Вы наверняка слышали или читали о том, что освещение синего цвета очень вредное для зрения и для биологических часов. С широким распространением среди населения планеты различного рода устройств, имеющих экраны и мониторы, это утверждение еще больше укрепилось в нашем подсознании. Даже смартфоны меняют настройки своих экранов в определенное время суток, чтобы не вредить пользователю ужасающим синим цветом, бьющим в глаза. Считается, что именно синее освещение обладает самым сильным влиянием на биологические часы человека. Но так ли страшен синий свет, как его малюют? Как оказалось, нет. Группа ученых из Манчестерского университета (Великобритания) провела ряд экспериментов, в которых определила связь между хроматическими воздействиями и циркадным ритмом мышей. В какое время какое освещение лучше, чем так особенен синий свет и почему утверждение про его вред не до конца правдиво. Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
Основа исследования
Одним из важнейших условий здорового образа жизни является правильный биологический ритм. Данный термин можно назвать собирательным, поскольку в него входят как физиологические ритмы (ритм сердца, АД и т.д.), так и адаптивные ритмы, связанные с изменениями окружающей среды.
Если говорить банальными фразами, то биологический ритм можно описать примером — днем мы бодрствуем, а ночью спим. Это обусловлено определенными процессами внутри нашего организма, т.е это физиологические ритмы. Однако, если внешние условия радикально изменить (например, поместить человека в комнату с постоянным освещением), то биоритм изменится ввиду активации адаптивных ритмов.
Кристоф Гуфеланд
В далеком 1797 году Кристоф Гуфеланд, немецкий врач, выдвинул теорию о том, что многие процессы в теле человека протекают с определенной периодичностью, т.е. циклически. Именно Гуфеланда считают прародителем такой науки как хронобиология, изучающей периодические феномены, протекающие в живых организмах во времени, а также их адаптацию к солнечным и лунным ритмам.
Циркадные ритмы в свою очередь являются физиологическими ритмами, которые связаны с окружающей средой, но обусловлены внутренними процессами в организме.
Свет, как один из источников сигналов дня наших органов чувств (в данном случае глаз), меняется в течение суток, то есть имеет 24-часовой цикл. У людей более выраженные циркадные реакции вызывает коротковолновый свет, нежели длинноволновый. Причиной тому является меланопсин*, являющийся неотъемлемой частью циркадной оценки интенсивности света, наиболее эффективно захватывает фотоны на длине волны около 480 нм. Именно этот факт и стал основой теории о «вреде» синего освещения в виде его сильного воздействия на биологические часы.
Меланопсин* — тип фотопигмента, принадлежащий к семейству светочувствительных белков сетчатки, называемых опсинами, и кодируемый геном Opn4. В сетчатке млекопитающих есть еще две дополнительные категории опсинов, которые участвуют в формировании визуальных изображений: родопсин (зрительный пурпур) в палочках и фотопсин (типы I, II и III) в колбочках.
Подвох в том, что лабораторные условия и реальные сильно отличаются, и в последних часто нет прямой корреляции между воспринимаемым цветом и возбуждением меланопсина. Следовательно, хоть биологические часы млекопитающих и получают хроматические сигналы на основе палочек, влияние цвета на циркадные реакции на свет пока не установлено.
В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые решили определить природу и функциональное значение хроматических воздействий на циркадную систему мыши. В опытах использовалось полихроматическое освещение, а роль подопытных исполнили мыши с измененной спектральной чувствительностью колбочек (Opn1mwR). Таким образом можно было создавать условия, которые отличаются друг от друга по цвету, обеспечивая при этом идентичную активацию меланопсина и палочек.
Результаты исследования
Полученные из палочек цветовые сигналы достигают супрахиазматических ядер* (SCN) и могут влиять на фазу биологических часов. Однако пока непонятно, какие именно цвета наиболее эффективно задействуют циркадные реакции и как такой механизм способствует синхронизации* в естественных условиях.
Супрахиазматическое ядро* — ядро передней области гипоталамуса, основной задачей которого является регуляция циркадных ритмов у млекопитающих.
Синхронизации* — в данном случае имеется ввиду термин из хронобиологии, поясняющих согласование периода и фазы циркадной системы с периодом и фазой внешнего ритма.
На рассвете и во время заката происходит сдвиг в спектрах окружающего света. Из этого следует, что свет, цвет которого напоминает сумерки (т.е. синий), будет вызывать более слабые циркадные реакции, чем цвет такой же интенсивности, но относящийся к дневному периоду суток (т.е. от желтого к белому).
Проверить эту гипотезу можно было изменяя спектральный состав (регулировка цвета без привязки к интенсивности света) полихроматического освещения, примененного в опытах (1А).
Изображение №1
Циркадная система млекопитающих отслеживает интенсивность света посредством комбинации сигналов меланопсина и внешне-сетчатковых сигналов, передаваемых внутренне светочувствительными ганглиозными клетками* сетчатки (ipRGCs).
Ганглионарная клетка* — нейрон сетчатки глаза, способная генерировать нервные импульсы.
В течение экспериментов ученые изменяли спектр освещения, не меняя его интенсивности. Подопытные мыши обладали определенными изменениями — их родной M-опсин палочек сетчатки (λmax = 511 нм) был заменен на человеческий L-опсин (λmax = 556 nm).
Среда обитания подопытных мышей была обеспечена диффузным (рассеянным) верхним освещением от независимо управляемых светодиодных источников (1А).
Перед непосредственным проведением опытов была проведена калибровка полихроматических характеристик освещения (контрольные параметры — 385, 460 и 630 нм), тем самым воссоздав естественное освещение (белый свет, т.е. дневной) в лабораторных условиях.
Регулировка контрольных параметров позволяла создавать экспериментальные стимулы. Первый стимул максимизировал возбуждение L-опсин и минимизировал возбуждение S-опсина (L+S, «желтый» свет). Второй стимул минимизировала возбуждение L-опсина и максимизировала активацию S-опсина (LS+ «синий» свет).
В опытах был использован достаточно простой, но эффективный метод, оценки влияния цвета освещения на циркадный период — добровольный бег в колесе.
Восемь мышей в течение опытов подвергали воздействию чередующихся 2-недельных периодов постоянного LS+ (синего), а затем L+S (желтого) освещения при 3 логарифмически разнесенных интенсивностях (1B).
Как и ожидалось, циркадный период удлинялся с увеличением интенсивности. Но помимо этого также было выявлено значительное влияние цвета, с более длинными циркадными периодами при освещении L+S (желтый), чем при LS+ (синий) (1C).
Одно только это наблюдение говорит о том, что синее освещение обладает меньшим влиянием на циркадную систему, чем желтое освещение.
Несмотря на то, что изменение интенсивности освещения в обоих случаях приводило к снижению активности мышей, не было обнаружено четкой зависимости активности и цвета освещения (1D).
Учитывая, что основой опытов является селективная модуляция соотношения активности L-опсинов и S-опсинов, циркадное поведение у мышей без фототрансдукции колбочек (1E) при равномерном освещении не должно быть никаких изменений в циркадном поведении. Другими словами, если у мышей нет колбочек, то изменение цвета освещения, в теории, не должно на них влиять.
Это было подтверждено на практике. Семь подопытных мышей без колбочек, хоть и проявляли реакцию на изменение интенсивности освещения, однако никак не реагировали на смену цвета (1F и 1G). При максимальной интенсивности освещения мыши без колбочек проявляли активность (бегали в колесе) куда чаще и дольше (в 7 из 11 парных опытах) при синем освещении, нежели при желтом. Тогда как лишь 1 из 15 парных опытов с обычными мышами (с колбочками) показал подобный результат.
Когда же интенсивность освещения была минимальна, то обе группы мышей проявляли одинаковую активность, независимо от цвета освещения.
Далее ученые решили подтвердить, что сокращение циркадного периода (активности) при максимальной интенсивности освещения и при синем цвете является результатом влияния именно цвета, а не интенсивности.
Для этого 14 мышей подвергли воздействию стимулов L+S (желтый) и LS+ (синий) с периодичностью в 2 недели. Далее следовал период освещения промежуточного типа (соответствующий пасмурному дню в реальных условиях) с разной степенью освещенности (1H): L+S+(яркий) и L-S- (тусклый).
Ожидалось, что, если сокращение активности при синем освещении отражает уменьшение эффективной освещенности палочек, то в условиях тусклого освещения активность должна еще больше сократиться. Как и в опытах ранее было обнаружено значительное снижение активности при синем освещении, в отличие от желтого (1I и 1J). А вот отличий активности при ярком и тусклом освещении не было выявлено.
Суммарно эти данные подтверждают специфическое влияние хроматических сигналов палочек на циркадный ритм. Таким образом, синий цвет существенно ослабляет циркадные реакции на освещение и, следовательно, синие стимулы должны быть менее эффективными при перезагрузке биологических часов, нежели эквивалентные по интенсивности желтые.
Дабы проверить эту гипотезу, ученые сначала оценили временные изменения в поведенческих ритмах мышей в ответ на резкие импульсы L+S (желтый) и LS+ (синий) освещение сразу после перехода от LD (свет/тьма) цикла к постоянной темноте. Цикличность опытов составляла не более 5 минут, чтобы избежать возможной адаптации при более продолжительном воздействии тех или иных внешних стимулов.
Любопытно, что смещение фаз после синего освещения было незначительным, но и при желтом освещении особых отклонений не было заметно. Следовательно, резкие световые импульсы синего и желтого цвета не имеют разницы в силе оказываемого влияния на активность мышей и их поведение в целом. Однако, как признаются сами ученые, данный опыт является очень специфическим, поскольку обладает четкими параметрами, чего нет в природе, следовательно, он не может на 100% гарантировать получение подобных результатов в естественных условиях.
На следующем этапе исследования ученые реализовали еще более необычный опыт. В течение 7 дней мыши (8 особей) пребывали в условиях уравновешенного LD цикла (12 часов — день и 12 часов — ночь) с белым освещением. Спустя 7 дней, когда должна была наступить очередная фаза дня, ее отодвигали на 6 часов вперед или назад, заменяя этот промежуток времени фазой с синим или желтым освещением (2A).
Изображение №2
Было обнаружено, что изменения активности, вызванные желтым освещением, возникали намного быстрее (2B), чем вызванные синим, в обоих случаях смещения фазы (6 часов вперед и 6 часов назад). Что касается мышей без колбочек, то в их случае не было обнаружено каких-либо изменений активности ни в случае синего, ни в случае желтого освещения (2C и 2D).
Данный опыт подтверждает, что стимулы синего цвета куда менее эффективно модулируют активность циркадные реакции на свет, чем стимулы желтого цвета, при повторном вхождении в правильный уравновешенный циркадный ритм.
Цвет освещения повышает шанс незначительных сигналов привести к циркадной синхронизации. Данные наблюдений в совокупности представляют механизм, с помощью которого цветовые сигналы способствуют циркадной синхронизации за счет уменьшения ответов на световые сигналы, цвет которых напоминает поздние сумерки.
Чтобы изучить значимость этого механизма, ученые создали для подопытных новую тестовую камеру, позволяющую более динамично отслеживать и контролировать интенсивность и цвет освещения. Также в новой камере были установлены инфракрасные датчики, засекающие малейшие движения, связанные с пробуждением, а не только с ежедневными изменениями поведения.
Прежде всего необходимо было проверить, поддерживают ли цветовые сигналы синхронизацию, когда суточные изменения интенсивности освещения будут незначительны. Для подопытных мышей такие обстоятельства считаются весьма нестандартными, то есть они ранее не сталкивались с таким, что позволяет более точно оценить связь синхронизации, света и цвета.
Изображение №3
Первым делом была произведена оценка способности мышей сохранять синхронизацию при значительных суточных изменениях цвета освещения, но без изменения его интенсивности.
Сначала суточный цикл был уравновешен (12:12), затем фаза дня была заменена на L+S (желтый), а темная фаза на LS+ (синий), и наоборот, светлая на LS+ и темная на L+S (3A).
В обоих вариантах мыши сразу же теряли синхронизацию и просто бегали по камере более продолжительное время, чем при нормальном суточном цикле (3В). Учитывая одинаковую реакцию как на синее, так и на желтое освещение, можно смело предположить, что поведение мышей с цветом не связано. Цвет является лишь модулятором ответов на изменение интенсивности освещения.
Далее ученые решили проверить, будет ли ежедневное изменения цвета способствовать увеличению синхронизации при суточной вариативности интенсивности света. Для этого было создано два новых варианта условия опыта. В первом было незначительное изменение суточной интенсивности света без изменения цвета, во второй интенсивность менялась по той же схеме, но при этом менялся и цвет освещения.
Как и ожидалось, в первом случае мыши сразу же теряли синхронизацию, а их активность в течение суток удлинялась (3D). Однако во втором варианте опыта столь сильное влияние на поведение мышей изменений интенсивности света было смягчено изменением цвета. То есть цвет способствовал сохранению суточной синхронизации у мышей (3C).
Суммируя вышесказанное, можно сказать, что цвет освещения может влиять на синхронизацию цикла 12:12, но для этого необходимо изменять не только цвет освещения, а и его интенсивность.
Ученые не отбрасывают тот факт, что в некоторых регионах планеты суточные изменения интенсивности света могут быть намного более сильными (пример ученых — арктическое лето). Следовательно, некоторые животные вполне могут использовать цвет как дополнительный фактор суточной циркадной синхронизации. Однако большинство животных все же применяют цвет освещения в качестве компенсации стохастических колебаний суточного ритма интенсивности света (например, в случае облачной погоды).
Повышенная облачность может значительно снизить интенсивность естественного освещения, что делает время восхода и заката более неточным в случае, если полагаться исключительно на интенсивность. Но это не так, ведь смещения цветового спектра в сторону синего все равно происходит, независимо от облачности.
Изображение №4
Естественно, ученые должны были проверить и эту теорию, для чего создали еще одну экспериментальную камеру, в которой учитывались облака (4А). То есть были смоделированы трехдневные циклы лета северной широты с постоянно меняющимся уровнем облачности. В таких условиях интенсивность света менялась, однако был зафиксирован цвет освещения, напоминающий дневной.
12 подопытных особей сначала пребывало в камере с циклом дня и ночи 16:8 с ежедневными изменениями интенсивности и цвета освещения. Затем моделировались суточные изменения интенсивности за счет облаков с или без изменений цвета (4А и 4В).
Несмотря на то, что синхронизация была одинаковой для обоих вариантов условий (4C), большая часть изменений в поведении относилась именно к условиям без цветовых сигналов.
Сравнительная оценка изменений поведения показала значительное ухудшение синхронизации только при изменении интенсивности, но не при естественных условиях (4Е). Активность мышей менялась (4F) только при наличии изменений интенсивности (без вовлечения цвета).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
Если сложить воедино все результаты проведенных в данном исследовании экспериментов, то можно уверенно заявить, что изменение интенсивности света напрямую влияет на активность мышей в течение дня, а вот изменения цвета не имеют такого влияния. Ранее предполагалось обратное. Однако в проводимых ранее экспериментах, как считают ученые, использовалась не совсем верная методика — изменение соотношения коротковолнового и длинноволнового света, что приводит к малозаметным изменениям в интенсивности освещения и значительным изменениям его цвета. В результате получалось, что именно цвет влияет на активность, а не интенсивность, ибо она практически не менялась, а потому даже не учитывалась. В данном же труде интенсивность освещения была включена в эксперименты.
К тому же синее освещение, как показали опыты влияет на поведение мышей куда меньше, чем желтое освещение. Совокупность этих наблюдений полностью опровергает теорию о том, что синее освещение может пагубно влиять на биоритм животного, в том числе и человека. Благодаря данному труду мы не только получили более точные данные касательно корреляции освещения (интенсивность и цвет) и циркадного ритма, но и поняли, что далеко не все исследования ведутся правильно, что приводит к неточным, а иногда и вовсе неверным результатам. Доверяй, но проверяй, как говорят.
Основываясь на новых данных можно более точно и, самое главное, правильно настраивать освещение помещения в зависимости от времени суток и их предназначения. К сожалению, в большинстве случаев мы наблюдаем тотальное пренебрежение к освещению во многих офисах, торговых центрах и, что самое печальное, школах. Однако стоит понимать, что правильное освещение не является банальной прихотью, а самой настоящей необходимостью нашего организма. Кому-то может показаться, что освещение это незначительный аспект, влияющий на здоровье человека, однако даже незначительные упущения могут приводить к значительным последствиям.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы 🙂
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
