no solo (veja o vídeo abaixo). A termogênese às vezes está associada a engano (falta de recompensa do polinizador) e aprisionamento (aprisionamento de polinizadores).

Vídeo mostrando a termogênese em repolho-gambá. Crédito: Flores zumbis mortos-vivos de repolho Skunk (Plants are Cool, Too! Do Dr. Chris Martine, Bucknell University, e co-patrocinado pela Botanical Society of America, via YouTube).

Aprisionamento

Algumas plantas com flores têm modificações estruturais ou exibem movimento de estruturas para aprisionar os polinizadores. A armadilha pode servir como um mecanismo para ajudar a impor a polinização cruzada. As flores podem atrair seus polinizadores quando seus estigmas são receptivos à polinização e, em seguida, prender os polinizadores até que liberem seu próprio pólen. Uma vez liberados, os polinizadores podem voar para outra flor receptiva para repetir o ciclo de polinização e aprisionamento.

Nenúfares gigantes (Victoria) nativas da América do Sul são um exemplo de plantas que prendem seus polinizadores. Esses nenúfares utilizam termogênese e perfume para atrair besouros que rastejam para uma câmara na flor. A flor fecha e aprisiona temporariamente os besouros, que se alimentam de tecidos florais. Os besouros são libertados no dia seguinte após as anteras se abrirem para liberar seu pólen, idealmente para transportar esse pólen para outra flor receptiva. A flor é branca quando é receptiva à polinização (fase feminina) e torna-se rosa após aprisionar seus polinizadores (fase masculina). (Leia mais aqui.)

Vídeo de um lírio d'água gigante (Victoria) florescendo. Este vídeo é um lapso de tempo que mostra o desabrochar de uma flor de nenúfar gigante ao longo de dois dias. A flor abre em sua fase branca (feminina), fecha para prender polinizadores, torna-se rosa (indicando que está na fase masculina), libera seu pólen e se abre novamente para liberar seus polinizadores, então se fecha e afunda sob a superfície da água. Por ser cultivado em casa de vegetação, esse espécime não é visitado por polinizadores. Nota: este vídeo não tem narração. Crédito: Victoria time lapse (Cornell SIPS, via YouTube).

Flores do Cretáceo Superior de New Jersey, EUA, nomeadas Microvictoria svitkoana (Pequeno de Svitko Victoria), têm uma estrutura floral semelhante à do lírio d'água gigante vivo, sugerindo que eles podem ter empregado um mecanismo de aprisionamento semelhante em seu sistema de polinização (leia mais aqui). Embora não possamos observar isso diretamente, talvez Microvictoria flores produziam calor também!

Microvictoria svitkoana, um antigo lírio d'água. Digitalizando fotomicrografias eleitorais de um Microvictoria svitkoana botão de flor (Cretáceo Superior, Nova Jersey, EUA). Esquerda: botão de flor completo, perianto ainda fechado. À direita: botão de flor parcialmente dissecado visto de lado (parte do lado do botão de flor foi removida). Quando o perianto se abriu, os polinizadores teriam se infiltrado em uma pequena abertura através do androceu (estames férteis e estéreis). Os paracarpos (apêndices estéreis) na base da câmara teriam servido de recompensa (alimento) para os polinizadores. Créditos: Microvictoria svitkoana, espécime CUPC 1475, CUPC imagem 4543 e CUPC imagem 4544 (copyright 2005 CUPC, via plantsystematics.org, usado com permissão, termos de uso). Espécime publicado por Gandolfo et al. (2004) PNAS 101: 8056-8060. Imagens modificadas de originais.

Algumas plantas que simulam fungos e carniça enganosa, como a jack-in-the-púlpito (Arisaema triphyllum) e o lírio-arum de cavalo morto (Helicodiceros muscivorus), mencionado acima, também prendem seus polinizadores. A armadilha nem sempre é benigna. Por exemplo, nenúfar perfumado (Nymphaea odorata) produz uma poça de líquido que cobre o estigma de sua flor. Para que a polinização ocorra, os polinizadores devem cair no reservatório, onde o pólen é removido deles. Alguns dos polinizadores do lírio d'água perfumado ficam presos na piscina e morrem (leia mais aqui, aqui e aqui). Da mesma forma, os mosquitos do fungo que polinizam a jack-in-the-púlpito podem ser fatalmente presos depois de liberar seu pólen, porque não há orifício de escape na parte inferior da espata (capuz) ao redor das flores das plantas femininas (leia mais aqui).

Polinização de morcegos (quiropterofilia)

Estima-se que a polinização por morcegos tenha se originado mais de 50 vezes distintas em plantas com flores e é conhecida por ocorrer em mais de 500 espécies de plantas com flores (veja aqui). Os morcegos são polinizadores relativamente grandes, ativos à noite (noturnos) e, como muitos mamíferos, daltônicos. Como seria de se esperar com base nessas características, as flores polinizadas por morcegos costumam ser de cores opacas, grandes e abertas à noite, quando os morcegos estão ativos. Eles tendem a produzir uma fragrância de fruta e néctar como recompensa. Exemplos de plantas polinizadas por morcegos incluem bananas (Musa acuminata), baobás (Adansonia digitata), durian (Durio), e cactos saguaro (Carnegiea gigantea).

Quando a polinização por morcegos evoluiu pela primeira vez? A melhor evidência vem de nosso conhecimento da evolução e relações dos morcegos, com base no estudo de morcegos modernos e no registro fóssil de morcegos. Os mais antigos fósseis de morcegos conhecidos são do Eoceno, e a evidência filogenética molecular sugere uma origem para morcegos perto do limite Cretáceo-Paleógeno. Os morcegos polinizadores ocorrem em duas famílias não relacionadas: os morcegos com nariz de folha americanos (Phyllostomidae) no Novo Mundo e várias linhagens de "megabats" - ou morcegos frugívoros do Velho Mundo (Pteropodidae) - no Velho Mundo (veja aqui). No Novo Mundo, acredita-se que morcegos polinizadores (comedores de néctar) tenham evoluído duas vezes no Mioceno e são representados por pelo menos um fóssil do Mioceno (veja aqui e aqui). O registro fóssil de morcegos frugívoros do Velho Mundo é pobre, embora a família provavelmente tenha surgido no Paleógeno.

Vídeo discutindo o papel dos morcegos como polinizadores de agave. Crédito: Adoro tequila, adoro morcegos polinizadores! (Smithsonian, via YouTube).


Por que a visão humana está restrita a 400-700 nm? - Biologia

Os espaços de cores CIE 1931 foram os primeiros elos quantitativos definidos entre as distribuições de comprimentos de onda no espectro eletromagnético visível e as cores fisiológicas percebidas na visão humana das cores. As relações matemáticas que definem esses espaços de cores são ferramentas essenciais para o gerenciamento de cores, importantes ao lidar com tintas coloridas, telas iluminadas e dispositivos de gravação, como câmeras digitais.

O espaço de cor CIE 1931 RGB e o espaço de cor CIE 1931 XYZ foram criados pela Comissão Internacional de Iluminação (CIE) em 1931. Eles resultaram de uma série de experimentos feitos no final dos anos 1920 por William David Wright e John Guild. Os resultados experimentais foram combinados na especificação do espaço de cores CIE RGB, a partir do qual o espaço de cores CIE XYZ foi derivado.

Os espaços de cores CIE 1931 ainda são amplamente usados, assim como o espaço de cores CIELUV de 1976.

Valores de tristímulo
O olho humano com visão normal tem três tipos de células cônicas que detectam a luz, tendo picos de sensibilidade espectral em curto (& # 8220S & # 8221, 420 nm - 440 nm), médio (& # 8220M & # 8221, 530 nm - 540 nm ) e comprimentos de onda longos (& # 8220L & # 8221, 560 nm - 580 nm).Essas células cônicas sustentam a percepção das cores humanas em condições de brilho médio e alto em luz muito fraca, a visão de cores diminui, e os receptores monocromáticos de baixo brilho & # 8220 visão noturna & # 8221, denominados & # 8220rod cells & # 8221, tornam-se eficazes. Assim, três parâmetros correspondentes aos níveis de estímulo dos três tipos de células cônicas, em princípio, descrevem qualquer sensação de cor humana. A ponderação de um espectro de potência de luz total pelas sensibilidades espectrais individuais dos três tipos de células cone processa três valores efetivos de estímulo - esses três valores compõem uma especificação tristímulus da cor objetiva do espectro de luz. Os três parâmetros, denotados & # 8220S & # 8221, & # 8220M & # 8221 e & # 8220L & # 8221, são indicados usando um espaço tridimensional denominado & # 8220LMS color space & # 8221, que é um dos muitos espaços de cores concebidos para quantificar a visão humana das cores.

Um espaço de cores mapeia uma gama de cores produzidas fisicamente de luz mista, pigmentos, etc. para uma descrição objetiva de sensações de cores registradas no olho humano, normalmente em termos de valores tristímulus, mas não geralmente no espaço de cores LMS definido pelo espectro sensibilidades das células cone. Os valores tristimulus associados a um espaço de cores podem ser conceituados como quantidades de três cores primárias em um modelo tri-cromático de cores aditivas. Em alguns espaços de cores, incluindo os espaços LMS e XYZ, as cores primárias usadas não são cores reais, no sentido de que não podem ser geradas em nenhum espectro de luz.

O espaço de cores CIE XYZ abrange todas as sensações de cores que são visíveis para uma pessoa com visão média. É por isso que CIE XYZ (valores de Tristimulus) é uma representação invariante de dispositivo da cor. Ele serve como uma referência padrão contra a qual muitos outros espaços de cores são definidos. Um conjunto de funções de correspondência de cores, como as curvas de sensibilidade espectral do espaço de cores LMS, mas não restrito a sensibilidades não negativas, associa espectros de luz produzidos fisicamente com valores tristímulus específicos.

Considere duas fontes de luz compostas de diferentes misturas de vários comprimentos de onda. Essas fontes de luz podem parecer da mesma cor - esse efeito é denominado & # 8220metamerismo & # 8221. Essas fontes de luz têm a mesma cor aparente para um observador quando produzem os mesmos valores tristímulus, independentemente das distribuições de potência espectral das fontes.

A maioria dos comprimentos de onda estimula dois ou todos os três tipos de células cônicas porque as curvas de sensibilidade espectral dos três tipos se sobrepõem. Certos valores tristímulus são, portanto, fisicamente impossíveis, por exemplo, valores tristímulus LMS que são diferentes de zero para o componente M e zero para ambos os componentes L e S. Além disso, os valores tristímulus LMS para cores espectrais puras seriam, em qualquer espaço de cor aditivo tricromático normal, e. g. os espaços de cores RGB implicam valores negativos para pelo menos uma das três cores primárias porque a cromaticidade estaria fora do triângulo de cores definido pelas cores primárias. Para evitar esses valores RGB negativos e ter um componente que descreve o brilho percebido, foram formuladas as cores primárias & # 8220imaginary & # 8221 e as funções de correspondência de cores correspondentes. O espaço de cores CIE 1931 define os valores tristímulus resultantes, nos quais eles são denotados por & # 8220X & # 8221, & # 8220Y & # 8221 e & # 8220Z & # 8221. No espaço XYZ, todas as combinações de coordenadas não negativas são significativas, mas muitas, como as localizações primárias [1, 0, 0], [0, 1, 0] e [0, 0, 1], correspondem ao imaginário cores fora do espaço de possíveis coordenadas LMS cores imaginárias não correspondem a nenhuma distribuição espectral de comprimentos de onda e, portanto, não têm realidade física.

Significado de X, Y e Z
Ao julgar a luminância relativa (brilho) de cores diferentes em situações bem iluminadas, os humanos tendem a perceber a luz dentro das partes verdes do espectro como mais brilhante do que a luz vermelha ou azul de igual potência. A função de luminosidade que descreve os brilhos percebidos de diferentes comprimentos de onda é, portanto, aproximadamente análoga à sensibilidade espectral de M cones.

O modelo CIE tira proveito desse fato definindo Y como luminância. Z é quase igual à estimulação azul, ou a resposta do cone S, e X é uma mistura (uma combinação linear) de curvas de resposta do cone escolhidas como não negativas. Os valores do tristímulo XYZ são, portanto, análogos, mas diferentes das respostas do cone LMS do olho humano. Definir Y como luminância tem o resultado útil de que, para qualquer valor de Y dado, o plano XZ conterá todas as cromaticidades possíveis naquela luminância.

A unidade dos valores tristímulus X, Y e Z é frequentemente escolhida arbitrariamente de modo que Y = 1 ou Y = 100 seja o branco mais brilhante que um visor colorido suporta. Os valores de ponto branco correspondentes para X e Z podem então ser inferidos usando os iluminantes padrão.

Observador padrão CIE
Devido à distribuição dos cones no olho, os valores dos triestímulos dependem do campo de visão do observador. Para eliminar essa variável, o CIE definiu uma função de mapeamento de cores chamada observador padrão (colorimétrico), para representar uma resposta cromática humana média dentro de um arco de 2 ° dentro da fóvea. Este ângulo foi escolhido devido à crença de que os cones sensíveis à cor residiam dentro de um arco de 2 ° da fóvea. Assim, a função CIE 1931 Standard Observer também é conhecida como CIE 1931 2 ° Standard Observer. Uma alternativa mais moderna, mas menos usada, é o CIE 1964 10 ° Standard Observer, derivado do trabalho de Stiles e Burch e Speranskaya.

Para os experimentos de 10 °, os observadores foram instruídos a ignorar o ponto 2 ° central. A função de observador padrão suplementar de 1964 é recomendada ao lidar com um campo de visão superior a cerca de 4 °. Ambas as funções de observador padrão são discretizadas em intervalos de comprimento de onda de 5 nm de 380 nm a 780 nm e distribuídas pelo CIE. Todos os valores correspondentes foram calculados a partir de dados obtidos experimentalmente usando interpolação. O observador padrão é caracterizado por três funções de correspondência de cores.

A derivação do observador padrão CIE a partir de experimentos de correspondência de cores é fornecida abaixo, após a descrição do espaço RGB CIE.

Funções de correspondência de cores
As funções de correspondência de cores CIE & # 8217s são a descrição numérica da resposta cromática do observador (descrita acima). Eles podem ser considerados as curvas de sensibilidade espectral de três detectores de luz linear que geram os valores tristímulus CIE X, Y e Z. Coletivamente, essas três funções são conhecidas como o observador padrão CIE.

Outros observadores, como para o espaço CIE RGB ou outros espaços de cores RGB, são definidos por outros conjuntos de três funções de correspondência de cores e levam a valores tristímulus nesses outros espaços.

Computando XYZ a partir de dados espectrais
Caixa Emissiva
Os valores tristimulus para uma cor com uma radiância espectral eue, Ω, λ são dados em termos do observador padrão por:


onde é o comprimento de onda da luz monocromática equivalente (medido em nanômetros), e os limites padrão da integral sãoeue, Ω, λ em [380,780]>.

Os valores de X, Y e Z são limitados se o espectro de radiância eue, Ω, λ é limitado.

Casos Reflexivos e Transmissivos
Os casos reflexivo e transmissivo são muito semelhantes ao caso emissivo, com algumas diferenças. A radiância espectral eue, Ω, λ é substituída pela refletância espectral (ou transmitância) S (λ) do objeto sendo medido, multiplicada pela distribuição de potência espectral do iluminante I (λ).


K é um fator de escala (geralmente 1 ou 100) e é o comprimento de onda da luz monocromática equivalente (medido em nanômetros), e os limites padrão da integral são ..

Diagrama de cromaticidade CIE xy e o espaço de cores CIE xyY

Como o olho humano tem três tipos de sensores de cores que respondem a diferentes faixas de comprimentos de onda, um gráfico completo de todas as cores visíveis é uma figura tridimensional. No entanto, o conceito de cor pode ser dividido em duas partes: brilho e cromaticidade. Por exemplo, a cor branca é uma cor brilhante, enquanto a cor cinza é considerada uma versão menos brilhante desse mesmo branco. Em outras palavras, a cromaticidade do branco e do cinza é a mesma, embora seu brilho seja diferente.

O espaço de cores CIE XYZ foi deliberadamente projetado para que o parâmetro Y seja uma medida da luminância de uma cor. A cromaticidade de uma cor é então especificada pelos dois parâmetros derivados x e y, dois dos três valores normalizados sendo funções de todos os três valores tristímulus X, Y e Z:


O espaço de cores derivado especificado por x, y e Y é conhecido como espaço de cores CIE xyY e é amplamente usado para especificar cores na prática.

Os valores tristímulus X e Z podem ser calculados a partir dos valores de cromaticidade xey e o valor tristímulus Y:


A figura à direita mostra o diagrama de cromaticidade relacionado. O limite externo curvo é o locus espectral, com comprimentos de onda mostrados em nanômetros. Observe que o diagrama de cromaticidade é uma ferramenta para especificar como o olho humano experimentará a luz com um determinado espectro. Não pode especificar cores de objetos (ou tintas de impressão), uma vez que a cromaticidade observada ao olhar para um objeto depende da fonte de luz também.

Matematicamente, as cores do diagrama de cromaticidade ocupam uma região do plano projetivo real.

O diagrama de cromaticidade ilustra uma série de propriedades interessantes do espaço de cores CIE XYZ:

O diagrama representa todas as cromaticidades visíveis para a pessoa média. Eles são mostrados em cores e essa região é chamada de gama da visão humana. A gama de todas as cromaticidades visíveis no gráfico CIE é a figura em forma de língua ou ferradura mostrada em cores. A borda curva da gama é chamada de locus espectral e corresponde à luz monocromática (cada ponto representando uma tonalidade pura de um único comprimento de onda), com comprimentos de onda listados em nanômetros. A borda reta na parte inferior da gama é chamada de linha roxa. Essas cores, embora estejam no limite da gama, não têm contrapartida na luz monocromática. As cores menos saturadas aparecem no interior da figura com o branco no centro.
É visto que todas as cromaticidades visíveis correspondem a valores não negativos de x, y e z (e, portanto, a valores não negativos de X, Y e Z).
Se alguém escolher quaisquer dois pontos de cor no diagrama de cromaticidade, todas as cores que estão em uma linha reta entre os dois pontos podem ser formadas pela mistura dessas duas cores. Segue-se que a gama de cores deve ter forma convexa. Todas as cores que podem ser formadas pela mistura de três fontes são encontradas dentro do triângulo formado pelos pontos de fonte no diagrama de cromaticidade (e assim por diante para fontes múltiplas).
Uma mistura igual de duas cores igualmente brilhantes geralmente não fica no ponto médio desse segmento de linha. Em termos mais gerais, uma distância no diagrama de cromaticidade CIE xy não corresponde ao grau de diferença entre duas cores. No início dos anos 1940, David MacAdam estudou a natureza da sensibilidade visual às diferenças de cor e resumiu seus resultados no conceito de uma elipse MacAdam. Com base no trabalho de MacAdam, foram desenvolvidos os espaços de cores CIE 1960, CIE 1964 e CIE 1976, com o objetivo de obter uniformidade perceptual (ter uma distância igual no espaço de cor corresponde a diferenças iguais de cor). Embora representassem uma melhoria nítida em relação ao sistema CIE 1931, não eram totalmente isentos de distorção.
Pode-se ver que, dadas as três fontes reais, essas fontes não podem cobrir a gama da visão humana. Explicado geometricamente, não há três pontos dentro da gama que formam um triângulo que inclui toda a gama ou, mais simplesmente, a gama da visão humana não é um triângulo.
A luz com espectro de potência plano em termos de comprimento de onda (potência igual a cada intervalo de 1 nm) corresponde ao ponto (x, y) = (1/3, 1/3).
Mistura de cores especificadas com o diagrama de cromaticidade CIE xy
Quando duas ou mais cores são misturadas aditivamente, as coordenadas de cromaticidade xey da cor resultante (xmix, ymix) podem ser calculadas a partir das cromaticidades dos componentes da mistura (x1, y1 x2, y2 ... xn, yn) e suas luminâncias correspondentes (L1, L2, ..., Ln) com as seguintes fórmulas:


Essas fórmulas podem ser derivadas das definições apresentadas anteriormente de coordenadas de cromaticidade xey, aproveitando o fato de que os valores tristímulus X, Y e Z dos componentes individuais da mistura são diretamente aditivos. No lugar dos valores de luminância (L1, L2, etc.), pode-se, alternativamente, usar qualquer outra quantidade fotométrica que seja diretamente proporcional ao valor tristímulo Y (naturalmente significando que o próprio Y também pode ser usado).

Como já mencionado, quando duas cores são misturadas, a cor resultante xmix, ymix ficará no segmento de linha reta que conecta essas cores no diagrama de cromaticidade CIE xy. Para calcular a proporção de mistura das cores componentes x1, y1 e x2, y2 que resulta em um certo xmix, ymix neste segmento de linha, pode-se usar a fórmula


onde L1 é a luminância da cor x1, y1 e L2 a luminância da cor x2, y2. Observe que, como ymix é determinado de forma inequívoca por xmix e vice-versa, saber apenas outro deles é o suficiente para calcular a proporção de mistura. Observe também que a proporção de mistura L1 / L2 pode - de acordo com as observações relativas às fórmulas para xmix e ymix - ser expressa em termos de outras grandezas fotométricas além da luminância.

Definição do espaço de cores CIE XYZ
Espaço de cor RGB CIE
O espaço de cores CIE RGB é um dos muitos espaços de cores RGB, distinguidos por um conjunto particular de cores primárias monocromáticas (comprimento de onda único).

Na década de 1920, W. David Wright e John Guild conduziram independentemente uma série de experimentos sobre a visão humana que estabeleceram as bases para a especificação do espaço de cores CIE XYZ. Wright realizou experimentos de combinação de cores tricromáticas com dez observadores. Guild realmente conduziu seus experimentos com sete observadores.

Os experimentos foram conduzidos usando uma tela circular dividida (um campo bipartido) de 2 graus de diâmetro, que é o tamanho angular da fóvea humana. De um lado do campo uma cor de teste foi projetada e do outro lado, uma cor ajustável pelo observador foi projetada. A cor ajustável era uma mistura de três cores primárias, cada uma com cromaticidade fixa, mas com brilho ajustável.

O observador alteraria o brilho de cada um dos três feixes primários até que uma combinação com a cor de teste fosse observada. Nem todas as cores de teste podem ser combinadas usando esta técnica. Quando esse era o caso, uma quantidade variável de uma das primárias poderia ser adicionada à cor de teste e uma correspondência com as duas primárias restantes era realizada com a mancha de cor variável. Para esses casos, a quantidade de primário adicionado à cor de teste foi considerada um valor negativo. Desta forma, toda a gama de percepção humana das cores pode ser coberta. Quando as cores de teste eram monocromáticas, um gráfico poderia ser feito da quantidade de cada primário usado como uma função do comprimento de onda da cor de teste. Essas três funções são chamadas de funções de correspondência de cores para esse experimento específico.

Embora os experimentos de Wright e Guild & # 8217s tenham sido realizados usando vários primários em várias intensidades, e embora eles tenham usado uma série de observadores diferentes, todos os seus resultados foram resumidos pelas funções de correspondência de cores RGB CIE padronizadas,, e, obtidos usando três primários monocromáticos em comprimentos de onda padronizados de 700 nm (vermelho), 546,1 nm (verde) e 435,8 nm (azul). As funções de correspondência de cores são as quantidades de primárias necessárias para corresponder ao primário de teste monocromático. Essas funções são mostradas no gráfico à direita (CIE 1931). Observe que e são zero em 435,8 nm, e são zero em 546,1 nm e são zero em 700 nm, uma vez que, nesses casos, a cor do teste é uma das primárias. As primárias com comprimentos de onda de 546,1 nm e 435,8 nm foram escolhidas porque são linhas monocromáticas facilmente reproduzíveis de uma descarga de vapor de mercúrio. O comprimento de onda de 700 nm, que em 1931 era difícil de reproduzir como um feixe monocromático, foi escolhido porque a percepção da cor do olho & # 8217s é bastante imutável neste comprimento de onda e, portanto, pequenos erros no comprimento de onda deste primário teriam pouco efeito nos resultados .

As funções de correspondência de cores e primárias foram decididas por uma comissão especial da CIE após considerável deliberação. Os cortes no lado do comprimento de onda curto e longo do diagrama são escolhidos de forma um tanto arbitrária - o olho humano pode realmente ver a luz com comprimentos de onda de até cerca de 810 nm, mas com uma sensibilidade que é muitos milhares de vezes menor do que a da luz verde. Essas funções de correspondência de cores definem o que é conhecido como & # 82201931 CIE padrão observador & # 8221. Observe que, em vez de especificar o brilho de cada primário, as curvas são normalizadas para ter uma área constante abaixo delas. Esta área é fixada em um determinado valor, especificando que


As funções de correspondência de cores normalizadas resultantes são então dimensionadas na proporção r: g: b de 1: 4,5907: 0,0601 para luminância da fonte e 72,0962: 1,3791: 1 para radiância da fonte para reproduzir as funções de correspondência de cor verdadeira. Ao propor que as primárias fossem padronizadas, a CIE estabeleceu um sistema internacional de notação objetiva de cores.

Dadas essas funções de correspondência de cores em escala, os valores tristímulus RGB para uma cor com uma distribuição de potência espectral seriam então dados por:


Todos esses são produtos internos e podem ser pensados ​​como uma projeção de um espectro de dimensão infinita em uma cor tridimensional.

Grassmann & # 8217s lei
Alguém pode perguntar: & # 8220 Por que é possível que os resultados de Wright e Guild & # 8217s possam ser resumidos usando diferentes primárias e intensidades diferentes daquelas realmente usadas? & # 8221 Também se pode perguntar: & # 8220 E sobre o caso quando as cores de teste estão sendo as correspondências não são monocromáticas? & # 8221 A resposta a ambas as perguntas está na (quase) linearidade da percepção humana das cores. Essa linearidade é expressa na lei de Grassmann & # 8217s.

O espaço CIE RGB pode ser usado para definir a cromaticidade da maneira usual: As coordenadas de cromaticidade são r e g, onde:


Câmeras que enxergam além da luz visível: inspecionando o que é visto e o que não é visto

Cortesia de Teledyne DALSA

Câmeras de visão de máquina industriais e sensores estão encontrando seu caminho em aplicações dentro e fora do chão de fábrica. Em uma linha de produção, os sistemas de visão de máquina excedem em muito as capacidades de inspeção de humanos e podem inspecionar milhares de peças por minuto repetidamente e de forma confiável. Um sistema de visão de máquina pode avaliar facilmente os detalhes do objeto que não são visíveis ao olho humano e inspecioná-los com maior confiabilidade e menos erros.

Fora da fabricação, muitas aplicações, incluindo militares, policiais, saúde e entretenimento, estão aproveitando a mesma tecnologia de imagem que era usada exclusivamente por fabricantes industriais.

Nesta introdução, exploramos tecnologias de sensor de imagem, câmeras de visão de máquina e suas capacidades para detectar o visível e não visível, além da capacidade do olho humano.

Inspecionando o “Visto” - Luz Visível

O espectro eletromagnético é o termo usado para descrever toda a gama de luz. A energia eletromagnética viaja em ondas e abrange desde ondas de rádio muito longas até raios gama muito curtos. A luz é normalmente medida em nanômetros (nm), e cada nanômetro representa um comprimento de onda de luz ou banda de energia luminosa. O olho humano só pode detectar comprimentos de onda de 400-700 nm da parte do espectro eletromagnético chamada luz visível.

Nos últimos 50 anos, as câmeras que usam sensores de imagem CCD (dispositivo de carga acoplada) ou CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar) têm substituído a visão humana para fornecer uma inspeção mais eficiente, precisa e robusta.

Cada um tem pontos fortes e fracos exclusivos, com vantagens em diferentes aplicações. Na maioria das vezes, a maioria dos aplicativos passou a usar detectores CMOS, no entanto, alguns aplicativos, como a astronomia, ainda veem vantagens com os detectores CCD por causa de seu baixo ruído.

Os aplicativos de visão de máquina construídos em torno da luz visível abrangem praticamente tudo o que você vê ao seu redor. Isso inclui inspeção de peças discretas para todos os tipos de recipientes, semicondutores e PCBs, controle e orientação de robótica, vigilância e consciência situacional, digitalização e classificação de correspondência e inspeção da web de alumínio, aço, embalagens impressas e materiais não tecidos.

Inspecionando o “Invisível” - Infravermelho e Raio-X

O espectro visível permite a análise das camadas superficiais de um componente ou item. O infravermelho com comprimentos de onda de 700 nm - 15.000 nm e o raio X com comprimento de onda de .01 nm - 10 nm penetram mais profundamente em um objeto, fornecendo informações sobre sua estrutura interna.

Infravermelho se refere à região além da extremidade vermelha do espectro de cores visíveis e antes da região de microondas. Todos os objetos irradiam energia no espectro infravermelho, até mesmo objetos em temperatura ambiente e objetos congelados, como gelo.

Uma ampla variedade de aplicações de segurança, vigilância, militar, saúde e manufatura usam câmeras infravermelhas. Sua capacidade de detectar luz infravermelha (calor) emitida termicamente os torna adequados para visão noturna, detecção de febre e uma variedade de aplicações de segurança, para citar apenas alguns exemplos da lista crescente de usos para esta tecnologia versátil.

Vamos dar uma olhada nos diferentes tipos de tecnologias de infravermelho e raio-X, suas aplicações e a tecnologia de sensor que as suporta.

Cortesia de Teledyne DALSA

Imagens de infravermelho próximo (NIR)

O processamento industrial de imagens no espectro NIR é uma técnica poderosa e não intrusiva usada em linhas de produção para garantia de qualidade e aumento de produtividade. Esta tecnologia está provando ser uma ferramenta de manufatura confiável para inspeção em linha e classificação de uma variedade de produtos.

As câmeras NIR operam no espectro NIR com comprimentos de onda de 750-1000 nm e usam sensores CMOS, os mesmos sensores usados ​​em aplicações de luz visível.

A indústria de impressão usa câmeras NIR para verificar os recursos de segurança integrados à moeda. A produção de notas está se tornando cada vez mais complexa e inclui uma variedade de recursos de segurança, como fitas magnéticas incorporadas, hologramas e marcas d'água. Esses recursos de segurança são difíceis de inspecionar usando luz visível.

As câmeras NIR também inspecionam etiquetas de segurança nas indústrias farmacêutica e cosmética e são usadas para proteção de marcas. Assim como a moeda, as etiquetas de segurança possuem recursos que são visíveis apenas para a luz NIR, tornando mais difícil a produção de etiquetas falsificadas.

A agricultura de precisão usa imagens NIR para análises de alimentos e safras. Material orgânico saudável reflete mais luz infravermelha do que matéria insalubre, morta ou inorgânica. O NIR detecta umidade, gordura, amido e proteína em safras, o que permite que os agricultores façam melhorias rápidas para melhorar a qualidade e a quantidade dos produtos, aumentando a receita e a lucratividade.

Imagem SWIR

A luz infravermelha de onda curta (SWIR) é normalmente definida como luz na faixa de comprimento de onda de 1000 a 3000 nm e usa principalmente detectores infravermelhos de arseneto de gálio e índio (InGaAs) para capturar imagens.

SWIR pode ver através de vapores de água espessos, incluindo neblina e névoa. Em cenários de segurança portuária e portuária onde a neblina e a neblina são uma ocorrência regular, o SWIR identifica embarcações, pessoas e objetos flutuantes em qualquer tempo, mesmo obscurecidos por neblina. A SWIR também vê através de embalagens opacas, como garrafas plásticas, para determinar os níveis de enchimento em produtos farmacêuticos, químicos e cosméticos para controle de qualidade.

Na fabricação de células solares, o SWIR ajuda a maximizar a eficiência do processo de fabricação de células solares. Como o silício é transparente acima de 1100 nm, o SWIR identifica microfissuras e anomalias na qualidade dos filmes solares e do silício cristalino.

Na produção de alimentos, o SWIR detecta o conteúdo de água nos alimentos. Por exemplo, quando o produto é deformado, a água toma o lugar da matéria orgânica. Como a água absorve a luz SWIR, as áreas machucadas aparecem como manchas escuras em imagens com contraste muito maior.

Imagens MWIR

O infravermelho de onda média (MWIR) usa detectores MCT (Mercury Cadmium Telluride / HgCdTe) e opera na faixa de comprimento de onda de 3000-5000 nm. MWIR é ideal para vigilância de longa distância. MWIR fornece imagens detalhadas, de dia ou de noite, mesmo em condições desafiadoras, como umidade, neblina, neblina, chuva ou fumaça.

Outra aplicação interessante é a identificação química. Os produtos químicos emitem assinaturas infravermelhas específicas em termos de dissipação térmica e emissividade (uma medida da capacidade de um objeto de emitir energia infravermelha). A aplicação da lei usa MWIR para detectar e classificar composições químicas. Ele pode ver através de bolsas e pacotes e identificar produtos químicos e substâncias sem tocá-los ou analisá-los. Por exemplo, se a polícia encontrar uma substância pulverulenta branca, o MWIR pode dizer se é fentanil, cocaína ou talco para bebês.

Em aplicações industriais, a temperatura e a dinâmica do calor são parâmetros-chave que precisam ser monitorados durante o processo de fabricação, como soldagem e corte a laser, o MWIR é excelente para controle de qualidade. Por exemplo, durante o processo de soldagem, as mudanças nos parâmetros do processo afetam a qualidade, o tamanho e as propriedades de uma junta soldada. Quaisquer alterações que ocorram podem comprometer o comportamento mecânico do componente soldado, levando a uma falha durante o uso. Portanto, monitorar o processo de soldagem tornou-se de vital importância para garantir a qualidade das juntas soldadas. O MWIR permite a observação direta do arco de solda durante o processo e pode identificar defeitos de soldagem que não atendem a um padrão de qualidade para produção.

Imagem LWIR

O infravermelho de onda longa (LWIR) usa microbolômetros, feitos de óxido de vanádio (VOx) ou detectores de silício amorfo (a-Si), e operam na faixa de comprimento de onda de 8000-15000 nm. O LWIR detecta as emissões térmicas de humanos, veículos e animais. Onde o MWIR é ideal para vigilância de longa distância, as câmeras LWIR são melhores para vigilância de perímetro e vigilância de curto alcance. Por exemplo, um tanque ou Humvee com uma câmera de imagem térmica LWIR montada fará a varredura para localizar veículos e alvos inimigos.

Na fabricação, as aplicações sensíveis ao calor, como a inspeção de cola, usam câmeras LWIR para controle de qualidade. A inspeção de cola quente detecta e mede a posição das gotas recém-colocadas em um produto. O desafio de inspecionar a cola é que ela é completamente transparente e normalmente fica em um fundo escuro, de modo que a imagem da gota é difícil de ser capturada usando a imagem visível tradicional. A cola líquida é geralmente aplicada quando quente e, portanto, possui uma dissipação térmica e emissividade muito diferente do objeto de fundo, o que torna mais fácil detectar como um ponto branco claramente definido em uma imagem térmica.

Um dos aplicativos mais recentes para LWIR é a detecção de febre. Como uma alternativa às pistolas termométricas, o LWIR rastreia as pessoas quanto à temperatura elevada da pele. As câmeras infravermelhas não requerem nenhum contato físico, reduzem o risco de erros do usuário e fornecem uma leitura quase instantânea. Não é preciso o suficiente como ferramenta de diagnóstico. No entanto, ele pode identificar humanos com temperaturas de pele elevadas rapidamente para que eles possam ser retirados de uma fila para triagem adicional. As aplicações de varredura de febre devem incluir, no campo de visão, um radiador de corpo negro calibrado em uma temperatura conhecida para fornecer uma referência de temperatura para maior precisão.

Raio X

O raio X funciona no espectro de ondas muito curtas, comprimentos de onda de 0,01 a 10 nm e usa detectores de imagem Amphorous Si / Se. Os raios X vêem através de qualquer superfície sólida, incluindo tecido humano, e são ideais para diagnósticos médicos. No entanto, ele tem vários outros usos na fabricação.

Peças com várias camadas, como placas de circuito impresso, usam raios-X para detectar problemas com as camadas internas. A inspeção de dispositivos multicomponentes, como airbags, use raios-X para inspeção quando o produto estiver totalmente montado. Os airbags têm muitos componentes, incluindo mini dispositivos explosivos que inflam o saco rapidamente com o impacto. Cada componente precisa estar precisamente no lugar para que o airbag seja eficaz. O raio X é usado para controle de qualidade antes do envio de airbags aos fabricantes de automóveis.

A detecção de contaminantes por meio da tecnologia de raios-X é uma parte essencial do controle de qualidade em fábricas de processamento de alimentos. O raio X detecta metal, osso, vidro, pedra e alguns fragmentos de plástico, sem danificar a embalagem para garantia de qualidade.

Neste primer, fornecemos uma visão geral de alto nível das tecnologias de imagem em todo o espectro eletromagnético que nos leva muito além do que o olho pode ver. Além da geração de imagens, a Indústria 4.0, as viagens espaciais, os avanços em genômica, saúde e IA estão impulsionando o desenvolvimento acelerado da tecnologia de visão para atender a um número cada vez maior de aplicações, muito além da fabricação - e encontrando seu caminho na vida cotidiana. V & ampS


Técnicas de Caracterização de Superfície e Material

4.3 Microscopia Ótica (Leve)

Uma das primeiras técnicas utilizadas para estudar a topografia de uma superfície é a microscopia óptica, também chamada de microscopia de luz. Um microscópio óptico (Fig. 4.2) geralmente possui uma única ocular que pode freqüentemente ser equipada com uma câmera para fotografia. Em contraste, outro dispositivo denominado estereomicroscópio (Fig. 4.3) usa um microscópio óptico com oculares duplas. As mesmas relações de profundidade de campo e ampliação estão presentes. É diferente do exame estereomicroscópico porque o espécime examinado às vezes está embutido em um material de fixação (baquelita ou epóxi, geralmente) chamado de montagem metalúrgica, e o microscópio possui um estágio ajustável. Este tipo de configuração de espécime fornece uma vista em seção transversal plana de uma superfície de fratura junto com o material adjacente para avaliação.

Figura 4.2. Projeto básico de um microscópio óptico de transmissão.

Figura 4.3. Um exemplo de um estereomicroscópio.

Os microscópios ópticos convencionais têm uma resolução limitada pelo tamanho das partículas submicrônicas que se aproximam do comprimento de onda da luz visível (400-700 nm). Os dois tipos de microscópio óptico disponíveis, que dependem do tipo de exposição à luz, incluem:

Transmissão: feixe de luz passa pela amostra e

Reflexão: feixe de luz refletido na superfície da amostra. Um exemplo é o microscópio polarizador ou petrográfico para o qual as amostras são geralmente pó fino ou fatias finas (transparentes). Outro exemplo é o microscópio metalúrgico ou de luz refletida que é usado para superfícies de materiais, especialmente opacos.

Para metais, o exame é muitas vezes realizado quando está polido ou não gravado, o que revela características como corrosão, erosão, rachaduras, dobras / dobras, gás e / ou porosidade de contração, vedações a frio, inclusões, e formas de grafite para ferro fundido. Uma vez gravado com um decapante adequadamente selecionado, a microscopia óptica de metais revela fases microestruturais, como ferrita, martensita e austenita (para aço), e tamanho e forma de grão, quaisquer estruturas multifásicas, linhas de fluxo, esgotamento de liga, descarburação e remanescentes de uma estrutura dendrítica se a peça foi fundida.

Da mesma forma, o microscópio óptico pode ser usado para avaliar as superfícies de peças não metálicas, como cerâmicas e plásticos ou elastômeros. São semelhantes às amostras de metal, mas a suavidade dos polímeros pode apresentar dificuldades. A experiência é importante na obtenção de bons resultados na análise de superfícies poliméricas para microscopia óptica.

O conhecimento do acima ajuda o analista de falhas a determinar o histórico da peça e a conformidade com as especificações. A microscopia óptica também permite ao analista observar a estrutura geral e a configuração da peça na região de origem da fratura. Isso pode ser crítico para uma análise de falha se recursos microestruturais prejudiciais estiverem presentes (descarburação, caso alfa, inclusões, etc.) nas proximidades de uma origem de fratura. Mudanças nas características fractográficas observadas durante a microscopia eletrônica de varredura podem ser explicadas quando a microscopia óptica revela mudanças na estrutura metalúrgica ao longo da espessura de uma peça.

Uma vez que uma montagem devidamente preparada esteja disponível para exame de um polímero ou outro material macio, esta técnica pode ser tão reveladora quanto para metais. Linhas de malha, porosidade e outros problemas de moldagem são revelados. O tamanho e a forma das fibras ou partículas de reforço podem ser observados e medidos e quaisquer mudanças em toda a parte em sua distribuição podem ser observadas e documentadas. Tal como acontece com os metais, os perfis das fendas podem ser estudados e o microcracking revelado. Ocasionalmente, em regiões tensionadas de polímeros dúcteis que ainda não estão totalmente formados, podem ser observadas rachaduras, fornecendo informações sobre como uma peça pode estar absorvendo as tensões de serviço.

As Figuras 4.4 e 4.5 mostram exemplos de uma fotografia normal e outra tirada em um microscópio óptico. A micrografia óptica fornece dados quantitativos úteis sobre a superfície, além da forma mais específica da topografia da superfície. Estão faltando estruturas finas e composição química de espécies de superfície, que são obtidas por técnicas de microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios-X dispersiva de energia.

Figura 4.4. Fotografia da trança de uma mangueira flexível.

Figura 4.5. Micrografia óptica da trança de uma mangueira flexível.


Resultados e discussão

O modelo de discriminação de cores indicou que a grande maioria das espécies humanas sexualmente monocromáticas amostradas neste estudo eram na verdade sexualmente dicromáticas para o sistema visual aviário, independentemente dos limiares usados ​​para definir dicromatismo (Fig. 1f ) Em um ΔS = 1,0 jnd limite, 129 de 139 (92,8%) espécies amostradas possuíam pelo menos uma mancha dicromática de penas de ave. Mesmo quando o limite de discriminação foi dobrado (ΔS = 2,0 jnd), 84 de 139 (60,4%) espécies eram aves dicromáticas (Fig. 1f ) Os passeriformes representam a maior radiação aviária [& gt5.000 espécies (20)], e pesquisadores anteriores estimaram que 69% dessas espécies são humanos sexualmente monocromáticos (30) (Fig. 1uma ) Enquanto alguns apontaram que esta estimativa pode ser ligeiramente alta (13), meus resultados indicam que é um grande superestimar quando as capacidades visuais das aves são consideradas. Mesmo sob limites conservadores para discriminação (1,5-2,0 jnd), reestimei que apenas 18,4-27,3% de todos os passeriformes são aves sexualmente monocromáticas (Fig. 1 d e e ) A dependência histórica da percepção humana das cores levou a superestimações do número de espécies que são funcionalmente monocromáticas (ou seja, aviárias monocromáticas), meus resultados revelaram um amplo conflito entre a percepção humana e aviária da plumagem para uma grande proporção dessas espécies (Fig. 1 ser ).

Porcentagem de espécies de passeriformes classificadas como sexualmente monocromáticas (pretas) ou sexualmente dicromáticas (brancas). (uma) Proporções estimadas de todos os passeriformes (por 30) com base nas capacidades visuais humanas. (ser) Proporções reestimadas de todos os passeriformes de uma perspectiva visual das aves, com base nos resultados deste estudo. (f) Porcentagem de 139 espécies humanas percebidas sexualmente monocromáticas amostradas definidas como sexualmente monocromáticas ou sexualmente dicromáticas sob o modelo de Vorobyev-Osorio (19), assumindo diferentes limiares de discriminação de ΔS (em jnd). Cada reestimação (ser) é derivado da porcentagem correspondente (diretamente abaixo) de espécies dicromáticas mostradas em f, com base no valor de limite de discriminação indicado. As classificações de plumagem da maioria de todas as espécies de passeriformes estão em conflito de uma perspectiva visual aviária em comparação com uma perspectiva visual humana (compare uma com ser), a menos que a discriminação de limiar tenha sido definida de forma muito conservadora (≥2,0 jnd).

O conflito perceptual de plumagem entre humanos e pássaros, para muitos pássaros, questiona as interpretações atuais dos padrões evolutivos do dicromatismo sexual. Designação errônea de uma grande proporção de espécies aviárias dicromáticas como pesquisa focada monocromática na evolução do dicromatismo sexual para um estado detectável com capacidades visuais humanas, conseqüentemente interpretando ganhos de dicromatismo sexual como as origens do dicromatismo sexual. Além disso, embora as formas dicromáticas tenham frequentemente sido assumidas como derivadas de formas monocromáticas por meio de seleção sexual para ornamentação (2), pesquisas recentes descobriram que o dicromatismo sexual comumente é a condição ancestral, com a seleção atuando para reduzir a ornamentação em um sexo (revisado na referência 5). A prevalência de espécies aviárias dicromáticas encontradas neste estudo, incluindo várias linhagens de passeriformes basais (31), sugere que métodos comparativos reconstruiriam um ancestral aviário dicromático para todos os passeriformes, embora análises detalhadas ainda devam ser realizadas. Em geral, meus resultados apóiam um quadro revisado: Algumas formas monocromáticas evoluíram de formas dicromáticas, embora um viés extremo na evolução do dicromatismo de ancestrais aviários monocromáticos não possa ser descartado (32). Em última análise, a amostragem de táxons direcionada combinando análises de coloração da plumagem relevantes para as capacidades visuais das aves com métodos comparativos é necessária para determinar a direcionalidade da mudança de plumagem dentro das linhagens de passeriformes.

O modelo Vorobyev – Osorio define a discriminação de cores com base na integração em toda a gama de comprimentos de onda visuais, não dando nenhuma indicação quanto às contribuições relativas de comprimentos de onda específicos que causam diferenças perceptivas. Foi demonstrado recentemente que as cores da plumagem UV são taxonomicamente difundidas em pássaros (18, 33, 34), contribuindo para o dicromatismo sexual que os humanos não podem ver (11-16).No entanto, a modelagem de regressão logística mostrou que apenas 23 de 552 (4,2%) manchas de penas amostradas (representando 22 espécies) tinham fortes correlações entre Q1 (ou seja, a captura quântica de UV) e sexo (ver Tabela 1). Em contraste, 198 de 552 (35,9%) manchas de penas tiveram fortes correlações entre pelo menos um de Q2–Q4 e sexo, indicando que os comprimentos de onda dentro da faixa visual humana (400-700 nm) eram fortes preditores de sexo, embora um determinado par de manchas de penas homólogas parecesse idêntico ao olho humano. Assim, o dicromatismo sexual oculto da percepção humana comumente abrange comprimentos de onda dentro das capacidades visuais humanas (Q2–Q4), e não apenas no UV. Meus dados sugerem que estudos futuros precisam considerar o potencial para diferenças de cores intersexuais perceptíveis ao sistema visual das aves, mesmo em espécies sem plumagem com cores provavelmente refletivas de UV (por exemplo, azul ou violeta, consulte as referências 15, 16 e 18).

Para 119 das 139 (85,6%) espécies amostradas, pelo menos uma captura quântica para um patch de penas foi fortemente correlacionada com o sexo (Fig. 2). Para 33 de 552 (6,0%) manchas de penas (encontradas em 28 espécies), não houve sobreposição nos valores de captura quântica entre machos e fêmeas em pelo menos um Q eue, portanto, essa porção da coloração previu o sexo perfeitamente (ver Tabela 1). Meus resultados são baseados em tamanhos de amostra relativamente pequenos para cada comparação de patch de penas (n = 5 homens e 5 mulheres), e tamanhos de amostra maiores forneceriam informações úteis sobre a variação de coloração dentro do sexo. Se as variações entre os sexos na coloração de muitas das manchas de penas fossem excedidas pelas variações dentro do sexo, então a relevância biologicamente funcional (ou seja, a confiabilidade da cor da plumagem para indicar o sexo) das diferenças de cores intersexuais estaria em questão. No geral, a regressão logística mostrou pequenas variações dentro do sexo em relação à variação entre os sexos para muitas manchas de penas. Como o objetivo deste estudo era amostrar amplamente em táxons, os tamanhos das amostras foram trocados por amplitude taxonômica, no entanto, meus resultados apóiam as cores médias usadas no modelo de discriminação de cores como informação biologicamente funcional (29), e uma correlação funcional entre humano-invisível a coloração e o sexo para muitas das espécies humanas monocromáticas amostradas neste estudo parecem claras.

Exemplo de uma captura quântica (Q eu) que foi fortemente correlacionado com o sexo em um modelo de regressão logística. O exemplo mostrado aqui, a partir da coloração da cabeça de Prinia atrogularis, usou uma função de ligação logit para transformar de volta a probabilidade prevista de um indivíduo ser do sexo masculino, dado um valor para Q3 (ou seja, captura quântica para o cone sensível de onda média Eq. 1 ), com base na estimativa do coeficiente de regressão (Tabela 1) da modelagem de regressão logística (ver Materiais e métodos) Os cinco homens Q3 (círculos pretos) e cinco femininos Q3 (círculos brancos) os valores usados ​​para estimar o coeficiente de regressão são plotados para confirmar que os valores crescentes de Q3 estão fortemente correlacionados com uma probabilidade crescente de um indivíduo ser do sexo masculino neste exemplo.

Aqui, o modelo visual calculou a distância no espaço de cores perceptivo das aves (ΔS) entre cada remendo de penas masculino e feminino da mesma espécie. Assim, ΔS os cálculos representam um meio de quantificar o dicromatismo sexual (Fig. 3), considerando explicitamente as habilidades discriminatórias das cores das aves. Assumindo um limite de discriminação de 1,0 jnd, a magnitude do dicromatismo para uma mancha de penas pode ser calculada como ΔS - 1. ΔS valores para manchas de penas amostradas neste estudo variaram de 0,06 jnd (coloração da cabeça de Pseudochelidon eurystomina) a 12,71 jnd (coloração da coroa de Phlegopsis nigromaculatus) 324 de 552 (58,7%) manchas de penas amostradas seriam perceptíveis como sexualmente dicromáticas para as aves (ΔS & gt 1.0 jnd Fig. 3). Embora a pesquisa anterior quantificando o dicromatismo tenha estabelecido valores de dicromatismo entre as espécies (por exemplo, refs. 3, 4 e 35), os limites inferiores para este continuum foram definidos pelos limites de humano discriminação de cores. Como resultado, a maioria dos estudos de seleção sexual para ornamentação de cores elaboradas focalizaram apenas um subconjunto do continuum que é funcionalmente relevante para pássaros (por exemplo, muitos exemplos na ref. 2). Pesquisas recentes concluíram que os sinais da plumagem das aves podem explorar diferenças perceptivas entre os intertaxons (36), e a inclusão de sinais coespecíficos ocultos de pesquisadores humanos, mas mostrados neste estudo como disponíveis para as aves, podem facilitar ainda mais a compreensão das funções da coloração da plumagem. Por exemplo, desde a descoberta de diferenças sexuais na coloração azul-UV da coroa dos chapins azuis (11-12), a cor nesta mancha de penas tem se mostrado importante nas interações sociais (37), escolha do companheiro (38), parental cuidados (39) e proporções entre os sexos da prole (40).

Proporções de 552 manchas de penas amostradas de 139 espécies sexualmente monocromáticas percebidas por humanos com diferentes magnitudes de dicromatismo sexual de uma perspectiva visual aviária. Pontuações de dicromatismo são equivalentes a ΔS (em jnd) calculado a partir da Eq. 2 . Assumindo um limite para a discriminação de cores de 1,0 jnd, uma grande proporção de manchas de penas amostradas (todas ≥1,00 jnd) estão ao longo de um continuum de dicromatismo sexual aviário que não é detectável com as capacidades visuais humanas.

Em conclusão, o modelo de discriminação de cores de Vorobyev-Osorio (19) oferece uma abordagem para quantificar o dicromatismo sexual em relação às capacidades visuais das aves. Meus resultados indicam que as espécies de pássaros passeriformes aviários sexualmente monocromáticos são muito menos comuns do que se pensava anteriormente. Esses resultados têm implicações de longo alcance para estudos comportamentais e ecológicos de pássaros, porque os sinais de plumagem escondidos da percepção humana podem ser uma característica generalizada da coloração das aves e não apenas restrita aos comprimentos de onda UV. Além disso, os resultados deste estudo reorientam as questões da evolução da plumagem para uma explicação da raridade de monocromático espécies, ao invés de espécies dicromáticas, que poderiam fornecer novos insights sobre o papel de diferentes pressões seletivas que impulsionam a evolução da plumagem aviária.


II. Luz como recurso

Tanto a luz quanto a escuridão podem atuar como um recurso para os organismos (Kronfeld-Schor & Dayan, 2003 Gerrish et al., 2009). Por meio da fotossíntese, a energia é capturada por autótrofos na forma de luz e circulada pelos ecossistemas. Além disso, muitos processos fisiológicos e atividades comportamentais requerem condições de luz ou escuridão para operar. O equilíbrio entre as horas de luz e escuridão restringe o tempo disponível para esses processos e, portanto, as mudanças na disponibilidade de luz e escuridão como um recurso podem ter efeitos positivos ou negativos em um organismo, dependendo se é a presença ou ausência de luz que representa a maior restrição.

(1) Fotossíntese

Em plantas verdes, a luz é absorvida para a fotossíntese por clorofilas e carotenóides em comprimentos de onda entre 400 e 700 nm. Embora esta faixa englobe grande parte das emissões visíveis por luzes artificiais, na maioria dos casos, os níveis de radiação fotossinteticamente ativa (PAR) associados à poluição luminosa noturna são extremamente baixos em relação às condições de luz solar (normalmente menos de 0,5 µmol m -2 s -1 em comparação com entre 100 e 2000 µmol m −2 s −1 para condições de luz solar) e o efeito da poluição luminosa na fixação líquida de carbono é provavelmente insignificante na maioria dos casos. Embora Raven & Cockell (2006) calculem que o fluxo PAR combinado do brilho do céu em uma área urbana e o luar da lua cheia podem teoricamente exceder o limite inferior para a fotossíntese, na maioria dos casos apenas a iluminação direta nas proximidades de fontes de luz, para Por exemplo, as folhas das árvores a poucos centímetros das luzes da rua, provavelmente são suficientes para manter a fixação líquida de carbono durante a noite e em níveis de luz mais baixos compensar as perdas respiratórias noturnas. As consequências desse efeito altamente localizado em plantas individuais e em ecossistemas são amplamente inexploradas.

Um ambiente no qual a poluição luminosa é conhecida por ter efeitos marcantes nos ecossistemas por meio da fotossíntese é em sistemas de cavernas iluminados artificialmente. A introdução de iluminação em cavernas usadas como atrações turísticas promove o crescimento altamente localizado de comunidades ‘lampenflora’ totalmente dependentes da luz artificial como fonte de energia. Essas comunidades podem incluir autótrofos, como algas fotossintéticas, musgos e samambaias que crescem nas proximidades de luminárias, bem como fungos e outros heterótrofos que utilizam a entrada de matéria orgânica (Johnson, 1979). Essas comunidades podem deslocar ou interromper a ecologia trófica de ecossistemas de cavernas com limitação de energia. O crescimento de algas nas paredes também pode danificar seriamente e obscurecer o interesse geológico e arqueológico dentro das cavernas (Lefèvre, 1974), e é uma questão que causa certa preocupação.

(2) Divisão de atividade entre dia e noite

A partição do tempo foi considerada uma das principais formas de se promover a separação ecológica das espécies (Kronfeld-Schor & Dayan, 2003). A partição de nicho temporal entre espécies diurnas, crepusculares e noturnas ocorre à medida que evitam a competição por se especializarem em uma seção particular ao longo do gradiente de luz (Gutman & Dayan, 2005). De fato, embora os estudos ecológicos e evolutivos tenham se concentrado principalmente nas espécies diurnas, uma proporção substancial de espécies está adaptada para ser ativa durante condições de pouca luz (Lewis & Taylor, 1964 Hölker et al., 2010b ) A variação natural na iluminação noturna, particularmente no luar devido à fase da lua e às condições de cobertura de nuvens, mostrou afetar o tempo de atividade em uma variedade de espécies (por exemplo, Imber, Morrison de 1975, 1978 Gliwicz, 1986 Kolb, 1992 Tarling, Buchholz & Matthews, 1999 Baker & Dekker, 2000 Fernandez-Duque, 2003 Kappeler & Erkert, 2003 Beier, 2006 Woods & Brigham, 2008 Gerrish et al., 2009 Penteriani et al., 2010, 2011 Smit et al., 2011). Gradientes espaciais na quantidade e distribuição sazonal de semi-escuridão biologicamente útil (incluindo luar e crepúsculo) foram propostos como impulsionadores de padrões de comportamento (Mills, 2008). Predadores com orientação visual têm uma capacidade reduzida de detectar presas em condições escuras e podem aumentar sua atividade ou atingir taxas mais altas de sucesso de predação em condições mais leves. As espécies de presas podem reduzir a atividade em condições mais leves em resposta a um risco aumentado percebido de predação. Algumas espécies de aves limícolas usam o forrageamento visual durante o dia, mas o forrageamento tátil durante as horas de escuridão - a luz noturna pode permitir que eles façam o forrageamento visual durante a noite (Rojas et al., 1999). Ciclos impulsionados pela luz da lua na atividade predador-presa foram observados em espécies taxonomicamente diversas como zooplâncton e peixes (Gliwicz, 1986), artrópodes predadores (Tigar & Osborne, 1999), petréis azuis Halobaena caerulea e skuas marrons Catharacta skua (Mougeot & Bretagnolle, 2000), corujas e roedores (Clarke, 1983) e leões Panthera leo e humanos (Packer et al., 2011). As espécies de presas podem responder ao aumento do risco de predação à noite, diminuindo sua atividade (por exemplo, Kotler, 1984 Daly et al., 1992 Vásquez, 1994 Skutelsky, 1996 Kramer & Birney, 2001) ou alterando seu microhabitat para utilizar espaços escuros como o abrigo de arbustos (por exemplo, Price, Waser & Bass, 1984 Kolb, 1992 Topping, Millar & Goddard, 1999), e pode compensar por uma maior atividade ao amanhecer e / ou anoitecer Daly et al. (1992) mostraram como tal "compensação crepuscular" em resposta a altas taxas de predação noturna pode levar a taxas crescentes de predação por predadores diurnos à medida que a atividade da presa invade as horas do dia. Predadores diurnos e crepusculares podem se tornar predadores noturnos facultativos sob condições de luz adequadas (por exemplo, Milson, 1984 Combreau & Launay, 1996 Perry & Fisher, 2006). Por outro lado, predadores noturnos que dependem de pistas não visuais para caçar, como as cobras, podem diminuir a atividade durante as noites mais claras, a fim de evitar a detecção pela presa e seus próprios predadores (Bouskila, 1995 Clarke, Chopko & Mackessy, 1996). Mudanças comportamentais podem induzir mudanças nos custos energéticos Smit et al. (2011) mostraram que nightjars sardentos Caprimulgus tristigma respondem às noites escuras entrando em torpor, enquanto as noites de luar permitem forragear, pois a disponibilidade de alimentos é suficiente para superar os custos energéticos da termorregulação.

Apesar do grande número de estudos que demonstram o efeito do luar na alteração do comportamento das espécies, há relativamente poucos que examinaram formalmente o efeito da luz artificial na alteração do comportamento ou na reestruturação da partição de nicho temporal. Há muito tempo existem relatos de que algumas espécies diurnas exploram o 'nicho noturno' e se tornam facultativamente noturnas em ambientes urbanos, por exemplo, aranhas saltadoras (Wolff, 1982 Frank, 2009), répteis (Garber, 1978 Perry & Fisher, 2006) e pássaros (Martin, 1990 Negro et al., 2000 Santos et al., 2010). Em roedores, Bird, Branch & Miller (2004) mostraram que o comportamento de forrageamento em ratos de praia Peromyscus polionotus é restrito por iluminação artificial, enquanto Rotics, Dayan & Kronfeld-Schor (2011) mostraram que enquanto as espécies noturnas de camundongos espinhosos Acomys cahirinus atividade restrita sob luz artificial, seu congênere diurno Acomys cahirinus não expandiu sua atividade para competir durante as horas de iluminação artificial.

Existem poucos exemplos conhecidos de luz artificial como um recurso que medeia diretamente o comportamento, embora algumas espécies tenham sido encontradas para aumentar as atividades de forrageamento e vigilância antipredator sob tais condições (por exemplo, Biebouw & Blumstein, 2003), a visão de alguns predadores noturnos foi mostrado para ser prejudicada pela iluminação artificial e seu sucesso de forrageamento reduzido (por exemplo, Buchanan, 1993). Relatos dos efeitos da luz no fornecimento de recursos atraindo concentrações de presas são mais frequentes (por exemplo, Heiling, 1999 Buchanan, 2006). O aumento da procura de alimentos em torno das luzes da rua foi amplamente relatado para algumas espécies de morcegos (por exemplo, Rydell, 1991, 1992, 2006 Blake et al., 1994 Polak et al., 2011), particularmente em torno de lâmpadas que emitem em comprimentos de onda baixos, atraem um grande número de insetos e podem interferir nas defesas das presas (Svensson & Rydell, 1998). Rydell (2006) considera o hábito de alimentar-se de morcegos ao redor de luzes como tendo se tornado a norma para muitas espécies. Outras espécies de morcegos evitam luzes (Kuijper et al., 2008 Stone, Jones & Harris, 2009), possivelmente para minimizar o risco de predação aviária (Speakman, 1991 Rydell, Entwistle & Racey, 1996). Da mesma forma, noturnas orb-web spiders Larinioides sclopetarius preferencialmente construir teias em áreas que são bem iluminadas à noite, onde densidades mais altas de presas de insetos estão disponíveis, um comportamento que parece ser geneticamente predeterminado ao invés de aprendido (Heiling, 1999). Isso sugere a possibilidade de respostas evolutivas para utilizar novos nichos criados pela iluminação artificial.

As durações relativas da noite e do dia podem influenciar as oportunidades de forrageamento, os custos de predação e / ou competição e os trade-offs entre estes (por exemplo, Clarke, 1983 Falkenberg & Clarke, 1998 Berger & Gotthard, 2008). Por sua vez, isso pode influenciar a abundância de organismos (por exemplo, Carrascal, Santos & Tellería, 2012). Presumivelmente, a iluminação noturna que serviu efetivamente para alterar as durações percebidas da noite e do dia poderia amplificar esses efeitos.

(3) Reparação escura e recuperação

Foi sugerido que períodos contínuos de escuridão são críticos para certos processos que controlam o reparo e a recuperação da função fisiológica em muitas espécies e, portanto, que a escuridão pode ser vista como um recurso para a atividade fisiológica. Buscando uma explicação para um aumento observado na lesão de ozônio em plantas em altas latitudes, Vollsnes et al. (2009) mostraram que a luz noturna fraca, simulando o verão do norte do Ártico, inibe a recuperação de danos foliares causados ​​pelo ozônio atmosférico em trevo subterrâneo Trifolium subterraneum. Futsaether et al. (2009) encontraram um resultado semelhante em trevo vermelho Pretensão Trifolium mas não em trevo branco Trifolium repens. No Arabidopsis thaliana, Queval et al. (2007) mostraram ligações entre a duração do dia e a taxa de morte celular oxidativa. Uma vez que os padrões de poluição luminosa antropogênica e poluição de ozônio são espacialmente correlacionados em uma escala global (ver, por exemplo, Cinzano et al., 2001 Ashmore, 2005), a extensão em que a luz noturna de baixa intensidade pode afetar o reparo e a recuperação dos danos causados ​​pelo ozônio requer uma investigação mais aprofundada.

Gerrish et al. (2009) argumentou que as horas de escuridão fornecem aos organismos tempo para reparar os danos de DNA às células causados ​​pela radiação solar UV-B (285–315 nm). No entanto, a luz na porção azul para UV-A do espectro é necessária para o reparo do DNA por meio de fotoreativação através da a enzima fotoliase (com absorção máxima em 380 e 440 nm), enquanto o "reparo escuro" através das vias de reparo por excisão é independente da luz (Sutherland, 1981 Britt, 1996 Sinha & Häder, 2002). O papel da escuridão aqui é presumivelmente limitado à ausência de danos devido à radiação solar UV-B durante a noite. Uma vez que a iluminação artificial normalmente emite quantidades desprezíveis de radiação UV-B, é improvável que a poluição luminosa aumente os danos ao DNA ou iniba os processos de reparo neste caso, de fato, as fontes de luz emitindo no azul e UV-A podem ter um efeito na promoção do DNA reparo por fotoreativação.


Perigos sem feixe

Além dos perigos do feixe de laser, a proteção também é necessária contra outros perigos associados à operação do laser. Esses perigos sem feixe incluem explosões, choques elétricos, líquidos criogênicos, líquidos inflamáveis, ruído, raios-x, radiação UV e contaminantes do ar gerados por laser.

Perigos elétricos

Riscos elétricos letais podem estar presentes, especialmente em torno de sistemas a laser de alta potência. Até o momento, a causa mais comum de morte associada ao uso do sistema a laser é a eletrocussão.

Os lasers de onda contínua usam fontes de alimentação de corrente contínua ou radiofrequência e os lasers pulsados ​​empregam grandes bancos de capacitores para armazenamento elétrico. Lasers e equipamentos elétricos associados devem ser projetados, construídos, instalados e mantidos de acordo com a última revisão do National Electrical Code & copy (NEC), os padrões da Administração de Saúde e Segurança Ocupacional (OSHA) e outros padrões aplicáveis ​​da indústria, incluindo o American National Instituto de Padrões (ANSI) e Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, Inc. (IEEE).O trabalho elétrico realizado deve ser conduzido de acordo com o Programa de Segurança Elétrica da Virginia Tech, e todo o pessoal que realiza trabalho em circuitos ou sistemas energizados deve ser treinado como eletricista qualificado. Este treinamento pode ser organizado ligando para EHS em 231-2341. Circuitos elétricos maiores que 42,5 volts são considerados perigosos, a menos que sejam limitados a menos de 0,5 mA.

Para reduzir os riscos elétricos, as fontes e os terminais de alta tensão devem ser fechados, a menos que a área de trabalho seja restrita apenas a pessoas qualificadas. Sempre que possível, a energia deve ser desligada e todos os pontos de alta tensão aterrados antes de trabalhar nas fontes de alimentação. Os capacitores devem ser equipados com resistores de sangramento, dispositivos de descarga ou dispositivos de curto-circuito automático. Os procedimentos de bloqueio / sinalização apropriados devem ser determinados e os requisitos do Programa de Bloqueio / Sinalização da Virginia Tech devem ser seguidos em todos os momentos em que o pessoal que executa o bloqueio / sinalização deve ser treinado e autorizado. Este treinamento pode ser organizado ligando para EHS em 231-2341. Os operadores não devem pisar em pisos de metal ou na água enquanto trabalham com equipamentos eletrônicos ligados. As partes metálicas acessíveis e sem corrente do equipamento a laser devem ser aterradas. Os circuitos elétricos devem ser avaliados em relação aos riscos de incêndio.

Contaminantes de ar gerados a laser (LGACs)

Materiais alvo vaporizados, gases tóxicos, vapores e fumos podem estar presentes em uma área de laser. O ozônio é produzido em torno das lâmpadas flash e as concentrações de ozônio podem se acumular com lasers de alta taxa de repetição. Fibras de amianto podem ser liberadas do tijolo refratário usado como barreira para lasers de dióxido de carbono.

O uso crescente de lasers químicos pode introduzir riscos químicos mais perigosos do que a radiação laser. Por exemplo, os fluoretos usados ​​em um laser de fluoreto são altamente tóxicos e exigem medidas de emergência imediatas no contato. Os lasers He-Cd podem contaminar o laboratório com vapores tóxicos de cádmio se os gases de exaustão não forem ventilados para o exterior. Os corantes que são o meio ativo dos lasers ajustáveis ​​são freqüentemente muito tóxicos e podem causar problemas de pele agudos ou crônicos. Alguns corantes podem ser cancerígenos. Luvas, jalecos de laboratório e proteção adequada para os olhos devem ser usados ​​ao manusear produtos químicos perigosos. Uma estação de lavagem dos olhos e um chuveiro de emergência devem estar disponíveis em áreas onde haja a possibilidade de respingos de produtos químicos perigosos nos olhos ou na pele. Alimentos ou bebidas não devem ser consumidos no laboratório de laser se contaminantes do ar tóxicos em potencial ou produtos químicos estiverem presentes. Deve-se manter ventilação geral adequada ou exaustão local nas instalações de laser para garantir que os contaminantes tóxicos do ar estejam abaixo dos limites aceitáveis.

Perigos inflamáveis

Solventes, gases e materiais combustíveis inflamáveis ​​podem ser inflamados por um feixe de laser Classe 4. Os feixes de laser devem ser terminados por um material não combustível, como um tijolo. Solventes ou materiais combustíveis devem ser armazenados em recipientes adequados e protegidos do feixe de laser ou faíscas elétricas. Lasers e instalações de laser devem ser construídos e operados para eliminar ou reduzir qualquer risco de incêndio. Os materiais combustíveis desnecessários devem ser removidos para minimizar os riscos de incêndio. Os laboratórios de laser devem conter um extintor de incêndio apropriado.

Explosões

Lasers e equipamentos auxiliares podem apresentar riscos de explosão. Lâmpadas de arco de alta pressão e lâmpadas de filamento usadas para excitar o meio laser devem ser colocadas em invólucros que possam resistir a uma explosão se a lâmpada se desintegrar. Além disso, o alvo do laser e os elementos do trem óptico podem quebrar durante a operação do laser e devem ser colocados em uma caixa de proteção adequada. Capacitores podem explodir se submetidos a tensões mais altas do que sua classificação e devem ser adequadamente blindados. Recomenda-se que os capacitores sejam equipados com dispositivos limitadores de corrente. Os capacitores de alta energia devem ser colocados em gabinetes de aço com 1/8 de polegada de espessura.

Corantes Laser

Os corantes orgânicos usados ​​em alguns sistemas de laser são conhecidos por serem cancerígenos, mutagênicos ou teratogênicos. Protocolos de segurança laboratoriais adequados devem ser usados ​​ao preparar, armazenar, manusear, usar e descartar as tinturas a laser. Consulte o Plano de higiene química para obter mais informações sobre segurança química.

Criogenia

Líquidos criogênicos (especialmente nitrogênio líquido) podem ser usados ​​para resfriar o cristal do laser e o equipamento de recepção e transmissão associado. Esses gases liquefeitos são capazes de produzir queimaduras na pele e podem repor o oxigênio em pequenas salas sem ventilação. O armazenamento e o manuseio de líquidos criogênicos devem ser realizados de maneira segura. Devem ser usadas luvas de manuseio isoladas do tipo de remoção rápida. As roupas não devem ter bolsos ou punhos para proteger o criogenia derramado. Deve ser usada proteção ocular adequada. Se ocorrer derramamento na pele, lave a área de contato com a pele com grandes quantidades de água. Ventilação adequada deve estar presente em áreas onde líquidos criogênicos são usados.

Barulho

Os níveis de ruído em laboratórios de laser podem exceder os limites de segurança devido às descargas do capacitor de alta tensão. Pode ser necessária proteção auditiva. O supervisor do sistema a laser deve entrar em contato com a EHS em 231-3600 se houver um risco potencial de ruído.

Raios X

A produção de raios X é possível quando as tensões excedem 15 kV. Embora a maioria dos sistemas a laser use tensões inferiores a 8 kV, alguns modelos de pesquisa podem operar acima de 20 kV. Os sistemas a laser capazes de produzir radiação ionizante devem ser inspecionados pela Segurança de Radiação EHS para garantir que os níveis de raio-x estejam dentro dos limites legais.

Radiação ultravioleta

Embora a radiação laser apresente o risco principal, pode não ser o único risco óptico. Tubos de descarga de laser e tubos de bombeamento podem emitir níveis perigosos de radiação ultravioleta e devem ser protegidos de forma adequada. Cuidado especial deve ser usado com tubos de quartzo. A maioria dos lasers agora usa tubos de descarga de vidro resistentes ao calor que são opacos no espectro UV-B (280 - 315 nm) e UV-C (100 - 280 nm).

Ergonomia

Pode haver riscos ergonômicos associados à operação, manutenção ou serviço do sistema a laser. Esses riscos ergonômicos, como posturas inadequadas, podem contribuir para ações inadequadas se não forem tratados. O Supervisor deve consultar o Programa de Ergonomia do Local de Trabalho


Métodos

Extraímos DNA genômico de bases de penas, sangue, músculo e outro material de tecido com um instrumento de extração automática de ácido nucleico GeneMole® (Mole Genetics), o kit DNeasy Blood and Tissue (QIAGEN) ou com Chelex. Os procedimentos padrão foram aplicados, exceto para as bases de pena, que foram lisadas com 1% de DTT. O material da pena foi amostrado de um pica-pau verde europeu Picus viridis morto pelo tráfego. Animais vivos não foram amostrados para este estudo. Outro material de tecido foi emprestado de coleções de museus e de coleções de colegas do Instituto Nacional de Veterinária SVA em Uppsala e da Câmara Municipal de Uppsala. Realizamos o código de barras do mtDNA com COI, seguindo o protocolo de Estocolmo descrito em [68], para confirmar a rotulagem de amostras de tecido selecionadas e para identificar as espécies Ramphastos tucanus de uma amostra de tecido de tucano não especificada.

Usando os iniciadores degenerados SU80a [69], SU149a, SU161a, SU193a [42] ou SU200Ca, combinados com SU304b [15] ou SU306b [42], amplificamos um fragmento de gene que codifica para resíduos de locais aa 81-94, localizados no segundo região transmembranar α-helicoidal da opsina SWS1. Conduzimos PCR em um Eppendorf MasterCycler Gradient ou PE Applied Biosystems Geneamp® PCR System 9700 com reações contendo 0,5-2,5 ng / μl de extratos de DNA, 1 unidade de Taq-polimerase (Applied Biosystems) mais tampão de reação, 0,4 pmol de primers direto e reverso , 0,2 mM de cada dNTP e 2 mM de MgCl2. Cada reação de PCR continha 0,5-2,5 ng /µl extratos de DNA total, 1 unidade de Taq-polimerase (Applied Biosystems) com tampão de reação, 0,4 pmol de primers direto e reverso, 0,2 mM de cada dNTP e 2 mM MgCl2. Para algumas reações, esferas de PCR PuReTaq ™ Ready-To-Go ™ (GE Healthcare) substituíram volumes separados de Taq-polimerase, dNTP e MgCl2. Inicialmente, as condições de reação seguiram [42] (ou seja, 90 s a 94 ° C, 5 × (30 s a 94 ° C, 30 s a 54 ° C e 1 s a 72 ° C), 38 × (15 s a 94 ° C, 30 s a 54 ° C e 5 s a 72 ° C) e 10 min a 72 ° C), mas foram posteriormente otimizados para excluir a fase de extensão a fim de minimizar a amplificação inespecífica de fragmentos mais longos. A versão final da termociclagem começou com 90 s a 94 ° C, foi seguida por 48 × (5 s a 94 ° C, 15 s a 54 ° C) e terminou com 1 s a 72 ° C. Usamos um protocolo diferente para o par de iniciadores SU80a / SU306b, a saber 2 min 30 s a 95 ° C, 40 × (30 s a 95 ° C, 30 s a 54 ° C e 10 s a 72 ° C) e 1 min a 72 ° C. A eletroforese em gel de agarose a dois por cento por 90 min a 80 V confirmou a amplificação e o comprimento esperado do fragmento. Quando havia fragmentos extras presentes, às vezes realizávamos uma segunda PCR nos produtos usando primers internos.

Os produtos de PCR foram purificados com EXOsap-IT (USB). A Macrogen Inc. (Coreia do Sul) então realizou o sequenciamento de fita dupla usando os mesmos primers acima mais SU200a [15], SU200Ga [60] e SU296b 5 ′ -AAG AYR AAG TAD CCS YGS G-3 ′, que projetamos para este estudo com a ajuda do software online Primer3 (http://frodo.wi.mit.edu/) [70].

Traduzimos nossas sequências de DNA em aa para identificar os locais de sintonia espectral 86, 90 e 93 [5, 10]. A partir dos resíduos aa presentes nesses locais, estimamos λmax valores de acordo com Wilkie et al. [5], Yokoyama et al. [10] e Carvalho et al. [11] conforme descrito em [15].