El ojo humano es un órgano que reacciona con la luz visible y que transmite al cerebro una sensación de visión. Describiremos brevemente algunos elementos constitutivos del ojo.
Este órgano es esencialmente una bolsa casi esférica con paredes opacas y con una abertura por donde entran los rayos de luz. Al frente se encuentra la córnea (Figura 27), que es una cubierta transparente, lisa y casi esférica que está formada de cinco capas.
La cámara anterior separa la córnea de una lente cristalina llamada cristalino que es una sustancia transparente.
La luz incidente es refractada tanto por la córnea como por el cristalino, formando una imagen en la capa más profunda del ojo, la retina.
La región que se encuentra entre el cristalino y la retina está llena de una sustancia transparente, gelatinosa, que se llama el cuerpo vítreo.
El interior de la bolsa del ojo está siempre oscuro, excepto por los rayos que entran. En cierta forma, el ojo es muy parecido a una cámara fotográfica. El interior está cubierto de una capa negra cuyo propósito es evitar que la luz llegue a la retina excepto por la abertura frontal, que es la pupila. El iris es, de hecho, un diafragma que regula la cantidad de luz que llega a la retina. El color del iris es el color de los ojos de una persona. Si llega mucha luz, el iris tiende a cerrarse de manera que no entre tanta; inversamente, cuando hay poca luz se abre para que entre la mayor cantidad posible.
El elemento sensible a la luz es la retina, que es un tejido muy delicado, de una fracción de milímetro de grueso. Al recibir luz la retina reacciona y envía una señal nerviosa al cerebro a través del nervio óptico.
Cuando un haz de luz llega al ojo experimenta cambios de dirección en varias superficies. Los rayos se refractan por la córnea y posteriormente al llegar al cristalino ocurre una refracción adicional.
Es en la córnea donde ocurre la mayor refracción de los rayos incidentes. La córnea es una superficie esférica de alrededor de 7.8 mm de radio que tiene en su interior, una sustancia, que ópticamente posee casi las mismas propiedades que el agua. Para un ojo normal la potencia de este órgano es de 43 dioptrías.
El cristalino del ojo funciona como una lente convergente o biconvexa, de alrededor de 3.6 mm de espesor, que tiene una potencia de alrededor de 15 dioptrías.
Después de pasar por el cristalino, los rayos de luz cruzan el cuerpo vítreo que no causa ninguna desviación adicional y, finalmente; llegan a la retina.
En un ojo que no tuviese el cristalino el único órgano que causaría refracción sería la córnea. Para la córnea sola la distancia focal del lado exterior del ojo es, en promedio, 2.3 cm, mientras que la distancia focal hacia el interior del ojo es de 3.1 cm. Esto significa que la imagen de un objeto que se encuentre a una distancia muy grande del ojo estará a 3.1 cm de la córnea (Figura 28). Pero dado que en el ojo humano la distancia entre la córnea y la retina es de 2.4 cm resulta que la imagen que logra la córnea solamente se forma muy atrás de la retina (a 0.7 cm) y lo que percibiría la retina en este caso sería una imagen borrada. El papel del cristalino es darle una desviación adicional a los rayos para que lleguen justamente a la retina.
Figura 28. El foco de la córnea está atrás de la retina. El cristalino da una desviación adicional a los rayos para que se enfoquen sobre la retina.
Figura 29. La imagen que se forma sobre la retina está invertida y es de menor tamaño que el objeto.
Lo que acabamos de presentar es el caso en que el objeto se encuentre a una distancia muy grande del ojo. Sin embargo, también podemos ver objetos a distancias relativamente cercanas. Cuando un objeto está cerca del ojo la imagen ya no se formará a la distancia focal. En este caso, el ojo tiene un mecanismo de ajuste por medio del cual la curvatura del cristalino cambia, y su potencia se modifica de tal manera que la imagen se forme en la retina. A este efecto se le llama acomodación del cristalino, lo que ocurre por medio de un proceso en el que los ligamentos que sostienen al lente cambian su tensión modificando la curvatura de sus superficies. Esto se logra gracias a las propiedades elásticas que tiene el cristalino.
El poder de acomodación cambia con la edad del individuo. En general, en los jóvenes casi no se altera; entre los 40 y los 50 años hay un cambio acelerado en la capacidad de acomodación y después de los 55 años vuelve a cambiar lentamente.
Con respecto al tipo de imagen, en la figura 29 vemos que el conjunto de córnea y cristalino da lugar, en condiciones reales, a una imagen invertida. Pero nosotros no la vemos así. Lo que ocurre es que el cerebro al recibir la señal de la retina reinvierte la imagen y la percibimos erecta.
El ojo humano no es un aparato óptico perfecto. En mucha gente ocurre que la refracción conjunta tanto de la córnea como del cristalino no es la adecuada para formar una imagen justamente sobre la retina. En algunos casos no hay suficiente potencia para desviar los rayos y se forma una imagen muy atrás de la retina. A este defecto se le llama hipermetropía. Otro fenómeno muy usual es cuando la potencia del ojo es muy grande y desvía mucho los rayos formándose la imagen antes de la retina. A este defecto se le llama miopía. Ambos casos se pueden corregir por medio de lentes adicionales. En la hipermetropía, se usa una lente convergente que le añada potencia a la del ojo y haga que los rayos se desvíen más. En el caso de la miopía hay que disminuir la potencia del ojo. Esto se logra, por ejemplo, con una lente llamada divergente.
Otro defecto del ojo es el astigmatismo. Este ocurre cuando la córnea no es esférica ya que la curvatura vertical es distinta a la curvatura horizontal. Por tanto, hay distintos grados de refracción de la luz, según llegue, ya sea horizontal o verticalmente. Este defecto se puede Corregir por medio de lentes cilíndricos que disminuyen la potencia ya en una dirección o en otra.
La retina es el órgano que se estimula cuando le llega luz y donde se inicia la sensación de la visión. La información que llevan los fotones de la luz externa e llegan a la retina es transformada en señales nerviosas que el cerebro puede analizar. Esta transformación ocurre en las células fotorreceptoras (células que reciben la luz) del ojo. Estas células forman un mosaico en el fondo de la superficie de la retina. Lo que hacen la córnea y el cristalino es formar una imagen del mundo externo con la luz que llega al ojo, justamente en la capa de células fotorreceptoras. Cada célula absorbe la luz de un punto de la imagen y a su vez genera una señal eléctrica que lleva, en forma codificada, la información de cuánta luz ha sido absorbida y de las características del color de la luz. Las señales que produce cada célula se transmiten a través de un conjunto muy complejo de sinapses(uniones nerviosas). En estas uniones se juntan las señales que vienen de diferentes células fotorreceptoras, se combinan y se comparan. Este proceso permite al sistema visual obtener información acerca de las formas, movimientos y colores de los objetos externos. Finalmente, se envían por medio del nervio óptico hasta llegar al cerebro. Nos damos cuenta que las células fotorreceptoras juegan un papel crucial en la sensación de la visión.
En el ojo humano, así como en el de muchos animales vertebrados, las células fotorreceptoras son de dos tipos (Figura 3O): a) los bastones y b) los conos. Las células reciben estos nombres debido a la forma que tienen.
Los bastones son las células que operan cuando el nivel de iluminación es muy bajo, mientras que los conos son los que operan cuando hay luz de día ordinaria. Gracias a los bastones es que podemos ver cuando el ambiente está oscuro, pero solamente nos dan una visión en blanco y negro. En la oscuridad no podemos distinguir los colores de los objetos. Los bastones son células extremadamente sensibles que al recibir mucha luz se saturan y de hecho dejan de funcionar, mientras que los conos solamente empiezan a funcionar a partir de cierto nivel de iluminación. Es precisanente a través de los conos que se realiza la percepción de detalles espaciales y de movimiento así como la sensación de los colores. Los bastones y los conos están distribuidos de manera no uniforme en la retina. En la retina humana hay alrededor de tres millones de conos y cien millones de bastones.
Los bastones y los conos tienen formas diferentes pero también tienen ciertas similitudes. La parte superior (Figura 30) de las células se llama el segmento exterior que contiene las moléculas que absorben la luz. Al ser absorbida la luz, las moléculas se modifican y envían una señal a través de la membrana de plasma, que a su vez la transmite a través del segmento interior hasta la terminal sináptica, desde donde se envía a otras células de la retina.
En el segmento exterior de cada bastón hay unos dos mil discos, ordenados uno encima del otro, formando un cilindro. La membrana del disco contiene un pigmento rojizo (Figura 31), formado de moléculas, llamadas rodopsina, que son justamente las moléculas que absorben la luz e inician el proceso de visión. Veamos con un poco de detalle lo que ocurre cuando un fotón de luz llega a la rodopsina.
La rodopsina tiene dos componentes: el retinal 11-cis y la opsina. El retinal es una molécula que cuando está sola absorbe principalmente radiación que tiene longitud de onda de 3 700 A que resuta ser ultravioleta (véase la portada), es decir, invisible al ojo humano. Sin embargo, al quedar metido el retinal dentro de la opsina, experimenta fuerzas que modifican sus niveles de energía, cambiando la longitud de onda de la radiación que absorbe. Dentro de la opsina el retinal absorbe radiación a longitudes de onda de 5 000 A, que es el color verde, o sea en el visible. Una vez que el retinal absorbe un fotón de luz, se excita y tiene energía suficiente para poder realizar un giro que da lugar a que la molécula se extienda. Así se forma el retinal trans. A este cambio de forma de una molécula se le llama en química isomerización. Lo que ocurre es lo siguiente: el retinal tiene una columna de átomos de carbón; en la forma 11-cis los átomos de hidrógeno asociados con los átomos de carbón 11 y 12 de la columna están del mismo lado que la cadena, lo que obliga a la cadena a doblarse. En el isómero retinal trans los átomos de hidrógeno asociados a los carbones 11 y 12 están en lados opuestos de la cadena de carbones, y la molécula queda extendida.
Figura 31. La luz hace accionar a la rodopsina que se encuentra dentro de la membrana de los discos del bastón.
Cuando el retinal se extiende, reacciona con otra molécula llamada transducina, que también se encuentra en la membrana de los discos donde está encerrada la rodopsina. De esta manera, se inicia una serie de reacciones entre varias moléculas que se encuentran en la misma membrana y que finalmente generan una señal eléctrica que es enviada al cerebro.
Ahora bien, hemos de mencionar que ocurre una situación muy interesante. Cuando una molécula de retinal está en la forma 11-cis hay una probabilidad de que en forma espontánea se isomerice a la forma trans, es decir, que en ausencia de factores externos sola cambie de forma. Sin embargo, esta probabilidad es extremadamente pequeña; de hecho ocurre una vez cada mil años. Esto tiene como consecuencia que cuando un fotón llega a la retina, la molécula de rodopsina que lo absorbe reporta el hecho, mientras que los otros millones de moléculas de rodopsina no reaccionan para nada. Esto significa que la rodopsina responde con mucha eficiencia, ya que no hay ninguna perturbación de las otras moléculas de rodopsina que no reciben luz. De hecho, el bastón es, por tanto, capaz de registrar un solo fotón de luz con la consecuencia de que el ojo es extraordinariamente sensible a la oscuridad.
Ocurre a veces que en forma espontánea la molécula de retinal se isomeriza, sin que le llegue ningún fotón. Al isomerizarse, la molécula envía la misma señal que si hubiera recibido el fotón. El resultado neto es que aun sin haber recibido luz el bastón reacciona como si tal cosa hubiera pasado. Nuestro cerebro tiene entonces la sensación de haber visto luz en completa oscuridad. Este fenómeno es conocido desde hace mucho tiempo. Los psicofísicos, que han investigado estos temas, le llaman a este efecto "luz oscura".
Tanto en los bastones como en los conos, la molécula que absorbe la luz es el retinal. Sin embargo, una de las diferencias entre las mencionadas células es que el retinal se encuentra dentro de proteínas distintas. El retinal, al estar dentro de distintos tipos de medios, experimenta diferentes fuerzas que hacen que sus niveles de enegía se modifiquen de maneras distintas, con la consecuencia de que las longitudes de onda que preponderantemente absorben son distintas. Recordemos que el retinal sólo absorbe radiación de longitud de onda de 3 700 A, que corresponde al ultravioleta, invisible al ojo humano. Ahora bien, al estar metido el retinal dentro de la proteína opsina, cambia la longitud de onda de la radiación que puede absorber a 5 000 A, que ya cae dentro del visible y corresponde al verde. En los conos el retinal está acoplado a tres tipos de proteínas diferentes, que dan lugar a que haya tres tipos de conos: uno, en el cual el retinal absorbe longitudes de onda de valor de 4 600 A, que corresponde al azul; otro, en el cual la absorción es de longitud de onda de 5 400A que corresponde al verde y, finalmente, otro tipo en, el cual absorbe radiación de 6 300 A, que corresponde al rojo.
Nos damos cuenta que es una misma molécula, el retinal, la que absorbe luz, pero como se encuentra acoplada a cuatro proteínas distintas, se "sintoniza" a diferentes regiones de longitudes de onda de la región visible.
Por otro lado, el comportamiento de un cono es completamente distinto al de un bastón. En particular, al llegar al cono un solo fotón, la respuesta es extraordinariamente pequeña. Se ha estimado que la intensidad de la señal que produce un cono, como respuesta a la llegada de un fotón, es cien veces menor que la de un bastón. Esto significa que para que un cono genere respuesta le tiene que llegar luz de muchísima mayor intensidad que la necesaria para que un bastón reaccione. A cambio de esto, la respuesta de un cono es alrededor de cuatro veces más rápida que la de un bastón. Así, por ejemplo, a un bastón le lleva 300 milisegundos desde que recibe un fotón hasta que termina de enviar la señal. Este intervalo de tiempo es muy grande; una pelota de beisbol tarda casi este tiempo desde que es enviada por el lanzador hasta que llega al bateador. Los conos responden mucho más rápidamente, y son los elementos que codifican los estímulos visuales que cambian con mucha velocidad, y permiten detectar cambios rápidos tanto en la intensidad como en los movimientos.
De esta manera, vemos que en realidad en la retina existen dos sistemas de recepción de señales. Un sistema formado por los bastones que es exfraordinariamente sensible a luz de muy baja intensidad y que se satura cuando el nivel de iluminación es alto. En ese momento empieza a intervenir el otro sistema, formado por los conos. Sin embargo, los bastones no tienen capacidad de registrar movimientos o cambios muy rápidos; eso lo hacen los conos.
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