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日食伤裸眼,化学来解释

前几天在美国引发全民热潮的日全食是百年难得一遇的天文奇观,以特朗普总统为首的人们纷纷放下手中的工作,欣赏日全食这一场视觉盛宴。他们有的用手中的摄影设备来表达按捺不住的激动心情,力求定格每个美好的瞬间。

2017年8月22日美国日全食。图片来自网络


实验室里的大神也没闲着,各路无解的创意轮番涌上心头,拦都拦不住。

还记得“小孔成像”和96孔板么?图片来自网络


但也有些人观察的方式不对——用肉眼来观看。裸眼直接看日食会伤害眼睛,造成视觉模糊,甚至会造成失明。伤情不重的自行休养片刻即可恢复,如果严重就需要去医院接受治疗。

特朗普总统裸眼看日食(请勿模仿!)。图片来源:Mark Wilson / Getty Images


那么问题来了:太阳光是如何伤害眼睛的呢?


1962年以前,人们认为太阳通过其自身强大的热量使眼睛受到伤害。1962年,有位物理学家证明这一观点是错误的,他就是Johannes J. Vos。他在一项研究中发现视网膜被直接被日光照射后温度只上升了2 ℃,而视网膜温度至少要上升10 ℃才会损伤眼睛。也就是说,太阳的热量并不足以损伤眼睛。在排除了太阳的热量这一因素后,他认为罪魁祸首是所谓的代谢性中毒。他把这种现象定义为细胞内生化过程产生的废物的累积。


四年后,纽约州立大学布法罗分校的生理学教授Werner K. Noell的团队把大白鼠放在低能量的荧光灯下一段较长的时间后,大白鼠的视网膜受到损伤。由于荧光缺乏足够的热量加热大白鼠的组织,因此他们确定伤害大白鼠视网膜的“元凶”是光化学因素。


下一步,研究人员决定弄明白日光中能造成伤害的波长范围。眼角膜会吸收紫外线B光谱(UV-B)的短波长部分,晶状体过滤UV-B中剩下的部分和UV-A一部分,长波长的红外光被眼睛里的液体吸收,剩下的波长就在400 nm至1400 nm之间。


Noell的团队认为500 nm左右的光(绿光)会伤害眼睛,这个光谱和视紫质的吸收光谱完全重合。视紫质是眼睛的视杆细胞的光感蛋白质,能帮助人们在较暗的光线下看到东西。但接下来的50年里,只有一项不太强的研究能重复他的结论。


最终,学术界认为蓝光光谱范围的光会造成眼睛的损伤。但科学家还没有弄明白眼睛受损的机理是什么,他们猜测这可能与某些化合物相关。卡迪夫大学的高级讲师Malgorzata Rozanowska认为有大量证据表明反式视黄醛all-trans-retinal)应该背这个锅。


全反式视黄醛(下图)对视觉起到关键作用。在眼镜的视杆细胞和视锥细胞里,光感蛋白质含有11-顺式视黄醛。光催化11-顺式视黄醛发生异构化反应转变成全反式视黄醛,引发一系列导致产生电信号的细胞活动。正常情况下,全反式视黄醛在酶的作用下被还原成全反式视黄醇——也就是众所周知的维生素A,并进一步发生反应,重新生成11-顺式视黄醛和形成视紫质。

眼内的光化学反应示意图。图片来源:C&EN


如果裸眼看日食时间太长,全反式视黄醛开始累积并直接吸收光能,它的一个电子被跃迁到单重激发态,单重激发态经历系间窜越(intersystem crossing)后形成三重态。三重态的全反式视黄醛能与氧反应,生成多种活性氧族(例如羟基自由基),并触发一连串有害的自由基反应。


活性氧族轻松地氧化眼睛中的重要化合物,包括帮助输送视网膜营养物质和化学信息的蛋白质和不饱和脂肪酸(例如DHA)。这时候情况就开始变糟糕了。Rozanowska解释道,尽管一个激发态的全反式视黄醛分子仅产生一个活性氧族分子,但一旦这个活性氧族分子和脂质中的一个脂肪酸分子发生反应,就会触发链式反应,导致成百个脂质分子被氧化、结构改变并且输送营养物质的能力变差。这些氧化反应最终会导致细胞死亡和视网膜损伤。


日食固然美好,但“心灵的窗户”更加重要。因此观看日食时做好防护措施是不能少的,例如戴特制眼镜等等(如下图)。希望下次再看日食的时候,不要看到那么多裸眼观众。

特朗普总统及家人戴上了特制眼镜观察日食。图片来源:Kevin Lamarque / Reuters


本文内容编译自

http://cen.acs.org/articles/95/i33/Chemistry-explains-shouldnt-stare-solar-eclipse-without-protection.html


(本文由幻影供稿)


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