健康光照環(huán)境的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

王 茜 郝洛西 曾 堃

(同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海200092)

1 前言

自從有了人工照明，人類(lèi)就告別了日落而息，日出而作的生活，可以有效地延長(zhǎng)工作時(shí)間以適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)代社會(huì)。但同時(shí)卻發(fā)現(xiàn)大部分人的身體處于“亞健康”狀態(tài)［1］，表現(xiàn)出精神疲憊、情感障礙、思維紊亂和睡眠障礙等癥狀。因?yàn)椴灰?guī)律的作息違反了人類(lèi)進(jìn)化中形成的24小時(shí)生物節(jié)律。人體的內(nèi)在固有平衡被打破，機(jī)體免疫力下降，容易形成各種心血管功能障礙誘發(fā)癌癥以及季節(jié)性情感障礙(Seasonal affective disorder，SAD)等疾病。諸此等等引起了研究人員的注意:光與人體晝夜節(jié)律是否存在著必然的聯(lián)系?

人類(lèi)的行為生理等現(xiàn)象在進(jìn)化過(guò)程中已經(jīng)適應(yīng)了地球的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)引起的晝夜及季節(jié)變化，在人體內(nèi)形成了一個(gè)特殊的器官，具有控制生物節(jié)律的作用，被稱(chēng)作生物鐘(circadian clock)。哺乳動(dòng)物的生物鐘由母鐘跟子鐘組成。母鐘位于下丘腦的視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，是哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律組構(gòu)中最重要的起搏器［2］，控制著機(jī)體的行為和生理節(jié)律。子鐘位于肝臟、心臟等外圍組織，接受母鐘的SCN發(fā)出的各種調(diào)控。生物鐘時(shí)刻接受著來(lái)自外界的明暗周期信號(hào)，調(diào)整自身時(shí)相，以適應(yīng)外界環(huán)境。因此，營(yíng)造健康的光照環(huán)境首先要了解光照對(duì)人體晝夜節(jié)律的影響。

2 光照對(duì)人體晝夜節(jié)律的影響

人類(lèi)對(duì)光的研究有500年的歷史，在超過(guò)150年時(shí)間里，人們一直認(rèn)為人類(lèi)眼睛上只存在具有視覺(jué)作用的兩種感光細(xì)胞:錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞。DeCoursey［3］于1959年發(fā)現(xiàn)光照會(huì)對(duì)人體晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響;Moore［4］的研究團(tuán)隊(duì)于1972年發(fā)現(xiàn)了除視覺(jué)通路之外眼睛的另一個(gè)通路，就是光通過(guò)視網(wǎng)膜直接投射到視交叉上核(SCN);直至2002年，美國(guó)Brown大學(xué)的David Berson［5］發(fā)現(xiàn)了第三類(lèi)感光細(xì)胞(我國(guó)譯為司辰細(xì)胞)，才找到讓人們疑惑很久的光如何通過(guò)視網(wǎng)膜作用SCN產(chǎn)生光生物效應(yīng)的“丟失的鏈接”。Yasukouchi等人于2005年描述了來(lái)自視網(wǎng)膜的光信號(hào)的傳播途徑有兩種通道，如圖1所示。一條是傳遞視覺(jué)影像功能的神經(jīng)通道，另一條是經(jīng)過(guò)視交叉上核(SCN)鏈接松果體，傳遞非視覺(jué)信息的神經(jīng)通道。而光正是通過(guò)非視覺(jué)的信息通路作用于松果體，影響褪黑激素的分泌。褪黑素作為光信號(hào)的接受者將來(lái)自外界的光信息傳達(dá)給機(jī)體的有關(guān)組織和器官，從而影響和控制機(jī)體的內(nèi)在生物規(guī)律，包括晝夜、季節(jié)以及年節(jié)律等以適應(yīng)外界的變化。

圖1 兩個(gè)神經(jīng)通路，實(shí)線是傳遞視覺(jué)影像的神經(jīng)通路，虛線是傳遞非視覺(jué)信息的神經(jīng)通路

2.1 褪黑素的影響作用

褪黑素最早是1958年由Lerner等人從牛松果體內(nèi)提取出來(lái)的可以使青蛙皮膚顏色褪色的物質(zhì)并命名為Melatonin，它是一種神經(jīng)性的內(nèi)分泌激素。正常生理狀態(tài)下，人體褪黑素的分泌是夜多晝少，呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性的波動(dòng)。而且一天內(nèi)，通常從凌晨1點(diǎn)到2點(diǎn)褪黑素的分泌是最高的，直至中午12點(diǎn)褪黑素的分泌降至最低，與身體內(nèi)其他激素的分泌規(guī)律不同，比如皮質(zhì)醇等，如圖2。褪黑素的這種有節(jié)律的、隨著黑暗周期進(jìn)行的變化作為光的信號(hào)被大腦所識(shí)別［6］，并調(diào)節(jié)著人體晝夜節(jié)律和季節(jié)性節(jié)奏。當(dāng)人體晝夜節(jié)律被打破，黑暗周期發(fā)生變化，褪黑素分泌則發(fā)生異常，這將影響人體的生理機(jī)能。目前知道，光的季節(jié)性的變化(夏天晝長(zhǎng)夜短，冬天晝短夜長(zhǎng))通過(guò)褪黑素對(duì)動(dòng)物的生殖系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用［7］，并且在生殖系統(tǒng)異常的人的體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)松果體分泌褪黑素能力低下。另外，褪黑素在人體免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)以及抗氧化方面都有著非常重要的調(diào)節(jié)作用［8］。特別在睡眠方面，適當(dāng)劑量的褪黑素可以緩解因?yàn)闀円构?jié)律被打破而造成的睡眠障礙［9］。褪黑素還被稱(chēng)作“睡眠激素”，控制人體的警覺(jué)和睡眠。

圖2 皮質(zhì)醇、褪黑素、體溫24小時(shí)周期規(guī)律

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)褪黑素的作用

褪黑素作為機(jī)體表達(dá)黑暗的化學(xué)信號(hào)，對(duì)光照的強(qiáng)弱有著靈敏的反應(yīng)。這里借助Melbourne大學(xué)的McIntyre［10］等人的實(shí)驗(yàn)來(lái)闡述光照強(qiáng)度對(duì)褪黑素的影響作用。他們采用13個(gè)健康被試者(9男4女)進(jìn)行了7天的實(shí)驗(yàn)。每天在凌晨12點(diǎn)到1點(diǎn)間進(jìn)行5種強(qiáng)度的光照實(shí)驗(yàn)，分別是3000lx、1000lx、500lx、350lx和200lx，光源是熒光燈。結(jié)果表明，在每種光照強(qiáng)度的照射下，與正常褪黑素分泌量相比較，不同強(qiáng)度的光照對(duì)褪黑素的抑制程度分別可達(dá)71%、67%、44%、38%和16%，如圖3。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，光照強(qiáng)度越大，對(duì)褪黑素的抑制作用越強(qiáng)。同樣從圖中可以看出，光照強(qiáng)度越大，對(duì)褪黑素的分泌起到抑制作用所需的時(shí)間越短，光照強(qiáng)度越小則需要持續(xù)一段的時(shí)間才會(huì)對(duì)褪黑素的抑制起到作用。同樣McIntyre［11］的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，在同一種光源作用下，低照度的光照并不能通過(guò)持久時(shí)間的照射達(dá)到高照度在短時(shí)間內(nèi)對(duì)褪黑素抑制的同樣的效果。

但是對(duì)于光譜能量分布不同的光源，同一照度下對(duì)褪黑素的作用效果也不同。MaIiana．G［12］的實(shí)驗(yàn)證實(shí)照度為18lx的波長(zhǎng)為470nm的LED光源對(duì)褪黑素起到非常明顯的抑制作用，而同樣照度的3000k的熒光燈對(duì)人體沒(méi)有太多的生物效應(yīng)。這說(shuō)明光譜能量分布不同對(duì)褪黑素的抑制作用也不同。

2.3 光譜能量分布對(duì)褪黑素的影響

圖3 不同光照強(qiáng)度對(duì)褪黑素的抑制作用

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)揭示，藍(lán)綠光譜左右的光線對(duì)機(jī)體的晝夜節(jié)律有著明顯的影響［13］。W right［14］等人曾用藍(lán)色(470nm)、藍(lán)綠色(497nm)、綠色(525nm)、琥珀色(595nm)以及紅色(660nm)的LED對(duì)被試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(如圖4)，研究結(jié)果表明藍(lán)綠(497nm)LED對(duì)褪黑素產(chǎn)生最大的抑制(42min)，證實(shí)LED的光照是造成褪黑素時(shí)相變化的有效辦法，其中藍(lán)綠LED最有效。我國(guó)北京大學(xué)第三醫(yī)院神經(jīng)科［15］也曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中用波長(zhǎng)為470nm的LED光照對(duì)被試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)470nm的LED藍(lán)色光源對(duì)人體的生物節(jié)律影響是有效且安全的。

圖4 不同波長(zhǎng)的光對(duì)褪黑素的相位提前影響時(shí)間

Berman［16］指出，光感受器的最大光譜靈敏度處于藍(lán)色光的區(qū)域內(nèi)，并且在高照度水平時(shí)很活躍，并證明在富含藍(lán)色光譜的照明下人眼視敏度有一定提高。它不同于明視覺(jué)和暗視覺(jué)條件下的光譜光視效率敏感度，光對(duì)人體晝夜節(jié)律作用的敏感度峰值位于490nm［14］處。(數(shù)值并不一致，Gall、George C［17］［18］等實(shí)驗(yàn)為460nm)，如圖5。

圖5 暗視覺(jué)、明視覺(jué)以及生理晝夜節(jié)律對(duì)光譜的敏感度曲線

紅光對(duì)褪黑素的抑制最弱，藍(lán)光對(duì)褪黑素的抑制最強(qiáng)，而光照強(qiáng)度大小對(duì)褪黑素的作用也不同，強(qiáng)光瞬時(shí)可以抑制褪黑素的合成，而弱光則需要持續(xù)一段時(shí)間。因此，在夜晚臨睡前，健康的光照應(yīng)該比較柔和不含藍(lán)光，這樣有助于人體識(shí)別晝夜節(jié)律，準(zhǔn)時(shí)捕捉外界環(huán)境加強(qiáng)褪黑素分泌促使人們睡眠。相反，白天辦公環(huán)境，需要保持清醒警覺(jué)狀態(tài)，光照環(huán)境的設(shè)計(jì)除了考慮滿足視覺(jué)功能外，還需要在光譜中加入能抑制褪黑素的藍(lán)光，有助于提高工作效率。

光生物學(xué)理論的發(fā)展在以往的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上增加了健康照明的內(nèi)容。因此，除了考慮光照的視覺(jué)功效外，光照強(qiáng)度以及光譜能量分布都是應(yīng)該考慮的。只有充分了解光作用于人體的生物效應(yīng)，才能營(yíng)造健康的光照環(huán)境。

3 光療技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)意義的光療指的是日光浴治療法(Heliotherapy)，早在古埃及、古希臘以及古羅馬都有記錄［19］。隨著人造光源的誕生，法羅群島(Faroe Islands)的Niels Ryberg Finsen作為現(xiàn)代光療之父，發(fā)明了第一個(gè)可以用于治療尋常狼瘡(Lupus Vulgaris)的光療技術(shù)。他在1903年獲得了諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，從此光療技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

首先，光療技術(shù)應(yīng)用最早最多的是在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用上，根據(jù)不同波段的光譜對(duì)人體產(chǎn)生的生物效應(yīng)的不同，人們研究出針對(duì)不同疾病的光譜治療儀器和方法。總的來(lái)說(shuō)，光療中可以利用紅外光長(zhǎng)波的強(qiáng)滲透性以及熱效應(yīng)來(lái)使體內(nèi)局部血液流動(dòng)，加速新陳代謝，提高細(xì)胞活性，起到消炎鎮(zhèn)痛的作用。宇宙飛行員在太空失重狀態(tài)下，身體細(xì)胞活性降低，生長(zhǎng)緩慢，肌肉骨頭都會(huì)發(fā)生萎縮等現(xiàn)象，并且身體的擦傷撞傷很難愈合，這在太空中是非常不利的。于是美國(guó)宇航局(NASA)應(yīng)用680nm、730nm和880nm的LED光源做實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了近紅外線的光波能五倍地提升細(xì)胞活性，并有效治療創(chuàng)傷［20］。而紫外光因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)短輻射能量大，光療技術(shù)中可以將其應(yīng)用在表皮進(jìn)行除菌殺毒作用，比如利用UVB治療牛皮癬［21］。此外，還有利用紅光降低血糖，促進(jìn)卵巢黃體形成;利用藍(lán)紫光漂白血液中膽紅素，治療新生兒黃疸等等。

其次，光療對(duì)人的心理及睡眠的作用，是健康光照環(huán)境中最受關(guān)注的問(wèn)題，這主要涉及到可見(jiàn)光范圍的光波。自1984年Rosenthal提出并描述了季節(jié)性情感障礙(SAD)以來(lái)，人們開(kāi)始關(guān)注SAD與光照的關(guān)系。SAD高發(fā)在高緯度地區(qū)或者冬季陽(yáng)光缺少的地區(qū)，因?yàn)樯眢w生物鐘無(wú)法適應(yīng)該地區(qū)的白晝時(shí)間的短，從而造成精神和情緒紊亂。通過(guò)調(diào)整光照強(qiáng)度以及光譜能量分布可以對(duì)SAD癥有很好的療效［10］～［18］。西雅圖的一些研究人員在冬天模擬夏季清晨光照環(huán)境，發(fā)現(xiàn)這能有效的緩解SAD病人的病癥［22］。另外，對(duì)于重度抑郁癥(major depressive disorder)、極地抑郁癥(bipolar disorder)以及產(chǎn)后抑郁癥(postpartum depression)的人群，光療也是一種極為有效的方法［23］［24］。有資料顯示，明亮光照可以緩解帕金森病癥(Parkinson's disease)，減少病人的顫抖癥狀［25］。同樣，讓老年癡呆癥(Alzheimer's disease)的病人白天待在明亮的光照下，夜晚較少光亮，會(huì)有助于讓病人的行為穩(wěn)定［26］。再則，通過(guò)改變光照條件(模擬黃昏光照和黎明光照)可以有效緩解由于生活節(jié)奏加快，壓力增大而產(chǎn)生的睡眠障礙。美國(guó)RPI大學(xué)的照明研究中心(Lighting Research Center，LRC)研制出470nm的光譜的光療設(shè)備——光護(hù)目鏡，作為非藥物手段干預(yù)老年人的睡眠障礙。通過(guò)對(duì)11個(gè)51歲到80歲以上的人做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)一定時(shí)段的光照以及在特定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行光照，能有效的改善了老年人的睡眠狀況［27］。

除此之外，光療技術(shù)在美容方面的發(fā)展有著巨大的潛力。隨著人們對(duì)光照強(qiáng)度和光譜能量分布(SPD)的了解更加深入以及對(duì)LED技術(shù)的掌握，利用特定波長(zhǎng)的光譜針對(duì)不同美容需求(美白、除皺等等)，制作美容光療設(shè)備，已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。目前市面已經(jīng)出現(xiàn)利用590nm波長(zhǎng)具有的增強(qiáng)人體膠原蛋白功效制作的光療去皺產(chǎn)品，以及利用525nm波長(zhǎng)能分解皮膚中黑色素的美白產(chǎn)品等等。由此看來(lái)，光已經(jīng)突破了它傳統(tǒng)意義上的概念了。可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，有關(guān)光的非視覺(jué)效應(yīng)應(yīng)用更將廣泛。

4 健康光照環(huán)境應(yīng)用展望

早在2000年重慶大學(xué)陳仲林教授就開(kāi)始關(guān)注健康照明情況，并指出，以明視覺(jué)的視見(jiàn)函數(shù)為準(zhǔn)進(jìn)行的照明計(jì)算存在著不合理性［28］，進(jìn)而其團(tuán)隊(duì)對(duì)隧道照明以及道路照明中的光生物效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了Berman［16］提出的在富含藍(lán)光的照明下人眼的視敏度有一定的提高。2006年楊公俠教授以及章海驄教授［29］［30］把第三種光感受器(Cirtopic)介紹給國(guó)內(nèi)照明學(xué)界后，復(fù)旦大學(xué)的居家奇、陳大華、林燕丹［31］等定義了照明的光生物效應(yīng)，并重新思考了照明的定義。同濟(jì)大學(xué)郝洛西教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)極地極晝極夜的特殊環(huán)境條件對(duì)人體的不利影響，在其申請(qǐng)的國(guó)家“863”課題中，將開(kāi)展在極地的環(huán)境條件下，LED的SPD對(duì)人體的非視覺(jué)生物效應(yīng)的研究，探索合適的LED光譜能量分布(SPD)，并研制出適合極地的LED燈具，以提高極地站區(qū)科考隊(duì)員的工作效率，改善極地特殊環(huán)境引起的“越冬綜合癥”、“南極T3綜合癥”和“季節(jié)性情感失常”(SAD)等癥狀。研究結(jié)果將對(duì)高緯度地區(qū)以及冬季較長(zhǎng)地區(qū)的照明應(yīng)用有著非常重要的借鑒意義;同時(shí)將突破傳統(tǒng)燈具的概念，提出滿足視覺(jué)要求的照明不再是未來(lái)燈具的唯一功能，健康光照概念將引領(lǐng)未來(lái)燈具的設(shè)計(jì)。

健康光照環(huán)境的營(yíng)造必須基于對(duì)用光安全的了解［32］。首先，從光輻射方面來(lái)說(shuō)，紫外光、紅外光以及一定的可見(jiàn)光會(huì)對(duì)人體的眼睛以及皮膚造成傷害，無(wú)論從健康光照環(huán)境設(shè)計(jì)以及燈具設(shè)計(jì)方面都要避免。其次，從視覺(jué)方面來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)不合理的照明(比如過(guò)強(qiáng)的照度比，照明場(chǎng)景的頻繁更迭及不適宜的彩色光的選擇)會(huì)造成人情緒的不舒適，甚至造成視覺(jué)疲勞，損傷視力。再有，就是光對(duì)人體晝夜節(jié)律的影響作用，正如文章前面所述，破壞人體晝夜節(jié)律的照明會(huì)誘發(fā)各種疾病(比如SAD及乳腺癌等)。

如今，由于LED不同于傳統(tǒng)光源的特殊光學(xué)特性及其技術(shù)的發(fā)展，使人們?cè)絹?lái)越關(guān)注光生物安全的問(wèn)題。基于光照對(duì)人體晝夜節(jié)律會(huì)產(chǎn)生影響，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(DIN)計(jì)劃于2012年底前完成制定草案，即在建筑環(huán)境中考慮光照對(duì)人體晝夜節(jié)律的影響作用。我國(guó)“十二五”半導(dǎo)體照明專(zhuān)項(xiàng)針對(duì)LED照明產(chǎn)品光源及燈具的光輻射特性開(kāi)展研究，研發(fā)出光輻射危害檢測(cè)方法及檢測(cè)設(shè)備。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的LESLIE LYONS最近撰文提倡現(xiàn)在的LED的光電子產(chǎn)品一定要注意光生物安全［33］。2011年7月在南非太陽(yáng)城舉辦的第27屆國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)大會(huì)中，除了對(duì)光生物安全的關(guān)注外，光與健康以及光的非視覺(jué)生物效應(yīng)也成為關(guān)注的熱點(diǎn)話題。健康照明將成為我國(guó)“十二五”期間LED照明領(lǐng)域的重要研究與應(yīng)用方向。

5 結(jié)語(yǔ)

以上可知光對(duì)人體晝夜節(jié)律作用的研究將對(duì)未來(lái)照明應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。首先是可以通過(guò)特定光照強(qiáng)度及光譜能量分布以及利用自然光來(lái)修復(fù)人的晝夜節(jié)律紊亂的狀況，比如SAD癥狀，老年癡呆癥(Alzheimer's disease)等，可以應(yīng)用在醫(yī)院病房、ICU室及健康治療室等地方。其次是模擬自然光以有利人體晝夜節(jié)律穩(wěn)定。可以通過(guò)引入自然光或者通過(guò)智能控制系統(tǒng)來(lái)達(dá)到對(duì)自然光的模擬，可以應(yīng)用在水療(SPA)場(chǎng)所、酒店、醫(yī)院病房及無(wú)窗的非工作場(chǎng)所或者住宅場(chǎng)所。再有是效仿光對(duì)人體晝夜節(jié)律作用的方式，在照明設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的工作場(chǎng)所應(yīng)用特定的光譜及光照強(qiáng)度，以增強(qiáng)視敏度及提高人體警覺(jué)性，例如需要倒班的工作場(chǎng)所、辦公室、學(xué)校以及控制室(核電站及宇航發(fā)射中心的控制室等)。

總之，就如LED的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)燈具的設(shè)計(jì)概念一樣，光生物學(xué)以及LED技術(shù)的發(fā)展，突破了傳統(tǒng)照明界線，將以視覺(jué)為主導(dǎo)的光照環(huán)境外延，與人體健康甚至美容密切相關(guān)。也許在不久的將來(lái)，傳統(tǒng)概念上用于照明的室內(nèi)燈具，其功能不僅僅是照明，而同時(shí)具有美容光療等健康意義的作用。

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