日食傷裸眼，化學來解釋

知識 08-26

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前幾天在美國引發全民熱潮的日全食是百年難得一遇的天文奇觀，以特朗普總統為首的人們紛紛放下手中的工作，欣賞日全食這一場視覺盛宴。他們有的用手中的攝影設備來表達按捺不住的激動心情，力求定格每個美好的瞬間。

2017年8月22日美國日全食。圖片來自網路

實驗室里的大神也沒閑著，各路無解的創意輪番湧上心頭，攔都攔不住。

還記得「小孔成像」和96孔板么？圖片來自網路

但也有些人觀察的方式不對——用肉眼來觀看。裸眼直接看日食會傷害眼睛，造成視覺模糊，甚至會造成失明。傷情不重的自行休養片刻即可恢復，如果嚴重就需要去醫院接受治療。

特朗普總統裸眼看日食（請勿模仿！）。圖片來源：Mark Wilson / Getty Images

那麼問題來了：太陽光是如何傷害眼睛的呢？

1962年以前，人們認為太陽通過其自身強大的熱量使眼睛受到傷害。1962年，有位物理學家證明這一觀點是錯誤的，他就是Johannes J. Vos。他在一項研究中發現視網膜被直接被日光照射後溫度只上升了2 ℃，而視網膜溫度至少要上升10 ℃才會損傷眼睛。也就是說，太陽的熱量並不足以損傷眼睛。在排除了太陽的熱量這一因素後，他認為罪魁禍首是所謂的代謝性中毒。他把這種現象定義為細胞內生化過程產生的廢物的累積。

四年後，紐約州立大學布法羅分校的生理學教授Werner K. Noell的團隊把大白鼠放在低能量的熒光燈下一段較長的時間後，大白鼠的視網膜受到損傷。由於熒光缺乏足夠的熱量加熱大白鼠的組織，因此他們確定傷害大白鼠視網膜的「元兇」是光化學因素。

下一步，研究人員決定弄明白日光中能造成傷害的波長範圍。眼角膜會吸收紫外線B光譜（UV-B）的短波長部分，晶狀體過濾UV-B中剩下的部分和UV-A一部分，長波長的紅外光被眼睛裡的液體吸收，剩下的波長就在400 nm至1400 nm之間。

Noell的團隊認為500 nm左右的光（綠光）會傷害眼睛，這個光譜和視紫質的吸收光譜完全重合。視紫質是眼睛的視桿細胞的光感蛋白質，能幫助人們在較暗的光線下看到東西。但接下來的50年里，只有一項不太強的研究能重複他的結論。

最終，學術界認為藍光光譜範圍的光會造成眼睛的損傷。但科學家還沒有弄明白眼睛受損的機理是什麼，他們猜測這可能與某些化合物相關。卡迪夫大學的高級講師Malgorzata Rozanowska認為有大量證據表明全反式視黃醛（all-trans-retinal）應該背這個鍋。

全反式視黃醛（下圖）對視覺起到關鍵作用。在眼鏡的視桿細胞和視錐細胞里，光感蛋白質含有11-順式視黃醛。光催化11-順式視黃醛發生異構化反應轉變成全反式視黃醛，引發一系列導致產生電信號的細胞活動。正常情況下，全反式視黃醛在酶的作用下被還原成全反式視黃醇——也就是眾所周知的維生素A，並進一步發生反應，重新生成11-順式視黃醛和形成視紫質。

眼內的光化學反應示意圖。圖片來源：C&EN

如果裸眼看日食時間太長，全反式視黃醛開始累積並直接吸收光能，它的一個電子被躍遷到單重激發態，單重激發態經歷系間竄越（intersystem crossing）後形成三重態。三重態的全反式視黃醛能與氧反應，生成多種活性氧族（例如羥基自由基），並觸發一連串有害的自由基反應。

活性氧族輕鬆地氧化眼睛中的重要化合物，包括幫助輸送視網膜營養物質和化學信息的蛋白質和不飽和脂肪酸（例如DHA）。這時候情況就開始變糟糕了。Rozanowska解釋道，儘管一個激發態的全反式視黃醛分子僅產生一個活性氧族分子，但一旦這個活性氧族分子和脂質中的一個脂肪酸分子發生反應，就會觸發鏈式反應，導致成百個脂質分子被氧化、結構改變並且輸送營養物質的能力變差。這些氧化反應最終會導致細胞死亡和視網膜損傷。

日食固然美好，但「心靈的窗戶」更加重要。因此觀看日食時做好防護措施是不能少的，例如戴特製眼鏡等等（如下圖）。希望下次再看日食的時候，不要看到那麼多裸眼觀眾。