Введение: электромагнитные волны и синий свет
Современные люди десятки тысяч лет, а их предки и прародители многие миллионы развивались под светом звезды, что мы зовем Солнцем. Наше светило посылает на Землю неимоверное количество энергии в виде электромагнитных волн, из которых лишь малую часть, очень узкий спектральный диапазон мы воспринимаем нашим органом зрения.
Электромагнитная волна при определенных условиях может вести себя как элементарная частица (мы говорим: “проявляет корпускулярные свойства”), что описывается красивым и удобным в использовании словом фотон. Энергетический потенциал электромагнитных волн или фотонов обратно пропорционален длине волны. Со времен Адама и Евы, люди очень сильно продвинулись в изучении природы. Мы нашли огромное количество способов применения полезных (и не очень) свойств электромагнитных волн, в зависимости от их спектрального диапазона или длины волны. Схематически это представлено на Картинке 1. Заметим, что с помощью наших глаз нам дано воспринимать лишь ничтожно маленькая малую часть всего спектра, примерно от 390 до 700 нм.
Итак, люди и всякие звери эволюционировали и прекрасно приспособились к миру, в котором днем есть солнечный свет (со спектром от красного до фиолетового), и он же, вполне очевидно, отсутствует ночью. В спектре излучения открытого огня (костер в пещере, отблеск лесного пожара и т.д.), т.е. источника света, который можно встретить в природе ночью, синий свет (и уж тем более фиолетовый) практически отсутствует. Другими словами, в естественной природе ночью синего света не найти (луна и звезды не в счет, в силу слабости излучения). Возможно поэтому именно синий свет стал играть особую роль в жизнедеятельности животных и человека. Но, чтобы приблизиться к пониманию этого феномена, давайте разберемся, зачем нам глаза (понятное дело, что мы “в них видим”, но по научному это звучит иначе).
Ключевые функции глаз
Мы, как и все зрячие млекопитающие, через глаза получаем световую информацию, а они - глаза - выполняют для нас 2 основные функции.
Первая, назовем ее изобразительная или “Изо-функция”, как, очевидно, следует из названия, собирает световой сигнал для последующей передачи в мозг и формирования там картинки об окружающих нас предметах и явлениях. Для этого в ход идут всем известные со школьных лет палочки и колбочки, расположенные на внешней стороне сетчатки глаза и передающие импульсы в кору головного мозга через ганглионарные (ганглиозные) клетки сетчатки (Фух!).
Вторая, ничуть не менее важная функция, напрямую в производстве изображения у нас в голове не участвует. Поэтому, логично будет обозвать ее неизобразительной, или “НеИзо-функция”. Именно она, однако, помогает регулировать нашу физиологическую и поведенческую адаптацию к уровню освещения вокруг нас. Реакция на свет и тьму, или, как выражаются ученые собратья, фотоответ этой НеИзо-функции варьируется достаточно широко: от регулировки диаметра зрачка, до настройки циркадных часов нашего организма, или даже сезонного репродуктивного поведения (у многих животных).
Клетки, отвечающие за НеИзо-функцию работают с фотопигментом под названием меланопсин. Фотопигменты - это нестабильные пигменты, которые подвергаются химическим изменениям при поглощении света, а клетки, содержащие такие пигменты - фоточувствительные клетки.
Пик поглощения света у фоточувствительных клеток сетчатки нашего глаза приходится на 480 нм, т.е. синий свет (О как! Однако!). На это же значение (синий свет) приходится, кстати, и максимальная чувствительность зрачка к свету (это когда в живой глаз светят фонариком, а зрачок сужается), а так же наибольшее подавление выработки гормона мелатонина и даже обострение мигрени под воздействием света.
Искусственное освещение и синие светодиоды
Ладно, предположим, с глазами немного прояснилось. Казалось бы, “а причем здесь Лужков”, т.е. смартфоны, планшеты и иже с ними?
Пока наши предки не знали электричества, ночь оставалась ночью, без синего и вообще какого-либо искусственного света. Но уже больше 100 лет как людям стал доступен надежный искусственный источник света - “лампочка Ильича” (злые и коварные “прозападные” языки утверждают, что фамилия у Ильича - Эдисон), она же известна, как лампа накаливания.
Спектр излучения лампы накаливания очень похож на тот, что мы получаем от солнца. Но при этом лампа, которая после своего изобретения в конце 19-го века кардинальным образом изменила нашу жизнь, обладает одним очень существенным недостатком: она крайне неэкономична. Ее КПД хуже чем у паровоза! Она не столько светит, сколько обогревает вселенную!
Возникшее как результат, экономическое и экологическое давление направленное на снижение потребление энергии привело к поэтапному отказу от ламп накаливания. На замену им, в частности в электронике, стали приходить так называемые низкоэнергетические устройства.
Одно из последних изобретений, уже 21-го века, работающее на благо большей части человечества - это светоиспускающий диод или светодиод. Причем, современные светодиоды могут испускать свет разной длины волны (т.е. иметь разный цвет). Но вот изобретение именно синего светодиода оказалось самым сложным и имело столь колоссальный экономический эффект, что вполне заслуженно было отмечено вручением Нобелевской премией по физике за 2014 год.
Преимуществами светодиодного освещения среди прочего являются весьма приличный срок службы и большая эффективность (КПД), и, как следствие, меньшее выделение тепла. На сегодняшний день очень многие страны инициировали национальные проекты по замене стандартных лампочек на светодиоды для экономии электроэнергии.
И наконец, в настоящее время светодиодная подсветка используются в большинстве экранов для телевизоров, компьютерных мониторов, смартфонов и планшетных устройств. Причем смартфоны и планшеты - новейшие изобретения человечества, которым лишь недавно исполнилось 15 лет.
Доминирующим методом светодиодной подсветки в таких устройствах является использование комбинации синего светодиода (длина волны 460 нм) и люминофорного покрытия с широким спектром желтого-красного излучения для получения «белого» света. В результате такой комбинации получается свет с гораздо более высокой долей коротковолнового излучения (синего), по сравнению с тем, который генерируется “более естественными” лампами накаливания. И, к сожалению, такая комбинация (синий светодиод - желто-красный люминофор) самая экономичная и практичная, что, вполне вероятно, означает - преобладание синего цвета в спектре излучения современных устройств с внутренней подсветкой есть и будет обычным явлением в ближайшее будущее.
Более сбалансированные светодиодные лампы с использованием нескольких цветов (красный, зеленый, синий, желтый) существенно сложнее и значительно дороже. Ситуация может изменится в долгосрочной перспективе, особенно в связи с распространением технологии AMOLED, в которой внутренняя подсветка не используется, так как светится каждый отдельно взятый пиксель. Но и в спектре излучения таких устройств доля коротковолнового света (синего) может существенно отличаться от естественного (солнечного) спектра.
Изобразительная функция и “опасность синего света”
И вот, наконец мы подобрались к основной сути этой статьи. Как же современный носимые устройства, с искусственным освещением могут влиять на функции наших глаз, а вместе с ними и на наше здоровье?
Итак, функция первая - изобразительная. Оказывается, уже на протяжении многих лет известно, что синий свет фототоксичен для сетчатки (экспериментально подтверждено еще в 1976 году). В литературе для обозначения этого феномена используется термин “Blue-Light Hazard” или “Опасность Синего Света” (ОСС). И хотя в названии фигурирует именно синий свет, на самом деле фотохимические повреждения могут производится светом даже за пределами видимого диапазона.
Любое оптическое излучение с длиной волны меньше 700 нм способно вызвать повреждение сетчатки. Другое дело, что, например, красному свету на это потребуется ооочень много времени и большая интенсивность, чтоб вызвать заметный эффект. Однако мощный источник, даже с привычным нам спектром излучения (звезда по имени Солнце), может решить вопрос за считанные секунды. Так, серьезные повреждения сетчатки регулярно фиксируются при наблюдении за солнечным затмением незащищенными глазами.
Возвращаясь к эффекту ОСС - он характеризуется определенной функцией, зависящей от длины волны, которая по сути означает чувствительность глаза к повреждениям в зависимости от разной окраски света попадающего на сетчатку. Чем больше значение этой функции, тем больше опасность. Функция зависит от многих факторов, как то размер источника, расстояние до источника, время воздействия, индивидуальные особенности и так далее. Клиническая картина может осложниться неоднородной зависимостью от возраста. Так например у молодых и старых хрусталик по разному пропускает синий свет, в результате чего, у пожилых людей эффект ОСС не такой значительный, при одинаковой прошедшей в глаза дозе излучения. Определенную роль в защите от ОСС играет и желтое тело внутри глаза.
Усредненная функция ОСС изображена на Картинке 2 (адаптирована) в виде кривой А. Из этой кривой следует, что максимальная вредительская способности света соответствует коротковолноволновому спектральному диапазону, а точнее синей часть видимого спектра. Как видно, максимум потенциального воздействия на глаз приходится на длину волны примерно в 445 нм.
Для сравнения, на этой же Картинке 2 представлены спектральная мощность излучения синего светодиода (кривая В) и традиционной лампочки накаливания (кривая С). Обратим внимание, пик мощности излучения синего светодиода очень близок к максимуму чувствительности глаза к повреждениям светом. Ультрафиолет, кстати, в этом отношении не так опасен, так как почти не достигает сетчатки, поглощаясь в основном в хрусталике (случаи патологии, когда хрусталик отсутствует, мы не рассматриваем).
Итак, повторимся, строго говоря, любое оптическое излучение, включая видимый свет, инфракрасный и ультрафиолетовый могут вызвать повреждения сетчатки, причем механизм повреждений можно условно разделить на три способа.
а) Механическое повреждение, например, если “пульнуть” в глаз мощным лазером.
б) Термическое повреждение в результате сильного нагрева сетчатки.
в) Фотохимическое повреждение в результате поглощения фотонов с достаточной энергией для запуска химической реакции в сетчатке.
Способы а) и б) требуют экстремально высоких интенсивностей излучения, источники которых в повседневной жизни, как правило, не встречаются. А вот третий механизм - фотохимическое повреждение - как раз его начали пристально изучать еще в 70-е годы прошлого века.
Было установлено, что да, фотохимическое повреждение сетчатки может произойти даже в обычных условиях под воздействием излучения от коммерчески доступных источников света. Тогда же и появился этот термин - ОСС (Опасность Синего Света). Эффект ОСС обусловлен нарушением фотохимического взаимодействия между пигментным эпителием и фоторецепторами (палочками и колбочками). Пигментный эпителий выполняет несколько важных функций для поддержания чувствительность фоторецепторов к свету, в том числе фотопигментной регенерация. Эффект ОСС принимает форму дискретного, депигментированного поражения, что наблюдается как бледное пятно на эпителии через 48 часов после воздействия достаточного количества света на сетчатку. Функционально это повреждение вызывает скотому на сетчатке. В зависимости от условий воздействия света на сетчатку, она может восстановиться, скажем, через несколько месяцев, а может уже и нет.
Биологические доказательства фототоксичности синего света для сетчатки периодически проверяется организациями, такими как Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP). Эта организация, в частности, опубликовала руководство, в котором указано предельно допустимое (пороговое) значение яркости источников белого света. Величина этого порогового значения составляет 104 кд∙м-2 (наличие усредненной синей составляющей в этом значении учтено). Эта величина, к примеру, используется в качестве верхнего предела в современных приборах, ограничивающих максимальное световое облучение, которому подвергаются американские рабочие.
Имея эти цифры, группа товарищей (ученых) из разных стран, задалась целью провести сравнительное сопоставление искусственных источников света (лампа накаливания, люминофорная, диодная), с естественными, такими как голубое небо в безоблачный день, а также оценить уровень опасности и тех и других. Особое внимание уделялось экранам для телевизоров, компьютерных мониторов, смартфонов и планшетных устройств.
Результат измерения яркости самого синего неба (лето, безоблачный день), какое удалось найти в средних европейских широтах, говорит о том, что даже с учетом функции ОСС, небо выдает нам примерно 10% от предельно допустимой дозы облучения светом (исходя из данных все той же ICNIRP). А зимой нам достается света еще меньше.
С точки зрения опасности синего света все бытовые лампы находятся в диапазоне от 10 до 20% от предельного значения воздействия, и то, только в том случае, если человек преднамеренно и долго (больше 2.5 часов в день) глазеет на лампочку. Примечательно, что “лампочка Ильича” (накаливания) попадает где-то в серединку разброса со своими 14%.
Тут еще стоит упомянуть индикаторные светодиоды - в современных электронных устройствах они часто в наличии. Предназначены они для информирования, например, о том, что прибор подключен к сети. Для этого они и светят, но иногда так сильно (особенно те, что голубые), что для кого-то ночь уже не ночь, т.е. некоторых это бесит. Оказывается, неспроста. Их нельзя долго разглядывать, особенно с близкой дистанции (например, 100 см и меньше). Само по себе это разглядывание не очень приятно, но если вы все же нашли в себе силы и пялитесь на индикаторный светодиод больше часа, то есть вполне реальная опасность нанести вред своим глазам!
Ну и, наконец, экраны для всевозможных электронных устройств. Все они тестировались на максимальной яркости, изображая просто белый лист бумаги (любое другое изображение с цветными элементами, в силу принципа действия, означало бы снижение яркости). Среди всех протестированных устройств, как оказалось, максимальной яркостью обладали смартфоны (примерно 400∙104 кд∙м-2 или 400 нит). Но даже они генерировали свет лишь в 0.4% от предельно допустимого значения воздействия (с точки зрения опасности синего света). Дело происходило в 2015-2016 годах. Современные смартфоны, например, iPhone, в определенных режимах (в пике) могут выдавать 1200 нит яркости, но это не изменит ситуацию существенным образом, так как речь, в таком случае, идет об одном (или чуть более) проценте от предельного значения.
Первый промежуточный вывод
Самый приятный - долгое блуждание в облаках и разглядывание неба не представляет никакой опасности для глаз, что не удивительно, иначе бы все романтики вымерли тысячелетия назад. Смотреть незащищенным глазом на солнце - больно, потому что это опасно (вредно), и это тоже очевидно - те кто этого не понял, почти вымерли, не оставив потомства. Что касается современных электронных гаджетов, то с точки зрения первой, т.е. изобразительной функции глаза - они безопасны.
Электронные устройства и неизобразительная функция
Наша повседневная жизнь подвержена циклическим колебаниям интенсивности различных физиологических процессов, что непосредственно обусловлено вращением земли вокруг своей оси и сменой дня и ночи. В просторечье мы зовем сей феномен биологическими часами, а по-научному это принято называть циркадными ритмами. Как уже упоминалось выше, НеИзо-функция глаз принимает самое непосредственное участие в настройке циркадных ритмов.
Люди проявляют циркадные ритмы в физиологии, обмене веществ и поведении, во всем, что необходимо для поддержания гомеостаза организма (что бы это ни значило) синхронизированного с 24-мя часами в сутках. Неоднократно было доказано, что хроническое нарушение циркадного ритма представляет непосредственную угрозу здоровью. Так, например, сбой циркадных ритмов, обусловленный ночными дежурствами, является известным фактором риска, способствующим психическим расстройствам, желудочно-кишечным нарушениям, проблемам сна и когнитивным нарушениям.
Одним из гормонов, участвующих в регулировке наших биологических часов является мелатонин. Мелатонин - это гормон, вырабатываемый эпифизом или шишковидным телом где-то у нас в голове. Важно, что вырабатывается он ночью, в темноте. По сути - это информатор, сигнализирующий всему телу о том, что солнце спряталось за горизонтом (точнее так было, пока люди не придумали искусственное освещение).
Известно, что свет может оказывать благотворное влияние на здоровье при правильном использовании (контроле времени и интенсивности воздействия). Световое облучение (в том числе синим светом) используется в качестве эффективного терапевтического средства при лечении депрессии и циркадного расстройства сна. Это называется «фототерапия» или «Терапия ярким светом».
В тоже время, воздействие света на человека ночью может замедлить или даже прекратить производство мелатонина. И тут оказывается, что коротковолновый свет (он же известный как синий) максимально эффективен при подавлении выработки мелатонина (пик чувствительность приходится на 460 нм).
Подавление светом производства мелатонина ночью связывают с нарушениями сна, повышенным риском ожирения, а даже с повышенным риском развития более серьезных заболеваний, таких как рак молочной железы.
А что является искусственным источником, как освещения в общем, так и синего света в частности? Источником, который мы активно используем уже после заката? Конечно же всевозможные электронные устройства со светящимся экраном. Планшеты и смартфоны стремительно (в масштабах истории цивилизации) ворвались в нашу в повседневную жизнь. К примеру, в Америке всего за 2 года, с 2011 по 2013 среднее время использования смартфона увеличилось с 98 минут почти вдвое до 195 (т.е. больше 3-х часов) в день. Исходя из практических соображений, очевидно, что яркость экранов электронных устройств достаточно низкая (см. часть 4. Изобразительная функция и “опасность синего света”), тем не менее, значительная часть населения в наши дни проводит с компьютерами, ноутбуками, планшетами и мобильными телефонами по много часов в день, в том числе и ночью. Почти половина американцев проглядывают смартфоны в своей спальне не меньше часа перед сном. А среди молодежи это время существенно больше. При этом, эпидемиологические исследования указывают на непосредственную негативную связь между использованием электронных устройств ночью и качеством сна.
И вот теперь самое главное. Целый ряд исследований фиксируют статистически достоверное снижение или приостановку выработки (т.е. нарушение) мелатонина в ночное время уже после 2-х часов “общения” с планшетом или смартфоном (со стандартной светодиодной подсветкой, в которой спектр излучения смещен в синюю область). А мелатонин, еще раз повторимся, - гормон участвующий в регулировке наших циркадных ритмом. Таким образом, НеИзо-функция наших глаз, под воздействием искусственного синего света вступает в противоречие с биологическими часами нашего же организма и, потенциально может привести к их серьезному сбою.
И что очень примечательно, что эффект воздействия экранов на выработку мелатонина значительно снижается, если электронное устройство позволяет отключить (отфильтровать) синий свет в спектре излучения!
Второй промежуточный вывод
Во многих современных планшетах и смартфонах имеется специальный ночной режим освещения, в котором из спектра излучения “вырезается” синяя составляющая. То, что на первый взгляд, может показаться очередным маркетинговым приемом - якобы менее вредный для глаз режим - на самом деле имеет вполне обоснованный физический смысл. Сами глаза от наличия синего света в электронных устройствах, как мы выяснили выше, не страдают. А вот избежать проблем, связанных со сбоем биологических часов, такой ночной режим вполне может помочь.
Заключение
Непрерывное развитие технологий приводит к созданию все более мощных устройств с внутренней подсветкой (телевизоры, компьютеры, смартфоны и так далее). Прямой угрозы для зрения эти устройства не представляют. Их использование, помимо комфорта и удовольствия, в свою очередь стимулирует развитие технического прогресса, что подразумевает наличие так называемой положительной обратной связи. Поэтому нет смысла ожидать сколько-либо заметное торможение в растущем потреблении электронных устройств, даже несмотря на раздающиеся голоса и обоснованные мнения, что высокие уровни излучения света от таких устройств, при использовании в вечернее или ночное время, представляют реальную опасность для здоровья, вследствие нарушения циркадных ритмов (например, из-за подавление производства мелатонина). Мы так быстро привыкли к смартфонам, что даже не успели задуматься. А, наверное, стоит.
Поэтому, если вы ищете способ хоть как-то себя обезопасить, но не готовы отказаться по вечерам от зависания в соц. сетях, непрерывной проверки почты или исследования новостных каналов, то, по крайней мере:
а) имеет смысл переводить смартфон (планшет) в ночной режим (у кого он есть) с пониженным излучением синего света. А при использовании устройств в качеств электронной книги, можно настоятельно порекомендовать:
б) установить темный режим, т.е. черный фон и светлые, например, зеленые, а еще лучше красные буквы. С непривычки может показаться странным, но быстро привыкается.
Папа физик – подробно о важном.