Вашему вниманию предлагается перевод статьи Lighting of Poultry Houses to Meet the Needs of Bird Eyes. На мой взгляд в ней поднимаются важные вопросы касающиеся освещения для птицеводства. Хотя и не со всеми выводами автора я согласен, думаю информация содержащаяся в ней будет полезна как для технологов крупных птицеводческих компаний, так и для птицеводов любителей.
Dipl. Ing. José Daniel Kämmerling
Соавторы: S. Döhring, A. Uhlenkamp and R. Andersson
Аннотация
Глаза птиц отличаются от глаз человека, особенно в отношении спектральной чувствительности и способности различать изменяющиеся во времени раздражители. До сих пор измерения освещенности в птичниках и оценка источников света все еще основывались на параметрах, разработанных для человеческого восприятия света. Необходимо учитывать различия в анатомии и физиологии глаз человека и птиц, чтобы оптимизировать условия освещения в птичниках. Можно предположить, что естественный дневной свет наиболее точно соответствует пожеланию птицы. Подходящие источники света должны охватывать весь спектр света способного восприниматься, включая свет УФ-А. Спектральные данные можно сравнить с контрольными значениями, измеренными в естественной среде обитания кур и индеек. Частота излучаемого света должна быть не менее 120 Гц. В качестве меры предосторожности в системах освещения рекомендуется добавление к частоте мерцания буферного диапазона. Сравнение различных источников света, предлагаемых для птичников, указывает на необходимость дополнительных исследований и разработок для улучшения качества освещения в птичниках. Кроме того, необходимо разработать процедуры проверки интенсивности света, которые покажут яркость, воспринимаемую птицей. Интенсивность освещения в птичниках обычно измеряется люксметрами, которые не могут обнаруживать свет УФ-А, даже если ультрафиолетовые волны способствуют восприятию яркости у птиц. В качестве практического подхода рекомендуется тестирование освещённости в функциональных зонах бесклеточного содержания (например, кормушки и зона отдыха), соответствующей различным предпочтениям для различных функций.
Введение
Свет играет решающую роль в развитии расклёва пера и каннибализма. Если не проводить дебикирование, то профилактика подобного поведенческого расстройства становится серьезной проблемой. Хорошей практикой управления птицей, содержащейся в закрытых птичниках, должно стать уделение особого внимания освещению. Прежде всего, следует понимать, что анатомия и физиология глаза птицы отличается от человеческого глаза. Свет влияет на птицу с помощью двух биологических механизмов: зрительного восприятия и воздействия на физиологию. Визуальное восприятие позволяет птице видеть картинку. Сетчатка глаза содержит эпителиальный слой со светочувствительными рецепторами, включая колбочки для фотопического (дневного) зрения и палочки для скотоптического (ночного) зрения. Физиологический эффект света важен для эндокринных функций, циркадного ритма и полового поведения. Свет также влияет на гипоталамус и контролирует выделение половых гормонов из гонад посредством высвобождения гонадотропинов (ГнРГ). Физиологические эффекты света используются в птицеводстве, для того, чтобы контролировать начало яйцекладки или вызвать линьку. Измерение восприятия света птицами имеет большое значение и является серьезной проблемой в разработке оптимальных программ освещения. Обычно используемые параметры, описывающие качество света с учетом особенностей человеческого зрения (интенсивность света в люксах; цветовая температура в Кельвинах), должны быть скорректированы из-за различий между человеческим зрением и зрением птиц.
Зрительное восприятие
Зрительное восприятие можно свести к двум основным понятиям, которые животные используют для распознавания предметов и которые важны для их выживания – это форма и цвет. Возможность определять, какой корм съедобен, а какой несъедобен, и отличать агрессоров или врагов от возможных партнеров обеспечивают выживание вида. Птицам необходимо справиться с особой задачей распознавания опасности и корма на расстоянии. Далекие объекты легче различать по цвету, чем по форме, поэтому птицам важно цветное зрение.
Физиология глаза
Глаз состоит из двух функциональных единиц: преломляющих структур, включающих в себя слезную жидкость, роговицу, переднюю камеру, хрусталик, стекловидное тело, и сетчатки. Сетчатка содержит фоторецепторные клетки глаза, палочки и колбочки. Палочки и колбочки содержат фотопигменты, которые меняют свою структуру под воздействием света. Далее следует каскад реакций, приводящий к электрическому сигналу. Биполярные клетки, клетки ганглиев, амакриновые клетки и горизонтальные клетки сетчатки участвуют в соединении и передаче сигнала через зрительный нерв в мозг. Передача сигнала представляет собой электрическую последовательность потенциала действия. В мозгу создается картина окружающей среды. Визуальное восприятие изображений является субъективным и индивидуальным процессом. У человека более 200 миллионов сенсорных клеток и миллиарды нервных клеток мозга участвуют в этом процессе. Палочки реагируют на минимальные световые раздражители. Однако они не могут определять цвет, а могут различать только свет и тьму (скотопическое зрение). Колбочки позволяют иметь цветовое зрение, но требуют активации определенной интенсивностью света. Фото пигменты колбочек поглощают только определенные длины волн света, в зависимости от типа колбочки. Сетчатка человеческого глаза содержит три вида колбочек, которые можно определить по максимальному поглощению. Три максимума поглощения это длинные (красные), средние (зеленые), и короткие (синие) волны. Длина волны света не передается напрямую в мозг. Колбочки всегда реагируют на соответствующие длины волн. Сила сигнала зависит от длины волны света. Чтобы создать в зеленочувствительных колбочках такую же силу сигнала длинноволновым (красным) светом, интенсивность длинноволнового света должна быть намного выше.
Зрительная система птиц
Птичье зрение сильно развито. На особое значение зрения для птиц указывает вес глаз: у птиц пара глаз обычно весит 7-8,5% от веса птицы, общая масса глаз человека всего 1% от массы тела. Базовая структура птичьего глаза похожа на глаз млекопитающих, но имеет некоторые дополнительные особенности.
· Из-за большого размера глазного яблока и относительно большей поверхности сетчатки, зрение и оптическое разрешение у птиц лучше, чем у людей.
· В преломлении света участвуют слезная жидкость, роговица, передняя камера с жидкостью, хрусталиком и стекловидным телом. Большая часть преломления света происходит на участке между воздухом и слезной жидкостью на роговице.
· В отличие от человека, у птиц четыре вида колбочек. Максимумы поглощения λmax колбочек цыплят следующие: 419 нм (UVS / VS), 455 нм (SWS), 508 нм (MWS) и 570 нм (LWS). Пигмент UVS у птиц проявляется в двух вариантах: пигмент VS с максимальным поглощением λmax между 402 нм и 426 нм и пигмент UVS с максимумом поглощения λmax от 360 нм и 373 нм. Lind и другие (2013) опубликовали максимум поглощения 418 нм для пигмента VS. У птиц также есть двойные колбочки с максимумом поглощения λmax около 580 нм. Предполагается, что двойные колбочки отвечает за регистрацию движений. Для сравнения, максимумы поглощения трёх колбочек в человеческом глазу около 420 нм (синий), 534 нм (зеленый) и 564 нм (красный).
· Колбочки человеческого глаза распознают световые волны длиной от 380 до 780 нм, в то время как птицы могут видеть цвет в гораздо более широком спектре, включая УФ-свет. Значения опубликованные для птичьего зрения значительно различаются между авторами: Prescott и Wathes (1999) сообщают о спектральной чувствительности до 740 нм. По данным Hart et al. (1999), цыплята могут видеть длины волн до 330 нм. Чуть более низкие значения от 350 до 360 нм были найдены Lewis и Morris (2006), Prescott и Wathes (1999) и Saunders et al. (2008). в последнем упоминании: Deeg (2009) приходит к выводу, что спектральное зрение имеет диапазон от 320 до 680 нм.
· У птиц зрение острее, чем у млекопитающих, что объясняется меньшим количеством колбочек на передающую нервную клетку. Колбочки также содержат масляные капли, которые уменьшают удельный диапазон поглощения отдельных колбочек. Это позволяет птицам видеть более четко и лучше различать длины волн или оттенки цвета.
· Соотношение колбочек и палочек в глазах человека и птицы различается: 5 к 95 процентам у людей по сравнению с 85 к 15 процентам у кур. Фактические цифры составляют 4,6 миллиона колбочек и 92 миллиона палочек в человеческом глазу по сравнению с 7,5 миллионами колбочек и 1,3 миллиона палочек в курином глазу.
· В зависимости от интенсивности или яркости света имеет место дневное (фотопическое), сумеречное (мезоптическое) или ночное (скотопическое) зрение. Согласно Lindsey и др. (2011) чувствительность рецепторов клеток зрительного нерва цыплят более 14 кд / м² (8 люкс) для дневного зрения и менее 0,8 кд / м² (0,5 люкс) для ночного зрения. Baer и др. (2016) считают значение более 30 кд / м² (20 люкс) границей для дневного зрения и значение менее 0,01 кд / м² для ночного зрения человеческого глаза.
· У птиц более высокое временное разрешение зрения, они различают больше смен изображений за секунду, чем люди. Критическая частота слияния мерцаний (CFF) - это частота, на которой серия световых раздражителей воспринимается как непрерывный свет. CFF зависит от освещённости окружающей среды. Несколько исследовательских групп оценили CFF для цыплят на основе поведенческих тестов и нашли значения между 71,5 и 105 Гц. Основываясь на измерениях электроретинограммы, Lisney и др. (2012) обнаружили более высокий CFF, равный 119 Гц.
· Из-за бокового положения глаз, монокулярное поле зрения у птиц (кроме сов) может достигать 360 °. Их бинокулярное поле зрения составляет всего 26 ° по сравнению с 120 ° для человека. Следовательно, пространственное разрешение у птиц хуже, чем у людей. Ограниченная мускулатура и боковое положение глаз в значительной степени компенсируется у птиц подвижной головой.
· Глаза птиц могут быстрее адаптироваться к смене уровня освещения (светлый-темный), чем глаза млекопитающих. Осуществляется это намеренным движением скелетных мышц радужной оболочки.
· Еще одна особенность птичьих глаз заключается в том, что птицы могут обрабатывать два разных изображения одновременно, например, использовать один глаз для поиска корма, в то время как другим наблюдать за потенциальными врагами.
Спектральный состав
Спектр излучаемого источником света, равен спектру излучения нагретого, абсолютно чёрного тела. Изменение цветового оттенка излучения в зависимости от температуры нагрева измеряется в Кельвинах (K). Европейский стандарт EN 12464 определяет цветовую температуру источника в трех категориях: дневной белый (> 5,300K), нейтральный белый (3,300 - 5,300K) и теплый белый (<3.300 K). Это одномерная шкала цветовой температуры . Rotscholl и Neumann (2015) отмечают, что параметр температуры цвета может легко привести к неверному истолкованию всякий раз, когда должны быть описаны небольшие различия в цвете. Одномерная шкала (Кельвин) также не может адекватно описать качество света для птичьего зрения. Способность птиц видеть свет в ультрафиолете UVA становится очевидной при сравнении фотографии объекта со стандартной камеры и ультрафиолетовой UVA камеры (Фигура 1). Лепестки выглядят монохромными на «цветной картинке» и можно увидеть цветовой градиент на снимке в ультрафиолете UVA.
Вместо простого параметра «цветовая температура», который можно найти на коммерческих осветительных приборах, необходимо учитывать полное спектральное качество источников света. В спектре должны присутствовать все области, которые актуальны для птицы, в том числе диапазон УФ-А (350–400 нм). Но хотя особенности птичьего глаза и его физиология известны, точные рекомендации по оптимальному освещению птичника пока дать не возможно. Естественный дневной свет может использоваться в качестве образца до тех пор, пока не появится дополнительная информация об искусственном освещении.
В более ранней публикации (Kämmerling et al. 2017) мы представили результаты спектрального радиометрического измерения состава дневного света в течение года в четырёх разных местах, таких как открытое небо, окраина леса, кустарник и глубь леса. Естественная среда обитания отличается для разных видов домашней птицы. У птиц, предпочитающих среду обитания в тени листьев другие требования к спектральному составу (включая УФ-А свет), чем у птиц, живущих под открытым небом. Домашние куры (Gallus gallus domesticus) являются потомками Банкивских Кур (Gallus gallus). Эта дикая птица обитает преимущественно в тени деревьев и кустарников в тропических и субтропических джунглях Юго-Восточной Азии. De Castro (2000) описал спектральный состав свет в джунглях Пуэрто-Рико (Центральная Америка). Состав очень похож на то, что мы находим в наших лесах. Предки наших индюков (Meleagris gallopavo) в основном встречаются в степях, на окраинах леса и редколесьях Северной и Южной Америки.
Основываясь на наших измерениях дневного света, мы рассчитали целевой спектр для кур и индеек (Фигура 2) соответствующий естественной среде обитания этих видов. Для цыплят использовали значения, измеренные летом в лесу и в кустарниках. Для индюков мы использовали замеры в течение года под ясным небом, на окраине леса и в редколесье, потому что дикие виды также подвержены сезонным изменениям дневного света и условиям в степи с небольшой тенью.
Измерения радиометрической освещенности иллюстрируют значительные различия между двумя целевыми уровнями. Чтобы показать обе кривые на одном графике использовались двойные шкалы Y, которые различаются в 10 раз: шкала для цыплят слева, для индюков справа фигуры 2. Кривые фигуры 3 показаны только для спектра от 315 до 700 нм.
Относительные целевые значения были рассчитаны для участков цвета в таблице 1. Учитывая широкий диапазон длинноволновой части спектра, красный был разделен на две области (I и II),. Область "red II" представляет собой наибольший объём. Максимум поглощения для соответствующих красных колбочек цыплят около 570 нм, но выше 650 нм кривая поглощения стремится к нулю. Требуется ли более высокая чувствительность при такой высокой интенсивности или из-за ограниченной поглощающей способности колбочек уровень не имеет большого значения - вопрос остаётся открытым.
Можно увидеть различия контрольных значений, особенно для света УФ-А: 2,5% для цыплят, против 5,8% для индеек, что соответствует естественной среде обитания индеек (степи и открытые леса, с небольшой тенью от растительности). Индейки также более чувствительны к УФ-А свету, чем другие виды домашних птиц.
Спектральный состав обычных источников света (лампа накаливания; люминесцентная лампа (КЛЛ); Светодиод холодный белый; LED теплый белый) значительно отличается, как показано на фигуре 4. Ни один из этих осветительных приборов не отвечает предполагаемым потребностям птицы.
Сравнение характеристик типичных источников света:
· Лампа накаливания: Свет излучается вольфрамовой проволокой, светящейся при температуре около 2400-2700 ° C. Большая часть излучения находится в инфракрасной области. В видимом диапазоне лампочка демонстрирует высокий уровень излучения в глубокой красной области (красный II) и низкий уровень в УФ-А и фиолетовой области.
· КЛЛ: Компактные люминесцентные лампы работают посредством электрического разряда в газе. Разряд заставляет светиться газ, содержащийся в стеклянном баллоне который состоит в основном из паров ртути. Покрытие лампы преобразует результирующее ультрафиолетовое излучение (253,7 нм) до видимого света. Образец КЛЛ, который мы проанализировали, показал очень неоднородное распределение в пределах разных длин волн. С одной стороны, мы сочли достаточным излучение в УФ-А и фиолетовой областях относительно эталонных значений, но с другой стороны, некоторые цвета, такие как зеленый и оранжевый были слишком выделяющимися.
· Светодиоды холодного и тёплого белого света: В зависимости от структурных свойств, светоизлучающие диоды могут производить видимый свет при помощи разных полупроводников. Наиболее распространённая структура - комбинация синего светодиода и одного или нескольких люминесцентных материалов, преобразующих излучаемый синий свет в более длинные волны (зеленый, желтый и красный свет). В зависимости от свойств люминесцентного вещества синий светодиод горит теплым (WW) или холодным белым (CW) светом. Анализируемые светодиоды (CW, WW) очень мало излучает в УФ-А или фиолетовой области. Холодный белый светодиод излучает в основном в сине-зеленом диапазоне, тёплый белый в основном в оранжевом и красном (Red I) диапазоне.
Чтобы оценить пригодность осветительного прибора для птичников, спектр должен включать область УФ-А, который необходим для птиц. Если области, способствующие визуальному спектру, отсутствуют, объекты будут видны с другими (неправильными) цветами. Световое окружение должно быть сопоставимым на протяжении всего жизненного цикла цыплят или индеек. Куры или цыплята учатся внутри световой среды, чтобы связать цвет с водой, кормом, другими членами в группе и смотрителями. Изменения в спектре, например, когда молодки переносятся в гнёзда, может привести к трудностям, потому что усвоенные ассоциации (корм, вода, товарищи и т. д.) больше не будут соответствовать новой среде. Подобные проблемы могут возникнуть, когда меняется цвет и форма кормушки или поилки при переходе с выращивания в производственные помещения.
Частота
Источники света излучают свет с разными частотами, которые выражаются в герцах. (Гц). Исследования критической частоты слияния мельканий птицы показывают диапазон от 20 до 119 Гц. Критическая частота слияния мельканий также зависит от интенсивности освещения.
Различия в интенсивности света могут быть зафиксированы с помощью скоростной камеры (5000 снимков в секунду); пример показан в таблице 2. Интенсивность света колеблется (модулируется) в разной степени в разных источниках света.
Частота источника света также может быть проанализирована с помощью осциллографа и фотодиода (Таблица.3) Частота источника света может зависеть от используемого режима работы. В зависимости от механизма управления, источника питания, диммирования и т. д., один и тот же источник света может испускать разные частоты. Чтобы оценить критическую частоту мерцания (CFF) осветительного прибора, вся установка, включая электроснабжение, устройство управления и источник света, должны быть проанализированы с использованием метода быстрого преобразования Фурье.
Частота мерцания системы освещения в птичнике должна быть не менее 120 Гц. Принимая во внимание индивидуальную чувствительность к мерцанию, системы освещения в птичниках должны предусматривать рабочие частоты выше 120 Гц.
Интенсивность освещения
Интенсивность света измеряется в люксах. 1 люкс = 1 люмен / м². Интенсивность света не описывает ощущаемую глазом яркость. С другой стороны представление глазу о яркости даёт яркость (кд / м²). Для фактического измерения интенсивности света, например, для проверки качества содержания животных, обычно используется люксметр. Однако это устройство дает только фотометрическое значение, которое отражает спектральную чувствительность глаза человека. Единица люкс или люмен имеет значение для человеческого глаза, но птицы имеют другую спектральную чувствительность и требуют других характеристик света, в том числе УФ-А свет. Приборы для таких измерений называются «Galli-Lux», «Clux». или « Индекс освещённости для домашней птицы». Фотометрические значения силы света для цыплят могут рассчитываться по следующей формуле (Gall 2007):
Где:
· Km - постоянная величина в лм / м2. В зависимости от вида зрения (скотопическое, мезопическое, фотопическое) используются разные значения.
· Xeλ - измеренная интенсивность излучения в Вт / м² относительно суммы (∫) излучения всех длин волн в видимой области (380-780 нм для человека; 350-780 нм для птицы)
· v (λ) – относительная спектральная светочувствительность, отличающаяся у людей и птиц (Lewis and Morris 2006)
· dλ - разрешение измеряемой интенсивности излучения (dλ = 1, если значение доступно для каждой длины волны)
Если известны все факторы, силу света (Xv) можно измерить как фотометрическую единицу измерения и выразить в люксах. Тем не менее, формула предназначена только для человеческого глаза. Значения V (λ) опубликованы Lewis и Morris (2006) только для фотопического зрения птиц, в то время как значения для скотопического зрения не доступны. Пограничные ситуации между скотопическим и фотопическим зрением также нужно принимать во внимание.
Константа (Km) для фотопического зрения относится к абсолютной интенсивности света, которая воспринята, но для учёта различия между человеческим и птичьим зрением должна быть принята в расчёт. На этот вопрос необходимо ответить до того, как конкретные значения для птицы, такие как «Gallilux», «Clux» или «Индекс освещенности для домашней птицы», можно будет сравнить с фотометрическими единицами в люксах.
Распределение силы света в птичнике важно. Свет распространяется одновременно от источника во всех направлениях, а интенсивность света при любом расстояние обратно пропорционально квадрату расстояния. Если свет светит с заданным углом раскрытия, то свет будет распространяться всё в большую площадь поперечного сечения: увеличение расстояния в два раза приведёт к увеличению освещаемой площади в четыре раза, а интенсивность света на см² будет соответственно уменьшаться. Всегда будет различия в интенсивности света (Фигура 5) в зависимости от угла и расстояния от осветительного прибора.
Может быть интересно специфическое освещение корпуса, разделённое по функциональным зонам.
Резюме и выводы
До сих пор измерение освещенности в птичниках и оценка источников света основаны на параметрах, разработанных для человеческого восприятия света. Различия в анатомии и физиологии глаз человека и птиц необходимо учитывать, чтобы оптимизировать условия освещения в птичнике. Часто используемые критерии (например, Люкс и Кельвин) должны быть скорректированы. Параметры источников света для птичников должны включать спектр, частоту и интенсивность (распределение яркости). Цветовая температура (Кельвин) не является адекватной величиной для оценки спектра, потому что она отражает только длину волны с максимальной интенсивностью. Подходящие осветительные приборы должны покрывать весь спектр, способствующий приему света, в том числе УФ-А. Спектральные данные можно сравнить с контрольными значениями для кур и индеек на основе их естественной среды обитания. Чтобы оценить критическую частоту световых пульсаций, необходимо учитывать разрешение птичьих глаз. Частота излучаемого света должно быть не менее 120 Гц. Рекомендуется значительный запас в сторону увеличения, так как индивидуальная чувствительность к мерцанию может сильно отличаться. Интенсивность освещения в птичниках обычно измеряется люксметрами, которые не могут обнаружить УФ-свет. Таким образом, птицы могут видеть свое окружение. ярче, чем предполагает измерение. Процедуры тестирования должны быть разработаны, чтобы показать яркость, воспринимаемую коммерческой птицей. При практическом подходе рекомендуется проводить тесты на предпочтение интенсивности света в функциональных зонах внеклеточных систем (например, в зоне кормления и отдыха). Сравнение различных коммерческих осветительных приборов для птичников указывают на потребность в большем количестве исследования и разработки для улучшения качества освещения в птичниках.