Od migotania do pióra: zrozumienie czasowej modulacji światła

Od migotania do pióra: zrozumienie czasowej modulacji światła w środowisku drobiu

Kiedy myślimy o migoczącym świetle, nasze umysły przywołują obrazy świec rzucających niespokojne cienie lub być może sporadyczne przerwy w dostawie prądu, które przyćmiewają nasze otoczenie. Jednak w dziedzinie technologii oświetleniowej zjawisko to ma bardziej precyzyjną nazwę: "czasowa modulacja światła" (TLM). Definiowany jako fluktuacja ilości światła lub koloru w czasie, TLM występuje nie tylko w naszym środowisku naturalnym, ale także w oprawach elektrycznych stworzonych przez człowieka. Badając zawiłości TLM, odkryjemy jego wpływ zarówno na ludzi, jak i drób, rzucając światło na temat, który łączy naukę i praktyczne oświetlenie.

Źródła migotania
Temporalna modulacja światła (TLM) często występuje w przyrodzie. Dobowy rytm wschodu i zachodu słońca powoduje ekstremalne zmiany intensywności i widma, choć w powolnej skali czasowej. Zwierzęta często doświadczają TLM w postaci pstrokatego światła słonecznego migoczącego przez liście drzew lub brokatu słonecznego odbijającego się od wgłębień w zbiornikach wodnych. W negatywnym kontekście, jeśli ptak drapieżny, taki jak jastrząb lub rybołów, przelatuje nad głową i rzuca cień, taki TLM może wywołać strach i niepokój u gatunku ofiary.

Gdy światło jest generowane przez oprawy elektryczne, oscylacyjny charakter zasilacza elektrycznego i mechanizmu napędowego może powodować TLM. Na przykład sieć zasilająca AC jest zasilana napięciem oscylacyjnym dodatnim i ujemnym 50-60 Hz. Konwencjonalne żarówki ogrzewają i chłodzą proporcjonalnie do napięcia, emitując lub "żarzące" światło wykazujące TLM przy 100-120 Hz. Następca żarówek, kompaktowe lampy fluorescencyjne, są napędzane statecznikiem elektronicznym, który jest również często napędzany tymi samymi
częstotliwościami. Obecnie, nowoczesne oprawy LED mogą być zasilane i napędzane na różne sposoby, często wykazując TLM na częstotliwościach znacznie szybszych niż poprzednio, takich jak 1000 Hz lub więcej. Jest to zwykle spowodowane ściemnianiem diod LED za pomocą mechanizmu zwanego "modulacją szerokości impulsu" który wykorzystuje impulsy prostokątne o wysokiej częstotliwości, przy czym czas "włączenia" i czasu "włączenia" jest kontrolowany w celu określenia poziomu ściemniania.

Biologiczna percepcja TLM
Istnienie TLM często rodzi pytanie o potencjalne problemy zdrowotne dla ludzi i drobiu. U ludzi udokumentowano, że wyczuwalny TLM powoduje skutki zdrowotne, w tym zmęczenie oczu, migreny, lęk, ataki paniki, a nawet napady padaczkowe. Ze względu na te skutki zdrowotne zdefiniowano przepisy budowlane dla dopuszczalnych typów TLM, które są uważane za bezpieczne dla ludzi. W przypadku kurników nie istnieją jeszcze takie normy. Zamiast tego musimy zrozumieć, jak TLM jest postrzegany i jak łagodzić jego skutki.

Wzrokowa percepcja światła odbywa się w oku przez wyspecjalizowane komórki fotoreceptorowe zwane pręcikami i czopkami. Światło jest pochłaniane przez wyspecjalizowan fotopigmenty zwane "opsynami", które uruchamiają kaskadę transdukcji sygnału obejmującą fotoizomeryzację cząsteczki siatkówki zawartej w opsyny, aktywację białka G, metabolizm cyklicznej cząsteczki GMP przez fosfodiesterazę, zamknięcie kanałów jonowych znajdujących się w błonie fotoreceptora i hiperpolaryzację potencjału błonowego. Te serie kroków sygnalizacyjnych są ograniczone kinetycznie; Oznacza to, że ich wystąpienie zajmuje trochę czasu. W rzeczywistości fotorekcjony opsyny wizualnej są klasycznie opisywane jako "metabotropowe" szczególnie ze względu na powolny charakter procesu sygnalizacji obejmującego metabolizm cząsteczek organicznych. Ponieważ proces sygnalizacji percepcji światła jest powolny, obserwator nie może dostrzec szybkich zmian światła. Na przykład większość nowoczesnych telewizorów i monitorów komputerowych ma częstotliwość
odświeżania 120 Hz, ale ludzie nie są w stanie dostrzec tak szybkiego TLM. Zamiast tego postrzegamy szybką modulację TLM jako stałe, niemodulowane światło.

Próg częstotliwości TLM, który jest dostrzegalny przez obserwatora, nazywany jest krytyczną częstotliwością fuzji lub CCF. Średnia krytyczna częstotliwość fuzji u ludzi wynosi ~83 Hz, ale istnieje naturalny rozkład CCF wśród osób i zależy również od natężenia światła, modulacji procentowej, wieku osoby i stanu neurologicznego. W przypadku ptaków zgłoszone CCF wahają się od 75 Hz dla gołębi do 138 Hz dla muchołówek (Potier i in., 2020). Różnica ta prawdopodobnie odzwierciedla potrzebę szybszej percepcji czasowej u gatunków, które łapią szybko zmieniające się źródła pożywienia. W przypadku drobiu zgłaszany CFF u kurcząt wynosi 75-87 Hz (Jarvis i in., 2002; Lisney i in., 2011; Prescott, Wathes, & Jarvis, 2003; Railton, Foster i Temple, 2009; Rubene i in., 2010). Dlatego różnica we wrażliwości na TLM między ludźmi a
kurczakami jest dość nieznaczna.

Podobnie jak w przypadku ludzi, oczekuje się, że TLM może mieć biologiczne skutki dla drobiu tylko wtedy, gdy są dostrzegalne. Dlatego TLM o częstotliwościach znacznie wyższych niż CFF (~87 Hz dla kurcząt) są ogólnie uważane za bezpieczne dla obserwatora. Nowo opublikowane badania prowadzone przez dr Karen Schwean-Lardner z University of Saskatchewan przyjrzały się wpływowi TLM 30, 90 i 250 Hz na kury nioski i nioski (McPhee i in., 2024). Badanie wykazało, że zachowanie kurek, strach i stres były minimalnie dotknięte TLM 30 Hz i 90 Hz u bardzo młodych kurcząt, ale nie zostały odnotowane w późniejszym życiu. Co więcej, po przeniesieniu kur do kurnika bez TLM, nie zaobserwowano statystycznie istotnego negatywnego wpływu TLM na produkcję lub zachowanie niosek. W drugim badaniu z tej samej grupy przyjrzano się wpływowi migotania na nioski indycze (Hammond i in., 2024). Wyniki tego badania wykazały, że migotanie 30 Hz, znacznie poniżej oczekiwanego CFF dla indyków, skutkowało gorszym wzrostem w pierwszych 4 tygodniach życia.

Pomiar TLM
Biorąc pod uwagę, że niektóre TLM są dostrzegalne i mogą mieć negatywny wpływ na ludzi lub drób, podczas gdy inne TLM są niedostrzegalne i mogą nie mieć żadnych dostrzegalnych efektów, w jaki sposób mierzymy TLM, aby określić, czy dany TLM ma skutki biologiczne? Jak wspomniano wcześniej, częstotliwości wyższe niż CFF dla danego gatunku będą niezauważalne przez obserwatora. Jednak częstotliwości niższe niż CFF mogą być również
niezauważalne, w zależności od głębokości modulacji. Głębokość modulacji odnosi się do różnic między okresowymi wysokimi intensywnościami w porównaniu z najniższymi częściami. Głębokość modulacji może być wyrażona jako modulacja procentowa lub jako wskaźnik migotania, w skali odpowiednio 0-100% lub 0-1.

Ogólnie rzecz biorąc, wyższe procentowe głębokości modulacji lub wyższe wskaźniki migotania będą bardziej prawdopodobne, tylko jeśli częstotliwość jest niższa od CFF. Biorąc pod uwagę, że dostrzegalne migotanie występuje tylko przy częstotliwościach niższych niż CFF, a także ma wysokie wskaźniki migotania, ani sama częstotliwość, ani wskaźnik migotania nie są wystarczające do określenia czy migotanie jest widoczne. Z tego powodu przemysł oświetleniowy przyjął metrykę o nazwie "PstLM", aby określić ilościowo krótkoterminową modulację światła. Ta metryka jest skalibrowana dla ludzi i po prostu stwierdza, że wartość powyżej 1 prawdopodobnie zostanie dostrzeżona, a wartość mniejsza niż 1 jest mało prawdopodobna. PstLM bierze pod uwagę częstotliwość, modulację procentową i kształt fali. Ponieważ jednak jest to pomiar specyficzny dla człowieka, nie jest odpowiedni dla drobiu. Aby zaspokoić tę potrzebę, zaproponowano metrykę specyficzną dla ptaków, która, podobnie jak PstLM, bierze pod uwagę częstotliwość, modulację procentową i kształt fali, ale jest skalibrowana do opublikowanych wrażliwości ptaków. Ta metryka, określana jako metryka widoczności migotania ptaków lub AFVM, jest przydatna do określenia, czy TLM jest dostrzegalny przez ptaki (Sekulovski i in., 2021). Opancerzony wóz bojowy większy niż 1 może być dostrzegalny, a wartość mniejsza niż 1 jest mało prawdopodobna. Ponieważ niektóre ptaki są bardziej wrażliwe na TLM niż inne, AFVM jest dość konserwatywny dla drobiu. AFVM można zmierzyć za pomocą światłomierza specyficznego dla drobiu dostępnego w ONCE lub można go określić ad hoc, stosując funkcję AFVM do dostępnego nagrania TLM.

Konkluzja

Czasowa modulacja światła (TLM) to właściwość sztucznych źródeł światła, którą należy wziąć pod uwagę. Podczas gdy ludzie wykazują skutki zdrowotne wyczuwalnego TLM - od dyskomfortu oczu po reakcje neurologiczne - drób, zwłaszcza kurczaki, wykazują subtelną wrażliwość. Krytyczna częstotliwość fuzji, reprezentująca próg, poniżej którego TLM staje się wykrywalny, odgrywa kluczową rolę. Trwające badania dotyczą zachowania drobiu i poziomu stresu przy różnych częstotliwościach TLM, przy czym do tej pory zaobserwowano niewielki lub niewielki negatywny wpływ. Wskaźniki, takie jak wskaźnik widoczności migotania ptaków (AFVM) i PstLM, prowadzą nas w kierunku zrównoważonych rozwiązań oświetleniowych, które optymalizują dobrostan zarówno ludzi, jak i drobiu. Ponieważ nadal oświetlamy nasz świat, zrozumienie niuansów TLM zapewnia odpowiedzialne praktyki oświetleniowe w różnych środowiskach.

UWAGA
Temat ten był tematem webinarium sponsorowanego przez ONCE 2 lipca 2024 roku. Wśród
prelegentów webinarium znaleźli się dr Schwean-Lardner z Uniwersytetu w Saskatchewan, a
także dr Dragan Sekulovski, ekspert ds. percepcji oświetlenia w Signify. Nagranie z webinarium
jest dostępne tutaj.

Przypisy
Hammond, A., K. Buchynski, T. Shynkaruk, T. Crowe, and K. Schwean-Lardner. “Czy
migotanie światła ma wpływ na nioski indycze? Wpływ na wydajność i zdrowie.” Nauka o
drobiarstwie 103, no. 6 (1 czerwiec 2024): 103747. https://doi.org/10.1016/j.psj.2024.103747.

Jarvis, John R, Nina R Taylor, Neville B Prescott, Ian Meeks, and Christopher M Wathes. “Pomiar i
modelowanie czułości migotania na fotopy kurczaka (Gallus g. Domesticus).” Vision Research
42, no. 1 (Styczeń 2002): 99–106. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(01)00268-1.

Lisney, Thomas J., Björn Ekesten, Ragnar Tauson, Olle Håstad, and Anders Ödeen. “Wykorzystanie
elektroretinogramów do oceny częstotliwości fuzji migotania u kur domowych Gallus gallus
domesticus.” Vision Research 62 (1 czerwiec 2012): 125–33.
https://doi.org/10.1016/j.visres.2012.04.002.

McPhee, S., T. Shynkaruk, K. Buchynski, T. Crowe, and K. Schwean-Lardner. “W jaki sposób
migotanie światła widzialnego wpływa na zachowanie kur niosek, strach i poziom stresu?”
Poultry Science 103, no. 6 (1 czerwiec 2024): 103713. https://doi.org/10.1016/j.psj.2024.103713.
Potier, Simon, Margaux Lieuvin, Michael Pfaff, and Almut Kelber. “Jak szybko widzą raptory?” The
Journal of Experimental Biology 223, no. Pt 1 (2 styczeń 2020): jeb209031.
https://doi.org/10.1242/jeb.209031.

Prescott, N. B., C. M. Wathes, and J. Jarvis. “Światło, wizja i dobrostan drobiu.” Animal Welfare 12
(Maj 2003): 269–88.

Railton, Renee Caron Richards, T. Mary Foster, and William Temple. “Porównanie dwóch metod
oceny krytycznej częstotliwości fuzji migotania u kur.” Behavioural Processes 80, no. 2 (Luty
2009): 196–200. https://doi.org/10.1016/j.beproc.2008.11.016.

Rubene, Diana, Olle Håstad, Ragnar Tauson, Helena Wall, and Anders Ödeen. “Obecność długości fal
UV poprawia rozdzielczość czasową ptasiego układu wzrokowego.” Journal of Experimental
Biology 213, no. 19 (1 październik 2010): 3357–63. https://doi.org/10.1242/jeb.042424.

Sekulovski, Dragan, Malgorzata Perz, and Aaron Stephan. "AFVM – wskaźnik widoczności ptasiego
migotania.” CIE, 2021. DOI:10.25039/x48.2021.PO03