[PDF] Fisiología del sistema visual de la vinchuca Triatoma infestans : un

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UniversidaddeBuenos Aires

FacultaddeCiencias ExactasyNaturales li.'st 14"o¡\vr \

Fisiologíadelsistema visualdela

vinchucaTriatomainfestans: un enfoquecomportamental

Autora:Lic.Carolina E.Reisenman

Director:Dr.Claudio R.Lazzari

LaboratoriodeFisiologíadeInsectos

DepartamentodeCiencias Biológicas

Tesisparaoptar altítulode DoctorenCiencias Biológicas

Año2000

CarolinaE.Reisenman 2

FisiologíadelSistema Visualdela vinchucaTriatomainfestans: unenfoquecomportamental

TesisDoctoralde CarolinaE.Reisenman

DirigidaporClaudio R.Lazzari

RESUMEN

Seestudiaronalgunas propiedadesdelsistema visualdela vinchucaTn"atoma¡nfestans.Lacuantificación delarespuesta fototácticanegativade esteinsectopermitió:1)establecer elumbralde sensibilidaddela respuestaaIa luzblanca(<0.009 pW/cmz);2)demostrarqueestarespuesta muestraunavariación diaria,siendomucho mayordurantela nochequedurante eldía;3) demostrarquedicho ritmoesde naturalezaendógena,es decir,independientede losciclosluz-oscuridad; 4)demostrarlacapacidadde losocelospara mediarporsi mismoslarespuesta fototáctica;5)estudiarlasensibilidad espectraldelos ojoscompuestosde T.¡nfestans.la quefueestablecidaentre357 nm(ultravioleta)y 665nm(rojo lejano);6)estudiar ladependenciadeesta respuestaconIa edadylas mutaciones.Porotra parte.mediantetécnicasdemorfología funcionalseestudió laestructurade lasomatidiasy susvariacionessegúnel estadodeadaptación yelmomento deldía.Estas variacionesincluyenmovimientosde pigmentopantallay cambiosenla distanciafocal,que permitenalojo adaptarsealas condicionesdeluz delambiente.Estos cambiosestánbajocontrolde unosciladorendógeno. Seestudió,además, Iainteracciónentre clavesolfativas(presentesen lashecesde esteinsecto)y visualesenel comportamientodeagregacióndeT. ¡nfestans.Losresultados muestranqueexiste unacompetenciay/o jerarquíaentrelas señalesdedistinta modalidad.dependientede Iacomposiciónespectraldelestímqu visual.Finalmente.se midieronlascondiciones luminosas(intensidadycomposición espectraldela luz)enun ambientenatural,las quefueronrelacionadasconlos resultadospresentadosen estetrabajode Tesis.

Palabrasclaves

Triatoma¡nfestans.visión, fototaxis,agregación,ojo compuesto,ocelo,Enfermedad deChagas

CarolinaE.Reisenman 3

Physiologyofthe VisualSystemofthehaematophagousbug

Triatomainfestans:abehavioralapproach

DissertationbyCarolina E.ReisenmanSupervisedbyClaudio R.Lazzari

ABSTRACT

Someaspectsof thevisualsystem ofthehaematophagous bugTn"atomainfestanswerestudied. Thequantitativeanalysis ofthephotonegative responseofthis insectallowed:1) toestablishthe thresholdforphototactic sensitivitytowhite light(<0.009uW/cmz);2) todemonstratethatthisresponsechanges onadaily basis,beingmoreintenseduring thenightthan duringdayhours; 3)todemonstrate thatthisrhythm isunderendogenous control;4)to demonstratethatocelli canmediatethe phototacticresponsebythemselves; 5)tostudythespectralsensitivity ofthecompound eye,beingT.infestanssensitive toawavelength rangebetween357 (ultraviolet)and665 nm(farred);6)to studytheeffects ofageand mutationsinthis response.Besides,the morphologicalanalysisallowed tostudythe structureofthe ommatidiaofthe compoundeyeandits variationsaccordingto thestateof adaptationandthe daytime.Thesevariationsincludechanges inthedistribution ofscreeningpigments andinthe focallength,whichallow theeyeto adapttothe environmentallightconditions. Thesechangesshowedto beunderendogenous control.Inaddition, theinteractionbetween visualandolfactory cuesinthe assemblingbehaviorof T.infestanswas studied.Resultsshowedthat thereisa hierarchybetweensensory modalities,whichdepends onthespectralcomposition ofthevisual stimuli.Finally,the lightconditions(intensity andspectralcomposition)in anaturalenvironment weremeasured,and relatedwiththe resultspresentedhere.

Keywords

Triatomainfestans,vision, phototaxis,aggregation,compound eye,ocelli,Chagas Disease.

Agradecimientos

Quieroagradecera miMaestro,Claudio R.Lazzari,no solamenteporhaber sidomiDirectory habermeintroducidoy guiadoeneste fascinanteestudiodel Comportamiento,sinopor suestímquconstante, susenseñanzas,sus consejos,amistad,yafecto permanente(ypor habermebancado!!).

Quieroagradecerespecialmente aMartinGiurfa, cuyaparticipaciónactiva eneldiseñoydiscusión delosexperimentos presentadosenlos capítulos3,4y 9fuefundamentalparala realizacióndeeste trabajodeTesis. Quieroagradecerleademás porsusvaliosas críticasysugerencias, yporsu estímquamejorar siempre.

ATeresitalnsausti, porsusenseñanzas yparticipaciónen losexperimentosde morfologíafuncional. AAliciaLorenzo Figueiras,porsu participaciónenlos experimentosdeagregación. AGabrielManrique, porhaberleído ycorregidoesta Tesis.

AIDr.R.Menzel,porsu generosopréstamo("donación") dematerialóptico quepermitióIarealizacióndevariosdelosexperimentospresentados enestaTesis.

ARobertBrandt, porsuayuda conalgunoscálculos.

AVeroIvanov,porsusenseñanzas dephotoshop.

AIDr.JosuéNúñez,portransmitirme ideasypor lascharlascompartidas alláyacá.

ATimPires, delCentrode PesquisasRenéRachou, Brasil,porfacilitarme lasvinchucasmutantesde ojosrojos.

Atodosmis compañerosdeLaboratorio, losqueestán aquíyen todaspartes:Clau,Gabo,el Negro,Ali,Tere, Pablo,Sebas,Romina, YuIi,Juan,Vero, laFlores,quieneshanhecho deestosaños unodelos períodosmáslindos demivida. También

quieroagradecera los"Sociales"(Roxy, Walter,Pato,Ale, Katraska,Luciano),y alas"chicas"(AliciaGil, VeroyMaría Inés).

Amifamilia "sanguínea",Euge,Dani, LiliyMarquitos, porsuafecto yapoyoconstante,yporque losquieromucho!

Amifamilia "adquirida"Fito,Marta yVivi,por todaIabuena onda,elcariño yapoyo.

Amisamigos delalma,Pao, Magu,Vale,Diego, Guada,Dani,Marcelo, Eugenio,Julito,Tulia,por sermisamigos intrañables,conquienes compartomomentosespectaculares.

Atodaslas institucionesquemediante suapoyofinanciero hicieronposibleIa realizacióndeeste trabajo:IaUniversidad deBuenosAires, elCONICET,la FundaciónOSDIC,UNDPNVorldBank/TDR.

AlaDAAD, porhabermeproporcionado unabecaquemepermitiórealizar unaestadíadeinvestigación enellnstitüt fürNeurobiologie,Berlin, estadíaqueresultó sumamenteformativapor surelacióncon Iatemáticade estetrabajode Tesis.

Alasgallinas yvacasque alimentaronlasvinchucas.

Atodoslosquemeolvidé demencionar(Perdón!!)

Yespecialmente,aFacu,portodo...

Quierodedicarestetrabajoalas siguientespersonas:

AFacu,porsuamor

AEugeyDani,porestar siempre

APao,porsermiamiga

"Iflifeisnotmadeofspecialstuff,then itsuniquenessmust lieinthe pattemof¡ts structuralorganizationor molecularorder.The secretisin thesystemandnotin thematen"als"

KennethRoeder

"Atnightlexperiencedanattack(foritdeserves nolessa name)ofthe Benchuca,aspeciesofReduvius, thegreatblackbugofthe Pampas.ltis mostdisgustingto feelsoftwing/ess¡nsects aboutaninche long,crawlingover one"sbody.Before suckingtheyarequite thin,butafterwards theybecomeround andbloatedwith blood,andin thisstateare easilycrushed.One whichlcaught atiquique,(for theyarefound inChileandPeru,)wasvery empty.Whenplacedonatable, andthoughsurrounded bypeople,ifafingerwas presented,theboldinsectwouldimmediately protrude¡tssucker,makea charge,andif allowed,drawblood. Nopainwas causedbythe wound.ltwas curioustowatch itsbodydun"ng theactof sucking,asin lessthanten minutesitchanged frombeingasflatasa watertoaglobularform.This onefeast,forwhichthe benchucawasindebtedtooneof theofficers,kept itfatdun"ng fourwholemonths;but, afterthefirst fomight,itwas quitereadyto haveanothersuck. "

ChanesDarwin- ThevoyageoftheBeagle

INDICE

CAPÍTULO1:INTRODUCCIÓN 13IntroducciónGeneral13

Introducciónalcomportamiento delostriatominos 14Ambientesocupadospor losinsectostriatominos 15Comportamientodeagregación yselecciónde refugios................................ 16Organizacióntemporaldel comportamiento.17Respuestasaestímulos visuales20¿Porquéestudiar elsistemavisual deTn"atomainfestans? ...............................21 Objetivosdeltrabajo 22

CAPÍTULO2:LOS ÓRGANOSFOTORRECEPTORESY LAVISIÓNEN LOSINSECTOSY OTROS

ARTRÓPODOS23Introducción23

Ojoscompuestos24 Distribución24Estructuradela-""24

Ojosdeaposición ydesuperposición 27Lacomparación:¿ojossimplesócompuestos? 39Transduccióndela señalluminosa40

Adaptacióndelsistema visual41Sensibilidadespectraly visióndecolores 42Otrasfuncionesdel sistemavisual46

Losojossimples delosinsectos 46Orplos46m'47

Receptoresextraoculares49 Losórganosfotorreceptores delostriatominos 49Ojoscompuestos49

Ocelos50

CarolinaE.Reisenman 9

CAPÍTULO3:CARACTERIZACION YCUANTIFICACIÓNDE LARESPUESTAFOTONEGATIVA.

54Introducción54

Materialesymétodos 55Animales55

Diseñoexperimental55 Procedimiento58Estímulos58

CaracterizacióndeIa respuestafototáctica60 Sensibilidadfóticay variacióndiariade larespuestafototáctica .....................62 Análisisestadístico62 Panel¡unan54

CaracterizacióndeIa respuestafototáctica64 Sensibilidadfóticay variacióndiariade larespuestafototáctica .....................69 Discusión75

ElcomportamientofotonegativodeT.infestans 75Umbralesdesensibilidad 76 CAPÍTULO4:BASES CRONOBIOLÓGICASDELCONTROL TEMPORALDELA SENSIBILIDAD Materialesymótndnc 78Rpei¡Itndnc80Discusión85 CAPÍTULO5:CONTROL TEMPORALDELA ESTRUCTURADELA OMATIDIADET. INFESTANS

87Introducción87Célulasdelcono cristalino87

Célulaspigmentarias88 Célulasretinularesy rabdomas91Membranasbasalesy axones92Materialesymétodos 92Procedimiento92

Preparacioneshistológicas93

CarolinaE.Reisenman lO

Ram¡It"san95

Descripcióngeneralde laomatidiade T.¡nfestans96 Cambiosenla estructuraomatidialbajo ciclosLD102 CambiosenIa estructuraomatidialbajo condicionesconstantes.................105Efectodela intensidaddeluz 111Discusión114

Laomatidiade T.infestansy losfenómenosde adaptaciónvisual...............114Cambiosenla estructuraomatidialbajo condicionesconstantes............... ..117Laalteracióndel ritmoenLL 119

Elreloj119

CAPITULO6:EL PAPELDELOS OCELOSENEL COMPORTAMIENTOFOTOTÁCTICO Materialesymétodos 123Rpcl¡Ihr-Inc124 Discusión126 CAPITULO7:SENSIBILIDAD ESPECTRALDELA RESPUESTAFOTOTÁCTICADE T.

INFESTANS128Introducción128

Materialesymetodos 129Metodologíayprocedimiento 129Experimentos129Estímulos130Análisisestadístico131 Rae.¡Itndne132

Seriescontroly luzblanca132 Seriesespectrales134 Discusión142

CAPÍTULO8:VARIABILIDAD DELARESPUESTA FOTOTÁCTICA:EFECTODE LAEDADY LASMUTACIONES145Introducción145

Materialesymétodos 146

CarolinaE.Reisenman ll

EfectodeIa edad146Efectodelas mutaciones147Análisisestadístico147 Análisismorfológico147 Rae.ilfnrlne148 Efectodela edad148Efectodelas mutaciones153 Análisismorfológico158 Discusión160Efectodela edad160Efectodelas mutaciones161 CAPÍTULO9:CLAVES VISUALESYOLFATIVAS ENELCOMPORTAMIENTO DEAGREGACIÓN

DET.INFESTANS 163Introducción163

Materialesymétodos 165Animales165Procedimiento165Estímquolfativo168 Estímulosvisuales168 Experimentos171Análisisestadístico172 pm.¡Ihan173

Comportamientodeagregación frenteaestímulos olfativos........................ 173Comportamientodeagregaciónaestímulosespectrales enausenciao presenciadeclaves olfativas175

Respuestadeagregación alaestimulación combinadadeclaves visualesy nlfafivne177Discusión184

RespuestadeT. infestansaclaves visuales185RespuestadeT. infestansala estimulacióncombinadadeclavesvisualesy nlfnfiune1

Significadoecológico188

Cam/¡naE.Reisenman 12

CAPÍTULO10:CONDICIONESLUMINOSASENUN AMBIENTENATURAL........................189Introducción189

MaterialesyMefndns 189ResultadosyDiscusión 190

CAPÍTULO11:CONCLUSIONES GENERALES195

Respuestafototácticanegativa deT.¡nfestans 195 Laestructurade laomatidiade T.¡nfestansy laorganizacióntemporal delsistemavisual196 Convergenciamultimodalen T.infestans:interacción entreelsistema visualyelolfativo197

CAPÍTULO12:BIBLIOGRAFÍA 199

CAPÍTULO1:INTRODUCCIÓN

IntroducciónGeneral

Enunentorno sujetoamúltiples cambiosfísicosy químicos,laadquisición deinformacióndelmedioambienteesvital paralasupervivencia delosorganismos. Lainformaciónesadquirida pormediode órganossensorialesespecializados, quelaobtienendemanera selectivadelambiente. Segúnlateoría deIainformación elaboradaindependientementepor Wiener(1948,citado porDusenbery)y ShannonyWeaver(1949, citadoporDusenbery), Iatransmisiónde informaciónimplicala "pérdidadeincertidumbre". Estateoría,que hasidotradicionalmente aplicadaalcampodelas comunicaciones,distinguelos componentesfuncionalesque participanenlatransmisión deinformación(Schmidt 1978).Deacuerdo aestateoría, latransmisióndeinformación eslainteracción entreunafuenteoemisoryun receptor.Entreellosexiste uncanalde transmisiónqueinvolucra unmovimientode energíaomaterialdesdeIa fuentealreceptor. Enelcampo deIaBiologia elreceptores unorganismo.lafuente espartedel ambiente(circunstancialmenteotro organismodelamismau otraespecie)y elcanalincluye alestímulode cualquiermoda/¡dad(e.g., visual,olfativo,mecánico), juntoconlos factoresambientalesque Ioafectan.Más precisamente,sedenomina estímuloaun patrónespecíficode actividaddentrodel canaldetransmisión, queadquiereun significadoporestar asociadoconalgún estadodelambiente queesrelevante paraelreceptor (Dusenbery1992).De estemodolossistemas sensorialesdetectansolamente aquelloseventosque sonrelevantesparala supervivenciadelos organismos(Schmidt1978, Dusenbery1992).ElpresenteTrabajo deTesisse centraenel análisisdela adquisición,procesamientoyutilización deinformaciónvisual enIavinchuca Tn"atomainfestans.Enparticular,hemos seleccionado,amodo deparadigmaexperimental, unarespuestabienconocida aunquenuncaanalizada endetallede estosinsectos,esto es,supreferencia porpermaneceren sitiososcuros.Lametodologíaque seemplearáen estaTesises laclásicade IaFisiologíadelComportamiento,la cualconsisteen analizarlasrelaciones funcionalesentrelos elementoscomponentesdel sistemaquemedia entreunaentrada sensorialyuna salidadecomportamiento (vonHolst1953). Estametodologíaconsidera alanimalcomounsistema constituidopor"cajas negras",cuyafunción yconexionesdeben

deducirsedelanálisis delasrelaciones entrada-salida.Enun extremodeeste

sistemadecajas negrasencontramosentonces lasentradaso estímulos,queconstituyencambiosen elestadofísico y/oquímicodel ambiente(olores,vibraciones,temperatura)o enelestado delpropioorganismo (edad,madurezsexual).Estoscambios sondetectadospor receptoressensorialesespecializados quetraducenla informaciónaun mensajedeimpulsos nerviosos.Dichomensajeesprocesadoenel sistemanerviosocentral, dandolugarcomo salidaauna respuestadecomportamiento.La experimentaciónenFisiología delComportamientose llevaacabobajo condicionesdelaboratorio controladas,afin deasegurarque loscambiosenla salidadecomportamiento seancausaestricta delasmodificaciones introducidasporel experimentador(Roeder1963). Noobstante,las preguntasylos objetivosdebenser siempreplanteadosteniendo encuentael papeldeun dadocomportamientoencondiciones naturales,yel valoradaptativoque elmismotiene paralasupervivencia delosorganismos. Naturalmente,esteenfoque clásicosecomplementa,segúncorresponda, conotrastécnicas fisiológicasyel análisismorfológico.

Introducciónalcomportamiento delostriatominos

Laenfermedadde Chagasconstituyeuno delosproblemas sanitariosmásgravesenLatinoamérica: lasestimacionesactuales delaOrganización Mundialdela Saludindicanque entre16y 18millonesde personasestáninfectadas y90millones estánenriesgo deadquirirla infección(WHO1997). Ennuestropaís laEnfermedaddeChagases laprincipalendemia yaproximadamenteel 10%dela poblaciónestáinfectada.Estaenfermedad esunaparasitosis producidaporel protozoarioTrypanosomacruzi,que estransmitidoal hombreporinsectos triatominos,lamayoríadehábitos nocturnos,yque sonhematófagosobligados. Elprincipalvector delaenfermedad enSudaméricay ennuestropaís eslavinchuca Tn"atoma¡nfestans(Hemiptera:Reduviidae). Dadoquehasta elmomentono existeunaquimioterapiaidealni vacunacontraT. cruzi,elcontrol delaenfermedad dependeprincipalmentedela eliminacióntempranade losinsectosde lasviviendas(WHO 1997).Enla actualidadlasherramientas dedetecciónde vinchucasenel camposebasanenla inspecciónmanual,o enlautilización dedispositivos(sensores) queofrecenrefugioa losinsectos(Schofield 1994;Gürtleret al.1999).En esteúltimocaso,losinsectos encuentranlossensores porazar,los quetienenalguna

característica(e.g.,superficies decontacto)que hacequelas vinchucaspermanezcanensu interior.Así,estos dispositivosestándiseñados paradetectarsignosdeIa presenciadevinchucas (e.g.,insectos,huevos,excrementos,exhuvias),peronopara capturarlos.Unavez quelosinsectos sondetectados,se procedeala fumigaciondelas viviendas,porlo queesde particularimportanciacontar condispositivosdedetección, atraccióny/ocaptura dealtasensibilidad. Laimportanciadel estudiodediversos aspectosdela fisiologíasensorialde lasvinchucasradica porunlado, enlainformación queestosestudios puedenaportaraldesarrollo denuevasherramientas decontrolde lasvinchucasa travésdeIamanipulaciónde sucomportamiento(e.g., Guerensteinetal. 1995,Lorenzoet al.1998).Porotro lado,diversascaracterísticas delgrupo,tales comoeltipo deojo,el altogradode desarrollodelos ocelos,etc.,hacen delostriatominos modelosexperimentalesatractivospara elestudiode diversostemasde interésbásico.No olvidemosquegranpartedelconocimiento quehoytenemos acercadela regulacióndeprocesosvitales paralosinsectos, talescomola metamorfosis,muda,reproducción,regulaciónde laexcreción,y controldelas propiedadesmecánicasde lacutícula,fue obtenidomediantelas investigacionesrealizadasutilizando comomodeloexperimentala lavinchucaRhodnius prolixus.Elcomportamientode lostriatominosha sidoobjetode variasrevisiones(Schofield1979,Núñez 1987).Recientementese hanrevisadoaspectos relativosalaintegraciónnerviosa (Lazzarietal. 1999),laecología sensorial(Lorenzoet al.19993),laorientación (Lorenzoetal. 1999b)yla comunicación(LorenzoFigueiras etal.1999)de estosinsectos.A continuaciónpresentaremosde manerasintéticaalgunosaspectosdel comportamientodeestos insectosqueconsideramos relevantesenel marcodelpresente trabajoyque ayudaránallector ateneruna mejorcomprensióndel restodela Tesis.

Seconocenmás de120especies deinsectostriatominos enelNuevo Mundo,yse calculaquepor Iomenosla mitaddeellas sonvectorespotenciales delaenfermedadde Chagas.Lamayoría delasespecies ocupanambientessilvestres yalgunasde ellaspuedenocasionalmente invadirlasviviendas humanas,contribuyendoala transmisióndeT. cruzi(Schofield1994, Carcavalloetal. 1998a).Dadoquetodos losestadiosde estosinsectosson hematófagosobligados,se los

CarolinaE.Reisenman 16

encuentraenasociación estrechaconsus hospedadoresvertebrados(Schofield 1979,1994).Así, lasespeciessilvestres seencuentranfrecuentemente ennidosy/o refugiosdeanimales talescomomarsupiales, roedores.murciélagosy aves(Carcavalloetal. 1998a).Sinembargo, lasespeciesde mayorimportanciaepidemiológicasonaquellas quecolonizanfácilmente lasviviendashumanas osusambientesrelacionados.Debido aestarazón yasu ampliadistribucióngeográfica (Carcavalloetal. 1999),Tn"atomainfestans esunode losvectoresmás importantesenSudamérica,y elprincipalen nuestropais.Otras especiesdomiciliadasde importanciasanitariason Rhodniuspro/ixus.T. dimidiatayPanstrongy/us megistus(Salvatellaetal. 1998).

Comportamientodeagregaciónyselecciónde refugios

Losinsectostriatominos despliegansumayor actividaddurantela noche.Duranteeldia permaneceninactivos(akinesis). agregadosenlugares oscurosyprotegidosqueles permitenpermanecera resguardodepredadores potenciales(hombre,aves,arañas, hormigas).Elcomportamiento deagregaciónde lasvinchucasseencuentra principalmentedeterminadopor lapreferenciade estosinsectosapermanecer enestrechocontacto conelsustrato yconconespecíficos (tigmotaxis).yporseñalesquímicas.Se hademostradoque T.¡nfestanses atraídaporsustanciasvolátiles presentesensus propiashecessecas medianteunmecanismodeanemotaxis (i.e..seguimientode señalesquímicaspresentes encorrientesdeaire) (LorenzoFigueiraset al.1994).Por otraparte,estos insectoseliminansusheces enlosaccesos alosrefugios medianteuncomportamiento altamenteestereotipado.Debido aestadistribución particulardeexcrementos. yalpapeldelos mismoscomoseñal deagregación.se hasugeridoque lashecesactuaríancomouna clavedeorientación delasvinchucas hacialosrefugios (LorenzoyLazzari 1996).Estosautores demostraron,además,que losrefugiosasociadosapapeles impregnadosconheces soncapacesde reclutaractivamenteinsectoshaciasu interior.Porotra parte,lapresencia deunaseñal deagregaciónenlasheces hasidodemostrada envariasespecies detriatominos,así comotambiénlaocurrencia derespuestasinter-especificas (SchofieldyPatterson 1977.CruzLópezet al.1993,Lorenzo FigueirasyLazzari 1998a).Porotraparte, sehademostrado Iaexistenciade unfactorde agregaciónenT.infestans,presente enlacutícula. Estaseñales dejadaporlos insectosal

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caminarsobreun sustrato,porlo queactuaríacomo una"huellaquímica". Esta"huella"estimularíareceptoresdecontacto,arrestando alosinsectos quecontactanlassuperficiesmarcadas (LorenzoFigueirasy Lazzari1998b).De estemodo,la orientaciónalos refugiosenT. ¡nfestansinvolucrapor lomenosdos señales:unaolfativaqueactúaadistanciay queserviríapara localizarlaentrada alosrefugios, yunaseñalquímica decontactoque arrestaríaalos insectosdentrode losmismos.Además,lapermanencia delasvinchucas dentrodelos refugiosobedecetambién alaconocidapreferencia deestosinsectos porsitiososcuros (escototaxis)(Wiesinger1956).Ademásdelpapel delasseñales químicasenla orientaciónhaciarefugios yenIainducción ymantenimientode laagregación,se hademostradoque otrosfactores,comola cercaníaalhospedador, latemperaturay lahumedadrelativa condicionanlaselección derefugiosen T.¡nfestans(Lorenzo yLazzari1999). Estasdosúltimasclaves sonademásutilizadas porlasvinchucas paraseleccionarsitios dondepermanecer,oviponer yeclosionar(Lazzari 1991a,Rocay Lazzari1994).

Organizacióntemporaldel comportamiento.

Sibienlas vinchucassoninsectos dehábitosnocturnos, muchasdesus actividadesyprocesos sepresentanen ventanastemporalesdiscretas. Ladispersión(LorenzoFigueiras etal.1994), lainiciacióndel vuelo(McEweny Lehane1993),lasalida derefugiosy labúsquedade alimento(Lorenzoy Lazzari1996),la oviposición(Constantinou1984b, AmplefordyDavey 1989),lapreferencia poraltastemperaturas(Lazzari1991b) ylaatracción aluzbeta (Bertram1971)tienen lugaralanochecer.Encontraste, laagregación,la búsquedaderefugios, laeclosióndel huevo,laecdisis ylapreferencia porbajastemperaturas ocurrenpocoantes delamanecer.Laactividad locomotora,porsu parte,sigueun patrónbimodalque presentaunpico enelcrepúsculo yotroal amanecer(Lazzari1992). Laventajaadaptativa deesteajuste deactividadesen ventanastemporalesdiscretasesmuy claraenalgunas actividades.Porejemplo, labúsquedade alimentoocurrecuando algunosdesus huéspedes,quea suvezson potencialespredadores,estándormidos. Lanaturalezay controldevarios delosprocesos mencionadosenlos párrafosprecedenteshan sidoestudiadoscon unenfoquecronobiológico. Previoarealizarunasomera descripcióndelos mismos,serevisarán algunosconceptosy

Caro/¡naE.Reisenman 18

términoscronobiológicos,dado quelosmismos serándeutilidad paraIacomprensióndealgunos aspectosdeesta Tesis.

Relojescircadianos:bases yterminología

Seaplicael términoderitmo biológicoatoda oscilación,regularen eltiempo,deunavariable biológica(Saunders1982). Losritmosdiarios sonaquellosque sepresentanconun períodode24 hs.Elciclo ambientaldeluz-oscuridad (LD,porlight-darkness)esuno delosdadores detiempo,sincronizadores. oZeitgebermás importantedelos ritmosdiarios(Pittendrigh 1981a,Aschoff1989). Existenritmosbiológicosconperíodos distintosde24 hs.,sincronizadospor otrasvariablescíclicas ambientalestalescomo losciclosde mareaoestacionales. Entodoslos casos,Iasincronizaciónconel ambientetieneun granvaloradaptatívo yaquepermite alosanimalesanticipareventos futurosyorganizar susactividadesen eltiempo(Pittendrigh1981b,Page 1985,Aschoff1989). Losmecanismosque controlanlosritmos biológicospuedenser exógenos(unarespuestadirecta aloscambios ambientales)oendógenos (controladosporun osciladorautosostenido).La mayoríadelos ritmosdiariosde actividadsoncontroladosporun osciladorendógeno,pero soncontinuamentemodulados porlosefectosdirectosde losciclosambientales deluzy/o temperatura.Parademostrar lanaturalezaendógenade unritmose debeverificarsu persistenciaenausencia delZeitgeber.Supongamosel casodeun ritmocontroladopor elcicloLD. Parademostrarlanaturaleza endógenadelritmo setransfiereal organismodeesta condicióndesincronización acondicionesconstantes deluz(LL) uoscuridad(DD). Simultáneamente,semantiene constantetodaotra variableambiental(i.e., temperatura,humedad,etc.). Bajoestascondiciones, tambiénconocidascomo condicionesdelibre cursoo"free-running", unritmodiario queestácontrolado porunosciladorendógeno semantendráy expresaráconun períodoligerapero significativamentedistintode 24hs(período delibrecurso T)(Saunders1982, Page1985).Espor esoqueestos ritmossonllamados circadianos(delgriego, circa=cerca,diano=día).Si encondicionesconstantes Iavariableen cuestiónsevuelvearrítmica,diremos quesetrata deunritmo diario,denaturaleza exógena.Esimportantedestacaresta distinciónentreritmos dían"osyritmos circadianos,dadoquemuchasveces estostérminosse encuentranusadosindistintamente enlaliteratura.Porejemplo, unerrorfrecuente esladenominación decircadianoa un

CarolinaE.Reisenman 19

ritmodían"ocuyanaturalezaendógenasesupone,perono hasidopuesta apruebaexperimentalmente.Enresumen, losritmoscircadianos presentantrescaracterísticasprincipales:

opersistenen ausenciadeclaves temporalesexternas(i.e., ciclosdeluz? oscuridad,detemperatura, etc.)oendichas condicionesexhibenun períodocercanoa, perousualmentedistintode24 hs.

osoncompensados paraloscambios detemperatura(i.e., Q1.)a:1). Otrasdefinicionesy términosqueresultarán útilessonlos siguientes(Marquesetal. 1997): oFotofase/ escotofase:fasede luzuoscuridad, respectivamente,deun cicloLD.

oDía/ nochesubjetivo:en situacióndeconstancia ambiental,dícesede Iafaseenla queelsistema biológicosecomporta comosifuese lafasede luz(día)u oscuridad(noche),respectivamente, delciclodía/noche ambiental.

oEntrenamientoo sincronización:acoplamientode unritmoendogéno conuncicloambiental demodotal queelritmo seexpresacon elperíododel Zeitgeber.Enel casodelos ritmoscircadianosel ritmoesde exactamente24hs.

Relojescircadianosen triatominos

Sehademostrado quelosritmos diariosdelocomoción espontánea(Wiesinger1956;Nuñez 1982;Constantinou1984a; Settembrini1984;Lazzari 1992),oviposición(Constantinou1984b, AmplefordyDavey 1989),eclosióndel huevo(Lazzari1991a;Schilman 1998),ecdisis(Ampleford ySteel1982; Ampleford1985),y terrnopreferencia(Minoli1999) estánbajocontrolendógenoendiversas especiesdeinsectostriatominos,y usanalciclo LDcomoZeitgeber. Elritmodiario deactividadde T.¡nfestanstiene doscomponentesprincipales,quese presentanunoen lasegundahora delaescotofase yelotro alprincipiodela fotofase,loscuales hansidorelacionados conIabúsqueda de

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hospedadoryde refugio,respectivamente(Lazzari 1992,Lorenzoy Lazzari1996).Estosdospicos persistenenDD condiferentesperíodos delibrecurso, loquesugierelaexistencia dedososciladores independientes,cadauno deelloscontrolandoenforma individualcadauno delosdos picosdeactividad.Esteritmotambiénesentrenable porciclosde temperatura,siendoeste Zeitgebermuypotente (Lazzari1992).Sin embargo,puestosa competir,elciclo deiluminacióndomina sobreeltérmico, loquellevó aesteautor apostularque laactividadde T.infestansestácontroladapor unsistemacircadiano compuestodeun arreglojerárquicode dososciladoresacoplados.

Respuestasaestímulos visuales

Enlosinsectos lavisióntiene unpapelfundamental enlalocalización derecursos,asícomo enelvuelo yenlas respuestasdeescape. Apesarde ello,elpapeldelsistema visualenlos triatominoshasido escasamenteestudiadohasta elpresente.Acontinuación revisaremoslosantecedentesalrespecto.Esbienconocido quelasvinchucas prefierenpermaneceren sitiososcurosdondeseocultan desuspredadores (Wiesinger1956).De hecho,unade lasrespuestasvisualesmás estereotipadasdeestos insectosesla respuestadeescape aIaluz ofototaxisnegativa. WardyFinlayson (1982)observaronque T.infestansmuestrauncomportamiento fototácticonegativofrente aluzverde, peronofrente aluzazulo roja.Porotra parte,elanálisis electrofisiológicomostróque laretinade esteinsectoes sensiblealongitudes deondaen laregióndel espectroelectromagnéticoqueabarca desdeelverde hastaelnaranja (Schofield1975).Segúnestosautores, lasvinchucasno seríansensiblesa Ialuzultravioleta (UV)nia laluzazul. Lafaltade sensibilidadaestas longitudesdeonda esunresultado quemereceserinvestigado nuevamente,dadoque Iamayoríade losinsectosposeen pigmentosvisualesen dichasregionesdel espectro(Menzely Backhaus1991,Chapman1998),incluso aquellosdehábitos crepuscularesonocturnos (Koehleretal.1987,Cutler etal.1995). Porotraparte, SjorgrenyRyckman (1966)hallaronque lastrampasde quUVson capacesdecapturar distintasespeciesde triatominossilvestres,loque entraenevidenteconflictoconlos resultadosmencionados.Elcomportamientode huidadeT. infestansdesencadenadopor lavíavisual presentacaracterísticasque nohansido observadasenningún otroinsecto(Lazzari yVarjú1990). Estosautoresobservaron quecuandoun objetoseacerca auna

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vinchucaporencima delhorizonte.la mismaescapamanteniendo dichoobjetoen elcampovisuallateral, aunaposición fijarespectoal ejelongitudinaldel cuerpo.Estareaccióndefijación yseguimientolateral permitiríaalos insectosmanteneral predadorpotencialdentro delcampovisual durantelahuida. Estarespuestaestá mediadaporla zonadorsaldel ojocompuesto,lo quemuestrauna especializaciónfuncionaldelmismo enrelacióna estecomportamiento(Lazzari yVarjú1990). Encuantoal papeldelas clavesvisualesen elcontextode labúsquedade alimento,Wigglesworthy Gillet(1934)observaron quecuandolas entradassensorialesdelas antenassonanuladas porantenectomíabilateral, R.pro/¡xuspersigueeintenta picarobjetosque semuevenen suproximidad,un comportamientonuncaobservado eninsectosintactos. Estepuntoes particularmenteinteresantepor susimplicanciasen relaciónala integracióndedistintasentradassensoriales enlasrespuestas deorientaciónde lasvinchucas.

¿Porquéestudiar elsistemavisual deTriatomainfestans?

Comosurgede lalecturade lospárrafosprecedentes, quedaclaroque lasrespuestasvisualesde lasvinchucassólo hansidoestudiadas enaspectosparciales.Enparticular, algunascuestionestales comolasensibilidad espectraldelsistemavisualnecesitan seranalizadasendetalle.

Laescasainformación disponibleesprobablemente productodeIa pocaimportanciaqueerróneamente sehaatribuido alavisión eninsectosde hábitosnocturnosocrepusculares (Whiteetal. 1994)ycon sentidosquímicoy térmicoaltamentedesarrollados,como eselcaso delasvinchucas. Sinembargo.en otrosinsectoshematófagosel estudiodelsistema visualhapermitido comprenderaspectosimportantesde suecología(Green yCosens1983, Allanetal. 1987,Lehane1991).Esto haproporcionado,por unlado,información relevanteaproblemasbásicosde lafisiologíasensorial deinsectos,y porelotro, conocimientospotencialmenteaplicablesal desarrollodeherramientas decontrol(e.g., Green1989.Mutingaet al.1995,Constantini etal1998). Estoponede manifiestolanecesidaddeestudiar demaneraintegral diversosaspectosdel sistemavisualde lasvinchucas.

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Objetivosdeltrabajo

EIobjetivodel presentetrabajode tesisesestudiar algunosaspectosde lafisiologíadela visióndeTn"atoma ¡nfestansEnparticular seanalizará:

1.Lasensibilidad fóticayespectral delosojos compuestosdeT. ¡nfestansmedianteestudiosde comportamiento(Capítulos3 y7).

2.EIcontrol temporaldela sensibilidadvisualmediante estudiosdecomportamientoyde morfologíafuncional(Capítulos 4y5 respectivamente).

3.Elpapel delosocelos ylosojos compuestosenla respuestadeescape alaluz (Capítulo6).

4.EIefecto delaedadylasmutaciones enlarespuesta deescapea laluzde esteinsecto(Capítulo8).

5.Lainteracción entrelasmodalidades sensorialesvisualy olfativaenel contextodelcomportamientode agregación(Capítulo9).

6.Lascondiciones luminosasenun ambientenatural(Capítqu 10).

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CAPÍTULO2:Los ÓRGANOSFOTORRECEPTORESY LAVISIÓNEN LOS

INSECTOSYOTROS ARTRÓPODOS

Lavisiónes unodelos sentidosqueha sidomásestudiado enlosanimales. DadaIacomplejidad desufuncionamiento consideramosnecesariorevisar algunosaspectosrelativostanto alaestructura comoala funcióndelsistema visualdelos artrópodos,yen particulardelos insectos.

Introducción

SegúnDan-E.Nilsson (1990),Iafunción primariadelos ojosesclasificar losfotonesqueprovienen dedistintospuntos deespaciode acuerdoconsu ángqudeincidencia,longitudde ondayplano depolarización.A talfin,los ojosposeencélulassensorialessensibles alaluz (fotorreceptores)quetransducen esteestímuloenunaseñal eléctricayIa transmitenalsistema nerviosocentral.Esto noimplica,sinembargo,que losojossean capacesdepercibir colores,formaso movimiento.Estaspercepcionesvisuales, delmismomodo quecomoocurre conlaspercepcionesgeneradaspor todoslossentidos, sonconstruccionesinternas resultadodeun programainnato,la experienciayel aprendizaje,yde unprocesamientoespecíficopor partedelsistema nerviosocentral(Schmidt 1978,Kandeletal. 1995).Sibienexisten unagranvariedad dediseñosde ojo,losmismos puedenagruparseendos tiposbásicos:simples ycompuestos.Los primerossecaracterizanporposeer unaúnicaestructura deenfoqueasociada aunconjunto relativamentenumerosode fotorreceptoresqueforman laretina.Los ojoscompuestos,porsu parte,estánformados pormúltiplesestructuras deenfoque,cadaunaasociada aunaspocas célulasfotorreceptoras,constituyendo cadaunade estasunidadesestructurales unaomatidia.Entre losojossimples reconocemoslosllamadosdetipo cámaraconlente, presentesentodos losvertebradosy envariosgruposdeinvertebrados (entreellos,los insectosylas arañas),losde cámaraoscurasinlente deNautilus3p., queposeenuna pupiladediámetro regulable,ylos decámaracon espejocóncavode Pectensp.(Nilsson 1989b,1990).En losinsectosencontramosdos clasesdeojos simples:(a)los ace/os,localizadosen

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posicióndorsaly característicosdelos insectosadultos,y (b)losstemmata, localizadosenposición lateral,propiosde laslarvasde insectosholometábolos.

Ojoscompuestos

Distribución

Losojoscompuestos sonlosórganos visualesmásimportantes tantoenlos insectoscomoen loscrustáceos.Los ojoscompuestostambién seencuentranen otrosanimales,pero constituyencasosaislados engruposdonde otrostiposde ojosonlosdominantes, comoserel casodeLimu/us sp.entrelos queliceradosyScutigerasp.entre losquilópodos.Fuera delosartrópodos estosojossolamente seencuentranenalgunos anélidospoliquetostubícolas yenun pequeñogrupode almejas,peroen amboscasosse tratadeestructuras pequeñasyde diseñosencillo(Nilsson1989a).Entrelosinsectos, losojoscompuestos estánpresentesen lamayoríade losindividuosadultosy enlaslarvas deloshemimetábolos, yestánubicados unoacadaladode lacabeza.Los ojoscompuestosestán reducidosenlos gruposqueparasitan(e.g.,Siphonaptera) yenlas formascavernícolas,y estánausentesen lamayoríadelos Apterigota.Elnúmerode omatidiasessumamente variable;seencuentran 800enDrosophilasp.,5500 enlaabeja recolectora.y10000 enlosojos dealgunosalguaciles.Enalgunos casoslasomatidias correspondientesadistintas partesdeunmismoojo difierenenel tamañoy/oen suestructura(Land 1989,Chapman1998).

Estructuradelaomatidia

Cadaomatidiaconsiste básicamentedeun sistemadelentes quecolectay enfocalosrayos luminososyde unaporciónsenson"a/ (elrabdoma)que transducelaenergíaluminosaen unaseñaleléctrica. Laporciónóptica delaomatidia constadedoselementos,la córneayel conocristalino(CC) (Fig.2.1).En unavistasuperficial, estaslenteso facetasseobservan empaquetadasformandoun típicoarreglohexagonal.Lacórnea esunalente cuticularbicóncavatransparente eincolora,

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producidaporlas célulascornéagenas.Posteriormente, estascélulasse desplazanaloscostados deIaomatidia constituyendolascélulas pígmentariaspn"man"as(CPPs).Debajode lacórnease encuentrancuatrocélulas deSemper(Fig. 2.1).Enlosojosde tipoeucono,presentes enlamayoría delosinsectos, estascélulasproducenunverdadero CCintracelular.En losojosde tipoacono,las célulasdeSempernoproducen unCC.pero elcitoplasmaclaro dedichascélulas ocupalaposicióndela lente(Chapman1998). ElCC.o ellugarocupado porlascélulas deSemper,estálateralmente rodeadoporlas CPPs(Fig.2.1). DebajodelCC decadaomatidia seencuentrala retinu/a,constituidausualmenteporocho célulasretinulares.Los axonesdeestas célulasalargadasatraviesanlamembrana basalyse proyectanendirección proximalhacialos lóbulosópticosdelprotocerebro. Loslóbulosópticos sepresentanuno acadalado delacabezayestán constituidosportres (cuatroenDiptera) neuropilosdistintivos(lamina,medulay Iobu/a)unidospor quiasmas(Chapman1998). Elrabdomaes laporciónfotosensible decadaomatidia. Elrabdomaestá formadoporlas microvellosidadesdensamenteempaquetadas correspondientesacadacélularetinular (rabdómeros).Estasmicrovellosidades estándispuestasen lacarainternade cadacélularetinular, enángqurecto respectoaleje longitudinaldelacélula.En lamayoríade losinsectoslos rabdómerosdecélulas vecinasestándispuestosenestrecha aposicióneinterdigitados, formandoun"rabdoma fusionado"(Fig.2.2.A).mientras queenlos dípteros,dennápteros,hemípteros yalgunoscoleópterosestánseparados, formandoun"rabdoma abierto"(Fig.2.2.8). Enlamayoríadelos ojoscompuestoslas célulasretinularesde cadaomatidiaestán rodeadaspor12-18 célulaspígmentariassecundarias (CPSs)(Fig.2.1). Estascélulas,aligual quelasCPPs, contienenpigmentospantalla. Lafunciónde estospigmentosserádiscutida endetalleen elCapítqu5.

CarolinaE.Reisenman 26Córnea¿É?":Q;Núcleode lacélulade SemperConocristalino.

Célulapigmentariaprimaria(CPP)

Célulapigmentariag-----r ¿:4secundaria(CPS):ï" r."-Membranabasal \Axón

Figura2.1:Representación esquemáticadeuna omatidiasimplede aposición(modificadode Chapman1998).

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Ojosdeaposiciónydesuperposición

Losojoscompuestos puedenseragrupados básicamenteendos grandescategorías:ojosde aposícíónyojos desuperposición(Fig. 2.3).Enlos ojosdeaposicióncadaomatidia estáópticamenteaislada desusvecinas, esdecir,cada rabdomarecibesolamente losrayosque entranatravés desupropio sistemadeenfoque,mientrasque losrayosque entranatravés delasfacetas vecinassonabsorbidosporlos pigmentosdelas CPSs(Fig.2.3.A). Enestosojos, usualmenteelrabdomaseextiende atodolo largodelas célulasretinulares,entre elCCy Iamembranabasal.En losojosde superposiciónnoexiste talaislamientoóptico, ylosrayosqueentran atravésde lentescorrespondientesa diferentesomatidiasson enfocadosenun rabdomaúnico.Esto esposibleporque enestosojos existeuna"zonaclara",libre depigmento,entre elCCy elrabdoma,y porqueelrabdoma serestringeala porciónproximalde lascélulasretinulares (Fig.2.3.8).Enlosojos compuestos,adiferencia deloque ocurreenlos ojossimples,las lentesformanuna imagenderechaen laretina(Fig. 2.4).Enel ojodeaposición cadalenteforma unaimagenen elextremodistal delrabdoma;los objetosestánrepresentadosenla retinacomoun mosaicodepuntos deluz(uno poromatidia)que difierenensu intensidad.Enel ojodesuperposición losrayosson refractadosoreflejadosenla lenteyforman unaimagenderecha enlaretina (Fig.2.4).Este hechotieneprofundas implicanciasevolutivas,en cuantonoexistirían intermediosfuncionalesentreambos tipos(Nilsson1989a). Comoreglageneral, podemosdecirque losojosde aposiciónsoncomunes enlosartrópodos quesonactivos enambientesmuy luminosos.Losojos desuperposición,típicamente,se encuentranenlos insectosycrustáceos dehábitosnocturnos,oen aquellosqueviven enambientespobremente iluminados(Warranty McIntyre1993,Chapman 1998).Sinembargo, enamboscasos existennopocas excepciones.Ambostiposde ojopresentanvariaciones tantoenla estructuracomoen eltamañodelos componentesomatidiales,lo quehadado lugarauna grandiversidaddediseñosde ojocompuesto(e.g., deaposiciónsimple, derabdomaabierto, afocal,consuperposiciónneural, desuperposiciónde refracción,reflexióny parabólica).¿Porquéexiste talvariedadde ojoscompuestos?Antes deanalizarlas propiedadesyel desempeñodecada tipodeojo, mencionaremosbrevementelas limitacionesquela naturalezadela luzimponea lacantidady calidaddeinformación quecualquierojo puedaprocesar.

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A.)...

-Microvil|i

Célulasretinulares

>CélulasretinularesRabdómero

1pm1pm

Figura2.2:Sección transversaldeuna omatidiaconrabdoma cerradodeApis (A)ycon rabdomaabiertode Musca(B).(Tomado deChapman1998)

A)B)Ñ"V.

\\Laminabasal /AxonesAxones

Figura2.3:Sección longitudinaldiagramáticade: A)unojo deaposición,mostrandolaextensióndelos rabdomasentrela membranabasaly elconocristalino), B)deun ojodesuperposición,dondese observaunazona clara,librede pigmentoentreel rabdomayel cono.(Modificadode Chapman1998).

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A)B)

ObjetodistanteObjeto distantenLn LIIVII V

Lentes"RabdomasImagenImagen

C)Objetodistante

uLI"V Figura2.4:Esquema queilustrael mecanismodeformación dela

imagenapartir deunobjeto distante\Lentesentres tiposdeojos:A)ojosimple tipo__.t \cámara(imagen invertida);B)ojo de

Zonaclara aposición(imagenderecha);C)ojode Rabdomassuperposición(imagen derecha)

Caro/¡naE.Reisenman 30

Laluz

Eltérmino"qu", ensentidoestricto, estáreservadopara laregióndel espectroderadiación electromagnéticaquecontiene longitudesdeonda visiblesparaelser humano(400-700nm) (Fig.2.5).Pero afinde evitarconfusiones,este término,talcomo loencontramosen lamayorparte delabibliografia, seráutilizadoenestaTesis parareferirnosa lasregionesdel espectroala queunsistema visualcualquieraessensible. Noobstante,es necesarioentoncesestablecer uncriteriodeunidadesdeenergía aplicablesatodo elespectrode radiación.Laelecciónde unaunidadde medidadebeestar basadaensi laradiacióna

medirserávista porunhumano oporotro organismo.Existenbásicamente dosmodosdemedir "luz"conpropósitos analíticos.Laradiometría trataalaluzentérminosdeenergía absoluta,usualmenteen watts(W).La fotometría,porsu parte,consideralaforma enlaque elsistemavisual humanopercibela radiación;suunidadbásicaes ellumen(Im). Losdispositivosde mediciónutilizadosen unoyotro casosondistintos: undetectorradiométrico idealdebetener unarespuestaplana, mientrasqueuno fotométricotieneuna respuestaquese aproximaala curvaderespuestadelojo humano(curvaCIE). Porotraparte, laconversiónde energíaafotonesresultamuy útilyes frecuenteenla bibliografía.dadoque unsistemabiológico"ve"fotones ynoenergía. Entodoslos casos,existenunidades apropiadasparamedir flujo,densidad,etc.. lasquese indicanenlasiguientetabla.

Unidadesdemedida CantidadRadiometrlaQuantos Fotometrla

FlujoFlujoradiante Flujoluminoso

(Watt.W)(fotones/s) (lumen,Im)

Densidaddeflujo Irradiancialluminancia

enunasuperficie (vwmz)(fotones/smz)(Im/m2=lux) FlujoporunidadIntensidadradianteIntensidad luminosa deá"9""°56"" (W/esteroradian.sr)(fotones/s.sr) (Im/sr=candela.cd) Flujoporunidad Radiancia(W/sr.m2)Intensidad luminosa deángulosólido (fotones¡s_sr_mz)(lm/sr.m2= cd/mz)porárea

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UltravioletaVisibleInfrarrojo 5006001000

Longituddeonda (nm)

Figura2.5:Espectro deradiaciónelectromagnético entre300y 1000nm

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Casitodoslos artrópodosexperimentanfluctuaciones dediezo másórdenesdemagnituden laintensidadde luzambiente.Por ejemplo.unasuperficie blancaalaluzdel solrefleja4x1020 fotones/m2.sr.seg,enuna nochedeluna llenarefleja1014 fotones/m2.sr.seg,yen unanochenublada sinluna101° fotones/m2.sr.seg(Chapman1998).Muchosanimalesson sensiblesalas distintaslongitudesde ondaemitidasporfuentesde luzoreflejadas porlosobjetos. Laluzdispersada porlaatmósfera tieneuncontenido relativamentealtode longitudesdeonda corta.Laluz reflejadaporelsuelo ylavegetación contieneprincipalmentelongitudes deondaen laregióndelamarilloy verde(Warranty Nilsson1998,Menzel 1979,Fig.2.6.A). Elespectroderadiacióncambia conlaelevación delsol,es decir,conel momentodeldía, lalatitudyla estacióndelaño. Porejemplo,al atardecerlosobjetos recibenradiaciónconunamayor proporcióndelongitudes deondaen laregióndel amarillo.naranjay rojo(Hailman1979). Laluzreflejada porlaluna, porsuparte, essimilaren composiciónespectrala laluzdel sol,porIo quecontieneun componenteimportantedelongitudesde ondaenla regióndelUV entre330y 400nm(Stair yJonhnston1953)(Fig.2.6.8.).

33Caro/¡naE.Reisenman

A) B) <-Sol.cilmax. Colorado180.0 6

120m.4

Luna.WashingtonD.C..->(Oct/52)

60Energíaradiante(pW/cm"lmp)4320340360 380400420 440460480 500520

Longituddeonda (nrn)

Figura2.6:A) Composiciónespectralde Ialuznatural durante:(a)el mediodía,(b)el crepúsculo.(c)unanochedeluna llena.Lairradiación totalentre400y 700nmes 53000.1012(a),30.1012 (b),30.10°(c) fotones/cmzlseg.(TomadodeMenzel 1979).B)Comparación entrelacomposición espectraldeIaenergía reflejadaporla lunayemitida porelsol (TomadodeStair yJohnston1953).

Energíaradiante(nW/cm"l10mp)

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Laslimitacionesfisicas

Laresoluciónespacial deunsistema visualestádeterminada enprincipiopor eldiseñoóptico delojo.En elojo,al igualqueen cualquiersistemaóptico queformaunaimagen,hay unaseriede canalesparalelosque conectancadapunto enlaimagenconpuntos enelobjeto. Deestemodo, cuantomáscanales esténdisponibles(i.e.,mayor cantidaddeomatidias) máspuntosdel objetoestaránrepresentadosenla imagenenla retina,ypor lotantola resoluciónserámayor. Enlosojosde aposiciónladefinición deunaimagen serámejorcuanto máspequeñoseaelángulo interomatidial(elángulo entreejesópticos deomatidiasadyacentes). Sinembargo,el primerfactorque limitaelpoder deresoluciónde unojoes Iacantidaddeluz disponibleenel ambiente(Warranty McIntyre1993).La intensidaddeunestímqu luminosopuedeser medidacomola tasapromediode absorcióndefotonesporparte delosfotorreceptores. Siestatasa esmuybaja, decimosquehay unaconsiderablecantidad deincertidumbreo ruido,loque limitaladetección precisadelestímulo(Nilsson 1989a,Warranty McIntyre1993).El ruidofotónicopuede serdisminuidocolectandomayor cantidaddefotones (porejemplo,aumentando eldiámetrodelas lentes).Esdecir, enambientesdonde laintensidadde luzeslimitante,ningúnojo podráresolverdetalles almenosque, enprimerlugar, hayacapturadosuficientesfotones. Aintensidadespor encimadelumbral desensibilidadlas restriccionesfísicasinherentesa1) laópticay 2)laretina, limitanelpoder deresoluciónde unojo.La ópticadelos ojossufre,al igualquetodas laslentes,de imperfeccionesquedisminuyenconsiderablementela resolución,dadoque producenunaimagen borrosaenla retina:aberraciónesférica ycromática,y difracción.Lasaberraciones sonproductode lacurvaturay naturalezadispersivade laslentes,respectivamente. Losfenómenosde difracción,porsu parte,imponenel límiteúltimoa lacalidadde unaimagen,y sonproducidoscuando laluzatraviesa unaaberturaestrecha, porloquelaenergía sedistribuyesegún unpatrónGaussiano. Además,enel diseñodetodoojoexiste uncompromisoentre estasimperfecciones:la difracciónpuedeser reducidaaumentandoel diámetrodela lente,peroa expensasdeun aumentoenlas aberracionesyde unadisminuciónen laresoluciónespacial. Porúltimo,el poderderesolucióndelojo estálimitadopor lacapacidadpara capturarluzdel rabdomayporlaspropiedadesópticas delmismo.Se entiendeporpropiedades ópticasdelrabdomaalcomportamiento delmismocomo unaguíade luzocomo unaguiade onda,loque dependedela relaciónentreel diámetrodelrabdoma (D)yla longitud

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deondade laluzincidente (A).Enel primercaso(D>>X) laluzque llegaenángulos <10°deleje ópticoestotalmente reflejadadentrodel rabdoma,loque aumentala

capturadeluz. Cuandoszel rabdomasecomporta comounaguía deonda,Io quedalugar alfenómenode interferencia.Elresultado finalesque partedela luzviajafueradel rabdoma,loque disminuyelacaptura fotónica(Warranty McIntyre1993).Enresumen,la resoluciónespacialde unojoestá limitadaportres factoresprincipales:disponibilidadde fotones,calidadde laópticay propiedadesdelrabdoma.Unadescripción detalladadeestos temaspuedeencontrarse enlasexcelentesrevisionesde WarrantyMcIntyre(1993) yLand(1989, 1997).

Tiposdeojosdeaposicióny superposición

"Perhapsthemost intriguingquestionin compoundeyeevolution ishowsuperpositioneyescan evo/vefromapposition eyes.Thediversity withinbothinsects andcrustaceansis¡mpressive, andtoa largeextentdue totheneed forimprovedsensitivity. Thesimpleappositiondesign isamost uneconomicalwayto usethespace availableforan eye.ltisonly asmallexageration tosaythat evolutionseemsto befightinga desperatebattleto improveabasica/ly disastrousorigin"(Dan-E. Nilsson)

Comoyahemos mencionado,existendos tiposdeojos compuestos:aposiciónysuperposición. Sereconocendos tiposdeojos deaposición:focal (elmáscomún)y afocal.Enel ojofocalel planofocalde lalente(f) seubicaen elextremodistaldel rabdoma.Porotra parte,eldiámetro delrabdomadetermina sielmismosecomporta comoguíade luz(e.g.,langostas, escarabajos)ocomo guíadeonda(e.g.,moscas, alguaciles.abejas),Io queafectala capturadeluz (WarrantyMcIntyre1993).Los ojosdeaposición afocal,porsu parte,sonprácticamente universalesenlas mariposasdiurnas.En esteojo,a diferenciadelo queocurreen elojofocal. existeungradiente deíndicede refracciónenla regiónproximaldel CC,porloque losrayosson enfocadosyrecolimados antesdealcanzar elrabdoma.Porlotanto, laresoluciónespacialylasensibilidad sonsuperioresa lasdelos ojosdeaposiciónfocal cuyosrabdomasse comportancomoguías deonda.Es posiblequeesteojo seencuentreen variosotrosórdenesdeinsectosdiurnos, dadoquees anatómicamenteindistinguibledel ojofocal(Nilsson 19893).Debidoal pequeño

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diámetrodelas lenteslosojos deaposicióntienen buenaresolución,pero asuvez sufrendelfenómeno dedifraccióny capturanrelativamentepoca luz(Nilsson1989a,b;WarrantyMcIntyre 1993).Eltipode ojodeaposición focalmáscomún eselllamado deaposiciónsimple,enel quetodaslas célulasretinularesforman unrabdomafusionado (e.g.,abejas.alguaciles,Iangostas, etc.).Enlos ojosdeaposición conrabdomaabierto. losrabdómerosde lascélulasretinulares adoptandistintasconfiguraciones. Enelcasodelas moscas,existeun arregloparticularque aumentalasensibilidad respectodeIa delojode aposiciónsimple,a lavezque mantienelaresolución. Enesteojode rabdomaabiertocada rabdómeroconstituyeuna guíadeonda queanalizaunpunto distintodelespacio (Fig.2.7.B).Los axonesdelas célulasretinularesdedistintas omatidiasquetienen ejesópticosparalelos (i.e.,que"miran" elmismopunto) convergenenla mismainterneuronade lalámina,condición conocidacomosuperposición neural.Deeste modo,lasuperposición esselectivaparaseñalesoriginadas enfotorreceptorescon idénticoscamposvisuales, Ioqueproduceunincremento absolutodeIa sensibilidadvisualrespecto delojode aposiciónsimple.Cabe aclararqueeste ojo,desdeel puntodevista óptico,siguesiendounojo deaposicióndado quelasomatidias estánópticamenteaisladas (Nilsson1989b).Los ojosdeaposición derabdomaabierto presentesenlos hemipteros.dermápteros,y algunoscoleópterosno hansidoasociados aesteprincipio(Nilsson1989a). Losojosde superposiciónóptica,en términosdesensibilidad, sonsuperioresacualquierojo deaposición,ya queaumentanla capturafotónica,Io queocurrea expensasdedegradaciones enlaresolución espacial.Estosojos seencuentrantípicamenteeninsectos ycrustáceosde hábitoscrepuscularesy/o nocturnosoque vivenenambientes pobrementeiluminados,si bienexistenexcepciones (WarrantyMcIntyre1993).Se reconocentrestipos deojode superposición:refractante,reflectanteyparabólica (Fig.2.7.C-E).El máscomúnde estostiposes elojode superposiciónrefractante,presente enmuchosinsectos nocturnos(e.g.,neurópteros,algunosescarabajos, poliIIas,tricópteros)y enalgunoscrustáceos eufásidosymísidos (Fig.2.7.C).Las lentesdeestos ojospresentanungradientedeíndicederefracción, porloque losrayosque atraviesanlacórnea sonenfocadosenelCCy recolimadosenun hazderayos paralelosantesde alcanzarelrabdoma. Estefuncionamiento,similar aldelojo deaposiciónafocal, hallevadoa postularqueesteúltimosería unintermedioevolutivo entreelojo deaposicióny eldesuperposición(Nilssson1989a). Enelojo desuperposiciónreflectante, presenteen

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crustáceosdecápodos,los rayossonreflejados enlasparedes delCC(arreglo ortogonaldeespejos) (Fig.2.7.D).Finalmente. elojode superposiciónparabólica(quedebesu nombreala curvaturaparabólicade lasparedesreflectantes delCC),operamedianteuna complejacombinaciónde mecanismosderefracción, reflexiónyguíasdeluz (Fig.2.7.E).Se encuentraencangrejos brachiurosyermitaños(Nilsson1989a.b).Enlasrevisiones deKunze(1979) yNilsson(1989a,b; 1990)puedeencontrarseunadescripción detalladadela ópticayfuncionamiento delosdistintos tiposdeojo deaposicióny superposición.

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C)D)E)

Figura2.7: Esquemaqueilustra elmecanismodeenfoquedeun puntolejanoen losdistintostiposdeojos compuestos.(A-B)ojos deaposición:(A) ojodeaposición simple,elrabdomaactúacomoguía deluz(sección transversal,círculolleno); (B)ojode superposiciónneural,losaxonesdecélulasretinularesde distintasomatidiascon ejesópticosparalelos convergenenunaúnica interneurona,Iasección transversalmuestralos rabdómerosquecontribuyen alaformaciónde laimagenpor superposiciónneural(círculos llenos).(C-E)ojos desuperposiciónóptica:(C) superposiciónrefractante,(D) superposiciónreflectante,(E) superposiciónparabólica.En losojosde aposiciónlospigmentos pantalla(ennegro) seextiendenentreomatidias, mientrasqueen losojosde superposiciónrodeanel CC.Losrabdomasestánrepresentados comoáreasrayadas (tomadodeNilsson 1989).

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DeIoexpuesto enlasecciónanteriorpodemosconcluir queIaclave estáenlosdiseñosde ojodegran apertura,dadoque estacaracterísticareduce tantoladifraccióncomoel ruidofotónico.En términosdedifracción, elojosimple tipocámaraesclaramente superioralojo compuesto.Lacooperación ópticaentreomatidiasdelos ojosdesuperposición sumaaesto elfenómenode aberraciónesférica.Encuanto alruidofotónico. queesla principallimitaciónen ambientespocoiluminados,los ojosdeaposición soninherentementeineficientes (cadarabdomarecibeluz solamenteatravés desupropiafaceta),mientrasque losojosde superposiciónópticason enalgunoscasos tantoomás sensiblesquelos ojostipocámara(Warranty McIntyre1993).Sin embargo,losojos simplesdelos arácnidos(revisadosporFleissner yFleissner1999) seencuentranentre losmásespectacularesdelos artrópodosentérminos deeficiencia,dado quesonmuy sensiblesyen algunoscasos,a pesardesu tamañopequeño,tienen unpoderde resoluciónsimilaral delojohumano.Peronotodo ojocámaraes buenoencuanto aestacaracterística,ya que,porejemplo, losocelosde losinsectostienen unamuymalaresoluciónespacial. Sinembargo,esta noesuna característicadeldiseño sinoque,comoveremos másadelante,constituye unaadaptaciónpara unafunciónparticular.Finalmente,entre estosdosextremos encontramoslosstemmata, quesonojossimples capacesdedetectar formas.Enresumen, podemosdecirque losojostipocámara sonindudablementeIa soluciónideala losrequerimientosde Iavisiónespacial,alavezque lasuperposiciónneural yópticade losojoscompuestos constituyenclarasventajas adaptativas(Nilsson1990). ¿Porquélos ojoscompuestoshanpersistido, cuandootrosdiseños mejores,comolos ojossimples,estándisponibles?Algunos autoreshanpropuesto quedadoque noexistenintermediosfuncionalesentre unojosimple yunojo compuesto,unavez quelaevoluciónhatomado uncamino,Ia únicaposibilidadfue mejorareldiseño existente,loqueha dadolugara lagranvariedad deojoscompuestos quehoyobservamos entrelosartrópodos (Nilsson1989a).Finalmente,cabemencionar queprobablementeel pequeñotamañodel cuerpodelos artrópodoshafavorecido eldesarrollode unaretinaconvexa (elojocompuesto),loque tienecomoconsecuenciacamposvisualesextensos. Enelcaso delasarañas, queposeenretinas cóncavasconpequeños camposvisuales,la presenciadeun arregloparticularde ojossimplesconstituiría unasolucióna losrequerimientosdela visiónespacial(Wehner 1994).Estaparticularidad delosojos

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compuestos,tambiénha sidoexplotadapor laevolucióny enellase basabuenapartedela visióndemovimiento delosinsectos.

Estailustraciónmuestra eltamaño

increíblementegrandeque unojocompuestodeberíatener paramantenerIaagudeza visualdelojodeunhumano.

Transduccióndelaseñalluminosa

Unavezque Iaqullega alascélulas retinularesIaenergía luminosaesconvertidaenuna señaleléctrica.Este procesodefototransducción comienzaconlaabsorciónde fotonesporparte delospigmentos visuales(rodopsina).La rodopsinaesuna cromoproteínaqueestá ubicadaenlos rabdómeros,formadapor unaproteínay retina!(vitaminaA1). Traslaabsorción deluzla rodopsinasufreuna seriedetransformaciones queconducena laproducciónde metarrodopsina.Lametarrodopsinaactivauna proteínaGque desencadenaunacascada desegundosmensajeros(queinvolucra fosfoinosítidos)queconcluye enladespolarización deIamembranadelas célulasretinulares(Suzuki 1999).Estocontrasta conIoque ocurreenlosvertebrados, dondelaabsorción deluzen losconosy bastonesconducea laproduccióndeGMP cíclicoya unahiperpolarización(Kandel etal.1995). Lasterminalesdelas célulasretinulareshacen sinapsisconinterneuronas delalámina. Elneurotransmisorinvolucrado enestassinapsis eslahistamina, Ioqueresulta enunahiperpolarizaciónde lascélulaspostsinápticas (Chapman1998).Porotraparte, adiferenciade Ioqueocurre enlosvertebrados, Iareconversióndelfotopigmento alestadoactivo (rodopsina)seproduce porabsorcióndefotonesy noporun mecanismoenzimático(Chapman 1998).

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Adaptacióndelsistema visual

Eltérminoadaptación,enunsentido amplio,denotaaquellos eventosque,a travésdeun cambioenla estructura,forma,función ocomportamientode losorganismos,resultanen unmejorajuste alascondiciones ambientales.Estosajustes,ademásde darseenun sentidoevolutivo,ocurren enorganismosindividuales.Losritmos anualesdemigración, diapausa,etc.,son adaptacionesalasvariacionesclimáticas cíclicas,mientrasque losritmosdiarios sonejemplosde fenómenosadaptativosque sedanen pocashoras.Pero lascondicionesambientalespuedencambiar enperíodosaún máscortos,y enformaimpredecible. Losórganosde lossentidosson capacesdeadaptarse muyrápidamentea lascondicionescambiantesdel ambiente(Autrum1981). Comohemosmencionado, casitodoslos artrópodosvivenen ambientesqueexperimentangrandesfluctuaciones enlaintensidad deluz.Estas variacionessonproductode(1) lasvariacionesimpredecibles delambiente(nubes, sombras)y(2) laexposiciónalciclo diariodeluz-oscuridad. Elsistemavisual, sinembargo,se adaptaalascondiciones luminosasambientales.En losartrópodos,existen básicamentedosclasesde mecanismosdeadaptación (Autrum1981,Chapman 1998):1.Regulacióndel flujodeluz quealcanzael rabdoma:movimientosde pigmentospantallalocalizadosen célulaspigmentariasy/o retinulares,cambiosmorfológicosenel aparatodióptrico,cambios enlaestructura, posicióny/otamañodelrabdoma (estosfenómenosserán discutidosendetalle enelCapítqu 5)2.Cambiosen lasensibilidadde lascélulasfotorreceptoras: transformacionesdelospigmentosvisuales (adaptaciónfotoquímica)y cambiosenla sensibilidaddelasmembranas(adaptación neural).Lasensibilidadvisual tambiénpuedeser moduladamediantecambios enlassinapsisentrecélulas retinulareseinterneuronas enlalámina. Estemecanismo,si biennoestá deltodocomprendido, probablementeinvolucrauna regulacióndeIa cantidaddeneurotransmisor liberadoenlas terminalessinápticas(Chapman 1998).

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Sensibilidadespectralyvisióndecolores

"Wereceiveelectromagneticwavesofdifferent frequenciesbutwe perceivecolors:red,green,orange, blue,yellow.We receivepressurewaves butweheard wordsandmusic...Sensation¡s anabstraction,not arep/icationof therealwor1d... "(EricR. Kandel)

Losojosde losinsectosposeen célulasfotorreceptorascon diferentesensibilidadespectral.La luznaturalestimularía, enprincipio,los fotorreceptoresdelosinsectosen unintervande longitudesdeonda entre300y 700nm(Menzel yBackhaus1991,Fig. 2.6.A).Entérminos depercepciónhumana, estoincluyelongitudesdeonda enlaregión delazul(400-500 nm),delverde (500-560nm),del

amarillo(560-590nm), delnaranja(590-630 nm),ydel rojo(z650 nm)(Fig.2.5). Unagrandiferencia entreloshumanos ylosinsectos estádadapor lasensibilidada luzUV(300-400 nm)deestos últimos.Estasensibilidad hacequelos insectosexperimentenunmundo visualsensiblementedistinto aldelos humanos.Laspropiedadesespectrales delosfotorreceptores hansidoestudiadas enunnúmeroconsiderable deinsectos(revisados porMenzely Backhaus1991),númeroquerepresenta, sinembargo,una pequeñafracciónde lasespeciesconocidas.Lamayoría delosinsectos estudiadosposeentres pigmentosvisualeslocalizadosensendos tiposdecélulas retinulares,quepresentan unaabsorciónmáximaenel ultravioleta(350nm), elazul(440 nm)yel verde(530nm) (Fig.2.8).Enalgunoslepidópteros, odonatosyen ciertoshimenópterosexiste unpigmentoadicionalenla regióndelrojo (z600nm) (Arikawa1999a).por loqueel intervandesensibilidadenestos insectospuedeextenderse hasta700nm. Lasensibilidadespectraldelas célulasretinularespuede sermodificadapor lapresenciade córneascoloreadas,de filtrosintrarrabdoméricosy laterales(Arikawa1999a), odepigmentospantallaque presentanabsorcióndiferencial (Chapman1998).Cadacélularetinular contieneunúnico tipodefotopigmento, sibienexisten excepciones(e.g.,Papi/¡o sp.)(Arikawa1999a). EnMuscasp. existenpigmentosantena,queextienden lasensibilidadde losfotorreceptoreshacia longitudesdeondaalas cualeslosfotopigmentos propiamentedichosno sonsensibles(Kirschfeld yFranceschini1977). Enmuchasespecies existepolimorfismoomatidial: porejemplo,lasomatidias dorsalesdelos zánganoscontienenuna poblacióndecélulas retinularessensiblesal UVyotra alazul,mientras queenla zonaventralse encuentraunatercera poblaciónsensibleal verde(Chapman1998).

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Lascélulasfotorreceptoras notransmitenal sistemanerviosoinformación acercadela longituddeonda delaluz. Lalongitudde ondasoloafecta laprobabilidaddeque unfotónsea capturadoporun tipoparticularde célularetinular,peronoafecta surespuestaeléctrica (Kandeletal. 1995).Deacuerdo aIateoría tricromáticadelcolor deYoung-Helmholtzpropuesta paralosseres humanosaprincipiosdelsiglo XIX,paradiscriminar coloreselsistema nerviosonecesita,en principio,compararlas respuestasdetres tiposdefotorreceptores, cadaunomáximamentesensibleen unaregióndiferente delespectro.Estas tresentradasaportandeeste modoIainformación necesariaquehace posiblelarepresentación perceptualdeltono, lasaturacióny elbrillode unaluz.Estas trescualidadesson lasquedeterminan,a travésdeun procesamientoneural,nuestra experienciadelcolor. Porejemplo,nuestra sensaciónde"amarillo" resultadela comparaciónquehace elsistemanerviosode lasexcitacionessimultáneas delostres receptores(azul,rojo yverde).Sinembargo, esposiblediscriminar coloresusandosolo dostiposde fotorreceptores,aunquepor supuesto,estavisión dicromáticaseríamás pobreylimitada,perosuficiente paradistinguir,por ejemplo,estímulosde longitudesdeondacortade aquellosdelongitudes deondalarga (Kandeletal. 1995).Losexperimentosde KarlvonFrisch realizadosaprincipios delsigloXX fueronlosprimeros enponeren evidenciaquelas abejassoncapaces dediscriminarcolores.Lavisióndecolores sedefinecomo lacapacidadque permiteaunanimaldetectar yreconocerobjetos quedifierenen sureflexiónespectral oensuspropiedadesde emisióndeluz, independientementedediferencias y/ovariacionesensu intensidadIumínica(Menzel yBackhaus1991). Posteriormentelavisióndecoloressehademostrado envariasespecies deinsectos,algunas delascualespresentantres clasesdefotorreceptores condistintasensibilidaquotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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