BIOFÍSICA

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BIOFÍSICA

LICENCIATURA PLENA EM CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA - UAB - UFMT

Instituto de Física

Av. Fernando Correa da Costa, s/nº

Campus Universitário

Cuiabá, MT - CEP.: 78060-900

Tel.: (65) 3615-8737

www.fisica.ufmt.br/ead

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Franscisco Carlos Monteiro

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Cuiabá, MT 2011

Corpo Editorial

• Denise Vargas • Carlos Rinaldi

• Iramaia Jorge Cabral de Paulo • Maria Lucia Cavalli Neder

Projeto Gráfico: PauLo H. Z. Arruda / Eduardo H. Z. Arruda / Everton Botan

Revisão: Denise Vargas

Secretária(o): Neuza Maria Jorge Cabral / Felipe Fortes

Co P y R I g h T © 2011 UAB

FICHA CATALOGRÁFICA

ISBN – 978-85-8018-097-8 Monteiro, Francisco Carlos.

Biofísica./ Francismo Carlos Monteiro. Cuiabá: UAB/ UFMT, 2011.

1.Biofísica. 2.Água – Importância Biológica. 3.Radiações. 4.Proteção Radiobiológica. I. Título.

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r e fáci o

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este fascículo abordaremos alguns tópicos da biofísica. A biofísica, como área de conhecimento, interdisciplinar, tem estado em constante evolução nas últimas décadas, porque pesquisas e estudos mais recentes na ciência da vida levam a novos questionamentos. Na biofísica são estudados em escala macroscópica e microscópica, os fenômenos físico-biológicos que envolvem organismos vivos e, em nível molecular, os comportamentos resultantes dos vários processos da vida, além da interação e da cooperação dos sistemas altamente organizados de macromoléculas. Os pré-requisitos para seu estudo são conhecimentos fundamentais de física, biologia, química, físico-química, bioquímica, e cálculo diferencial e integral.

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A água é uma substância química composta de hidrogênio e oxigênio, sendo essencial para todas as formas conhecidas de vida.

Água tem três estados: líquido, sólido (gelo) e vapor (invisível) no ar. As nuvens são o acúmulo das gotículas condensadas do vapor.

A água pode mudar de estado físico como, por exemplo, ir do estado sólido para o líquido. Um exemplo disso é quando deixamos o gelo (estado sólido da água) fora da geladeira e ele derrete passando a líquido.

A mudança de estado sólido para líquido recebe o nome de fusão, enquanto que a do estado líquido para o sólido de solidificação. Do estado líquido para a forma vapor, temos o fenômeno de vaporização e, da forma de vapor para a líquida, de condensação ou liquefação.

Algumas vezes, no uso típico, a água se refere apenas à sua forma ou estado líquido, mas a substância também possui um estado sólido, o gelo, e um estado “gasoso”, mais corretamente denominado de vapor de água ou vapor. A água cobre 71% da superfície da Terra. Na Terra, ela é encontrada principalmente nos oceanos e em outros corpos d’água grandes, 1,6% em aquíferos e 0, 001% na atmosfera como vapor, nuvens (formada de partículas de água sólidas e líquidas suspensas no ar) e precipitação. Os oceanos detêm 97%

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da água superficial, geleiras e calotas polares detêm 2,4%, e outros, como rios, lagos e lagoas detêm 0,6% da água do planeta. Uma pequena quantidade da água da Terra está contida dentro de organismos biológicos e de produtos manufaturados.

A água na Terra se move continuamente por um ciclo de evaporação e transpira-ção (evapotranspiratranspira-ção), precipitatranspira-ção e escoamento superficial, geralmente atingindo o mar. A evaporação e a transpiração contribuem para a precipitação sobre a terra.

Na indústria ela desempenha o mesmo papel de diluidora, transportadora e res-friadora nos vários processos de manufatura e transformações de insumos básicos em bens comerciais.

O acesso à água potável tem melhorado continuamente e substancialmente nas últimas décadas em quase toda parte do mundo. Existe uma correlação clara entre o acesso à água potável e PIB per capita de uma região. No entanto, alguns pesquisadores estimaram que em 2025 mais de metade da população mundial sofrerá com a falta de água potável. A água desempenha um papel importante na economia mundial, já que ela funciona como um solvente para uma grande variedade de substâncias químicas, além de facilitar a refrigeração industrial e o transporte. Cerca de 70% da água doce do mundo é consumida pela agricultura.

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u n i V e r s o

Grande parte da água do universo pode ser produzida como um subproduto de formação estelar. Quando nascem as estrelas, esse nascimento é acompanhado por um

ta B e l a 1 – ág ua (H2o): al e r ta s o B r e ri s co à saú d e

Nome IUPAC Água

Outros nomes Ácido hidroxílico Hidróxido de hidrogênio Óxido de hidrogênio Monóxido de di-hidrogênio Pr o P r i e da d e s Fórmula Molecular H₂O

Densidade 1000 kg•m³, líquida (4 °C)_{917 kg•m³, sólida} Ponto de Fusão 0 °C, 32 °F (273,15 K)

forte vento de gás e poeira. Quando esse fluxo de material eventualmente impacta o gás circundante, as ondas de choque que são criadas comprimem e aquecem o gás. A água observada é rapidamente produzida nesse gás quente e denso.

A água tem sido detectada em nebulosas na nossa galáxia, a Via Láctea. Provavel-mente existe água em abundância em outras galáxias, também, porque os seus compo-nentes, hidrogênio e oxigênio, são alguns dos elementos mais abundantes no universo. Nuvens interestelares eventualmente condensam em nébulas solares e sistemas solares como o nosso.

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A água cobre 71% da superfície da Terra, os oceanos contêm 97,2% da água da Terra. A camada de gelo da Antártida, que contém 90% de toda água doce da Terra, é visível na parte inferior. A água condensada na atmosfera pode ser vista como nuvens, contribuindo para o albedo da Terra.

A hidrologia é o estudo do movimento, distribuição e qualidade da água em toda a Terra. O estudo da distribuição de água é a hidrografia.

O estudo da distribuição e circulação de águas subterrâneas é hidrogeologia, das geleiras é glaciologia, das águas interiores é limnologia e da distribuição dos oceanos é a oceanografia. Processos ecológicos com hidrologia estão no foco de ecohidrologia.

O coletivo de massa de água encontrado sobre e abaixo da superfície de um pla-neta é chamado de hidrosfera. O volume de água na Terra aproximado (fornecimento total de água do mundo) é de 1.360.000.000 km3_.

A água subterrânea e doce são úteis ou potencialmente úteis para os seres huma-nos como recursos hídricos.

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H u m a n o

O corpo humano é composto de água, entre 70% a 75%. O percentual de água no organismo humano diminui com a idade: entre 0 e 2 anos de idade é de 75 a 80 %; entre 2 e 5 anos cai para 70 a 75%; entre 5 e 10 anos fica entre 65 a 70%; entre 10 e 15 anos diminui para 63 a 65% e entre 15 e 20 anos atinge 60 a 63%. Aí vem um período de maior estabilidade, como na vida psíquica, mas sem muitas garantias: entre 20 e 40 anos esse teor de água no corpo humano fica entre 58 a 60%. Entre os 40 e os 60 anos, essa percentagem cai para 50 a 58%. A seiva parecer diminuir ou ficar mais concentra-da. Acima de 60 anos, o humano segue sua desidratação. É como se nos idosos metade da existência fosse água e o resto, sólidos residuais e recordações. No próprio corpo humano, os teores de água variam. Os órgãos com mais água são os pulmões (mesmo se vivem cheios de ar) e o fígado (86%). Paradoxalmente, eles têm mais água do que o próprio sangue (81%). O cérebro, os músculos e o coração são constituídos por 75% de

Cérebro: 75% Fígado: 86% Músculos: 75% Pulmões: 86% Sangue: 81% Coração: 75% Rins: 83% água.

A água entra no corpo humano através de sucos, água mineral, cerveja, água fresca e etc. Uma parte significativa de água, o corpo absorve através da respiração celular (14%). O resto da água necessária à vida chega através dos alimentos (39%). Vegetais existem para ser bebidos e não comidos. Eles contêm uma porcentagem enorme de água: alface (95%), tomate (94%), melancia (92%), couve-flor (92%), melão (90%), abacaxi (87%), goiaba (86%) e banana (74%).

O volume total que entra por dia no organismo é de 1500 a 3000 ml. Cerca de 20% da água sai do corpo humano pela transpiração e 15%pela respiração, pelas urinas é excretada a maioria da água absorvida.

Os rins são os principais órgãos que regulam o volume e a concentração da água e filtram tudo o que podem, a bexiga acumula e excretada o possível sob forma de urina.

Figura 1 – Quantida -dedeáguanocorpo humano.

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o n c lu s ão

A água líquida é encontrada em corpos de água, como oceanos, mares, lagos, rios, riachos, canais, lagoas ou poças. A maioria da água na Terra é do mar. A água também está presente na atmosfera no estado sólido, líquido e gasoso. Também existem águas subterrâneas nos aquíferos.

A água é importante em muitos processos geológicos. As águas subterrâneas são onipresentes nas rochas e a pressão da água subterrânea afeta os padrões de falhas ge-ológicas.Na superfície da Terra, a água é importante em ambos os processos químicos e físicos de meteorização.

Água e, em menor medida, o gelo, também são responsáveis por uma grande quantidade de transporte de sedimentos que ocorre na superfície da terra. As deposi-ções de sedimentos transportados formam muitos tipos de rochas sedimentares, que compõem o registro geológico da história da Terra e com certeza ela é indispensável para o ser vivo.

E sabemos que é sem dúvida o mais comum e mais importante de todos os com-postos.

Graças às propriedades da água, a vida foi capaz de surgir e se desenvolver em nosso planeta, mas o uso nem sempre é consciente, e corremos o risco de perder o bem mais precioso que temos.

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n t r o d u ç ão

As informações do mundo exterior são captadas e transmitidas ao cérebro através dos órgãos dos sentidos. Nos primatas, os receptores e as vias nervosas permitem a detecção e análise dos sinais sonoros, a audição; luminosos, a visão; e químicos, a gustação e olfação; ambos situados na cabeça. Além dessas informações, os sensores situados nos canais semicirculares do ouvido interno ajudam a manutenção da postura e participam na definição do equilíbrio do corpo.

Queremos nesse trabalho mostrar como nós seres humanos conseguimos enxergar o mundo colorido, e em alguns animais identificar as diferenças entre a visão dos seres irracionais e dos seres racionais.

No processo de formação de imagens desenvolveremos todo embasamento teórico, do ponto de vista físico e biológico. Mostraremos desde a saída dos raios de luz de uma fonte luminosa até chegar aos nossos olhos, formando as imagens em nossa retina e como essas imagens chegam até nosso cérebro pelo processo biológico.

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Uma onda nada mais é do que uma perturbação que se propaga num meio, por exemplo, se duas pes-soas segurarem as extremidades de uma corda, e uma delas a sacudir, será originada uma sinuosidade que se movimenta ao longo da corda no sentido da outra pessoa. A pessoa provocou uma modificação na corda, e como esta tende a retornar à sua posição inicial, a perturbação se afasta do ponto onde foi originada.

A esta perturbação dá-se o nome de pulso e a este movimento de onda. Uma onda transfere energia de um ponto a outro sem o transporte de matéria entre esses pontos. As ondas podem ser classificadas em unidimensionais (quando se propagam em apenas uma direção), bidimensionais (quando se propagam ao

longo de um plano) e tridimensionais (quando se propagam em todas as direções). Os fenômenos ondulatórios transmitem energia através da matéria. As partículas materiais apenas giram ou oscilam para frente e para trás, ou para cima e para baixo, transmitindo energia de uma partícula a outra. Efetivamente, quando batemos numa mesa, as ondas sonoras viajam através dela, mas a mesa propriamente dita não se mo-vimenta.

• as o n da s a P r e s e n ta m d ua s c l a s s i f i c açõ e s q ua n t o à s ua n at u r e z a, P o d e m s e r m e c â n i c a s o u e l e t r o m ag n é t i c a s.

Ondas mecânicas são aquelas originadas pela deformação de uma região de um meio elástico e que, para se propagarem, necessitam de um meio material. Daí decorre que as ondas mecânicas não se propagam no vácuo. As ondas sonoras propagam-se nos sólidos, líquidos e gases. As ondas sonoras são ondas mecânicas, já que necessitam do ar (ou outros gases) ou de algum meio líquido ou sólido para serem propagadas. Quan-do transmitidas ao nosso sentiQuan-do da audição, são por ele captaQuan-dos como uma impressão fisiológica denominada som.

• eX i s t e m d o i s t i P o s fu n da m e n ta i s d e m oV i m e n t o s o n d u l at ó r i o s, l o n g i -t u d i n a i s e t r a n s V e r s a i s.

Nas ondas longitudinais, tal como nas ondas sonoras, as partículas movimentam-se para frente e para trás na mesma direção da propagação da energia, tal como uma mola, alternadamente distendida e comprimida. A energia pode ser transmitida em to-dos os estato-dos da matéria (sólido, líquido e gasoso) através do movimento longitudinal das partículas.Uma onda é longitudinal quando as partículas do meio em que ela se propaga vibram na mesma direção de propagação da onda nesse meio.

A onda é transversal quando as partículas do meio em que ela se propaga, vibram perpendicularmente à direção de propagação da onda nesse meio. Nesse caso, os planos de partículas no meio de propagação mantêm a mesma distância uns dos outros. Não se propagam nos líquidos e nos gases, pois nesses meios não existe ligações mecânicas. Nas ondas transversais a energia viaja na perpendicular à direção de vibração das par-tículas. Este tipo de movimento transmite-se apenas nos sólidos. Exemplos: qualquer tipo de luz, os raios x e as ondas para comunicação entre avião e torre de comando, ou então transmissões de rádio e TV.

• on da s e l e t r o m ag n é t i c a s – luz

Esse tipo de onda é originado através de cargas elétricas oscilantes e não precisam de um meio material para se propagar. As ondas eletromagnéticas se propagam no vá-cuo, o exemplo mais claro disso é a luz do Sol, que percorre quilômetros de vácuo até atingir a superfície da Terra.

• luz

A luz é a porção do espectro de radiação eletromagnética que conseguimos perce-ber através do sentido da visão. A amplitude de onda visível é aferida em nanômetros (nm) sendo variável, dependendo das condições de observação e do próprio observador, entre 380 - 400 nm e 700 - 780nm.

Uma película fotossensível reversível transforma a energia eletromagnética do pulso luminoso em pulso elétrico. Em uma terceira fase do processo de ver, os pulsos elétricos são levados ao cérebro, onde provocam sensações psicofísicas conhecida como visão.

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Para efeitos comuns, não relativísticos, a luz se propaga simplesmente em linha reta. No vácuo, sua velocidade, é uma das mais importantes constantes universais, e é a velocidade máxima que a matéria pode atingir: c = 3 x 108 m/s. No ar, água, outros líquidos, e corpos transparentes, a velocidade da luz diminui. Como veremos adiante, a velocidade é tanto menor quanto maior é o “índice de refração” do meio. A luz é composta por comprimentos de onda visível que varia para os humanos na faixa dos 400 aos 750nm. A luz composta pelo somatório destes comprimentos de onda nos dá a sensação visual do branco. Um objeto será percebido como branco se todos os raios do espectro incidentes nele forem refletidos. Caso contrário, isto é, se o objeto absorver to-dos os comprimentos de onda, não havendo reflexão de qualquer comprimento de onda na faixa do visível, o objeto será percebido como preto. Portanto, a cor é uma sensação psicofisiológico que está associada ao comprimento de onda.

Cor monocromática, como o próprio nome diz, é composta de um único compri-mento de onda e é específico para cada cor. Um exemplo é o arco-íris, que é decorrente do fenômeno da difração da luz exercida pelas gotículas de água dispersas na atmosfe-ra. O vermelho, laranja, verde, amarelo, azul e violeta, são cores monocromáticas com comprimentos de ondas específicos.

A luz ao se propagar apresenta entre outros, os seguintes fenômenos:

• r

e f l e X ão

Consiste na mudança de direção da luz, ao encontrar um obstáculo. A reflexão se faz de acordo com a seguinte lei:

“O ângulo de incidência (i) e o ângulo de reflexão (r) são iguais, e estão no mesmo

plano que inclui a normal (N)”. i r i=r

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n t e r f e r ê n c i a

Resulta do somatório dos pulsos de onda. Quando se somam duas cristas, há re-forço; quando se somam uma crista e um vale iguais, há anulação. Como a soma dos pulsos é algébrica há toda uma gama de efeitos intermediários. Para se obter interfe-rência de forma efetiva, é necessário usar fontes de luz coerentes, isto é, que estão na mesma fase. Isso se obtém dividindo um feixe de luz em dois, ou usando raios laser, que são naturalmente coerentes. A interferência da luz monocromática gera zonas de claro-escuro, e da luz branca, pode gerar diversas cores.

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Consiste no contorno de um obstáculo devido à trajetória do pulso. Quando se olha uma lâmpada através de uma pequena fenda entre os dedos, observa-se uma su-cessão de finas zonas claras e escuras, devido à difração.

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s Pa l H a m e n t o

É a mudança de direção do raio luminoso ao se chocar com a matéria. É como se fosse o ricochete de uma pedra atirada obliquamente ao solo. O espalhamento se faz em todas as direções. Acontece especialmente em nível molecular, e é responsável pela opalescência de soluções coloidais, ou de macromoléculas.

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o l a r i z aç ão

É a fixação de vetor elétrico, e, consequentemente, do magnético, em um plano determinado. Se o plano é fixo, a polarização é dita plana. Se o plano gira em sentido perpendicular à propagação, a polarização é circular. Se, em determinada posição de giro, os vetores são maiores, a polarização é elíptica. Existem animais capazes de 2. Difusa: A superfície refletora

é áspera, e os raios incidentais se refletem com o mesmo ângulo, mas em diferentes direções. É a reflexão mais comum, como a desta folha de papel, dos corpos de animais, objetos e corpos celestes.

Existem dois tipos de reflexão: 1. Especular: A superfície refletora é tão lisa, que todos os raios refletidos saem na mesma direção. São exemplos: a reflexão nos espelhos e, superfícies polidas.

perceber luz polarizada, como o polvo.

• r

e f r aç ão

É a mudança de direção do raio luminoso ao penetrar obliquamente em um meio de índice de refração diferente do meio anterior. Se o raio penetra perpendicularmente, não há refração. Em ambos os casos, a velocidade é diferente nos dois meios. A refração é frequentemente vista quando se enfia um bastão na água, ou quando um jato de luz atravessa esses plásticos transparentes que florescem. O desvio é perfeitamente visível. Por que só ocorre desvio se a incidência é obliqua? Não ocorre nada na incidência perpendicular? Na incidência perpendicular, ou oblíqua, a velocidade muda, sendo a mesma nos dois casos. Mas, na incidência oblíqua, como o pulso é transversal, uma parte da onda muda a velocidade antes da outra, e a direção também muda. Ao sair do meio, ocorre o inverso, e o raio retorna á direção primitiva. Se o pulso é perpendicular, a velocidade diminui, sem mudança de direção, porque o pulso penetra simultanea-mente no novo meio.

A lei da refração mostra que: As ondas eletromagnética ao saírem de meio mais refrator para meio menos refrator, o raio luminoso se afasta da normal. No contrário se saírem de um meio mais refrator e penetrar em meio menos refrator, o raio luminoso se afasta da normal. Na figura abaixo, notar que o ângulo “θ1” é menor que o ângulo “θ2”.

A relação quantitativa entre esses parâmetros está na Lei de Snell, que inclui o chamado “índice de refração” dos meios transparentes, e tem a forma:

ɲ = sen θ1 / sen θ2

Onde ɲ é o índice de refração, θ₁ é o de ângulo

de incidência, e θ₂ o ângulo de refração.

θ₁ ɲ₁ ɲ₂ θ₂ ta B e l a 2 – ín d i c e d e re f r aç ão d e alg u n s me i o s mat e r i a l ɲ mat e r i a l ɲ Vácuo 1,00000 Cristalino 1,40 Ar 1,0003 Glicerol 1,4730 Água 1,3330 Benzeno 1,5012

Aquoso Humor 1,33 Vidros/Diversos 1,4 – 2,0

Vítreo 1,34 Diamantes 2,417

Asdfasfddasd asdasd asdasd asdads dsadsd asdsad ddsdde Asdfasfd dasd asdasdasdasd asdadsdsadsd asdsadddsd de As dfa sfd dasd asd asdasd asd asd adsd sads d asd sadddsdd e As dfa sfd dasd asd asd asd asd asd ad sdsads d asd sadddsdd e En_ten dendo o Ol ho Hum_ano 2011 fibras do musculo ciliar radiais, relaxadas, circulares, contraídas espesso radiais, contraídas, circulares, relaxadas cristalino delgado ta B e l a 3 – di s tâ n c i a s (mm) e co n V e r g ê n c i a e m di o P t r i a s diop t r i a s in F i n i t o pe r t o Distância Córnea-Retina 24 24

Distância Córnea-Ponto Nodal 6 6

Distância Focal Posterior 24 19

Distância Focal Anterior 17 14

Poder Dióptrico Total +59 +73

Poder Dióptrico do Cristalino +19 +33

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O mecanismo de formação da imagem é por meio da refração da luz. O principal meio refrativo do olho é a interface ar-córnea, devido à grande diferença de índice de refração entre a córnea e o ar. No olho com a visão normal, a imagem se forma sempre na retina. No olho temos um sistema de lentes, que são como um artefato capaz de desviar a trajetória dos raios luminosos, formado principalmente pela córnea e pelo cristalino. A imagem formada pelas lentes pode ser real ou virtual. Ela é real quando produzida pelos cruzamentos dos raios emergentes da lente e é virtual quando produ-zidas pelos prolongamentos dos raios luminosos.

Uma imagem pode ser direita ou invertida. Ela é direta quando tem o mesmo sentido do objeto, e invertida quando tem sentido oposto ao do objeto.

Para fins práticos, o índice do ar é considerado como unitário, isto é, igual ao do vácuo.

A relação de Snell permite calcular o desvio dos raios luminosos quando passam de meios de ɲ diferente.

Quando um indivíduo abre os olhos debaixo d'água, o poder refrativo do olho cai bastante, porque a diferença dos valores de ɳ diminui. O cristalino se colocado no ar, pode atingir até + 145 dioptrias de convergência, mas entre dois fluidos de índice de refração maior que 1, aproximadamente 1,34 em média, a convergência cai para +19 a +33 D.

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l H o

O mecanismo da visão acontece através dos olhos; e é a incidência de luz visível nos olhos que fornece a energia necessária para que as células especializadas, localiza-das em seu interior, sejam excitalocaliza-das. O potencial de ação resultante pelos mecanismos conhecidos faz com que essa perturbação no olho, de origem externa, seja interpretada. A interpretação físico-biológica da excitação produzida por esta radiação eletro-magnética depende da estrutura do receptor de luz ou do olho.

O olho tem a função de transformar a energia eletromagnética em energia elé-trica, e esses pulsos são direcionados ao cérebro. O ser humano capta a luz através do olho, um órgão esférico extremamente complexo que em pessoas adultas atinge cerca de 24 mm. O olho é composto por três camadas, ou túnicas: a esclerótica, que o reveste e protege externamente, a coróide, constituída por vasos sanguíneos que alimentam o olho, e a retina, um tecido resistente, transparente e fotossensível. Na retina há dois tipos de células que são responsáveis pelo sentido da visão, os cones e os bastonetes.

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O globo ocular tem cerca de 24 mm de diâmetro e encontra-se encapsulado, em uma membrana rígida denominada esclerótica que, em sua parte anterior, apresenta uma janela transparente chamada córnea. Atrás da córnea está a câmara anterior do olho, preenchida pelo humor aquoso, uma solução pouco concentrada, e a íris, que é um diafragma variável. Esta câmara é fechada pelo cristalino e pela lente de poder refrativo ajustável através da contração do músculo ciliar. A câmara posterior, atrás do cristalino, é preenchida por um fluido gelatinoso conhecido como humor vítreo. O fundo do globo ocular, denominado retina, contém as células nervosas fotossensíveis: os cones e os bastonetes. Os cones concentram-se na mácula lútea (mancha amarela) e mais ainda, na fóvea centralis (fossa central), compreendida no interior da macula lútea. Os filetes nervosos que se unem para formar o nervo óptico, o fazem num ponto da retina que não possui células fotossensíveis: o ponto cego. A nutrição das estruturas é feita pela coróide (ou corioide) que é a camada que contém os vasos sanguíneos. O eixo óptico não coincide com o eixo visual. O globo ocular tem como receptor a íris e a pupila.

humor vítreo canal hialóideo cr is ta li no Pupila Câmara posterior Fibras zonulares Retina Corióide Esclera Disco óptico Nervo óptico

Artéria e veia centrais da retina Fóvea central na mácula lútea Ligamento suspensos da lente Câmara anterior (humor aquoso) Córnea Músculo ciliar Íris

Figura 2 – olhohumano. Fonte: Wikipédia.

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t r a n s Pa r e n t e s

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Córnea: porção transparente da túnica externa (esclerótica); é circular no seu con-torno e de espessura uniforme. Sua superfície é lubrificada pela lágrima, secretada pelas glândulas lacrimais e drenada para a cavidade nasal através de um orifício existente no canto interno do olho.

Humor aquoso: fluido aquoso que se situa entre a córnea e o cristalino, preen-chendo a câmara anterior do olho.

Cristalino: lente biconvexa coberta por uma membrana transparente. Situa-se atrás da pupila e é orienta a passagem da luz até a retina. Também divide o interior do olho em dois compartimentos contendo fluidos ligeiramente diferentes: a câmara anterior, preenchida pelo humor aquoso e a câmara posterior, preenchida pelo humor vítreo. Pode ficar mais delgado ou mais espesso, porque é preso ao músculo ciliar, que pode torná-lo mais delgado ou mais curvo. Essas mudanças de forma ocorrem para desviar os raios luminosos na direção da mancha amarela. O cristalino fica mais espesso para a visão de objetos próximos e mais delgada para a visão de objetos mais

Artéria e veia centrais da retina

distantes, permitindo que nossos olhos ajustem o foco para diferentes distâncias visu-ais. A essa propriedade do cristalino dá-se o nome de acomodação visual. Com o en-velhecimento, o cristalino pode perder as transparências normais, tornando-se opaco, ao que chamamos catarata.

Humor vítreo: fluido mais viscoso e gelatinoso que se situa entre o cristalino e a retina, preenchendo a câmara posterior do olho. Sua pressão mantém o globo ocular esférico.

O globo ocular apresenta ainda, anexo: as pálpebras, os cílios, as sobrancelhas ou supercílios, as glândulas lacrimais e os músculos oculares. As pálpebras são duas dobras de pele revestidas internamente por uma membrana chamada conjuntiva. Servem para proteger os olhos e espalhar sobre eles o líquido que conhecemos como lágrima. Os cílios ou pestanas impedem a entrada de poeira e de excesso de luz nos olhos, e as so-brancelhas impedem que o suor da testa entre neles. As glândulas lacrimais produzem lágrimas continuamente. Esse líquido, espalhado pelos movimentos das pálpebras, lava e lubrifica o olho. Quando choramos, o excesso de líquido desce pelo canal lacrimal e é despejado nas fossas nasais, em direção ao exterior do nariz.

Costumava-se comparar o olho a uma máquina fotográfica, mas a comparação com uma câmara de televisão é mais adequada. Como a câmara de televisão, o olho forma imagens, transforma a Energia Eletromagnética em Energia Elétrica, e esses pulsos são levados ao cérebro.

ta B e l a 4 – es t r u t u r a s re f r at i Va s n o ol H o

es t ru t u r a N re F r aç ão diop t r i a s ob s e rVaç õe s

Interface Ar-córnea 1,38 Convergente +45 Principal meio R _Refrativo Interface

Córnea--Humor Aquoso 1,33 Divergente -5 Único sistema Divergente Cristalino 1,4 Convergente 19 Pode variar até +33 _{D Efeito de lente}

Humor Vítreo 1,34 -- --

--Total -- -- +59 a + 73 D

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A íris é uma estrutura contrátil capaz de variar o seu orifício que é a pupila. As pupilas têm diâmetro de 1,5 a 8 mm, conforme a contração de músculo da íris. A ca-mada posterior da íris é responsável pela cor dos olhos. Como a distância focal do olho é 17 mm, os valores de F (abertura da lente), para o olho, variam entre:

Esses valores de F correspondem aos de uma boa lente de máquina fotográfica. Como a luz que entra é proporcional à área da pupila, e nessa área o raio é levado ao quadrado, com valores de 2,1 a 11,3, consegue-se uma variação de aproximadamente 30 vezes na quantidade de luz que entra.

A íris tem um papel especial nas seguintes funções; 1. Controle da quantidade de luz;

2. Diminuição da aberração esférica e aberração cromática, quando a pupila é menor;

3. Aumento da profundidade de foco, com fechamento da pupila.

O limite para o fechamento da pupila, em lugares muito claros, é a difração que sempre ocorre nos orifícios muito estreitos, de menos de 1 á 2 mm de diâmetro.

O fechamento da pupila é conhecido como miose, e a dilatação como midríase. Várias moléstias e diferentes substâncias causam tanto a miose como a midríase. Os cicloplégicos são drogas que agem localmente, paralisando a íris e causando intensa midríase. São usadas para exame oftalmológico, e durante sua ação, pode-se sentir a falta do efeito diafragma da pupila, pela visão desfocada.

Retina Mácula Íris Córnea Pupila Cristalino Vítreo Nervo óptico

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A retina é a película fotossensível, aonde os fótons que chegam interagem com os receptores especiais, gerando impulso elétrico.

A retina tem dois tipos de células fotossensíveis:

1. Cones - destinados á visão fotópica (fóton, luz), isto é, de cores e detalhes. 2. Bastonetes – Destinados á visão escotópica (mancha), isto é, à visão de

claro-escuro, associada a pequenas quantidades de luz.

Os cones e bastonetes podem ser vistos na figura seguinte, onde são apresentados quatro bastonetes e um cone. Os albinos, que não possuem pigmentos devido a um

Luz

Nervo óptico

É interessante que os cones e bastonetes apontam para a direção oposta aos raios de luz. Existem cerca de 130 milhões de bastonetes e 7 milhões de cones, distribuídos em um arco de aproximadamente 180°, no fundo do olho.

Na mancha lútea, cujo nome quer dizer mancha amarela, com cerca de 1,5 mm2

de área e onde se encontram mais os cones, existe a fóvea centralis (fossa central), que é uma depressão de 0,3 mm de diâmetro (0,28 mm2 _{de área).}

Na fossa central não há bastonetes, e nela se concentram de 30.000 a 40.000 co-nes, mais delgados, e que são ligados diretamente ao nervo óptico.

A mácula Lútea, mais definidamente a fóvea, é a responsável pela visão de deta-lhe, e para isso possui esta estrutura peculiar. A visão de cores é também mais distinta nessa região.

No foca de saída do nervo óptico e vasos sanguíneos, não é possível haver cones e bastonetes, e esse local corresponde ao ponto cego.

defeito genético, são completamente ofuscados em lugares muito luminosos.

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nergética

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etina

A retina é uma das estruturas mais aperfeiçoadas como transformadora de ener-gia, e sua sensibilidade pode ser avaliada por duas situações:

1. Medidas experimentais cuidadosas mostram que: Quando 50 a 60 fótons in-cidem na córnea, cerca de 80 a 90% são absorvidos, refletidos ou refratados, e apenas cerca de 10 fótons chegam á retina. Se houver uma chance de 50% de choques úteis com os bastonetes, apenas 2 a 5 fótons são capazes de provocar sensação luminosa. Acredita-se que um único fóton de luz verde-azulada seja capaz de provocar um pulso de visão.

2. A energia de um fóton de luz verde-azulada de 510 nm é 3,9 x 10 -19_{J, e cinco}

fótons representam 2 x 10-18 _{J. Por outro lado, um objeto de 1 mg ( um pedaço}

de papel), caindo de apenas 1 cm de altura, produz aproximadamente 1 x 10-7 _J.

Com essa energia seria possível provocar: 3.

Ou seja, 50 trilhões de pulsos luminosos! Essa quantidade seria suficiente para impressionar, de sobra, os olhos de todos os habitantes humanos da Terra, desde os primórdios da civilização, até hoje. A variação da sensibilidade de claro-escuro, como entre um dia ensolarado e uma noite de luar, permite uma faixa de percepção da ordem de milhões de vezes. Calcula-se que os limites máximos e mínino estão em faixa de 10 bilhões de vezes de variação da intensidade luminosa. Apenas 30 vezes cabe à iris, e restando 330 milhões de vezes para a retina. Devido à faixa de energia da visão fotópica e escotópica, o uso de óculos de lentes vermelhas facilita a adaptação ao escuro, porque preserva a visão dos bastonetes, permitindo a visão pelos cones. Os radiologistas usam esses óculos para facilitar essa adaptação.

No homem a opsina dos bastonetes (rodopsina) tem resposta máxima em estímulo luminoso de comprimento de onda ao redor de 500 nanômetros. Os cones em huma-nos possuem três diferentes fotopigmentos, com absorção máxima de comprimentos de onda em 420, 535 e 565 nanômetros.

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comodação

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isão

Para

Perto

e

Para

longe

No olho de visão normal, a imagem se forma sempre na retina. Para que isto aconteça, é necessário que o olho mude o seu poder dióptrico, conforme a distância do objeto, e esse mecanismo denominam-se acomodação. Nos humanos, esse mecanismo de acomodação se faz por mudanças da espessura do cristalino. Na visão para longe, o músculo ciliar tem sua fibras radiais contraídas, e as circulares relaxadas, diminuindo a convergência da lente do olho. Na visão para perto, o fenômeno principal é o relaxa-mento das fibras radiais do músculo ciliar, e como causa coadjuvante, uma contração das fibras circulares, provocando um espaçamento do cristalino.

Depois dessa acomodação para que imagem fique em cima da retina, essa imagem invertida é captada pelas células fotossensíveis e irá ser transmitida por impulsos nervo-sos até o nosso cérebro e ali será será decodificada e colocada na ordem certa.

A acomodação varia com a idade, sendo máxima na infância e mínima ou ausen-te, em idades mais avançadas. Uma criança de 10 anos pode ter seu ponto próximo de visão nítida a 7 cm (14 dioptrias). Entre 20 e 30 anos, o ponto próximo está a 25 cm (4 dioptrias). Dos 30 aos 40 anos, o ponto próximo vai se afastando, a ponto das pessoas terem que esticar o braço para poder ler. Essa condição é conhecida como presbiopia.

O ponto próximo padrão é tomado, para um adulto normal, como 0,25 m. A aco-modação (DA) medida em dioptrias, é igual ao ponto próximo padrão (DP), menos o ponto próximo capaz de ser focalizado pelo indivíduo (DL).

DA = DP – DL

Essa fórmula é útil para determinar correções necessárias em defeitos de refração.

V

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ste r eoscó Pi c a

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Uma das características importantes da visão é a avaliação da distância dos obje-tos. Essa percepção se faz por três mecanismos:

1º Determinação da distância pelo tamanho relativo dos objetos – É possível dizer se um indivíduo está longe ou perto, pela simples avaliação do tamanho aparente. Isto ocorre porque temos noção prévia da altura dos seres humanos. O mesmo ocorre com objetos mais comuns, como veículos, edifícios, etc. 2º Determinação das distâncias pela paralaxe móvel – O deslocamento de

pa-ralaxe de visão de um objeto, quando este, ou o observador se move, permite um julgamento das distâncias desses objetos. Esse efeito é perceptível quando giramos a cabeça lentamente, olhando objetos próximos e distantes: os próxi-mos parecem se deslocar rapidamente. Contemplar o vôo de um avião dá uma ideia nítida desse efeito.

3º Estereopsia ou Visão Estereoscópica – Como os olhos são separados de 50 a 70 mm, as imagens que se formam em cada olho são diferentes. O cérebro decodifica essas mensagens, da mesma forma que um estereoscópico. Esse mecanismo é apenas auxiliar na visão de profundidade, e devido à pequena distância de separação dos globos oculares, não é eficaz em distâncias supe-riores a 50 ou 60 metros.

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orreção

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As anomalias da visão podem ser classificadas em anomalias da refração, da geo-metria óptica, e da visão de cones.

A curvatura e o índice de refração de uma lente definem sua potência que é ex-pressa em dioptrias (D). Entende-se por refração a deflexão da luz quando esta passa de um meio para o outro de diferente densidade óptica. Índice de refração é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e essa velocidade no meio considerado.

Nos aparelhos ópticos a imagem é mantida em foco movimentando-se a lente em relação ao objeto, enquanto no olho o cristalino modifica sua potência ou D, alterando sua forma a fim de manter a imagem em foco sobre a retina. Essa mudança de forma é chamada acomodação visual. Em outras palavras. Toda lente de vidro apresenta dis-tância focal constante, enquanto o cristalino consegue modificá-la.

O olho é denominado emétrope quando em repouso consegue focar sobre a reti-na a luz dos raios paralelos, isto é, quando a imagem de um objeto distante se foca reti-na retina. Se não se forma no foco, o olho é dito amétrope. A ametropia ocorre em con-sequência de erros na refração (por ex., cristalino com potência muito baixa ou muito

alta ou, ainda, globo ocular muito achatado ou muito alongado). Se feixes paralelos que incidem sobre o olho em repouso fizerem foco na frente da retina, o olho amétrope é então denominado míope; se aqueles raios formarem foco atrás da retina, o olho é hipermétrope (estado de hiperopia).

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m e t r o P i a

É o estado refrativo normal do olho, e se define assim:

1. Sem acomodação, o ponto distante de visão nítida está no infinito. 2. Com acomodação, o ponto próximo de visão nítida está a 0,25 m. 3. A imagem não é deformada.

Isto significa que, com o olho não acomodado, os raios paralelos que incidem na córnea, ou raios divergentes que penetram no mecanismo refrativo do olho, são focali-zados na retina, sem deformação.

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m e t r o P i a

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São os desvios do estado emétrope, e se classificam em quatro grandes categorias:

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i o P i a

A imagem é focalizada antes da retina. Isto quer dizer que o ponto distante não está no infinito, e se aproximou do ponto próximo.

A correção da miopia se faz através de lentes divergentes, que devolvem a imagem do objeto para o infinito. A miopia ocorre por defeito da refração, que se torna excessi-va, ou por defeitos de curvatura da córnea, ou do globo ocular. A correção com lentes divergentes é simples.

Na visão emétrope, os raios devem vir do infinito. Colocando-se uma lente diver-gente de grau adequado, pode-se obter uma imagem virtual do objeto, que venha do infinito.

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Nesse caso, imagem de raios paralelos se focaliza depois da retina, e imagens de objetos menos distantes podem ser focalizadas corretamente, apenas se houver alguma acomodação restante. É causada por uma deficiência nos meios refrativos, ou alterações nos meios refrativos, ou alterações na curvatura do globo ocular.

O efeito é de afastamento do ponto próximo, e a correção se faz com o uso de lentes convergentes, que fornecem uma imagem virtual do objeto, no ponto próximo normal. As pessoas com hiperopia não conseguem obter imagens nítidas de objetos próximos e, para ler, cada vez mais afastam o texto dos olhos. Trabalhos manuais tornam-se extremamente difíceis. A correção com lentes convergentes é, entretanto, bastante simples.

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É a perda da acomodação com a idade. Como já vimos a acomodação varia de 14 a 4 dioptrias (7 a 25 cm), e sua correção é feita de modo semelhante à hiperopia.

A presbiopia, da mesma forma que a hiperopia, dificulta o trabalho manual e a leitura, porque é necessária uma distância maior para uma visão de detalhe, e nessa distância maior, a imagem formada é muito pequena.

A perda da acomodação exige a correção para a visão de perto, tanto de pessoas hiperopias, como de míopes. Nesses casos, as lentes bifocais são um recurso melhor, porque apresentam uma parte superior com menos dioptrias (visão para longe), E uma parte inferior com mais dioptrias (visão para perto). As lentes multifocais são ainda mais aperfeiçoadas, porque apresentam foco para distâncias intermediárias entre a vi-são de perto e do infinito.

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É a formação de imagem com efeito de lente cilíndrica. O astigma (a = não; stigmos = ponto), é a condição de imagem não pontual. A causa mais comum é a deformação de um dos raios de curvatura da córnea. O estigmatismo pode ocorrer dentro de vários ângulos do campo de visão. O estigmata vê como difuso e pouco focado o diâmetro no qual tem efeito cilíndrico.

O uso de lentes cilíndricas opostas ao efeito astigma é o processo de correção usado. A lente deve ter a mesma dioptria, com ângulo perpendicular ao efeito da visão.

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Ainda não se sabe com segurança o que um animal consegue perceber por meio da visão. Todavia estudos comportamentais, bioquímicos, eletrofisiológicos e anatômi-cos permitiram ter-se uma ideia de como a visão dos animais se compara à do homem. Acredita-se que primatas, aves, répteis, anfíbios e peixes distinguem as cores de ma-neira mais ampla do que os mamíferos domésticos. Por exemplo. Os cones nos felinos são extraordinariamente sensíveis ao verde: assim os gatos diferenciam o azul do cinza ou verde na maior parte das vezes, desde que os estímulos atinjam amplo ângulo visual.

As aves de rapina que possuem mais de uma fóvea apresentam excelente resolução, em virtude de estarem os cones estrategicamente localizados. Assim, algumas espé-cies de aves apresentam a fóvea estriada, situada na porção dorsal do fundus, que lhes permite visualizar bem a topografia do solo ou da água em busca de presas. Chama-se fóvea uma área que, submetida a uma luminosidade adequada, apresenta alta acuidade visual. A fóvea de primatas e aves encerra somente cones, e nela a relação entre cones e células bipolares são de 1:1 (ausência de convergência).

Os mamíferos domésticos carecem de fóveas, porém possuem zonas centrais mais sensitivas e ricas em cones ou áreas estriadas com formato de pupila.

A posição anatômica dos olhos na cabeça certamente exerce grande influencia na amplitude da visão. A área total que pode ser vista pelo olho é chamada de campo de visão. Os campos de visão dos dois olhos se sobrepõem na região central. Os olhos afastados dos herbívoros que servem de presa permitem-lhes uma visão panorâmica. Em algumas espécies de mamíferos (coelhos e equinos),as áreas localizadas imediata-mente adiante do focinho e as que se encontram atrás dos membros posteriores ficam fora de seus campos de visão. Nos coelhos, o campo de visão binocular torna-se ainda menor na sua retaguarda, quando levantam a cabeça.

Os equinos conseguem um campo de visão de 360 graus quando levantam a ca-beça ou quando pastam.

Campo de visão do equino. Quando os olhos são dirigidos para frente (não apon-tado), forma-se uma área cega diante das narinas. Quando são voltados para trás, po-rém no mesmo nível do corpo (não apontado), a área cega forma-se atrás do corpo do animal.

Nosso conhecimento da visão de cores dos mamíferos está ainda limitado, e é ainda menor sobre mamíferos não-placentários. A maioria das espécies estudadas tem alguma forma de dicromacia baseada nos mecanismos de dois cones. A diferenciação da tricromacia em macacos e no homem é relativamente recente na escala evolutiva, e alguns primatas ainda têm apenas um tipo de cone. Esta simplicidade do estímulo visual de cones em algumas espécies contrasta com a complexidade em outros vertebra-dos, como pássaros e répteis, de retinas com grande dominância de cones. Ainda hoje, a transição evolutiva até as retinas modernas de mamíferos não está completamente elucidada.

Todos os tipos de cones de mamíferos foram considerados isomórficos, até que se demonstrou em marsupiais a presença de uma variedade de cones, incluindo co-nes duplos e fotorreceptores com gotas de óleo. Estudos em gambás, incluindo testes comportamentais de discriminação cromática e registros eletrorretinográficos indicam alguma capacidade de visão de cores.

O gambá sul-americano (Didelphis aurita) tem se mostrado interessante como animal experimental no estudo comparativo da fisiologia visual em mamíferos. O gê-nero Didelphis parece não ter se modificado muito ao longo do tempo, e fósseis do perí-odo Pleoceno já mostravam características atuais. Acredita-se que os marsupiais, assim como os monotremos e mamíferos insetívoros, tenham tido um ancestral comum. Por essa razão, o estudo do sistema visual de um marsupial resgata características dos primórdios da evolução dos mamíferos.

Além disso, a retina do gambá compartilha características presentes na retina de répteis e aves, e seu conhecimento sugere possíveis transições sofridas pelo sistema visual ao longo da evolução das espécies, até o aparecimento de padrões retinianos dos mamíferos placentários modernos. A diversidade de fotorreceptores, fotopigmentos e gotículas de óleo presentes em répteis e aves podem refletir uma sequência evolutiva

relacionada ao hábito de vida diurno e à visão fotópica. A perda de gotículas de óleo em fotorreceptores de mamíferos placentários parece estar relacionada ao processo de seleção para a visão fotópica e cromática.

Os mamíferos primitivos ocuparam nichos com hábitos de vida noturnos, indu-zindo uma diferenciação e otimização do sistema visual escotópico refletidas princi-palmente no aumento do número de bastonetes da retina. Comparando-se os sistemas fotópico e escotópico, o gambá apresenta um modelo retiniano que se superpõe aos dois grupos.

Na maioria dos mamíferos, entretanto, estão presentes apenas dois sistemas fo-tópicos espectrais, que são as bases da visão dicromática um de cones sensíveis a com-primentos de onda curtos, e outro de cones sensíveis a comcom-primentos de onda médios a longos.

Análise com microespectrofotometria determinou a sensibilidade espectral dos fotorreceptores de duas espécies marsupiais australianas, Tarsipes rostratus e Sminthopsis

crassicaudata, representativas das duas maiores divisões taxonômicas dos marsupiais.

Foram descritos três tipos de fotopigmentos de cone e um de bastonete em cada es-pécie, sendo a primeira evidência de visão tricromática em outro mamífero além de primatas. Os comprimentos de onda com absorbância máxima das opsinas de cones foram 557, 505 e aproximadamente 350 nm na primeira espécie; e 535, 509 e aproxi-madamente 350 nm na segunda. Os comprimentos de onda com absorbância máxima dos fotopigmentos de bastonete foram 502 e 512 nm em cada espécie, respectivamente.

Foram descritas na retina do gambá sul-ame-ricano (Didelphis aurita) opsinas com diferentes sensibilidades espectrais, determinadas por método imuno-histoquímico, sugerindo a tricromacia neste animal. Este fundamento morfológico não tinha demonstração fisiológica registrada por eletrorreti-nografia, até este estudo.

Figura 3 – métododoexameeletroFisiológicono gamba. (a) animalsobsedaçãocomoseletrodospo -sicionadose (b) eletrorretinógraFopreparadopara exameno setorde neuro–oFtalmologiado serViço de oFtalmologia, hospital uniVersitário clementino

Fraga Filho. uFrJ.

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Um dos mais importantes meios de interação

do homem com o mundo se faz através do espectro da radiação luminosa, ou seja, uma faixa compreendida entre a cor vermelha e a cor violeta. Esta interação só é possível devido a dois instrumentos altamente especializados, dispostos de forma mais ou me-nos simétrica ao plano sagital, plano que divide o corpo humano em lado direito e lado esquerdo, e modo que se consiga ter uma visão binocular, o que permite uma percepção tridimensional do mundo. Além disso, estes instrumentos têm sensores especializados na detecção das cores e na detecção da luminosidade, e consegue distinguir imagens se a sequência estiver abaixo de 10 imagens por segundo.

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n t r o d u ç ão

A Acústica é um ramo da Física definida como a ciência que estuda o som, esse estudo se divide em produção, transmissão e detecção e pode ser desenvolvido segundo dois aspectos: quando trata das vibrações e ondas mecânicas é chamada de Física Acústica e é denominada Acústica Fisiológica quando relacionada à sensação que o som produz nos indivíduos e às impressões que eles emitem ao receberem uma estimulação sonora em seus ouvidos.

Para o físico, o som é uma forma de energia vibratória que se propaga em meios elásticos, já para um fisiologista interessa a maneira pela qual o som caminha pelas vias auditivas até atingir o cérebro.

No entanto, para Garcia (1998) o som é definido como sendo a sensação percebida pelo cérebro que se relaciona com a chegada ao ouvido de ondas de vibrações mecânicas.

Nesse trabalho vamos caracterizar a natureza da onda sonora, as propriedades do meio de propagação e abordar as grandezas físicas fundamentais como: o conceito de som, onda sonora e os mecanismos da audição dos seres vivos.

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i o f í s i c a

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au d i ç ão

Grande parte das informações que o ser humano recebe é transmitida por ondas sonoras. Elas, normalmente, provêm do ambiente que nos cerca e são originadas em diversas fontes sonoras. O sistema auditivo dos animais permite a captação dessas on-das e o reconhecimento do conteúdo de informação que possuem. Além de participar da audição, o aparelho auditivo humano também está relacionado como equilíbrio do corpo. Os seres vivos captam e emitem sons. Desde insetos até os humanos, o som é um precioso agente de informação e comunicação.

O ouvido humano é especialmente diferenciado para receber sons. Além da capa-cidade mediadora, a Audição permite ainda, sem uso do sentido semântico das pala-vras, a transmissão de mensagens emocionais NOBRE, (2007).

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O termo “Acústica” segundo Dimarogonas (1996) foi usado pela primeira vez no inicio do século XVIII por Joseph Sauveur, um deficiente auditivo, mas foi a partir de Euler que os estudos da Acústica como ciência foram desenvolvidos. Em seu trabalho, desenvolveu a teoria de propagação sonora e aprofundou suas bases na Física e na Matemática. Durante a época, o campo teórico começou a receber uma estrutura física definida, onde as equações de onda abrangem um grande número de explicações, in-clusive o da propagação do som no ar.

Laplace, modificando as equações de onda descritas por Newton, conseguiu obter o valor de 320 m/s para a velocidade do som no ar, porém foi com Lord Rayleigh, estu-dando a sensibilidade dos sistemas auditivos, é que foram consolidadas as bases cien-tificas da acústica. Em um desses estudos observou um deficiente visual que, depois de treinado, era capaz de avaliar não somente o tamanho de um quarto como também andar em lugares acidentados sem dificuldades através dos ecos da sua própria voz ou do som dos seus passos.

Outro célebre pesquisador que também desenvolveu estudos na área da acústi-ca foi Fourier. Seu trabalho sobre acústi-calor resultou no teorema que leva seu nome e foi usado por Ohm para desenvolver problemas de acústica. Posteriormente, Helmoltz fisiologista, anatomista e Físico resolveu um dos problemas descritos por Ohm sobre a analise harmônica que defendia a sensibilidade dos sistemas auditivos somente como as vibrações senoídais1 _{e publicou a teoria de ressonância do ouvido, relacionando com}

a discriminação dos sons na cóclea.

Para Nepomuceno (1994) e Wever (2002) as teorias sobre som proposta nos sé-culos XVIII e XIX eram incompletas, contudo a maior parte dos problemas já foram

1. Senoidais: Denomina-se onda senoidal que resulta de um movimento harmônico simples, proveniente de uma relação que contem uma função de seno.

corrigidos por teóricos modernos como Fletcher e Munson, que publicaram trabalhos sobre as curvas isoaudíveis e que descrevem a sensibilidade do sistema auditivo às di-ferentes frequências sonoras, BèKèsy estudou os mecanismos internos de estimulação física da cóclea e Stevem e Gloring garantiram a continuidade dos estudos validos até nos dias de hoje.

Hoje temos inúmeros aparelhos que emitem sinais sonoros que estão no nosso dia a dia para o nosso conforto, como o ultra-som, usado na medicina, que estabelece técnicas importantes para diagnósticos e para o prognóstico (Nepomuceno, 1968). A detecção de catarata e cálculos renais são também é feita através de ultrassom. Até o estudo do coração e de algumas patologias pode ser feito através de vibrações de altas frequências.

As ultra-sonografias, a Audiometria2_{, a Analise das emissões otoacústica}3 _a

ob-servação dos potencias auditivos evocados e os testes de processamento auditivo cen-tral, são algumas das recém aplicações da Acústica na área médica.

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n d u l at ó r i o s

Para começar nosso estudo sobre a biofísica da audição vamos rever alguns conhe-cimentos da Física. Na natureza existe uma variedade de fenômenos ondulatórios que são captados por nosso órgão sensorial: O ouvido.

As ondas apresentam uma característica comum ao fato de transportar energia pelo espaço sem transportar matéria. Podem ser entendida como uma perturbação, abalo ou distúrbio transmitido através no vácuo ou de um meio material, há uma va-riedades de ondas, como por exemplo: onda do mar, onda em corda, ondas eletromag-néticas e sonoras etc. Estas ondas possuem uma mesma característica a de transmitir energia e não matéria e essas ondas possuir oscilações variáveis que propagam através do espaço (Figura 4).

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Figura 4 – representaçãodapropagaçãodaonda .

Fonte: russo,i.c.p., acústicaepsicoacústicaaplicadaàFonoaudiologia.

2. Audiometria: Mede a acuidade auditiva do individuo e determinam a área de sensibilidade do ouvido humano.

3. Otoacústica: São os procedimentos importantes nos diagnósticos das patologias que afetam as vias auditivas. É o mais novo método para a detecção de alterações auditivas de origem coclear.

As ondas mecânicas são aquelas que se propagam em meios deformáveis ou elás-ticos como o ar. Essas ondas resultam de uma perturbação em uma região do meio e

são transmitidas sucessivamente de um ponto a outro (as partículas do meio vibram somente em volta de sua posição de equilíbrio e se deslocam uniformemente).

Já as ondas eletromagnéticas ou ondas não- mecânicas não precisam do meio para se propagar e são formadas pelas variações do campo elétrico e magnético. Na verdade os campos magnéticos geram campos elétricos, produzindo as vibrações, como a luz, as radiações ultravioletas e os infravermelhos, as características dessas ondas é que elas se propagam no vácuo.

A onda sonora é o resultado de vibrações ou são produzidas por fontes sonoras capazes de produzir perturbações ou variações na densidade do meio ao seu redor e, como consequuência, diminuindo a pressão sonora. Pelo fato de as onda sonoras osci-larem na mesma direção de sua propagação, elas são longitudinais (além disso também são tridimensionais, pois sua propagação é feita em todas as direções), OKUMO e col., (1982). A figura 5 mostra as variações dos comprimentos de ondas sonoras de frequências diferentes, propagando-se no ar e na água em velocidades de propagação constantes. ar = 0,3 metro f = 1,100 água = 1,2 metros = 0,6 metro f = 550 0 0 0,45 0,90 1,35 1,80 0,45 0,90 1,35 1,80 = 2,4 metros

Figura 5 – VariaçãodocomprimentodeondaemdiFerentesmeios.

Fonte: russo,i.c.p., acústicaepsicoacústicaaplicadaàFonoaudiologia.

O movimento ondulatório revela a existência de pontos imóveis em suas posições - denominados nós ou nodos de vibração, onde a amplitude é nula. Entre os nós e com crescente afastamento dos mesmos, encontram-se os ventres de vibrações - onde a amplitude é máxima. Quando o ventre está voltado para cima é chamado de crista e quando pra baixo de vale.

compri-mento de onda (Figura 4).

Muitos corpos podem funcionar como fonte sonora, porém são precisas duas pro-priedades físicas: a massa e a elasticidade. Devido ao fato das estruturas moleculares terem essas propriedades, são capazes de funcionar tanto como fonte de um som quan-to como meio para sua transmissão (SPEAKS, 1992).

Massa é a quantidade de matéria que está presente ou o elemento de um sistema mecânico que representa a matéria que o corpo possui, não confundir com peso, pois este refere-se à força gravitacional de atração exercida pela Terra sobre os corpos. Peso é uma força e massa é a quantidade de matéria presente.

Devido à força de gravidade, as moléculas da atmosfera acumulam-se próximas à superfície da Terra; há, portanto, uma pressão exercida para baixo de modo que as moléculas são comprimidas em um menor volume - o que aumenta a densidade (o con-ceito de densidade é entendido como a quantidade de massa por unidade de volume).

Elasticidade é a propriedade que permite a recuperação da distorção, tanto de for-ma quando do volume, ou seja, a possibilidade que os corpos tem de voltarem à forfor-ma e tamanho originais, uma vez retirada a força que os levou à deformação.

O conceito de elasticidade é interessante para compreensão dos conceitos envol-vidos na acústica. Uma fonte produz ondas sonoras que irradia por todos os lados em forma de esfera, que aumenta à medida que afasta dessa fonte. Então, com o aumento da distância das esferas em relação ao centro da fonte sonora a potência do som4 _irá

diminuir. Dessa forma, a intensidade do som ira ser maior próximo à fonte e menor à medida que o ouvinte se afasta da mesma.

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Denomina-se frequência o número de ciclos que as partículas materiais realizam em 1 segundo. A expressão ciclo por segundo foi substituída por hertz (Hz) em home-nagem ao físico alemão Heinrich Hertz, sendo esta a unidade de frequência usada no sistema internacional de medidas SI.

Já o período é definido como a quantidade de tempo em segundos para as partí-culas materiais completarem 1 ciclo. Frequência e período são reciprocamente relacio-nados.

4. Potência do Som: A Taxa na qual a energia sonora é transferida através do meio é denominado de potência acústica, ou seja, é taxa na qual o trabalho é realizado ou a taxa na qual a energia é transformada ou transferida.

f

T T f

1 _" 1

= =

Podemos dizer que a frequência (f) é o inverso do período (T). Se a frequência é expressa em hertz, o período é medido em segundos.

• f

a i X a d e au d i ç ão

Teoricamente existem ondas sonoras de qualquer frequência, porém o ouvido hu-mano é sensível aos sons na faixa de 20 Hz a 20000 Hz denominada de faixa audível. Ondas sonoras situadas abaixo de 20 Hz são chamadas de infra-som e acima de 20000 Hz de ultra-som.

Abaixo uma tabela com as faixas de audição para alguns animais.

ta B e l a 5 – fa i X a d e au d i ç ão an i m a i s Fr e Q u ê n c i a (hz) Gatos 10 Hz a 60.000 Hz Cães 15 Hz a 50.000 Hz Morcegos 10.000 Hz a 120.000 Hz Golfinhos 10.000 Hz a 240.000 Hz

Como podemos notar na tabela 5, os golfinhos e morcegos são animais que pos-suem uma faixa de audição ampla. Estes animais conseguem ouvir sons na faixa do ultrassom que eles próprios emitem. Através da observação desses animais teve-se a idéiaideia do desenvolvimento do sonar durante a segunda Guerra Mundial, visando a detecção de objetos subaquáticos localizados a grandes profundidades. Como o ul-trassom está na faixa acima da faixa do audível do ser humano, pode ser usado com intensidades pequenas ou altas. Em intensidades baixas o ultra-ssom visa a transmissão de energia ao meio; em intensidades elevadas, visa a produção de alterações no meio (OKUMO e col., 1982).

• q

ua l i da d e da

o

n da

s

o n o r a

As dimensões da onda sonora estão relacionadas às qualidades dessa onda: altura, intensidade e timbre. (embora o timbre seja uma qualidade não do som, mas da fonte que produz o som).

Altura é a qualidade relacionada à frequência da onda sonora que , por sua vez,

permite classificá-la em uma escala que varia do grave ao agudo.

Quanto maior a frequência mais agudo é o som. Quanto menor for a frequência mais grave ele será. É importante notar que os termos alto e baixo referem-se a ondas sonoras de alta e baixa frequência sendo equivalente aos termos agudo e grave e não à intensidade sonora como é empregado erroneamente.

Intensidade é outra qualidade relacionada à amplitude da onda sonora. Quanto

à pressão efetiva e sua energia transportada permite–nos classificá-la dentro de uma escala que varia do fraco ao forte. Dessa forma, quanto maior for à amplitude, a pressão efetiva e a energia transportada pela onda sonora mais forte é o som; quando menor for a amplitude mais fraco será o som.

podemos diferenciar notas musicais emitidas por instrumentos musicais diferentes. Essa característica contribue contribuei para as diversas frequências harmônicas de que se compõe um som chamado de complexo (RUSSO. Col., 1984).

• V

e l o c i da d e d e P r o Pag aç ão d o s o m

As ondas sonoras propagam-se com velocidades diferentes dependendo das carac-terísticas do meio de propagação: enquanto a frequência depende da fonte, a velocidade depende do meio. Dessa forma, a rapidez ou a lentidão da onda sonora depende funda-mentalmente da elasticidade e da densidade do meio.

Por que quando está chovendo vemos primeiro o raio e só depois ouvimos o tro-vão? Essa diferença está na velocidade de propagação:, enquanto a luz viaja a aproxi-madamente 300.000 km/s, a velocidade do som ao nível do mar (à temperatura de 0 °C) é de 331,2 m/s. Por isso, vemos primeiro o raio e só depois de um tempo ouvimos o trovão.

Algo importante é observar que a temperatura influencia na velocidade de pro-pagação do som. Mudança na temperatura do ar afeta essa velocidade de propro-pagação do som, ou seja,, à medida que a temperatura aumenta, a pressão do meio permanece constante, mas os gazes expandem-se e diminui a densidade do meio. Dessa forma, a velocidade de propagação da onda sonora aumenta em aproximadamente 0,61 m/s à medida que a temperatura aumenta.

A velocidade de propagação do som no ar usualmente empregada é aquela obtida a 20°C que equivale a 343,2 m/s ou 340 m/s.

ta B e l a 6 –Pr o Pag aç ão d o so m e m me i o s di f e r e n t e s me io Ve l o c i da de (m/s) Vapor de água 405 Hidrogênio 1.261 Água destilada 1.405 Água do mar 1.461 Cobre 3.560 Aço 4.704 Alumínio 5.105

Temos que analisar não só a densidade do meio, mas também a elasticidade, ou seja, a habilidade de resistir à deformação. O aço certamente oferece maior resistência á à deformação do que a água. De fato, o aço é menos elástico do que o ar e a água, resultando a em uma velocidade de propagação muito maior do que ambos os meios (RUSSO e col., 1984).

• P

r e ss ão

s

o n o r a

No processo de propagação das ondas sonoras dá se o efeito da variação da pressão do ar produzida por uma sonora.

Superfície vibrante Zero relativo Acúmulo Compressão Rarefação Depressão Espaço +p -p

Figura 6 – diagramaesQuemáticodasituaçãoFísicadaspartículasdosom, mostran -doapressãoemcadaponto. (Fonte: russo, 1999. acústicaepsicoacústicaaplicadaa Fonoaudiologia)

A figura 6 ilustra a situação física das partículas de ar durante o processo de pro-pagação do som, mostrando o gráfico indicativo do processo em cada ponto.

Quando uma corda (de violão, por exemplo) está em repouso as partículas de ar próximas encontram-se em repouso, apresentando apenas o movimento desordenado aleatório gerado pela pressão atmosférica. No momento em que a corda é tocada ela inicia um movimento ordenado de vibração acompanhado pelas partículas de ar que a circundam. Esse movimento ordenado se sobrepõe ao anterior (desordenado) e como consequência, a pressão atmosférica5 _{se altera.}

Assim o movimento vibratório gera regiões de depressão (rarefação) e regiões de compressão, criando ondas de pressão, cujo valor é superior ou inferior ao da pressão atmosférica.

5. Pressão Atmosférica: A atmosfera é uma camada de gases e partículas em suspensão presa à Terra pela força da gravidade. Por ter peso ela exerce uma pressão sobre a superfície terrestre. Esta pressão é chamada pressão atmosférica e sua unidade de medida é o hectopascal.

f

i lt r o s

ac ú s t i co s

n

at u r a i s

Na natureza temos vários exemplos de filtros acústicos naturais: as arvores podem filtrar passivamente algumas frequências de um som produzido por um avião que as sobrevoa; semelhantemente, estruturas do corpo humano como os ombros e a cabeça, a orelha externa e a membrana timpânica, são também filtros acústicos naturais, os quais participam da fisiologia da audição, alterando as características físicas dos sons percebidos pelo homem, como afirma Zerlim (2000). Para Pereira & Schochat (1997) a existência de tais estruturas auxilia na proteção auditiva e na compreensão de sons complexos (qualquer onda sonora composta de uma serie de senoides simples que po-dem diferir em amplitude, frequência ou fase). A voz humana e o som produzido por