Informacja

Czy istnieje powód, dla którego ludzki wzrok i rośliny wykorzystują tę samą długość fali światła?

Czy istnieje powód, dla którego ludzki wzrok i rośliny wykorzystują tę samą długość fali światła?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Akceptowany zakres długości fal światła, które może wykryć ludzkie oko, wynosi w przybliżeniu od 400 nm do 700 nm. Czy to przypadek, że te długości fal są identyczne jak w zakresie promieniowania aktywnego fotosyntetycznie (PAR) (długość fali światła używana do normalnej fotosyntezy)?

Ewentualnie czy jest coś specjalny o fotonach o takich poziomach energii, które prowadzą do stabilizowania selekcji w wielu gatunkach tak różnych, jak ludzie i rośliny?


Dobre pytanie.

Jeśli spojrzysz na rozkład energii spektralnej w przyjętej tutaj odpowiedzi, zobaczysz, że fotony o długości fali mniejszej niż ~300 nm są absorbowane przez takie gatunki jak ozon. Znacznie ponad 750 promieniowanie podczerwone jest w dużej mierze pochłaniane przez takie gatunki jak woda i dwutlenek węgla. Dlatego zdecydowana większość fotonów słonecznych docierających do powierzchni ma długości fal leżące pomiędzy tymi dwoma ekstremami.

Dlatego sugerowałbym, że organizmy powierzchniowe zaadaptowały się do wykorzystywania tych długości fal światła, niezależnie od tego, czy będą używane w fotoreceptorach, czy w fotosyntezie, ponieważ są to dostępne długości fal; tj. organizmy przystosowały się do używania tych długości fal światła, a nie te długości fal są specjalne jako taki (chociaż w konkretnym przypadku fotosyntezy istnieje słodki punkt energii fotonów).

Na przykład to badanie sugeruje, że niektóre grzyby mogą faktycznie wykorzystywać promieniowanie jonizujące w metabolizmie. Sugeruje to, że hipotetyczne organizmy na świecie skąpanym w promieniowaniu jonizującym mogą wyewoluować mechanizmy wykorzystania tej energii.


Wybór, o którym mówisz w wielu gatunkach, może wynikać z obopólnej korzyści. Jeśli owoce pochłaniają widoczne długości fal, mogą zostać zauważone przez inne zwierzęta i zjedzone razem z nasionami. Nasiona mogą następnie dojrzewać wewnątrz żywiciela, a po wyeliminowaniu z kałem wyhodować nową roślinę w innym miejscu.

Dotyczy to nie tylko absorpcji światła, ale także emisji światła: w przypadku niektórych owoców dojrzewanie powoduje niebieską luminescencję UV, którą mogą zauważyć niektóre owady.


Ogólną zasadą optyki jest to, że światło oddziałuje z materiałami, które mają cechy o wymiarach zbliżonych do długości fali światła. Na przykład fale radiowe o dużych długościach oddziałują z dużymi obiektami, takimi jak samoloty, tak jak w przypadku radarów, a naprawdę małe długości fal (promienie rentgenowskie i gamma) oddziałują z naprawdę małymi obiektami, takimi jak jądra atomów. Jeśli weźmiesz widmo widzialne, światło oddziałuje z materiałami o podobnych wymiarach i/lub energiach, takich jak C-C, C=O itp., które stanowią większość związków organicznych. Heck, światło o odpowiedniej długości fali może nawet wchodzić w interakcje (lub w tym przypadku ulegać dyfrakcji) z materiałem organicznym, który posiada wiele grup C=O-OH rozmieszczonych w odległościach podobnych do długości fali światła, które na nią pada (pod warunkiem, że są one regularnie rozmieszczone i jest ich wiele, co daje obserwowalny wynik). Ponieważ wszystkie organizmy są oparte na węglu, C-C, C=O, C-O, C=_N itd. dominują w składnikach żywej materii od siatkówki ludzkiego oka po światłoczułe związki w roślinach. Stąd z punktu widzenia interakcji światło-materia wszystkie żywe istoty zbudowane są z mniej więcej takich samych materiałów i dlatego rośliny używają podobnej długości fali, jaką ludzkie oko może wykryć w procesach fotosyntezy.

Źródło: tylko moja intuicja


To pytanie jest powiązane z pytaniem: dlaczego niektóre rzeczy są przezroczyste, a inne nieprzejrzyste?

Widzenie czegoś wymaga, aby było ono nieprzezroczyste i aby było ono oświetlane dostateczną ilością światła.

UV i krótsze fale nie są tak powszechne jak światło widzialne na Ziemi. Świat wydawałby się zbyt ciemny, aby zobaczyć, czy używamy UV i krótszych długości fal. Dzieje się tak, ponieważ nasza atmosfera pochłania najwięcej światła o wysokiej energii.

Podczerwień i dłuższe fale światła przechodzą przez wiele obiektów, co utrudniałoby widzenie. Mniej światła dociera tu do Ziemi, a jeszcze mniej ulega załamaniu.

Pomyśl o tym, jak bardzo nasza wizja opiera się na świetle pośrednim. Częstotliwości, przy których większość obiektów jest nieprzezroczysta, sprawiają, że są one przydatne dla widzenia ze względu na akumulację załamanego światła.

Dlaczego wiele obiektów jest nieprzezroczystych w widzialnym spektrum światła? Dłuższe fale światła mają mniej energii niż elektrony walencyjne większości materii. Krótsze fale mają zbyt dużo energii, powodują reakcje chemiczne, a ponadto nie są zbyt rozpowszechnione na powierzchni Ziemi.

Elektrony są tym, co pochłaniają, a następnie przepuszczają światło i mają progi oparte na ich chemii, określające, co mogą wchłonąć. Brak absorpcji = przezroczysty. Zaczyna się zachodzić zbyt dużo energii i reakcji chemicznych, co może być niepożądane lub pożądane w syntezie witaminy D za pomocą światła UV.

Rośliny pozyskują energię do reakcji chemicznych z długości fal krótszych niż podczerwień, która jest zbyt słaba, aby napędzać fotosyntezę, i nie jest tak obfita jak światło widzialne. Ale także pochłaniają fale dłuższe niż częstotliwości jonizujące, które nie są zbyt powszechne i zwykle powodują uszkodzenia.

Światło widzialne to spektrum światła, które jest wystarczająco rozpowszechnione na Ziemi, aby widzieć, ale nie jest tak energetyczne, aby zaszkodzić systemom biologicznym. Właściwości optymalnych częstotliwości światła w polu widzenia i fotosyntezy nakładają się, ponieważ mają podobne mechanizmy interakcji ze światłem. Co to za mechanizm? Chemia życia opartego na węglu.


Postrzeganie światła i koloru, czyli dlaczego liście są zielone?

Ten post dotyczy tego, jak postrzegamy kolor i jaki ma to związek ze sztuką i obrazami generowanymi komputerowo. Pracując cyfrowo, czasami zapominam, że istnieje prawdziwy świat, którego obraz cyfrowy jest tylko przybliżoną reprezentacją. Ciekawie jest cofnąć się od tego raz na jakiś czas i dowiedzieć się nieco więcej o tym, jak światło i kolor są postrzegane przez nasze oczy i mózg. Poniżej znajduje się rażąco uproszczony opis widzenia kolorów i trochę tego, jak odnosi się to do kolorów na obrazach cyfrowych.

Dlaczego liście są zielone?

Być może to nawet nie jest właściwe pytanie. Kolor istnieje przede wszystkim w naszych umysłach – liście są tylko “zielone” ponieważ postrzegamy je jako zielone. Ale nie chcę zejść do filozoficznej króliczej nory, więc będę się trzymać tego, dlaczego „z biologicznego punktu widzenia” postrzegamy je w ten sposób.

Nasze postrzeganie koloru przedmiotu zależy od kilku rzeczy:

  • Zakres długości fal występujących w świetle padającym.
  • Długości fal światła, które obiekt odbija lub pochłania.
  • Komórki receptorowe w naszych oczach, które wykrywają odbite światło.
  • Interpretacja przez nasz mózg sygnałów z tych receptorów.

Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że nasze kategoryzacja rzeczy na kolory ma więcej wspólnego z naszymi mózgami niż z samym światłem. Białe światło składa się z mieszanki wszystkich widzialnych długości fal światła, od około 400 do 700 nanometrów w długości fali, a dany obiekt pochłonie niektóre, a odbije inne, w zależności od tego, z czego jest zrobiony. Błędem jest więc myślenie, że czerwony obiekt odbija tylko „czerwone” światło, po prostu mocniej odbija długości fal w czerwonym obszarze widma.

Główną cząsteczką nadającą liściom ich kolor jest chlorofil. Liście są wypełnione chlorofilem, ponieważ jest to kluczowy składnik fotosyntezy, który pozwala roślinom wykorzystywać energię słoneczną do przekształcania wody i dwutlenku węgla w cukry. Widmo absorbancji chlorofilu wygląda mniej więcej tak:

Aby jak najlepiej wykorzystać światło padające ze słońca, które po rozproszeniu w atmosferze ma kolor niebieskawy (zwróć uwagę na kolor nieba), chlorofil pochłania jak najwięcej niebieskiego światła –, o czym świadczy główny pik w widmo absorbancji powyżej wokół długości fal w kolorze indygo. Dolina niskiej absorpcji, którą widzimy pośrodku wokół żółto-zielonego obszaru widma, zostaje odbita – i daje zielony kolor chlorofilu.

Kolory RGB

Kiedy jednak porównamy obfitość różnych długości fal światła odbitego od liścia, ze sposobem, w jaki przedstawiamy kolor cyfrowo, początkowo wydaje się, że czegoś poważnie brakuje. Kolor w obrazach cyfrowych jest reprezentowany przez nędzne trzy liczby i #8211 nasze wartości RGB. Jak można porównać tę prostą trójkę liczb do znacznie bardziej złożonego widma długości fal, które otrzymujemy z rzeczywistego obiektu?

Kolor i oko

Powód dotyczy tego, jak kolor działa w oku. Komórki w naszej siatkówce, które wykrywają kolor (nazywane komórkami czopków), są pełne pigmentów reagujących na światło. Gdy pada na nie światło, zmieniają kształt i poprzez reakcję łańcuchową z innymi cząsteczkami w komórce generują impuls elektryczny. Ale te pigmenty, takie jak chlorofil, również reagują na spektrum długości fal i nie potrafią ich naprawdę rozróżnić. Aby wykryć kolor, potrzebujemy trzech różne rodzaje komórek receptorowych, każda z innym fotopigmentem o nieco innym spektrum absorbancji, która reaguje mniej lub bardziej silnie na różne obszary widma światła widzialnego. To błędne przekonanie, że odpowiadają one „czerwonemu”, „8220” zielonemu i „8220 niebieskiemu”, ale efektem netto jest to, że porównując odpowiedzi z tych różnych receptorów, możemy stwierdzić, czy światło patrz zawiera więcej fal czerwonawych, zielonkawych lub niebieskawych.

Nie jest więc zbiegiem okoliczności, że cyfrowy model kolorów RGB wykorzystuje trzy wartości kolorów, ponieważ mieszając różne ilości tych trzech kolorów, możemy odtworzyć efekt (prawie) całego spektrum długości fal. Komórki w naszych oczach przetwarzają dane na trzy kanały w bardzo podobny sposób, więc zauważamy bardzo niewielką różnicę. (W rzeczy samej, właśnie dlatego model kolorów RGB został zaprojektowany w ten sposób).

Ale co z Magenta?

Następną rzeczą do omówienia jest to, jak przechodzimy od koncepcji długości fal reprezentujących kolory do znanej idei koła kolorów. Chociaż pokazałem już, że większość kolorów, które widzimy, składa się z całej mieszanki długości fal, działałem również, ponieważ każdej długości fali światła teoretycznie można przypisać określony kolor. Rzeczywiście, mogą one, o czym świadczą pewne rodzaje źródeł światła, takie jak lasery, które mogą wytwarzać światło o pojedynczej długości fali, które widzimy jako kolorowe światło, lub patrząc na światło przez pryzmat, rozszczepia się na tęczę o różnych długościach fal. Jednak długości fal światła rozciągają się w obu kierunkach z końców widma widzialnego, w rodzaje promieniowania, których nie możemy zobaczyć. Jak więc postrzegamy kolory, takie jak magenta, które postrzegamy jako będące gdzieś pomiędzy czerwonym a niebieskim?

Tym razem odpowiedź leży w mózgu. Gdy receptory w naszych oczach otrzymają światło, przekazują je jako sygnał elektryczny w górę nerwu wzrokowego do kory wzrokowej, z tyłu mózgu, w płacie potylicznym. Tutaj zrezygnowano z trójkanałowego modelu koloru i zastąpiono go czterokolorowym modelem przetwarzania przeciwnika. Neurony na początku kory wzrokowej skupiają się w obszarach zwanych plamkami, z których niektóre porównują sygnały z różnych komórek czopków, aby zdecydować, czy światło jest bardziej niebieskie, czy bardziej żółte, a inne, czy jest bardziej czerwone czy bardziej zielone. Dane wyjściowe z tych klastrów określają, w jaki sposób postrzegamy kolor , a grupowanie kolorów w przeciwstawne pary daje nam ideę kolorów komplementarnych: niebieski z żółtym, czerwony z zielonym i tak dalej.

Dlatego też nie możemy sobie wyobrazić takich kolorów jak niebieskawo-żółty czy czerwonawo-zielony, ponieważ części mózgu, które postrzegają te kolory, traktują je jako przeciwieństwa. Nasze oczy mogą z łatwością odbierać światło składające się głównie z niebieskich i żółtych fal, ale po prostu postrzegalibyśmy je jako mniej lub bardziej bezbarwne. Z drugiej strony kolory nieprzeciwstawne mogą się mieszać, dając nam pomarańczowy między czerwonym a zielonym i cyjan między zielonym a niebieskim. Skutkuje to również magenta – mieszanką niebieskiego i czerwonego światła z obu końców widma, które postrzegamy jako pojedynczy kolor, mimo że nie ma ono analogu w samym widmie widzialnym (nazywa się to kolorem pozawidmowym) .

Dlaczego więc liście są zielone?

Ponieważ postrzegamy je jako zielone. Płonąca kula wodoru w odległości 150 milionów kilometrów emituje światło o różnych długościach fal, które wędruje do Ziemi, rozprasza się w atmosferze i jest częściowo pochłaniane przez fotosyntetyczne związki chemiczne. Reszta tego światła zostaje odbita, a następnie pochłonięta przez pigmenty w komórkach naszych oczu. Sygnał zostaje uproszczony, następnie przetwarzany i porównywany, przekazywany do innych części mózgu i w końcu dochodzimy do wniosku, że liście są zielone. Proste prawda?


Zanieczyszczenie światłem szkodzi roślinom w środowisku

Zanieczyszczenie światłem wpływa nie tylko bezpośrednio na cykle roślin, jak omówiono poniżej, ale także pośrednio wpływa na cykle życia ich zapylaczy lub innych zwierząt, które z nimi współdziałają. Skocz tutaj, aby śledzić skutki zanieczyszczenia światłem w porównaniu z zapylaczami roślin. W tym innym artykule opisano, w jaki sposób sztuczne światło w nocy wpływa na nietoperze, które rozsiewają nasiona drzew owocowych.

Rośliny

Wiele gatunków kaktusów kwitnie tylko w ciemności nocy. Zapylane są przez nocne owady lub małe zwierzęta, głównie ćmy i nietoperze. A te z Selenicereus grandiflorus (Królowa Nocy) są w pełni otwarte tylko przez dwie godziny w nocy. Zwiększenie warunków oświetleniowych wokół nich może uniemożliwić im kwitnienie, a tym samym rozmnażanie.

Dotyczy to nie tylko kaktusów, ale także ich gatunków zapylaczy. Ogólnie rzecz biorąc, rośliny silnie pachnące i o białych kwiatach są zazwyczaj zapylane w nocy. Biel i aromat kwiatu pomagają zapylaczom nocnym znaleźć kwiaty w nocy. Rośliny o czerwonych kwiatach bez zapachu są zazwyczaj zapylane przez ptaki, ponieważ większość ptaków przyciąga czerwień, ale tylko nieliczne mają zmysł węchu. Jak czytamy w broszurze National Academies Press Resources on Pollinators: jedna trzecia ludzkiego pożywienia wymaga zapylacza. Zmiana warunków oświetleniowych w nocy może jeszcze bardziej rozwikłać naszą sieć życia, co ostatecznie zakłóci nasze źródła pożywienia.

Czy oświetlenie nocne szkodzi drzewom?

Department of Forestry and Natural Resources, Purdue University, West Lafayette, IN

Chaney wskazuje, że dla normalnego wzrostu i rozwoju drzewa zależą od jakości światła (długości fali lub koloru), jego intensywności (jasności) i czasu trwania 24-godzinnego okresu światło-ciemność (fotoperiod). Dla drzewa nie ma znaczenia, czy światło pochodzi ze Słońca, czy ze sztucznych źródeł, o ile zapewniona jest wymagana długość fali, intensywność i czas trwania. Dwa ważne procesy fotobiologiczne w drzewach i ich wymagane długości fal barwnych to:

  1. Fotosynteza - wymaga widocznego niebieskiego (400-450 nm) i czerwonego (625-700 nm) - wykorzystuje światło do produkcji cukrów, których używa drzewo.
  2. Fotoperiodyzm - wymaga widocznej czerwieni (625-760 nm) i podczerwieni (760-850 nm) - kontroluje wzrost wegetatywny i czynności reprodukcyjne w zależności od długości dnia i nocy.

Chaney powiedział, że stosunkowo wysoka intensywność światła wynosząca 1000 mikroeinsteinów na metr kwadratowy na sekundę (?E/m2/s) jest wystarczająca do fotosyntezy większości drzew, podczas gdy 200 E/m2/s jest tym, czego potrzeba dla drzew przystosowanych do cienia. Jednak reakcje fotoperiodyczne mogą być indukowane przy zaledwie 0,06 do 3 E/m 2 /s, co stanowi zaledwie maleńki ułamek tego, czego potrzebują do fotosyntezy. Dla porównania, oświetlenie wewnętrzne wystarczające do czytania wynosi około 4,6, a światło Księżyca w pełni około 0,004 E/m 2 /sek. 100-watowa żarówka zapewnia 5 E/m2/s z odległości 5 stóp, podczas gdy 150-watowa żarówka fluorescencyjna chłodnobiała zapewnia 17 E/m2/s w tej samej odległości.

Od lat czterdziestych wiadomo, że to czas trwania nieprzerwanej ciemności podczas 24-godzinnego cyklu regulujący procesy rozwojowe roślin okrytonasiennych (kwitnących), takich jak drzewa. Procesy rozwojowe rośliny to spoczynek, wzrost pędów i kwitnienie. Fotoodwracalny pigment zwany fitochrom lub kryptochrom reaguje na długość zarówno dnia, jak i nocy w zależności od tego, czy pochłania promieniowanie o długości fali czerwonej (625-760 nm) czy podczerwonej (760-850 nm). Nawet chwilowy błysk światła w ciemności wystarczy, aby wywołać stan wywołany krótką nocą lub odwrotnie, długim dniem. (Tak zwany długi dzień tylko dlatego, że początkowo myślano, że ważna jest długość dnia). Drzewa, podobnie jak inne rośliny, są klasyfikowane jako długie, krótkie lub neutralne w zależności od ich reakcji na dzień. długość.

  1. Drzewa całodniowe kwitną wczesnym latem i kontynuują wzrost wegetatywny, aż dni skrócą się jesienią.
  2. Drzewa krótkodniowe kwitnie i przechodzi w stan uśpienia, gdy długość dnia skraca się późnym latem.
  3. Drzewa neutralne w ciągu dnia w ogóle nie ma wpływu długość dnia.

Fotoperiodyzm może również wpływać na włochatość powierzchni liścia (pokwitanie) powstawanie pigmentu jesienny czas opadania i rozwój korzeni, a także początek i przerwanie spoczynku pąków. Oświetlenie nocne zmienia naturalny fotoperiod i zaburza rozwój rośliny.

Wpływ oświetlenia nocnego na drzewa

Oczywiste jest, że większość nocnego oświetlenia może nie wystarczyć do wywołania fotosyntezy, ale nadal może wpływać na drzewa wrażliwe na długość dnia. Sztuczne oświetlenie, zwłaszcza ze źródła, które emituje w zakresie widma od czerwieni do podczerwieni, wydłuża dzień i może zmieniać wzory kwitnienia, a co najważniejsze, promuje ciągły wzrost długo po tym, jak jest to bezpieczne dla drzew, ze względu na nadchodząca zima.

Widma wytwarzane przez różne źródła światła i ich wpływ na drzewa

Różne źródła światła mają różne widma emisyjne. Każdy rodzaj lampy emituje różne ilości światła o określonej długości fali (kolorze) niż inny rodzaj lampy. Kolejna tabela podsumowuje źródła światła, ich widma i potencjalny wpływ na drzewa.

Długości fal emitowane przez różne rodzaje źródeł światła i
ich potencjalny wpływ na procesy fotobiologiczne w drzewach

Źródło światłaDługości fal Potencjalny efekt
emitowane na drzewach
FluorescencyjnyWysoki niebieski, niski czerwony Niski
RozżarzonyWysoka czerwień i podczerwień Wysoka
opary rtęciFioletowy do niebieskiego Niski
MetalohalogenekZielony do pomarańczowego Niski
Wysokociśnieniowy sódWysoka zawartość czerwieni do podczerwieni Wysoka

We wczesnych dniach oświetlenia ulicznego, najczęściej używanymi lampami były albo białawe żarowe włókna o niskiej intensywności, albo niebieskawe fluorescencyjne, rtęciowe lub metalohalogenkowe lampy o większej intensywności. Chociaż źródła te bardzo przyciągały owady, miały niewielki wpływ na rośliny ze względu na niski poziom światła czerwonego lub podczerwonego. W połowie lat 60. opracowano wysokoprężne lampy sodowe (HPS), które emitują znaczne światło o dużej intensywności w obszarach czerwieni i podczerwieni. Od czasu powszechnego wprowadzenia tego typu sztucznego oświetlenia odnotowano zwiększone uszkodzenia roślin drzewiastych.

Jeśli trzeba to zrobić, Chaney zaleca stosowanie oparów rtęci, metalohalogenków lub lamp fluorescencyjnych, które preferują sztuczne oświetlenie drzew. Należy unikać wysokoprężnych lamp sodowych, a nawet żarówki o niskim natężeniu najlepiej wykluczyć ze względu na wysoką moc promieniowania podczerwonego i potencjalny wpływ na niektóre gatunki drzew. Oprawy lub oprawy oświetleniowe powinny być ekranowane tak, aby ich strumień świetlny był skierowany w stronę podłoża. To nie tylko utrzymuje światło z dala od roślin, zapobiegając ich potencjalnym szkodom, a także zmniejsza zanieczyszczenie światłem, ale także lepiej oświetla ścieżki dla pieszych i pojazdów poprzez unikanie oślepiającego blasku. We wszystkich przypadkach należy unikać świecenia w górę i światła na duże odległości w poziomie. Światła powinny być wyłączone lub przyciemnione poza godzinami szczytu, aby uniknąć ciągłego oświetlenia drzew, które ma największy potencjał zaburzania normalnych wzorców wzrostu. Jeśli jesteś zdecydowany sadzić drzewa tam, gdzie już istnieje dodatkowe oświetlenie nocne, wybierz te, które mają niską wrażliwość na światło.

Obserwacja dla Florydy: początkowo zakładałem, że wpływ zanieczyszczenia światłem na drzewa i rośliny NIE będzie dla nas zbytnio niepokojący w południowej Florydzie, głównie z powodu niezgodności czasu zapalania się świateł. oraz zmiany pogody związane z porami roku, jak zauważył Chaney w swoim raporcie. Ponieważ mroźna pogoda zwykle nie wpływa na południową Florydę, wydawało się, że nie ma powodu do niepokoju o wszystkie palmy, które są oświetlone przez całą noc z jakiegokolwiek próżnego powodu, jaki ma właściciel, nawet jeśli nikt nie jest w pobliżu, aby je zobaczyć. Jednak przypadkowe komentarze skłoniły mnie do przemyślenia tego.

Pewnego razu pewien pan zwrócił uwagę grupie, do której uczęszczałem, że zauważył, że skoro na niektórych znanych mu palmach zapalono światła, już nie kwitną. Ma to sens, gdy pomyślisz o tym, o czym napisał Chaney. Jeśli światła na drzewach zmieniają ich fotoperiodyzm, drzewo zachowuje się cały czas tak, jakby było lato, więc coroczna progresja zmiany długości dnia zatrzymuje się i drzewo nigdy nie wychodzi poza to wiecznie fałszywe lato. Podobnie jak postać aktora Billa Murraya w filmie Dzień świstaka, drzewo jest uwięzione w określonej porze roku, skazane na wieczne powtórzenie go i niemożność wyrosnięcia poza niego.

Innym razem przyprowadziłam syna na przyjęcie urodzinowe dla jego kolegi z klasy. Obserwując bawiące się dzieci, gospodarze wyprowadzili wóz pełen mango, aby podzielić się nimi ze wszystkimi. Inna mama zapytała, skąd je wzięli, ponieważ był późny listopad, dobrze minął sezon na mango. Gospodarze stwierdzili, że ich drzewo zawsze wydaje owoce pod koniec roku.

Na co wtedy zapytałem Och, czy twoje drzewo stoi obok latarni ulicznej?

Powiedzieli Tak, skąd wiedziałeś?

Naciskałem na pytanie A czy zebrałeś owoce z boku drzewa, które jest obok latarni?

Oboje spojrzeli na siebie zdumieni, jakby chcieli jeszcze raz sprawdzić, a potem zapytali YEAH, skąd wiedziałeś.

Fotoperiodyzm ich drzewa i jego roczny postęp został zmieniony przez światło uliczne i prawdopodobnie tylko po tej stronie drzewa, która była wystawiona na to światło. Druga strona drzewa była zacieniona przez oświetlone liście i działała według bardziej normalnego harmonogramu.

Argument przeciwko sztucznemu oświetleniu.

Twierdzę, że najlepiej byłoby w ogóle nie używać żadnych świateł. Nawet jeśli uważasz, że trzeba ich użyć, uważam, że powinieneś pomyśleć jeszcze raz. Choć lepiej jest używać bardziej niebieskich świateł, oparów rtęci, metalohalogenków lub świetlówek, ze względu na niektóre drzewa, to właśnie te bardzo niebieskawe światła, ze względu na ich wpływ na ludzką melatoninę, ludzkie widzenie i zwierzęta, powinny być unikaj ze względu na WŁASNE. W końcu nie ma wygranej w używaniu jakiegokolwiek rodzaju lampy. Jakikolwiek rodzaj sztucznego światła będzie miał wpływ na niektóre gatunki życia. A potem wszyscy cierpimy z powodu tego osłabienia w sieci życia. Już sama nazwa sztucznych świateł powinna być postrzegana jako sztuczne. Ich emitowana energia promieniowania elektromagnetycznego, która pokonuje 299 792 458 kilometrów w ciągu jednej sekundy, jest zanieczyszczeniem, które ma negatywny wpływ, który nie różni się od innych nienaturalnych substancji chemicznych rozlanych na ląd.

Jednak Agencja Ochrony Środowiska nie uważa sztucznego światła za zanieczyszczenie, ponieważ nie jest to „masa”, która została sztucznie wprowadzona do środowiska. A światło z definicji nie ma masy. Gdyby miał masę, to według szczególnej teorii względności Einsteina nie mógłby podróżować z prędkością światła. Dla każdego powinno być oczywiste, że światło nie ma masy. Na chwilę, gdy włącza się przełącznik, światło rozbłyskuje natychmiast na zewnątrz przy maksymalnej prędkości wszechświata. Nie zwiększa ani nie zwiększa swojej prędkości, dopóki nie osiągnie maksymalnej prędkości, jest natychmiast. Nie ma bezwładności do pokonania, ponieważ nie ma masy. Taka jest fizyka tego.

Jednak pomogłoby to wszystkim zrozumieć, jak szkodliwe może być światło, gdyby zostało uznane za ogromne „zanieczyszczenie”. Obliczmy więc, jaki byłby jego ekwiwalent masy Einsteina. Einstein słynie z małego równania, które wydają się nawet dzieci w szkole podstawowej. wiedzieć, co to jest:

oznacza to, że nie tylko odrobina masy może stać się niezwykłą ilością energii, ale także dzięki

że nadzwyczajna ilość energii może stać się odrobiną masy.

Tak więc z obliczeń przeprowadzonych na naszej stronie Light Pollution vs. Economics znajduje się sekcja, która obliczyła całkowitą ilość zmarnowanego oświetlenia zewnętrznego w Stanach Zjednoczonych w samym tylko roku 2012. Stwierdzono, że ilość zmarnowanej energii wyniosła ponad 35,4 miliarda kWh rocznie. Zatem jego ekwiwalent masowy byłby następujący:

35 429 671 271,12 kWh &czasy3 600 000 J
1 kWh
&dzielić (299792458 m/s) 2 = 1,419149 kg masy

Wyobraź sobie, że próbujesz rozłożyć masę 1,419 kg (około 3 funty 2 uncje wagi) na Stany Zjednoczone, maleńkie jej kawałki każdej nocy przez cały rok! Jest tak mały, a mimo to ma tak daleko idące, zakłócające środowisko, niszczące gatunki, zakłócające dobowe skutki dla zdrowia ludzkiego, że marnotrawstwo sztucznego światła musi być najbardziej toksycznym i szkodliwym zanieczyszczeniem, jakie zna ludzkość!

W końcu żaden gatunek życia nie wyewoluował pod sztucznym światłem. Nie powinno nas dziwić, że na dłuższą metę żaden gatunek życia naprawdę nie korzysta z nich.

zanieczyszczenie światłem Floryda Hrabstwo Palm Beach Hrabstwo Broward Hrabstwo Miami Dade Hrabstwo Dade nocne oświetlenie drzewa reflektory uplighting


Zawartość

Ludzkie oko może funkcjonować od bardzo ciemnych do bardzo jasnych poziomów światła, a jego możliwości wykrywania sięgają dziewięciu rzędów wielkości. Oznacza to, że najjaśniejszy i najciemniejszy sygnał świetlny, jaki oko może wyczuć, jest oddalony od siebie o mniej więcej 1 000 000 000. Jednak w dowolnym momencie oko może wyczuć tylko współczynnik kontrastu wynoszący 1000. To, co umożliwia szerszy zasięg, polega na tym, że oko dostosowuje swoją definicję tego, co jest czarne.

Oko potrzebuje około 20-30 minut, aby w pełni przystosować się od jasnego światła słonecznego do całkowitej ciemności i staje się 10 000 do 1 000 000 razy bardziej czułe niż w pełnym świetle dziennym. W tym procesie zmienia się również postrzeganie koloru przez oko (nazywa się to efektem Purkinjego). Jednak adaptacja oka z ciemności do jasnego światła słonecznego zajmuje około pięciu minut. Wynika to z tego, że czopki uzyskują większą czułość przy pierwszym wejściu w ciemność przez pierwsze pięć minut, ale pręciki przejmują kontrolę po pięciu lub więcej minutach. [3] Komórki czopków są w stanie odzyskać maksymalną wrażliwość siatkówki po 9-10 minutach ciemności, podczas gdy pręciki potrzebują na to 30-45 minut. [4]

Adaptacja do ciemności jest znacznie szybsza i głębsza u młodych ludzi niż u osób starszych. [5]

Szyszki kontra pręty Edytuj

Ludzkie oko zawiera dwa rodzaje fotoreceptorów, pręciki i czopki, które można łatwo odróżnić po ich budowie. Fotoreceptory stożkowe mają kształt stożkowy i zawierają opsyny stożkowe jako pigmenty wizualne. Istnieją trzy typy fotoreceptorów stożkowych, z których każdy jest maksymalnie czuły na określoną długość fali światła w zależności od struktury ich fotopigmentu opsyny. [6] Różne komórki czopków są maksymalnie wrażliwe na fale krótkie (światło niebieskie), fale średnie (światło zielone) lub fale długie (światło czerwone). Fotoreceptory pręcikowe zawierają tylko jeden rodzaj fotopigmentu, rodopsynę, która ma szczytową czułość przy długości fali około 530 nanometrów, co odpowiada niebiesko-zielonemu światłu. [6] Rozmieszczenie komórek fotoreceptorowych na powierzchni siatkówki ma ważne konsekwencje dla widzenia. [7] Fotoreceptory stożkowe są skoncentrowane w zagłębieniu w centrum siatkówki znanym jako dołek centralny i zmniejszają się ich ilość w kierunku obrzeży siatkówki. [7] Odwrotnie, fotoreceptory pręcikowe są obecne w dużej gęstości w większości siatkówki z ostrym spadkiem dołka. Postrzeganie w wysokich ustawieniach luminescencji jest zdominowane przez czopki, mimo że przeważają nad nimi pręciki (około 4,5 do 91 milionów). [7]

Drobnym mechanizmem adaptacji jest odruch źrenicowy, regulujący około dziesięciokrotnie ilość światła, która bardzo szybko dociera do siatkówki. Ponieważ przyczynia się tylko do niewielkiego ułamka ogólnego przystosowania do światła, nie jest tutaj dalej rozważany.

W odpowiedzi na zmieniające się poziomy światła otoczenia, pręciki i czopki oka funkcjonują zarówno oddzielnie, jak i wspólnie, aby dostosować układ wzrokowy. Zmiany wrażliwości pręcików i czopków w oku są głównymi czynnikami przyczyniającymi się do adaptacji do ciemności.

Powyżej pewnego poziomu luminancji (około 0,03 cd/m2) mechanizm stożka bierze udział w pośredniczeniu w widzeniu fotopowym. Poniżej tego poziomu w grę wchodzi mechanizm wędki, zapewniający skotopowe (nocne) widzenie. Zakres, w którym dwa mechanizmy współpracują ze sobą, nazywa się zakresem mezopowym, ponieważ nie ma nagłego przejścia między tymi dwoma mechanizmami. Ta adaptacja stanowi podstawę Teoria dwoistości. [8]

Wiele zwierząt, takich jak koty, posiada noktowizor o wysokiej rozdzielczości, co pozwala im rozróżniać obiekty o wysokich częstotliwościach przy słabym oświetleniu. ten tapetum lucidum jest strukturą refleksyjną, która jest odpowiedzialna za to doskonałe widzenie w nocy, ponieważ odbija światło z powrotem przez siatkówkę, wystawiając komórki fotoreceptorów na działanie zwiększonej ilości światła. [9] Większość zwierząt, które posiadają tapetum lucidum są nocne najprawdopodobniej, ponieważ po odbiciu światła z powrotem przez siatkówkę początkowe obrazy stają się niewyraźne. [9] Ludzie, podobnie jak ich krewni z rzędu naczelnych, nie posiadają tapetum lucidum i dlatego były predysponowane do bycia gatunkiem dziennym. [10]

Pomimo faktu, że rozdzielczość ludzkiego widzenia w dzień jest znacznie lepsza niż w przypadku widzenia w nocy, ludzkie widzenie w nocy ma wiele zalet. Podobnie jak wiele drapieżnych zwierząt, ludzie mogą używać noktowizora do polowania na inne zwierzęta i zasadzek bez ich świadomości. Co więcej, w przypadku sytuacji awaryjnej występującej w nocy ludzie mogą zwiększyć swoje szanse na przeżycie, jeśli są w stanie dostrzec otoczenie i dotrzeć do bezpieczeństwa. Obie te korzyści można wykorzystać do wyjaśnienia, dlaczego ludzie nie utracili całkowicie zdolności widzenia w ciemności od swoich nocnych przodków. [11]

Rodopsyna, biologiczny pigment fotoreceptorów siatkówki, natychmiast ulega fotowybielaniu pod wpływem światła. [12] Fototransdukcja wzrokowa zaczyna się od izomeryzacji chromoforu pigmentowego z siatkówki 11-cis do all-trans. [13] Następnie ten pigment dysocjuje na wolną opsynę i całkowicie trans-retinal. Adaptacja do ciemności zarówno pręcików, jak i czopków wymaga regeneracji pigmentu wzrokowego z opsyny i siatkówki 11-cis. [13] Dlatego czas wymagany do adaptacji do ciemności i regeneracji pigmentu jest w dużej mierze zdeterminowany przez lokalne stężenie 11-cis siatkówki i szybkość, z jaką jest ona dostarczana do opsyny w wybielonych pręcikach. [14] The decrease in calcium ion influx after channel closing causes phosphorylation of metarhodopsin II and speeds up the cis-retinal to trans-retinal inactivation. [13] The phosphorylation of activated rhodopsin is mediated by recoverin. [13] The regeneration of the photopigments occurs during dark adaptation albeit at markedly different rates. [15] Rods are more sensitive to light and so take longer to fully adapt to the change in light. Rods, whose photopigments regenerate more slowly, do not reach their maximum sensitivity for about two hours. [3] [16] Cones take approximately 9–10 minutes to adapt to the dark. [3] Sensitivity to light is modulated by changes in intracellular calcium ions and cyclic guanosine monophosphate. [17]

The sensitivity of the rod pathway improves considerably within 5–10 minutes in the dark. Color testing has been used to determine the time at which rod mechanism takes over when the rod mechanism takes over colored spots appear colorless as only cone pathways encode color. [18]

Three factors affect how quickly the rod mechanism becomes dominant:

  • Intensity and duration of the pre-adapting light: By increasing the levels of pre-adapting luminances, the duration of cone mechanism dominance extends, while the rod mechanism switch over is more delayed. In addition the absolute threshold takes longer to reach. The opposite is true for decreasing the levels of pre-adapting luminances. [19]
  • Size and location on the retina: The location of the test spot affects the dark adaptation curve because of the distribution of the rods and cones in the retina. [20]
  • Wavelength of the threshold light: Varying the wavelengths of stimuli also affect the dark adaptation curve. Long wavelengths—such as extreme red—create the absence of a distinct rod/cone break, as the rod and cone cells have similar sensitivities to light of long wavelengths. Conversely, at short wavelengths the rod/cone break is more prominent, because the rod cells are much more sensitive than cones once the rods have dark adapted. [21]

Intracellular signalling Edit

Under scotopic conditions, intracellular cGMP concentration is high in photoreceptors. cGMP binds to and opens cGMP gated Na + channels to allow sodium and calcium influx. [22] Sodium influx contributes to depolarization while calcium influx increases local calcium concentrations near the receptor. Calcium binds to a modulatory protein, which is proposed to be GUCA1B, [23] removing this protein's stimulatory effect on guanylyl cyclase. [22] This reduces cGMP production by guanylyl cyclase to lower cGMP concentration during prolonged darkness. Elevated calcium concetration also increases the activity of phosphodiesterase [22] which hydrolyses cGMP to further reduce its concentration. This reduces opening of the cGMP gated Na + channels to hyperpolarise the cell, once again making it sensitive to small increases in brightness. Without dark adaptation, the photoreceptor would remain depolarized under scotopic conditions and so also remain unresposive to small changes in brightness.

Inhibition Edit

Inhibition by neurons also affects activation in synapses. Together with the bleaching of a rod or cone pigment, merging of signals on ganglion cells are inhibited, reducing convergence.

Alpha adaptation, tj., rapid sensitivity fluctuations, is powered by nerve control. The merging of signals by virtue of the diffuse ganglion cells, as well as horizontal and amacrine cells, allow a cumulative effect. Thus that area of stimulation is inversely proportional to intensity of light, a strong stimulus of 100 rods equivalent to a weak stimulus of 1,000 rods.

In sufficiently bright light, convergence is low, but during dark adaptation, convergence of rod signals boost. This is not due to structural changes, but by a possible shutdown of inhibition that stops convergence of messages in bright light. If only one eye is open, the closed eye must adapt separately upon reopening to match the already adapted eye. [3]

Measuring Dark Adaptation Edit

Ophthalmologists sometimes measure patients' dark adaptation using an instrument known as a dark adaptometer. Currently, there is one commercially available dark adaptometer, called the AdaptDx. It works by measuring a patient's Rod Intercept (RI) time. RI is the number of minutes it takes for the eye to adapt from bright light to darkness. This RI number provides a clear and objective measurement of retinal function with 90% sensitivity and specificity. [24] An RI of less than 6.5 minutes indicates a healthy dark adaptation function. However, an RI higher than 6.5 indicates impaired dark adaptation.

Using Dark Adaptation Measurement to Diagnose Disease Edit

Numerous clinical studies have shown that dark adaptation function is dramatically impaired from the earliest stages of Age-related Macular Degeneration (AMD), Retinitis Pigmentosa (RP), and other retinal diseases, with increasing impairment as the diseases progress. [25] [26] AMD is a chronic, progressive disease that causes a part of the retina, called the macula, to slowly deteriorate over time. It is the leading cause of vision loss among people age 50 and older. [27] It is characterized by a breakdown of the RPE/Bruch's membrane complex in the retina, leading to an accumulation of cholesterol deposits in the macula. Eventually, these deposits become clinically-visible drusen that affect photoreceptor health, causing inflammation and a predisposition to choroidal neovascularization (CNV). During the AMD disease course, the RPE/Bruch's function continues to deteriorate, hampering nutrient and oxygen transport to the rod and cone photoreceptors. As a side effect of this process, the photoreceptors exhibit impaired dark adaptation because they require these nutrients for replenishment of photopigments and clearance of opsin to regain scotopic sensitivity after light exposure.

Measurement of a patient's dark adaptation function is essentially a bioassay of the health of their Bruch's membrane. As such, research has shown that, by measuring dark adaptation, doctors can detect subclinical AMD at least three years earlier than it is clinically evident. [28]

There are a range of different methods, with varying levels of evidence, that have been purported or demonstrated to increase the rate at which vision can adapt in the dark.

Red lights and lenses Edit

As a result of rod cells having a peak sensitivity at a wavelength of 530 nanometers they cannot perceive all colours on the visual spectrum. Because rod cells are insensitive to long wavelengths, the use of red lights and red lens glasses has become a common practice for accelerating dark adaptation. [29] In order for dark adaptation to be significantly accelerated an individual should ideally begin this practice 30 minutes prior to entering a low luminescence setting. [30] This practice will allow an individual to maintain their photopic (day) vision whilst preparing for scotopic vision. The insensitivity to red light will prevent the rod cells from further becoming bleached and allow for the rhodopsin photopigment to recharge back to its active conformation. [29] Once an individual enters a dark setting most of their rod cells will already be accommodated to the dark and be able to transmit visual signals to the brain without an accommodation period. [30]

The concept of red lenses for dark adaptation is based upon experimentation by Antoine Béclère and his early work with radiology. In 1916, the scientist Wilhelm Trendelenburg invented the first pair of red adaptation goggles for radiologists to adapt their eyes to view screens during fluoroscopic procedures.

Evolutionary context Edit

Although many aspects of the human visual system remain uncertain, the theory of the evolution of rod and cone photopigments is agreed upon by most scientists. It is believed that the earliest visual pigments were those of cone photoreceptors, with rod opsin proteins evolving later. [31] Following the evolution of mammals from their reptilian ancestors approximately 275 million years ago there was a nocturnal phase in which complex colour vision was lost. [31] Being that these pro-mammals were nocturnal they increased their sensitivity in low luminescence settings and reduced their photopic system from tetrachromatic to dichromatic. [31] The shift to a nocturnal lifestyle would demand more rod photoreceptors to absorb the blue light emitted by the moon during the night. [32] It can be extrapolated that the high ratio of rods to cones present in modern human eyes was retained even after the shift from nocturnal back to diurnal. It is believed that the emergence of trichromacy in primates occurred approximately 55 million years ago when the surface temperature of the planet began to rise. [31] The primates were diurnal rather than nocturnal in nature and therefore required a more precise photopic visual system. A third cone photopigment was necessary to cover the entire visual spectrum enabling primates to better discriminate between fruits and detect those of the highest nutritional value. [31]

Applications Edit

  • Aviators commonly wear red lensed glasses or goggles prior to taking off in the dark to ensure that they are able to see outside of the aircraft. Furthermore, throughout flight the cockpit is illuminated with dim red lights. This lighting is to ensure that the pilot is able to read instruments and maps while maintaining scotopic vision for looking outside. [33]
  • Submarines: Oftentimes submarines are “rigged for red,” meaning that the boat is going to be surfacing or coming to periscope depth at night. During such times illumination within certain compartments is switched to red light to allow the eyes of the lookouts and officers to adjust to the darkness prior to looking outside of the boat. Additionally, compartments on a submarine may be illuminated with red light in order to simulate night conditions for the crew. [34]

Vitamin A Edit

Vitamin A is necessary for proper functioning of the human eye. The photopigment rhodopsin found in human rod cells is composed of retinal, a form of vitamin A, bound to an opsin protein. [35] Upon the absorption of light rhodopsin was decomposed into retinal and opsin through bleaching. [35] Retinal could then have one of two fates: it could recombine with opsin to reform rhodopsin or it could be converted into free retinol. [35] The American scientist George Wald was the first to recognize that the visual system expends vitamin A and is dependent upon diet for its replacement. [35] Vitamin A serves many functions in the human body outside of healthy vision. It is vital in maintaining a healthy immune system as well as promoting normal growth and development. [36] The average adult male and female should consume 900 and 700 micrograms of vitamin A per day, respectively. [36] Consumption above 3000 micrograms per day is referred to as vitamin A toxicity and is usually caused by accidental ingestion of supplements. [37]

Sources of vitamin A Edit

Vitamin A is present in both animal and plant sources as retinoids and carotenoids, respectively. [36] Retinoids can be used immediately by the body upon absorption into the cardiovascular system however, plant-based carotenoids must be converted to retinol prior to utilization by the body. [36] The highest animal-based sources of vitamin A are liver, dairy products, and fish. [36] Fruits and vegetables containing high amounts of carotenoids are dark green, yellow, orange, and red in colour. [36]

Evolutionary context Edit

Vitamin A-based opsin proteins have been used for sensing light in organisms for most of evolutionary history beginning approximately 3 billion years ago. [38] This feature has been passed from unicellular to multicellular organisms including Homo sapiens. [38] This vitamin was most likely selected by evolution for sensing light because retinal causes a shift in photoreceptor absorbance to the visible light range. [38] This shift in absorbance is especially important for life on Earth because it generally matches the peak irradiance of sunlight on its surface. [38] A second reason why retinal evolved to be vital for human vision is because it undergoes a large conformational change when exposed to light. [38] This conformational change is believed to make it easier for the photoreceptor protein to distinguish between its silent and activated state thus better controlling visual phototransduction. [38]

Experimental evidence Edit

Various studies have been conducted testing the effective of vitamin A supplementation on dark adaptation. In a study by Cideciyan et al. the length of dark adaptation was measured in a patient with systemic vitamin A deficiency (VAD) before and after vitamin A supplementation. [39] The dark adaptation function was measured prior to supplementation, 1 day post-treatment, and 75 days post-treatment. It was observed that after merely one day of vitamin A supplementation the recovery kinetics of dark adaptation were significantly accelerated after photoreceptor bleaching. [39] Dark adaptation was further accelerated following 75 days of treatment. [39] A subsequent study by Kemp et al. studied dark adaptation in subjects with primary biliary cirrhosis and Crohn’s disease, both of whom had vitamin A deficiency. [40] Within 8 days of oral supplementation of vitamin A both patients had their visual function restored to normal. [40] Furthermore, adaptation kinetics significantly improved in both subjects following supplementation. [40]

Anthocyanins Edit

Anthocyanins make up the majority of the 4000 known flavonoid phytochemicals. [41] This group of approximately 600 bioactive antioxidants carries the strongest physiological effects of any plant compound. [42] These chemicals are also the most visible of the flavonoid phytochemicals because they provide bright blue, red, or purple pigmentation to many plant species. [42] Anthocyanins also serve to protect the photosynthetic tissues from the direct rays of the sun. [43] In addition, the antioxidant, anti-inflammatory, and vasoprotective properties of anthocyanins allow them to demonstrate diverse health effects. [42] In humans, anthocyanins are effective for a variety of health conditions including neurological damage, atherosclerosis, diabetes, as well as visual impairment. [43] Anthocyanins frequently interact with other phytochemicals to potentiate biological effects therefore, contributions from individual biomolecules remains difficult to decipher. [41] As a result of anthocyanins providing bright colouration to flowers, the plants containing these phytochemicals are naturally successful in attracting pollinators such as birds and bees. [43] The fruits and vegetables produced by such plants are also brightly pigmented attracting animals to eat them and disperse the seeds. [43] Due to this natural mechanism anthocyanin-containing plants are widely abundant in most areas of the world. The high abundance and distribution of anthocyanin-containing plants make it a natural food source for many animals. Through fossil evidence it is known that these compounds were eaten in high amounts by primitive hominins. [42]

During World Wars I and II British Air Force aviators were known to consume extensive amounts of bilberry jam. The aviators consumed this anthocyanin-rich food due to its many visual benefits, included accelerated dark adaptation, which would be valuable for night bombing missions. [44]

Food sources Edit

Brightly coloured fruits and vegetables are rich in anthocyanins. This makes sense intuitively because anthocyanins offer pigmentation to plants. Blackberries are the most anthocyanin-rich foods, containing 89-211 milligrams per 100 grams. [43] Other foods that are rich in this phytochemical include red onions, blueberries, bilberries, red cabbage, and eggplant. [43] The ingestion of any of these food sources will yield a variety of phytochemicals in addition to anthocyanins because they naturally exist together. [41] The daily intake of anthocyanins is estimated to be approximately 200 milligrams in the average adult however, this value can reach several grams per day if an individual is consuming flavonoid supplements. [41]

Effect on dark adaptation Edit

Anthocyanins accelerate dark adaptation in humans by enhancing the regeneration of the rod photopigment, rhodopsin. [45] Anthocyanins accomplish this by binding directly to opsin upon the degradation of rhodopsin to its individual constituents by light. [45] Once bound to opsin, the anthocyanin changes its structure thereby accelerating its access to the retinal binding pocket. By having a diet rich in anthocyanins an individual is able to generate rhodopsin in shorter periods of time because of the increased affinity of opsin to retinal. [45] Through this mechanism an individual is able to accelerate dark adaptation and achieve night vision in a shorter period of time.

Supportive evidence Edit

In a double-blind, placebo-controlled study conducted by Nakaishi et al. a powdered anthocyanin concentrate derived from black currants was provided to a number of participants. [46] [ unreliable medical source? ] Participants received one of three doses of anthocyanins to measure if the result occurred in a dose-dependent manner. The period of dark adaptation was measured prior to and two hours following supplementation in all participants. Results from this experiment indicate that anthocyanins significantly accelerated dark adaptation at merely one dose level compared to the placebo. [46] [ unreliable medical source? ] Observing the data as a whole Nakaishi et al. concluded that anthocyanins effectively reduced the dark adaptation period in a dose-dependent manner. [46] [ unreliable medical source? ]

Contradictory evidence Edit

Despite the fact that many scientists believe anthocyanins to be beneficial in accelerating dark adaptation in humans, a study conducted by Kalt et al. in 2014 showed blueberry anthocyanins have no effect. In this study two double-blind, placebo-controlled studies were conducted to examine dark adaptation following the intake of blueberry products. [47] In neither study did the blueberry anthocyanin intake effect the length of dark adaptation. [47] From these results Kalt et al. concluded that blueberry anthocyanins provide no significant difference to the dark adaptation component of human vision. [47]

With light adaptation, the eye has to quickly adapt to the background illumination to be able to distinguish objects in this background. The process for light adaptation occurs over a period of five minutes.

The photochemical reaction is:

Rhodopsin ⇌ retinal + opsin

Increment threshold Edit

Using increment threshold experiments, light adaptation can be measured clinically. [48] In an increment threshold experiment, a test stimulus is presented on a background of a certain luminance, the stimulus is increased until the detection threshold is reached against the background. A monophasic or biphasic threshold versus intensity TVI curve is obtained through this method for both cones and rods.

When the threshold curve for a single system (i.e., just cones or just rods) is taken in isolation it can be seen to possesses four sections: [49]

1. Dark light The threshold in this portion of the TVI curve is determined by the dark/light level. Sensitivity is limited by neural noise. The background field is relatively low and does not significantly affect threshold. 2. Square root law This part of the curve is limited by quantal fluctuation in the background. The visual system is usually compared with a theoretical construct called the ideal light detector. To detect the stimulus, the stimulus must sufficiently exceed the fluctuations of the background (noise). 3. Weber's law Threshold increases with background luminance proportional to the square root of the background. [50] 4. Saturation At saturation, the rod system becomes unable to detect the stimulus. This section of the curve occurs for the cone mechanism under high background levels. [51]

Insufficiency of adaptation most commonly presents as insufficient adaptation to dark environment, called night blindness or nyctalopia. [35] The opposite problem, known as hemeralopia, that is, inability to see clearly in bright light, is much rarer.

The fovea is blind to dim light (due to its cone-only array) and the rods are more sensitive, so a dim star on a moonless night must be viewed from the side, so it stimulates the rods. This is not due to pupil width since an artificial fixed-width pupil gives the same results. [3]

Night blindness can be caused by a number of factors the most common of which being vitamin A deficiency. If detected early enough nyctalopia can be reversed and visual function can be regained however prolonged vitamin A deficiency can lead to permanent visual loss if left untreated. [52]

Night blindness is especially prominent in developing countries due to malnutrition and therefore a lack of vitamin A in the diet. [52] In developed countries night blindness has historically been uncommon due to adequate food availability however, the incidence is expected to increase as obesity becomes more common. Increased obesity rates correspond to an increased number of bariatric surgeries, causing malabsorption of vitamin A in the human body. [52]


Light and the electromagnetic spectrum

Visible light is part of the electromagnetic spectrum, the collection of all light.

Light travels in waves, and thus it has a wavelength, which corresponds to the distance between the peaks of the waves. Visible light has wavelengths from 380 nanometres for purple, through to 730 nanometres for red. To put this into perspective, a human hair is 100,000 nanometres thick.

Shorter wavelengths have a higher energy, the frequency of the ‘wave’ is higher, so purple light has more energy than red light.


Challenges associated with UV photosensitivity and UV vision

The problem of chromatic aberration

Chromatic aberration arises from a property that essentially all transparent materials (such as those used in biological optics) possess – their refractive index (see Glossary) decreases with wavelength. Consequently, short-wavelength images are focused closer to a lens than longer-wavelength ones. Because UV has unusually short wavelengths, its focal plane lies well in front of those of visible wavelengths, thus blurring the image and decreasing its contrast. The effect of chromatic aberration increases with eye size, so one might expect only animals with small eyes to tolerate it and thus to be UV sensitive. This is generally true, but as we show here, the exceptions are numerous.

Management of chromatic aberration in invertebrates

Given the optics of chromatic aberration, one possible way to manage it is to place UV photoreceptors closer to the lens than longer-wavelength classes. Invertebrates are generally small animals, and those that have compound eyes are essentially immune to the effects of chromatic aberration because the entire length of the photoreceptor acts as a single light guide, and resolution depends only on the separation of independent units. Nevertheless, the UV receptors are almost always found closer to the lens than other receptor types. Here, however, the reason is to boost their sensitivity, not to cope with aberrations. Because all visual pigments absorb fairly well in the UV, placing UV receptors deeper in the retina would put them at the mercy of the overlying receptors, greatly diminishing number of the UV photons that actually reach them.

Still, there are invertebrates with multiple spectral receptor types and single-lens optics. Where these species have been carefully described, they generally do manage chromatic aberration by layering UV receptor classes at the top of the retina (and also the longest-wavelength receptors in the bottom layers). Jumping spiders have large-lensed principal eyes, and their retinal tiers are nicely spaced to correct the chromatic aberration of the lens the UV receptors are on top and the green receptors are lower – both at the correct focal plane for light to which they most strongly respond (Blest et al., 1981). As an aside, jumping spiders use focal plane changes to judge distance, but this apparently involves only green-sensitive receptors, not the UV system (Nagata et al., 2012). Of the relatively small number of other single-lensed, imaging invertebrate eyes that have been well characterized, only those of larvae of the diving beetle Thermonectes marmoratus definitely contain UV photoreceptors. Here, however, the UV receptors lie deeper in the retina than the middle-wavelength class, where they would be both shielded by the overlying retina and well behind the proper focal plane (Maksimovic et al., 2009). This counterintuitive arrangement has yet to be explained.

Management of chromatic aberration in vertebrates

Vertebrates have simple eyes, and nearly always large ones. Consequently, many species with UV photoreceptors potentially face chromatic aberration difficulties. In aquatic species, UV photosensitivity is mainly correlated with habitat, not with eye size. The largest fish eyes occur in high-speed predators such as tuna, swordfish or other billfishes because these hunt away from the surface of the sea, the UV flux they experience is not strong, and they tend to be dichromats with blue and green receptor types. The lenses of most billfishes, in fact, block the entry of UV light into the eye (Fritsches et al., 2000). Amphibians tend to be small animals with rather poor spatial resolution, so they need not bother with correcting for chromatic issues.

Most terrestrial animals, however, live in a world drenched with UV photons. If they have large eyes, they must face the issues caused by chromatic defocus. Birds, as mentioned already, have two types of SWS1 cones: UVS and violet-sensitive (VS). The corresponding opsins vary at a single critical amino acid residue (Wilkie et al., 2000 Yokoyama et al., 2000 Carvalho et al., 2007). This makes it relatively easy to categorize a given species as UVS or VS using genetic approaches. It turns out that the evolution of avian UV sensitivity is complex and chaotic, and there is no clear pattern to be discerned (Ödeen et al., 2011 Ödeen and Håstad, 2013). Nevertheless, the largest birds, including cranes and ratites (ostriches and emus) are VS, consistent with their very large eyes (Wright and Bowmaker, 2001 Ödeen and Håstad, 2013 Porter et al., 2014). A potential solution to the chromatic aberration challenge that UV sensitivity imposes is the use of multifocal lenses in many avian species (Lind et al., 2008). Such lenses have the ability to focus both short- and medium-wavelength images simultaneously. Another solution is to remove UV light by filtering it out. A comprehensive study of ocular media among birds did show decreasing UV transmittance with increasing eye size, a finding consistent with controlling chromatic aberration at very short wavelengths (Lind et al., 2014). This same study found that raptors have among the least UV-transmissive eyes of all birds, which strongly suggests that their eye designs provide very high acuity without the contamination of out-of-focus light on the retina.

Turning to terrestrial mammals, we already know from earlier sections that human lenses block UV entry very effectively. What about other species? All mammals known to have a designated UV receptor class (based, as in birds, on an SWS1 opsin) are small and/or short-lived – either rodents (mice, rats, gophers, gerbils Jacobs et al., 1991) (Fig. 3A) or microbats (Feller et al., 2009 Müller et al., 2009). The microbat Glossophaga soricina is an exception that lacks a UV cone class but has UV-transmissive optics it derives UV sensitivity from the β-band of its green-sensitive visual pigment (Winter et al., 2003). Until recently, it was assumed that larger mammals were generally similar to humans, using yellow lenses to block UV. Marine mammals lack even blue-sensitive cones (much less UV types), although this is not an adaptation for chromatic aberration (Peichl et al., 2001 Levenson and Dizon, 2003). However, in 2011, Hogg et al. published their discovery of UV sensitivity in Arctic reindeer. This came as something of a shock, because reindeer obviously have very large eyes and must view bright (and potentially photodamaging) UV-reflective snow in winter. The sensitivity is based on a standard mammalian SWS1 cone pigment absorbing maximally in the blue (Hogg et al., 2011) and being excited simply from the transparency of the optics. The finding seemed to be a strange exception until the publication of a major comparative study of mammalian ocular media (Douglas and Jeffery, 2014) revealing that the lenses of many good-sized mammals – including, surprisingly, dogs, cats and pigs – admit a sizable fraction of environmental UVA light into the eye, thus conferring UV sensitivity (albeit with the probable use in most cases of the β-bands of typical SWS or MWS cone pigments). It was subsequently found that even a deep-diving seal (Crystophora cristata), an animal that presumably has no UVS or blue-sensitive cones, still has the ability to detect UV light in fact, the ability is improved by the presence of a UV-reflecting tapetum (see Glossary Hogg et al., 2015). Clearly, the wash of largely unfocused UV images on some mammalian retinas apparently is tolerable, although it is also true that most UV-sensitive mammals have relatively poor acuity in any case in addition, many mammals have multifocal lenses that could partially alleviate this problem (Kröger et al., 1999). Nevertheless, some mammalian groups, including primates and a few rodents, do have UV-blocking lenses. This may be related to visual acuity, or have another basis answering this question requires yet more comparative data.

The problem of UV-associated photodamage

As noted above, it is thought that high-energy UV light is potentially damaging to retinal tissues. The energy in UV photons can break chemical bonds, potentially producing free radicals and mutating DNA, thus interfering with cellular function. At present, it is not at all obvious how large and long-living animals manage the cumulative photodamage expected from UV irradiation. Carvalho et al. (2011) noted that – like the mammals just discussed – parrots, which are very long-lived birds (commonly attaining 50 years), also have continuous, bright UV irradiance on their corneas, lenses, ocular humors and retinas, and seem to tolerate this well. They suggest that protection from oxidative radicals produced by UV absorption may be offset by the action of carotenoid pigments in the eye. Similar mechanisms may act in mammals (Douglas and Cronin, 2016). Clearly, the costs of accepting visual damage are manageable given the widespread appearance of UV transmission in mammalian eyes.


From flying squirrels to platypus

Biofluorescence is the phenomenon whereby a substance, such as fur, absorbs light at one wavelength and emits it at a different wavelength. Common biofluorescent hues include green, red, orange, and blue.

In just the past few years, scientists have discovered that several types of sea turtle shells, fungi, and flying squirrels are biofluorescent. Though the reasons are unknown, hypotheses include camouflage or communication between individuals of the same species.

In 2019, Anich—a mammalogist at Northland College in Ashland, Wisconsin—and her colleagues found that flying squirrels fluoresce under UV light, emitting a pink glow from fur on their bellies. (Learn more about fluorescent flying squirrels.)

These studies led the team to Chicago’s Field Museum, where the researchers illuminated preserved squirrel pelts with UV lights. Out of curiosity, they did the same to a platypus specimen stored there—and saw the glow.

Shortly before Anich’s study was published, another research paper reported the finding that a freshly killed platypus on a road in Australia glowed under a black light, a lamp that radiates UV light.

That validates Anich’s finding and shows that living platypuses, not just long-dead ones, are almost certainly fluorescent, says Gilad Bino, a platypus expert at the University of New South Wales in Sydney, Australia.

“The platypus never ceases to amaze me,” says Bino of the new paper, with which he wasn’t involved.


LED grow lights are designed to mimic the sun. That&rsquos why they&rsquore so effective for your grows. With spectrum-variable LED lights, you can manipulate the light spectrum to re-create the natural seasons as you plant perceives them.

However, bringing the sun indoors (so to speak) affects you just as it affects your crop. You expose yourself to the same potentially harmful rays as you would spending a day in the sun. This doesn&rsquot mean exposure to LED grow lights will harm you. It just means you have to be smart and prepared if you or your employees spend a lot of time in spaces with high-power LED grow lights.

So what are the risks of LED light exposure? Well, it varies depending on the specific spectrum. To put it in the simplest terms, shorter wavelengths tend to deliver greater risk. Infrared light has the longest wavelength on the visible light spectrum. Reds, oranges, and yellows won&rsquot harm you. It&rsquos blue and UV light&mdashthe shorter wavelengths&mdashthat you have to keep an eye on.


Effect of cloud-scattered sunlight on Earth's energy balance depends on wavelength of light

Atmospheric scientists trying to pin down how clouds curb the amount of sunlight available to warm Earth have found that it depends on the wavelength of sunlight being measured. This unexpected result will help researchers improve how they portray clouds in climate models.

Additionally, the researchers found that sunlight scattered by clouds -- the reason why beachgoers can get sunburned on overcast days -- is an important component of cloud contributions to Earth's energy balance. Capturing such contributions will increase the accuracy of climate models, the team from the Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory reported in Geophysical Research Letters earlier this month.

"The amount of the sun's energy that reaches the Earth's surface is the main driver of the Earth's temperature. Clouds are one of the least understood aspects of climate change. They can block the sun, but light can also bounce off one cloud into another cloud's shadow and increase the solar energy hitting earth," said PNNL atmospheric scientist Evgueni Kassianov.

White clouds

Clouds both cool down and warm up Earth's surface. They cool Earth by reflecting some sunlight up into outer space, and they warm it by bouncing some sunlight down to the surface. Overall, most clouds have a net cooling effect, but atmospheric scientists need to accurately measure when they cool and warm to produce better climate models that incorporate clouds faithfully.

But it's a hard number to get. Fair-weather clouds are big puffy white objects that bounce a lot of light around. They can make the sky around them look brighter when they're there, but they float about and reform constantly. Cloud droplets and aerosol particles in the sky -- tiny bits of dirt and water in the air that cause haziness -- scatter light in three dimensions, even into cloud shadows.

To determine the net cloud effect, researchers need two numbers. First they need to measure the total amount of sunlight in a cloudy sky. Then they need to determine how bright that sky would be without the clouds, imagining that same sky to be blue and cloudless, when aerosols are in charge of a sky's brightness. The difference between those numbers is the net cloud effect.

Rainbow energy

Researchers have traditionally estimated the net cloud effect by measuring a broad spectrum of sunlight that makes it to Earth's surface, from ultraviolet to infrared. But clouds are white -- that's because the large water droplets within them scatter light of all colors almost equally in the visible spectrum, the part of the electromagnetic spectrum that includes the colors of the rainbow.

On the other hand, aerosols -- both within clouds and in the open sky -- bounce different-colored light unequally. Broadband measurements that fail to distinguish color differences might be covering up important details, the researchers thought.

Instead of taking one broadband measurement that covers everything from ultraviolet to infrared, Kassianov and crew wanted to determine how individual wavelengths contribute to the net cloud effect. To do so, the team used an instrument that can measure brightness at four different wavelengths of color -- violet, green, orange, red -- and two of infrared.

In addition, this instrument, a spectral radiometer at DOE's Atmospheric Radiation Measurement Climate Research Facility located on the southern Great Plains in Oklahoma, allowed the team to calculate what the brightness would be if the day sported a cloudless, blue sky. The spectral measurements taken by the radiometer can be converted into the amount and properties of aerosols. Then aerosol properties can be used to calculate clear blue sky brightness.

Clouds Gone Wild

Comparing measured values for cloudy sky to the calculated values for clear sky, the researchers found that, on average, puffy fair-weather clouds cool down Earth's surface by several percent on a summer day. Although clouds cool overall, two components that the researchers looked at -- from direct and scattered sunlight -- had opposite effects.

The direct component accounts for the shade provided by clouds and cools Earth. The second component accounts for the sunlight scattered between and under clouds, which makes the sky brighter, warming Earth.

"The sunlight scattered by clouds can heat the surface," said Kassianov. "We all know that we can still get sunburned on cloudy days. This explains why."

In the Oklahoma summer, the scattered-light effect measured by the researchers could be quite large. For example, if a cloud passed over the instrument, the measured cloudy sky brightness exceeded calculated clear sky value by up to 30 percent. Kassianov attributes that large difference to scattered sunlight being "caught on tape" by the radiometer.

"Sunlight scattered by three-dimensional, irregular clouds is responsible for the observed large difference. The one-dimensional cloud simulations currently used in large-scale climate models don't capture this diffuse light," said Kassianov.

Aerosols' Day in the Sky

The team also found that the effect changed depending on the measured visible-spectrum wavelength, and whether the light was direct or scattered.

With direct light, the cooling caused by clouds was weakest on the violet end of the spectrum and strongest at infrared. With scattered light, warming caused by clouds was also weakest at violet and the strongest at infrared. Overall, the least cooling and warming occurred at violet, and the most cooling and warming occurred at infrared.

Because large droplets in clouds scatter sunlight almost uniformly across the spectrum, the clouds themselves can't be the reason why different wavelengths contribute differently to the net cloud effect. Compared to cloud droplets, aerosols are more than 100 times smaller and scatter wavelengths differently. These results suggest that aerosols -- which not only cause haziness but contribute to cloud formation as well -- are responsible for the wavelength differences, something researchers need to be aware of as they study clouds in the sky.

"If you want to study how aerosols and clouds interact," said Kassianov, "you need to look in the region of the spectrum where aerosol effects are significant. If you want to fish, you go where the fish are biting."


Do plants grow as well under artificial light?

The sun, a torch, and a light bulb all emit energy in the form of particles called photons. The photons from the sun are a product of thermonuclear fusion. A torch uses a chemical reaction to burn. A light bulb converts electricity to photons. But a photon is a photon – and light is light – whether it comes from the sun or a flashlight.

Vastly more energy comes from the sun than from any artificial light. But the light from the sun is different from a street lamp another way: most artificial light doesn’t emit as much energy in the red and blue region of the light spectrum as sunlight does. In other words, different ratios of reds, yellows and blues all combine together to make up white sunlight.

Researchers can successfully grow plants using only artificial light in growth chambers. But sunlight is best for most plants. It’s generally more intense than artificial light, and it’s pretty equally distributed among the different wavelengths that earthly plants have evolved to like best.

And there’s another difference between lamps – even “grow lamps” – and sunlight. Grow lamps need energy to light up. Sunlight is unlimited and free.

Our thanks to:
John Frederick
Department of Geophysical Science
University of Chicago
Chicago, IL