Энергетический потенциал митохондрий в условиях светодиодного освещения и риски заболевания глаз

Влияние света на циркадные ритмы человека и эффективность работы его зрительного анализатора является глобальной проблемой при оценке рисков здоровью. Основатель гигиены Ф.Ф. Эрисман в своих исследованиях подчеркивал связь между световой средой и развитием миопии [1], которая в настоящее время приобретает форму мировой эпидемии [2–4].

В то же время Ф.Ф. Эрисман указывал следующее: «Близорукость не есть неизбежное зло, которое необходимо сопряжено со школьным воспитанием; напротив, прогрессивная миопия есть зло, возникающее только от нецелесообразного устройства школ, и это зло было бы, конечно, устранено, если бы на устройство школ было бы обращено внимание общества» [5].

В рамках ХII Всероссийского форума «Здоровье нации – основа процветания России» ведущие российские и зарубежные офтальмологи обсудили международный опыт по контролю миопии [6]. Форум открывали его сопредседатели: министр здравоохранения РФ В.И. Скворцова и президент Лиги здоровья нации, академик РАН Л.А. Бокерия. В докладе Т.В. Павловой – доцента кафедры офтальмологии педиатрического факультета Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова – на тему «Проблемы и достижения в области контроля миопии. Роль общественной организации в консолидации усилий в борьбе с миопией» отмечалось, что из-за нарушения рефракции, миопии и других нарушений зрения снижается продуктивность любого рода деятельности, ограничиваются образовательные и трудовые возможности экономически активного населения. Президент Акционерной компании Asia

Networks (Япония) Шимидзу Тадаши отметил, что главной причиной широкого распространения миопии в Японии является массовое использование смартфонов, планшетов и других современных технических устройств. В результате, по оценкам экспертов, ежегодные потери продуктивности глобальной экономики составляют 269 млрд долларов [7].

Великий ученый С.И. Вавилов в своей книге «Глаз и Солнце» приводит высказывание философа и естествоиспытателя И.В. Гете: «Глаз обязан бытием своим свету. Из безучастных животных вспомогательных органов свет вызывает орган, который стал бы ему подобным; так образуется глаз на свету, для света, чтобы внутренний свет встречал внешний». Сергей Вавилов отмечал, что с биологической точки зрения «оптимальная освещенность» должна быть результатом эволюционного приспособления глаза к средней освещенности, создаваемой на Земле Солнцем. Глаз в отношении энергии приспособлен не к самому Солнцу, а к солнечному свету, рассеянному от окружающих тел.

Начиная с 2017 г. для решения глобальных проблем светотехнической направленности создан Научно-технический совет светотехнической отрасли «НТС “Светотехника”», который объединил общественных и государственных деятелей, представителей органов власти, Государственной Думы РФ, Совета Федерации, ученых-светотехников: академиков, профессоров, докторов наук, а также социально ответственных представителей крупного бизнеса и ведущих специалистов отрасли. В очередном заседании «НТС “Светотехника”» принял участие депутат Государственной Думы, первый заместитель председателя комитета Государственной Думы по образованию и науке Г.Г. Онищенко, который отметил: «Несмотря на пугающую техничность этого заседания, сегодня присутствуют такие доклады, как “Особенности воздействия светодиодных источников на орган зрения детей, подростков и взрослых (И.Э. Азнаурян)”, что говорит о том, что НТС находится на правильном пути». Сегодня общественные организации и ассоциации пытаются взять на себя ответственность за последствия негативного влияния искусственного света, который они продвигают на светотехническом рынке.

При этом следует отметить, что начиная с 70-х гг. прошлого столетия на государственном уровне оценка биологического действия естественного и искусственного освещения осуществлялась специалистами лаборатории гигиены освещения (лаборатории лучистой энергии) Института общей и коммунальной гигиены им. А.Н. Сысина, который в настоящее время переименован в «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью». В этих исследованиях [8] сотрудниками лаборатории гигиены света проводился анализ зависимости степени утомления наблюдателей, которая определялась функционалом F [fi, Е], в зависимости от условий общего освещения [Е], рас- считываемого по динамике каждой из исследованных функций fi [Е]. Было показано, как с нарастанием степени денатурации света, то есть снижения доли естественного света в комплексном световом потоке, возрастала степень утомления от выполнения тестовой зрительной работы. Наименьший спад физиологических и психологических показателей состояния испытуемых отмечался при работе в условиях естественного освещения, наибольший – при полностью искусственном освещении. На рис. 1 приведена зависимость показателя утомления от соотношения естественного и искусственного света при освещении люминесцентными лампами типа ЛБ (световой поток 2800–3000 лм и 3450 К – 4200 К при управлении уровнем освещенности на рабочей поверхности).

Рис. 1. Зависимость утомления от соотношения естественного и искуственного света [8]: при освещенности 300 лк – 1 , 500 лк – 2 , 1000 лк – 3 ;

Е – естественный свет, И – искуственный свет

В ходе проведенных исследований специалистами института им. А.Н. Сысина были определены уровни гигиенического минимума естественного света для рабочих помещений общественных зданий, что и было положено в основу гигиенических требований к совмещенному освещению, как 250–300 лк естественного света, η .

При внедрении люминесцентного освещения сотрудники НИИ строительной физики Госстроя СССР также отмечали, что при естественном свете зрительная работоспособность была выше, чем при искусственном. Для сравнения брались люминесцентные лампы типа ЛБ 40. Численные значения показателя зрительной работоспособности определялись как произведение времени различения на вероятность правильного опознавания (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что гигиенически минимальному уровню естественного света 250–300 лк при заданном уровне работоспособности соответствует минимальный уровень люминесцентного освещения 400–500 лк соответственно. Приближая спектр света энергосберегающего искусственного источника излучения к спектру солнечного света, можно не только

Рис. 2. Зависимость зрительной работоспособности от освещенности при естественном – ( 1 ) и искуcственном – ( 2 ) освещении [9]

380 430 480 530 580 630 680 730 780

Длина волны, нм

^ Флуоресцентная трубка

■ Светодиодная трубка

■ Естественное освещение

• ••• Спектр действия «синего»

Рис. 3. Сравнение спектров люминесцентных и светодиодных ламп со спектром солнечного света

Рис. 4. Кривая закона оптимума или закона В. Шелфорда экономить электроэнергию, но и обеспечить совместимость работы этих источников освещения, формируя безопасную световую среду с биологически адекватным спектром излучения.

По результатам проведенных исследований сотрудники института им. А.Н. Сысина З.А. Скобарева и Л.М. Текшева сделали следующие выводы:

• 1.    Излучение биологического действия света на человека остается актуальной проблемой гигиены освещения.

• 2.    Экспериментально на клеточном, биологическом и психофизиологическом уровнях доказана биологическая неадекватность естественного и искусственного света равной интенсивности, которая сохраняется и при повышении уровня освещенности от искусственных источников света.

• 3.    Большое гигиеническое значение естественного света должно учитываться при разработке норм освещения и новых технических средств оптимизации световой среды в помещениях с длительным пребыванием людей [8].

При этом важно отметить, что специалисты института не проводили спектральную оценку неадекватности между естественным и искусственным светом.

На рис. 3 для сравнения приведены спектры люминесцентных ламп, светодиодных ламп и солнечного света.

Искусственные источники света по отношению к равномерному спектру солнечного света имеют выбросы и провалы фотонного потока при определенных длинах волн – выбросы в области синего света, провалы – в области 480 нм, красного света – в области 670 нм.

Массовое внедрение светодиодного освещения, в спектре которого доза синего света значительно больше, чем у люминесцентных ламп, породило исследования по оценке рисков здоровью человека и зрительному анализатору от «синей опасности».

При этом офтальмологи и специалисты светотехники не обращали внимания, что в спектре современных белых светодиодов уровень красного света 670 нм был ниже, чем в спектре солнечного света. Такая недооценка значимости роли красного света обусловлена тем, что этот диапазон излучения лежит за пределами кривой спектральной чувствительности глаза (кривой видности глаза человека). При этом специалисты по фотобиологической безопасности в своей работе руководствовались максимальными значениями световых потоков на определенных длинах волн и считали, что их минимальные значения не могут нанести существенного вреда глазу. Такая концепция была обусловлена оценкой безопасности зрительного анализатора от воздействия лазерных источников света. Но гигиенисты и светотерапевты знают, что избыток светового потока, как и его недостаток, губительно сказываются на жизнестойкости клеток живых биообъектов.

Гигиенисты оценивают риски от уровня воздействия по критериям закона оптимума, или закона В. Шелфорда (рис. 4).

Из этого закона следует, что есть оптимальные значения воздействующего фактора, при котором обеспечивается нормальная жизнедеятельность клетки, зоны пессимума и гибели. Этот гигиенический подход получил развитие при применении методов лазерной терапии. Низкий уровень лазерной

Рис. 5. Трехмерная модель кривой Арндт – Шульца, иллюстрирующая, как излучение или время освещения могут иметь двухфазную реакцию дозы при низком уровне лазерной (легкой) терапии [10]

(легкой) терапии (НУЛТ), при котором использовали видимый, как правило красный, или почти инфракрасный свет, генерируемый лазером или светодиодом (LED), для лечения различных патологий у людей и животных, был известен с 1967 г. Этот свет обычно имеет узкую спектральную ширину между 600 и 1000 нм. При выборе уровня воздействия применяется трехмерная модель кривой Арндт – Шульца (рис. 5).

Согласно квантовой теории света, каждой длине волны электромагнитных колебаний соответствует свой энергетический поток фотонов, который порождает свой поток фотохимических реакций. Ф.X. Гротгус в России (1817) и Дрейпер в США (1839) независимо друг от друга сформулировали закон, согласно которому химически активны лишь те лучи, которые поглощаются реакционной смесью. Основной закон фотобиологии заключается в том, что биологический эффект вызывают части спектра только такой длины волны, при которой они поглощаются молекулами клеток. Наличие фотобиологического эффекта однозначно указывает на присутст- вие в клетках молекул, поглощающих кванты света данной области спектра [11]. Зависимость погло- щающей способности вещества от длины волны света определяется спектром поглощения.

Поглощение света веществом – внутримолекулярный физический процесс. Свет поглощается молекулами (их комплексами, атомами, радикалами, ионами), а не сложными биологическими структурами, такими как ядра, митохондрии, клетки, сетчатка глаза. Исключение составляют лишь полупроводники, у которых в поглощении света участвуют обобществленные энергетические уровни, создающиеся в результате взаимодействия многих центров (атомов, ионов или молекул). Во взаимодействии вещества со светом, связанным с поглощением, проявляются как квантовые (корпускулярные), так и волновые свойства последнего [12].

Спектры современных светодиодов (синий кристалл, покрытый желтым люминофором) основаны на вышеуказанных закономерностях (рис. 6).

Ранее мы рассматривали роль негативного влияния выбросов синего света на сетчатку и гормональную систему человека, а также роль провала в области голубого света 480 нм на динамику управления зрачком [14–17].

В настоящей статье мы анализируем, как снижение дозы красного света 670 нм влияет на жизнеспособность митохондрий клеток. Митохондрии являются основными продуцентами свободных радикалов в эукариотических клетках. Свободные радикалы, такие как супероксид-радикал или гидро-ксид-радикал, в норме образуются в митохондриях в ходе работы дыхательной цепи, обеспечивающей синтез аденозинтрифосфатсинтазы (синтез АТФ) – основной энергетической «валюты» клетки. Митохондрии также в большей степени подвержены повреждениям свободными радикалами: митохондриальная ДНК, в отличие от ядерной, не защищена гистонами или другими ДНК-связывающими белками. И, поскольку митохондрии являются важными клеточными органеллами, нарушение их работы мо- жет приводить к таким последствиям, как, например, апоптоз – программируемая клеточная смерть.

Рис. 6. Спектральные характеристики солнечного света и традиционного светодиода (синий кристалл, покрытый желтым люминофором) [13]

Рис. 7. Фотосинтетическая транспортная цепь электронов тилакоидной мембраны [19]

В монографии Г. Линга «Life at the сеll and below-cell level, the hiddеn history of fundamental revolution in biology» объяснено, что клетка – не водный раствор в липидной оболочке, а белково-водно-электролитная структура, которая удерживается за счет многослойной организации поляризованной воды вокруг полноразвернутых белковых структур. При этом теория Линга на практике подтверждается, а теория липидных мембран противоречит данным наблюдениям, поскольку клетка абсорбирует больше воды, чем может объяснить мембранная теория. Теория ассоциации – индукции заключается в стремлении автора перенести «центр тяжести» в понимании жизненных функций клетки с клеточной мембраны на цитоплазму при рассмотрении изменения электронной плотности в макромолекулах, вызываемого внешними сигналами, как основной механизм регуляции клеточных функций. Эти представления опираются на тесную взаимосвязь в цитоплазме клетки трех основных «игроков» – белков, структурированной воды и неорганических ионов [18], к которым относятся ионы водорода, натрия, железа, меди и цинка.

В настоящее время имеется большое число исследований по функционированию митохондрии, и предлагаются механохимические модели выработки ее структурами АТФ. Наибольшим признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961). Он высказал предположение, что поток электронов через систему молекул-переносчиков сопровождается транспортом ионов Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий. В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н+, включающий химический, или осмотический, и электрический градиенты (мембранный потенциал). Согласно хе-миосмотической теории, электрохимический трансмембранный потенциал ионов Н+ и является источником энергии для синтеза АТФ за счет обращения транспорта ионов Н+ через протонный канал мембранной Н+ – аденозинтрифосфатсинтазы (АТФ).

Теория Митчелла исходит из того, что переносчики перешнуровывают мембрану, чередуясь таким образом, что в одну сторону возможен перенос и электронов, и протонов, а в обратную – только электронов. В результате ионы Н+ накапливаются на одной стороне мембраны.

Между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны в результате направленного движения протонов против концентрационного градиента возникает электрохимический потенциал. Энергия, запасенная таким образом, используется для синтеза АТФ как результат разрядки мембраны при обратном (по концентрационному градиенту) транспорте протонов через АТФ, которая работает в этом случае как АТФ-синтаза (рис. 7).

В работе P. Dimroth et al. [20] представлена ме-ханохимическая модель для индукции трансмембранной натриеводвижущей силы во вращающий крутящий момент (рис. 8).

Тот же механизм, вероятно, будет работать в других F-АТФ-синтазах, включая протонную Н2-F-ATФ-синтазу [21]. В основе приведенных механо-химических моделей получения АТФ лежит работа

Рис. 8. Принципиальная схема АТФ-синтазы Na+ FoF1 стрелка указывает направление вращения при синтезе АТФ нано электродвигателя от потока ионов водорода Н+ или натрия Na+, который имеет ротор и статор, то есть митохондриальный ротационный двигатель, называемый АТФ-синтазой.

В работе P. Dimroth et al. [20] также отмечается, что из-за электростатического взаимодействия между участками ротора и заряда статора переходы между состояниями зависят от углового положения ротора, обозначенного θ. Эволюция химического состояния ротора символически описывается уравнением ds dS = K (6) s, dt где K [θ] – матрица скоростей перехода между химическими состояниями. Движение ротора можно описать, приравняв вязкое сопротивление ротора к вращающим моментам, действующим на ротор, к броуновской силе, моделирующей тепловые флуктуации ротора (то есть уравнение Ланжевена [22, 23]):

^ ⁼ ^У ⁺ ^ ^ ⁺ H⁹^ ⁺

Фрикционное Ротор - статор Мембраны Диэлекгри-сопротивлснис заряда взаимо- потенциальны чсский действия                     барьер тм^ - ч^ + J^L •

Пассивное Крутящий Броуновский взаимодействие момент крутящий момент ротор - статор нагрузки F|

Слагаемые в правой части второго уравнения являются следующими:

• ♦    [ i ] т q [0, s ] обусловлено электростатическим взаимодействием между зарядом статора (R227) и узлами ротора, которые находятся внутри гидрофильной полосы ротора – статора. Заряженный (незанятый) участок, согласно закону Кулона, будет зависеть от заряда статора (R227), соответствующего диэлектрической и экранирующей среде статора. Гидрофильность – характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способности хорошо впитывать воду, а также высокой смачиваемости поверхностей. Наряду с гидрофобностью она относится как к твердым телам, у которых является свойством поверхности, так и к отдельным молекулам, их группам, атомам, ионам;

• ♦    [ ii ] т д^ [0, s ] обусловлено падением мембранного потенциала через горизонтальный сегмент между периплазматическим каналом и границей статора;

• ♦    [ iii ] Т д_Е [0, s ] представляет собой электростатический барьер, который препятствует проникновению заряженного участка в гидрофобный интерфейс ротора – статора;

• ♦    [ iv ] т RS [0] является пассивным взаимодействием ротора со статором;

• ♦    [ v ] т L [0 ] представляет собой нагрузку, оказываемую F 1 на ротор через γ-вал;

• ♦    [ vi ] т B [ t ] является случайным броуновским моментом из-за тепловых флуктуаций ротора.

Предыдущие работы предполагали, что ATФ-синтаза (наименьший известный роторный двигатель) работает с эффективностью 100 % – картина, основанная на нескольких идеализированных предположениях, в том числе о том, что вязкость среды, окружающей двигатель, – это объемная вода [24], в то время как градиенты вязкости вблизи поверхностей не учитывались [10]. Игнорирование этой точки зрения имеет решающее значение, поскольку механическое поведение молекулярных машин отличается от такового их макроскопических аналогов, которые не применимы на молекулярном уровне. Это касается, в частности, применения концепции вязкого трения и смазки. Недавняя экспериментальная работа показала, что важно различать физические свойства объемной воды и уровни наноскопи-ческих межфазных слоев воды, которые являются маскирующими поверхностями. Наноскопические водные слои, связанные с гидрофильными поверхностями, характеризуются значениями вязкости, которые на порядки больше, чем объемная вода. Кроме того, было экспериментально показано, что с увеличением удержания между гидрофильными поверхностями вязкость наноскопических слоев воды резко возрастала [24].

Из предложенной модели нагрузки мотора АТФ-синтазы [20] видно, что его скорость вращения, а значит и производительность по выработке АТФ, зависит от состояния воды. Проводимые расчеты по моделированию мотора ATФ-синтазы предполагали, что вязкость воды внутри митохондрий постоянна и соответствует вязкости воды. По мнению A.P. Sommer et al. [25], это предположение не является удовлетворительным по двум причинам:

Старение связано с клеточным снижением и сниженной функцией, частично опосредуемой митохондриальным компромиссом. Однако возрастная функция митохондрий корректируется при инфракрасном свете (670 нм), что улучшает их мембранный потенциал и продукцию аденозинтрифосфата, а также уменьшает возрастное воспаление. Данные свидетельствуют о том, что свет 670 нм может значительно улучшить застарелую функцию сетчатки, возможно, обеспечивая дополнительное производство аденозинтрифосфата для ионных насосов фоторецепторов или уменьшения возрастного воспаления. Это может иметь последствия для лечения старения сетчатки и связанных с возрастом таких заболеваний, как дегенерация желтого пятна [26].

В резолюции 3th Global Pediatric Congress отмечались значительные достижения последних лет в детской офтальмологии, но обращалось внимание на нерешенные проблемы [27, 28]. Так, общая тенденция безопасного освещения полупроводниковыми источниками света и видео безопасного излучения дисплеев такова: необходимо иметь биологически адекватный спектр, который обеспечит гармоничную работу зрительного анализатора и гормональной системы человека. Конгресс обращает внимание глав стран и правительств на необходимость финансирования государственных программ по разработке национальных регламентов зрительной работы с привлечением к этим исследованиям офтальмологов и представителей других научных дисциплин, специалистов в области гигиены и охраны труда.

В своем протоколе № 02/ТП от 19 июля 2017 г.1 эксперты рабочей группы по безопасной эксплуатации зданий и сооружений также рекомендовали «при разработке нормативно-технической документации учитывать отечественный и мировой опыт создания полупроводниковых источников белого света с биологически адекватным спектром излучения» [29].

Выводы:

• 1.    Все спектры энергосберегающих искусственных источников света имеют провал в области 670 нм, что негативно сказывается на синтезе АТФ в митохондриях клеток глаза.

• 2.    Наличие в спектре света гигиенически оптимальной дозы красного света 670 нм положительно влияет на вязкость нанослоев воды и процесс синтеза АТФ.

• 3.    Необходимо продолжить исследования по определению влияния гигиенически оптимальной дозы красного света 670 нм на изменения вязкости нанослоев воды и связанных с ними процессов синтеза АТФ.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.