¿Cuál es la cantidad mínima de luz que puede captar nuestra retina?

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La pregunta la hice yo y la contesto también, para sacar este artículo de Facebook que lo mezcló en forma infame con publicidad de cámaras fotográficas y lentes que yo no recomiendo.

Un solo fotón. ¡Tan solo uno!

El ojo humano es muy sensible, pero ¿puede llegar a ver y percibir un solo fotón?
La respuesta, aunque parezca de ficción especulativa es que sí.

Los sensores en la retina pueden responder a un solo, único, solitario y aventurero fotón. Si no ampliáramos la respuesta, en realidad viviríamos encandilados, aun a medianoche con el cielo cubierto y en el medio de un desierto.

Primero recordemos que los ojos, a diferencia de las otras terminales sensibles, son parte integrante de nuestro cerebro al que están unidos por sendos tallos de fibras nerviosas.

Sin embargo, en este sofisticado sistema existe algo que es la envidia de los CCD y los CMOS: los filtros neurales que sólo permiten que una señal luminosa pase a la parte lobular del cerebro, con la suficiente habilidad para desencadenar una respuesta consciente, cuando al menos se reciben entre ocho y cincuenta y cinco fotones (aproximadamente, ya que varía por individuo y edad), que además lleguen dentro de un período menor a 100 ms.

¿Por qué un instrumento tan fabuloso como nuestro cerebro no tiene la capacidad de “capturar” fotones individuales? Precisamente por eso, porque es el mejor fotorreceptor que existe, ya que si fuéramos capaces de ver conscientemente a los fotones individuales, experimentaríamos demasiado "ruido" visual en muy poca luz, por lo que este filtro es una adaptación necesaria, no una debilidad.

Los CCDs de Canon eran por lejos los más luminosos del mercado. Cuantos más fotositos les agregaban, eran capaces de cambiar la carga con menos cantidad de fotones. ¡Qué error! Lo que se creyó que redundaría en definición terminaron siendo los CCDs más ruidosos del mercado profesional. ¡A ver los shōnen (1) de Canon Seikikōgaku kenkyūsho, Precision Optical Industry Co. Ltd, todos de vuelta al tablero!

Algunas personas afirman que los fotones individuales pueden ser vistos, y para ello citan el hecho de que destellos se pueden ver algunos tenues de materiales radiactivos (por ejemplo). Este es un argumento es un bolazo (mentira absurda en argentino coloquial), porque simplemente los destellos producen un enorme número de fotones de diversas longitudes de onda cuya suma y promedio da una luminosidad verde, como la que imaginaron todos los autores de comics en color y especialmente Joe Shuster cuando imaginó que su criatura Súperman era vulnerable a la kryptonita verde. Los números de los relojes luminosos están coloreados con una pintura que contiene Radio (Ra) y si recuerdan, el color es tenuemente verde. ¿Por qué insisto en el verde?, porque es el color clave, al menos en este universo.

Si un solo fotón fuera suficiente para ser capturado y discriminado por nuestro cerebro, cualquier astrónomos aficionado descubriría estrellas muy lejanas con el ojo desnudo desde la terraza de su casa. Sin embargo están limitados por la luz de fondo del universo (que es verde) antes de que se alcancen los límites verdaderos. Un experimento mucho más cuidadoso debe ser realizado para probar la sensibilidad de un fotocaptor, sea una fotoresistencia de selenio, un CCD, un CMOS o la retina de los seres no artrópodos (luego hablaremos en otro artículo de los ojos compuestos de los artrópodos).

La retina en la parte posterior del ojo humano tiene dos tipos de receptores, conocidas como conos y bastones. Los conos son los responsables de la visión del color, pero son mucho menos sensibles a la poca luz que si pueden captar los bastones. Los conos se activan solamente con una cantidad de luz que variará según la longitud de onda, pero que empieza a funcionar (siempre depende del individuo) a partir de los 15 a 20 lúmenes/watts y se pierde a partir de los 400 lúmenes/watts para arriba. Esto después nos va a ayudar a entender los defectos de los CCDs y los CMOS cuando se “deslumbran” y no tienen una función de “auto-knee” eficiente. (cielos luminosos que aparecen blancos o amarillos, por ejemplo).

Esto se llama la visión fotópica, ¡la vida a todo color! (daltónicos y discromatópsicos como yo abstenerse porque decimos macanas).

Cuando entramos en un cuarto oscuro, los ojos primero se adaptan abriendo el iris (pupila) para permitir que pase más luz disponible. A partir de allí, durante un período de unos 20 a 30 minutos, hay otras adaptaciones químicas que hacen que los bastones incrementen su sensibilidad a la luz en alrededor de 10.000 veces la del nivel que los conos necesitan para poder trabajar. Transcurrido este tiempo veremos mucho mejor en la oscuridad, pero tendremos poca o ninguna visión de los colores, excepto el famoso verde radiactivo de la pintura luminiscente de los relojes, pero que es inactino para la película ortocromática, las radiografías, los CCDs y los CMOS. Esto se conoce como la visión escotópica, es decir que nuestros ojos vuelven a la primera mitad del Siglo 20 y ven todo en blanco y negro.

Ahora les voy a contar un secreto que ni Sony, Red, Blackmagic, Panasonic, Ikegami, Canon, Nikon, Fujifilm, Arri o Panavision suelen contar: TODOS los fotosensores artificiales electrónicos sean CCDs o CMOS son escotópicos. Es decir tan ciegos al color como un murciélago de las cavernas de Transilvania, Drácula incluido.

El principio activo de los bastones es la rodopsina. ¿Rodopsina? ¡Ah! ¡Qué bonito suena! ¿Pero de qué se trata? La rodopsina es una proteína transmembranal que se encuentra en las cintas que forman los bastones de la retina. La cuestión es que consta de una parte proteica, que es la opsina, y otra no proteica que es un derivado de la vitamina A que es el 11-cis-retinal.

Se trata de una molécula inestable y que se altera fácilmente con la energía lumínica, se decolora y descompone por exposición a la luz y se regenera en la oscuridad. Por eso es conveniente comer frutas y verduras rojas, ricas en vitamina A, y también por eso requerimos dormir a oscuras: se desfragmenta el disco rígido de nuestro cerebro y se regenera el 11-cis-retinal. La vitamina A aldehído también juega un papel esencial como un pigmento que absorbe la luz no solo en los bastones sino también en nuestra piel. Un síntoma de deficiencia de vitamina A es la ceguera nocturna debido al fracaso de la visión escotópica. A los CCDs y CMOS, no sufren la deficiencia de la vitamina A porque son absolutamente ciegos al color como ya dijimos.

Nuestro famoso fotón solitario, que tardó 170.000 años en salir desde el núcleo a la corona solar, y de allí apenas 8 minutos en llegar de la corona solar a nuestra retina, puede ser absorbido por una sola molécula de 11-cis-retinal que cambiará de forma y químicamente desencadenará una señal electroquímica, que se transmite al nervio óptico, si pasa los filtros neuronales, y funcionan como un fotosito de un CMOS que envía una señal muy débil al CODEC que es aceptada o rechazada como ruido.

Es posible poner a prueba nuestra sensibilidad visual mediante el uso de una fuente de luz muy baja de nivel en un cuarto oscuro. El experimento se llevó a cabo con éxito por primera Hecht, Schlaer y Pirenne en 1942. Llegaron a la conclusión de que las barras pueden responder a un solo fotón durante la visión escotópica.

En el experimento, los sujetos humanos que tuvieron 30 minutos previos para acostumbrarse a la oscuridad. Colocaron una fuente de luz controlada 20° a la izquierda del punto en el que los ojos del sujeto se fijaron, para que el fotón solitario impactara en la región de la retina con la mayor concentración de bastones y esquivara la fóvea.

La fuente de luz era un disco que subtendido (2) con un ángulo de 10’ de arco y que permitía emitir un destello débil de 1 milisegundo para evitar demasiada propagación de la luz espacial o temporalmente. La longitud de onda utilizada fue unos 510 nm (¡Ufa! luz verde de nuevo). Se pidió a los sujetos a responder "sí" o "no" para que dijera si pensaban que habían visto un destello o no. La luz se redujo gradualmente en intensidad hasta que los sujetos sólo podían adivinar la respuesta. Convengamos que para que en 1942, mediante un sistema mecánico pudieran suponer que habían emitía nuestro heroico fotón solitario, requiere de mucha buena voluntad.

Calculando vaya a saber cómo (el “paper” no lo explica) ellos encontraron que entrar en el ojo alrededor de 90 fotones para tener una tasa de positiva del 60% en la respuesta. Lo que sí explican es que sólo aproximadamente del 100% de los fotones que llegan al cristalino en realidad llegan a la retina alrededor del 10%, por lo tanto esto significaba que se requieren 8 o 9 fotones, mínimo, impactando en los bastones para que llegue una señal efectiva al cerebro. Dado que los fotones emitidos, mediante el disco subtendido, habrían sido distribuidos en aproximadamente 350 bastones, los experimentadores concluyeron estadísticamente que los bastones SÍ deberían estar respondiendo a los fotones individuales, incluso si los sujetos no fueran capaces de ver dichos fotones cuando llegaron con muy poca frecuencia temporal.

Posteriormente, en 1979, unos tales Baylor, Cordero y Yau le colocaron electrodos en los mazos nerviosos de los ojos de un sapo (bicho eminentemente nocturno) y comprobaron que los bastones de estos anuros respondían efectivamente a fotones individuales.

Fuentes:

Julie Schnapf, "Cómo fotorreceptores responden a la luz", Scientific American, 04 1987
S. Hecht, S. Schlaer y MH Pirenne, "Energía, Quanta y visión." Revista de la Sociedad Americana de Óptica, 38, 196-208 (1942)
DA Baylor, TD Cordero, KW Yau, "Respuesta de bastones de la retina a fotones individuales." Journal of Physiology, Lond. 288, 613-634 (1979)
http://personales.unican.es/…/…/Vision%20Luz%20y%20Color.pdf
http://ens.ewi.tudelft.nl/…/cou…/et4248/Papers/Niclass08.pdf
Notas al pie:
(1) Shōnen: muchachos en japonés.
(2) Unir un arco de curva con una línea recta los extremos o una línea quebrada. El obturador de una cámara es un arco subtendido.