Циркадная фотобиология: новые горизонты практической и теоретической светотехники

В течение века искусственное освещение проектировалось и оптимизировалось для выполнения человеком зрительных задач. Однако последние исследования показывают, что свет также влияет на регуляцию суточного ритма человека, депрессию, качество сна, бодрствования, и, возможно, даже на здоровье. При этом управление суточным ритмом и зрение — совершенно разные биофизические процессы. Эти результаты подталкивают производителей осветительного оборудования и тех, кто занимается световым дизайном, оптимизировать освещение как для выполнения зрительных задач, так и для регуляции циркадного ритма. Настоящая статья закладывает основы для практической и исследовательской работы, основанной на новом понимании роли света в жизни человека.

Введение

Основа успешного проектирования освещения — контроль над количеством света, его спектром, распределением, временем и продолжительностью воздействия с целью принести максимальную пользу человеку. Век исследования, разработок и практики дал знания, необходимые для производства источников света и осветительных стандартов, которые позволяют нам эффективно видеть. Однако последние исследования показывают, что количество света, спектр, пространственное распределение, время и длительность воздействия, необходимые для того, чтобы человек видел, существенно отличаются от тех, что необходимы для эффективной регуляции его циркадного ритма.

Новые технологии и новые источники света должны учитывать новые стандарты и правила освещения. Знание о воздействии света на циркадные ритмы человека только формируется, но, надеюсь, представленные в этой статье данные помогут светотехнической отрасли легче и быстрее использовать результаты, полученные в этой области научных исследований.

Основы

Биологические часы, регулирующие суточные сложные механизмы, такие как ночной сон и дневная активность — центральное понятие фотобиологии. Эти околосуточные часы находятся в супрахиазматическом ядре (SCN) головного мозга и имеют периодичность не 24, а приблизительно 24,5 ч.

В норме свет является основным стимулом для сброса биологических часов. Каждое утро дневной свет сбрасывает цикл сон–бодрствование, чтобы привести его в соответствие с циклом день–ночь. В полной темноте и для слепых людей механизмы сна–бодрствования с циклом день–ночь будут десинхронизованы. Сезонные изменения цикла день–ночь, поездки на другой конец света с пересечением часовых поясов и работа в ночную смену влияют на биологические часы, так как световой ритм оказывается рассинхронизирован с биологическими часами.

Одна из первых работ по циркадной фотобиологии показала, что яркий свет может снизить остроту зимней депрессии. В этом исследовании группа Леви [1] показала, что воздействие яркого света в начале и в конце дня в темное время зимой на северо-западе США может облегчить симптомы депрессии у некоторых пациентов. С тех пор многочисленные исследования расширили эти результаты, подтверждая возможность использовать яркий свет для снижения остроты сезонной депрессии. Сегодня свет является признанным средством лечения некоторых пациентов с аффективными расстройствами.

Но гораздо более широкий круг людей заботит качество сна. Исследования Лака и его коллег [2] показало, что освещение в определенные моменты суточного цикла увеличивает продолжительность и эффективность сна. В [3] также отмечается, что очень яркий свет в течение дня и очень низкая освещенность ночью улучшает эффективность сна у пациентов с болезнью Альцгеймера. Без этого условия у таких больных эпизоды сна и активности в течение дня и ночи кратки и непредсказуемы. Выдерживание режима чередования яркого освещения и темноты сильно облегчает уход за этими пациентами, так как помогает им спать ночью.

В работах [4–6] показано, что яркий свет в ночное время может повысить производительность в некоторых случаях, а также улучшить самочувствие и усилить внимание. Способность ясно видеть, хорошее самочувствие, работоспособность и внимание основаны на сложных нейронных взаимодействиях. Неудивительно, что влияние света и темноты на человеческий организм не является простым и однозначным. Кроме того, в реальных жизненных ситуациях это влияние зависит и от других факторов, таких как питание, социальные ситуации и потребление кофеина. В целом, однако, ясно, что свет играет очень важную роль в поведении и благополучии человека как в ночное время, так и в течение дня.

Эти и многие другие исследования, проведенные за последние 20 лет, утвердили в общественном сознании фотобиологию как важную область науки. Однако, в отличие от довольно ясного представления о физиологии зрения, наши знания о циркадных ритмах фотобиологической системы по-прежнему ограничены. Мы узнали, что свет, чтобы эффективно воздействовать на циркадные ритмы, должен попасть в глаза. Мы не знаем точно, однако, какие именно фоторецепторы отвечают за циркадные фотобиологические эффекты. Мы проследили пути от глаза до супрахиазматического ядра, в верхний шейный ганглий и шишковидную железу, которая выделяет мелатонин. Мы считаем, что мелатонин является основным гормоном, регулирующим механизмы циркадного ритма человека. Выработка мелатонина шишковидной железой в мозгу по определенной ритмической программе жестко регулируется биологическими часами в супрахиазматическом ядре. Недавно появилась гипотеза, что сетчатка также синтезирует мелатонин, но ее роль в суточным регулировании остается неясной. Мы не полностью понимаем механизм синхронизации и активации мелатонином различных комплексных механизмов циркадного ритма, наблюдаемых у людей (например [7, 8]). Предполагается, что нарушение суточного ритма выработки мелатонина может привести к онкологическим заболеваниям.

Ограниченность наших знаний сдерживает инновации в светотехнике, но дает простор для новых исследований и практической работы в биологии суточных ритмов. Хочется надеяться, что изложенные далее сведения будут способствовать дальнейшему развитию технологий в освещении.

Количество света, его спектр, пространственное распределение, время и продолжительность освещения

На протяжении многих лет бытовало мнение, что «естественный» свет лучше «искусственного». Наука подробно и глубокого разобралась в механизме зрения человека, и имеющиеся на сегодня знания не позволяют утверждать, что «естественный свет» или «полный спектр» оказывает принципиально иное воздействие на зрение по сравнению с искусственным светом. Многие эксперты воспринимают это популярное мнение как фольклор, но совсем не обращать на него внимание трудно. Можно модулировать несколько основных характеристик света: количество, спектр, пространственное распределение, время и продолжительность воздействия. Хотя каждая характеристика света рассматривается независимо, ясно, что они оказывают влияние на циркадный ритм в комплексе.

Перечислим основные известные на сегодняшний день основания считать, что «естественное» освещение лучше всего подходит для регуляции циркадных ритмов. Этот список будет отправной точкой для рассуждений и потребует более тщательных будущих исследований.

• Количество — уровень освещенности под открытым небом в дневное время достаточен для регулирования циркадных часов и мелатонинового цикла, тогда как уровень света в помещениях во многих случаях для этого недостаточен.
• Спектр — на мелатониновый цикл влияет преимущественно коротковолновая составляющая видимого спектра, и в этом этом диапазоне находится значительная часть энергии дневного света.
• Пространственное распределение — предположительно рецепторы, отвечающие за суточное регулирование, случайным образом распределены по сетчатке, но есть некоторые предварительные сведения, что нижняя часть сетчатки вносит больший вклад в фоторегулирование суточных ритмов по сравнению с верхней частью, как можно было ожидать, учитывая что небо освещает преимущественно нижнюю часть сетчатки.
• Время — освещение в разное время суток влияет на разные фазы суточного ритма, и величина влияния также зависит от того, когда происходит это воздействие. Утренний свет синхронизирует циркадные часы с суточными и сезонными изменениями цикла свет–темнота.
• Продолжительность — производство мелатонина прекращается под воздействием света ночью, но возобновляется после исчезновения света, по-видимому, чтобы минимизировать воздействие постороннего светового стимула (например, вспышки молнии).

Количество

Наиболее очевидное различие между электрическим и дневным светом состоит в том, что интенсивность дневного света, как правило, гораздо выше. Уровень искусственного освещения в офисах, школах, домах и на производстве редко превышает 1000 лк на рабочей поверхности (примерно 200 лк на глазах). Обыкновенно уровень освещения в зданиях составляет половину или треть этого уровня, а часто намного меньше (например, в кухнях жилых помещений освещенность рабочей поверхности в темное время суток, как правило, 200 лк). Освещенность земли на открытом воздухе сразу после восхода или перед заходом солнца даже в облачные дни составляет 2000–10000 лк. В здании недалеко от окна освещенность рабочей поверхности может быть более 2000 лк, в зависимости от состояния неба и ориентации окна. Очевидно, освещенность под открытым небом в течение дня, как правило, намного выше предусмотренной искусственным освещением, что показано на рис. 1.

Рис. 1. Типовая освещенность под открытым небом, в помещении без окон, внутри помещения приблизительно на расстоянии 3 м от окон (коэффициент естественной освещенности 3%) и в непосредственной близости от окна (коэффициент естественной освещенности 10%). Дневной свет учитывается при частичной облачности, без прямых солнечных лучей

Рис. 2 показывает, как уровень освещенности влияет на скорость восприятия визуальной информации и степень подавления выработки мелатонина (максимальная степень подавления выработки мелатонина в эксперименте составляла около 70%, данные масштабированы от 0% до 100%). На левой кривой представлены скорость и точность обработки визуальной информации (по данным [9]). Даже при лунном свете при чтении текста, набранного черным шрифтом на белой бумаге, производительность визуального восприятия остается относительно высокой. В офисе при уровне освещенности около 500 лк на рабочей поверхности зрительная система воспринимает информацию почти с максимальной скоростью. Поэтому, если интересует только скорость восприятия, почти нет оснований повышать уровень освещенности выше этого значения.

Рис. 2. Относительная скорость восприятия высококонтрастной зрительной информации и относительная степень подавления выработки мелатонина светом в зависимости от освещенности глаз. По оси ординат 0% — минимальный (пороговый) ответ; 100% — максимальный (насыщенный) ответ

Кривая, показывающая подавление выработки мелатонина (рис. 2), построена на основе данных [10, 11] относительно максимально возможной степени подавления выработки мелатонина светом в ночное время. Эти данные количественно согласуются с данными, представленными другими исследователями, использующими иные методы. В экспериментах МакИнтайра и др. измерялся уровень мелатонина в крови испытуемых, которые смотрели в световой короб с люминесцентными лампами «полного спектра» в течение 1 ч при разных уровнях освещенности (влияние возможных различий в пространственной протяженности светового окна рассматриваются в разделе «Пространственное распределение»). Как отмечалось ранее, в настоящее время предполагается, что мелатонин является основным гормоном, регулирующим суточные фотобиологические механизмы. Поэтому предполагается, что кривая, опубликованная этими учеными, описывает общую чувствительность циркадной фотобиологической системы организма к свету (для света с данным набором характеристик).

Примечательно, что одного часа экспозиции до 500 лк на рабочей поверхности едва ли хватит, чтобы стимулировать циркадную фотобиологическую систему, хотя это более чем достаточная освещенность для решения зрительных задач. Воздействие более сильным уровнем освещенности будет подавлять выработку мелатонина, но длительное пребывание под тусклым освещением не приведет к большему влиянию на циркадный ритм, как уже отмечалось выше. Это означает, что уровень освещения в помещениях, который рекомендуется и практикуется в настоящее время, может оказаться недостаточным для регулирования циркадного ритма. Если люди не освещаются ярким светом утром, циркадные нарушения могут наблюдаться у значительной части населения. Это может быть проблемой в зимние месяцы, когда люди ездят на работу в темное время суток, а работают при уровне освещения в 500 лк. Действительно, следует отметить, что в северных широтах в течение зимних месяцев до 9,4% населения в той или иной степени испытывают сезонные аффективные расстройства. Очевидно, что уровень освещенности, по крайней мере в течении некоторого времени после пробуждения, должен быть выше рекомендованного для решения зрительных задач.

Спектр

Спектральный состав естественного освещения также отличается от спектра большинства искусственных источников. На рис. 3 показано спектральное распределение мощности для дневного света (без прямого солнечного света) и нескольких искусственных источников.

Рис. 3. Спектральное распределение нескольких источников: дневного света, лампы накаливания и люминесцентных ламп

Искусственные источники света используются для внутреннего освещения и спроектированы так, чтобы максимально эффективно преобразовывать электрическую энергию в видимое излучение. Однако видимое излучение, или свет, в представлении инженеров, занимающихся освещением и производством светильников, имеет очень конкретное определение. На рис. 4 показана функция относительной спектральной световой эффективности Vk, используемая во всех светоизмерительных приборах. Функция Vk, однако, основана на спектральной чувствительности очень малой доли (1–2%) фоторецепторов глаза. Практика показывает, что эти фоторецепторы не имеют большого значения для суточных фотобиологических эффектов. Несмотря на то, что остаются все еще неизученными фоторецепторы, влияющие на суточный фотобиологический ритм, недавние исследования показали, что система суточного ритма имеет иную функцию световой эффективности, чем дневная или сумеречная функция спектральной световой эффективности Vk.

Рис. 4. Функции фотопической и скотопической световой эффективности, а также установленная опытным путем функция подавления выработки мелатонина

Эмпирическая функция световой эффективности, показанная на рис. 4, может быть использована для расчета количества «циркадных люменов» данного светового источника. Таблица 1 показывает соотношение количества «циркадных» и обычных люменов различных искусственных источников света и дневного света. Эти показатели позволяют оценить относительную погрешность, которая получается, если обычный светоизмерительный прибор, работа которого основана на функции относительной спектральной световой эффективности (Vk), использован для оценки влияния на систему суточного ритма человека. Например, при одинаковой измеренной освещенности при дневном свете и свете лампы накаливания дневной свет будет в 2,22 (2,78/1,25) раза сильнее воздействовать на систему суточного ритма по сравнению со светом лампы накаливания. Для обычных «белых» источников света ошибка в оценке влияния на систему суточного ритма с помощью обычных светоизмерительных приборов редко превышает 200%. По сравнению с обычными различиями в количестве дневного света и искусственного освещения, которое может составлять несколько порядков (то есть, 10 000%), спектральное распределение источника света относительно не важно. Но, с практической точки зрения, разница вдвое может означать двукратную разницу в стоимости освещения, поэтому для практического применения подобные спектральные эффекты находятся не на последнем месте.

Рис. 5 иллюстрирует влияние спектрального распределения на относительную визуальную производительность, а также степень снижения уровня мелатонина для трех различных люминисцентных источников света, представленных в таблице 1. Поскольку спектральное распределение на зрительную производительность существенно не влияет, одна ее кривая относится ко всем спектральным распределениям. При равной и достаточной освещенности пороговая освещенность, снижающая выработку мелатонина, тем не менее, будет ниже для источников света из таблицы 1с более высокими показателями. Максимальная степень снижения уровня мелатонина в экспериментах составила 70%, но данные масштабированы от 0% до 100%. Рис. 5 показывает, что в диапазоне освещенностей, при которых свет может влиять на циркадную систему, снижение уровня мелатонина вызывается именно сочетанием повышенной освещенности и особенностями спектрального распределения, и это необходимо учитывать в задачах практического освещения.

Рис. 5. Относительные зрительная производительность и степень снижения уровня мелатонина под воздействием нескольких различных люминисцентных источников (в соответствии с функцией, показанной на рис. 4), в зависимости от величины освещенности глаз. По оси ординат 0% — минимальный (пороговый) ответ, 100% — максимальный (насыщенный) ответ

В таблице также показано отношение «циркадных» и соответствующих световых люменов, нормированных на флуоресцентную лампу с температурой 3000 K. Другими словами, 500 лк освещенности, создаваемой натриевой лампой высокого давления, будут соответствовать по своему влиянию на циркадный ритм вдвое меньшей освещенности люминесцентными лампами дневного света с цветовой температурой 3000 K. Например, для достижения 50% от максимального снижения уровня мелатонина при использовании люминесцентного освещения с цветовой температурой 3000 К требуется около 500 лк на глазах (или около 2500 лк на рабочей плоскости) в течение 1 ч. Для сравнения: такой же эффект достигается освещением люминесцентными лампами с цветовой температурой 7500 К при наличии только около 300 лк на глазах (или около 1500 лк на рабочей плоскости). Таким образом, правильный выбор источника света, в сочетании с достаточным уровнем освещенности, может значительно повысить шансы повлиять на циркадный ритм.

Пространственное распределение

Существуют важные различия в методах исследования влияния света на циркадные ритмы. В частности, весьма различаются пространственное распределение света и средства его реализации. Авторы [12] получали световой раздражитель, используя маленькую комнату со светлыми стенами, освещенную сверху люминесцентными лампами, а в [13–15] описаны эксперименты с монохроматическим светом в равномерно освещенном полушарии, заполняющим все поле зрения. Другие ученые использовали световой стол площадью 1,3 м², содержащий люминесцентные лампы либо световой короб, устанавливая его на разных расстояниях для варьирования светового воздействия, изменяя таким образом его пространственную протяженность (угловой размер) одновременно с уровнем освещенности.

Несмотря на большую разницу в методиках, результаты исследований согласуются, показывая асимптотически сходящиеся функции зависимости степени подавления ночной выработки мелатонина от освещенности глазного дна. Эти согласующиеся зависимости показывают, что направленное в глаза излучение является практической мерой по подавлению выработки мелатонина воздействием света. Данный вывод подкрепляется результатами исследований [16], при которых использовались световые короба, расположенные вблизи направления прямой видимости и на угловом расстоянии в 60° от этой оси. Они показали, что в обоих случаях реализуются равные вертикальные освещенности, которые вызывают равное подавление ночной выработки мелатонина. Это не исключает небольшие вариации в распределении фоторецепторов, влияющих на циркадные ритмы. Два независимых исследователя сообщили, что освещение нижней части сетчатки вызывает несколько более сильное подавление выработки мелатонина, чем освещение ее верхней части. Но так как только в одном из этих исследований разница оказалась статистически значимой, результаты остаются под сомнением.

Время воздействия

В зависимости от времени воздействия (а также других характеристик, рис. 6), свет может сдвигать фазы циркадных часов в обе стороны. Когда яркий свет воздействует до того как температура тела достигнет своего минимума, который обычно наблюдается во второй половине ночи, происходит задержка фазы циркадных часов. Если свет подается после того, как будет пройден минимум температуры тела, произойдет «набег» или ускорение фазы суточного ритма системы. сдвиг фаз является дозо-зависимой реакцией и он максимален когда свет воздействует ближе к моменту минимальной температуры тела. Чтобы добиться эффекта сдвига фаз, необходимо контролировать освещенность в течение всего суточного дневного/ночного цикла, так как несколько световых импульсов могут вызывать противоположные или дополнительные сдвиги циркадного ритма.

Рис. 6. Эффект времени воздействия света на сдвиг фазы ритма изменения температуры тела

Продолжительность воздействия

Сильное подавление мелатонина

Свет оказывает непосредственное влияние на регулирование уровня мелатонина. У некоторых видов грызунов максимально короткий импульс яркого света, который вызывает эффективное подавление выработки мелатонина, составляет 5 с, а время падения концентрации мелатонина в крови всего 2 мин. По первым опубликованным данным, у людей снижение содержания мелатонина в крови начинается не позднее, чем через 10 мин после импульса яркого света. А прекращение светового воздействия приводит к увеличению мелатонина в крови в течение 15 мин. В этом исследовании не представляется возможным определить, подавлялся ли и восстанавливался ли уровень мелатонина в крови быстрее, чем через 10 или 15 мин, поскольку забор крови в эти короткие промежутки времени не проводился, однако это вполне вероятно.

Из результатов исследований МакИнтайра и др. видно, что яркие световые импульсы быстрее подавляют выработку мелатонина, чем импульсы низкого уровня освещенности. Рис. 7 показывает связь между освещенностью глаза и временем, через которое может быть измерено снижение концентрации мелатонина до трех разных уровней подавления (25, 40 и 50%).

Рис. 7. Количество времени, необходимое для измерения ночного подавления светом уровня мелатонина в крови у человека в зависимости от освещенности глаз

Данные взяты из двух независимых исследований, проведенных с использованием одного аппарата и метода, но с разными уровнями освещенности. Интересно, что снижение уровня мелатонина на 25% может быть зафиксировано менее чем за 20 мин, если освещенность глаз составит более чем 1000 лк. Если освещенность глаз установить ниже 500 лк, то для подавления уровня мелатонина на 25% может потребоваться до часа времени. Чтобы зафиксировать подавление мелатонина на 50%, требуется, по крайней мере, 30 минут, даже если освещенность глаз очень высока. Но освещенность глаз в 200 лк, скорее всего не приведет к подавлению мелатонина сильнее, чем на 25%, независимо от продолжительности облучения. Неясно, однако, как изменение количества мелатонина в крови, или продолжительность этого изменения влияет на подсистемы организма.

Сдвиг фаз

По последним данным 6,5-часовой импульс яркого света (9500 лк на глазах) приводит примерно к такому же сдвигу фаз, как шесть световых импульсов по 15 мин, разделенных одним часом той же освещенности. Эти данные показывают, что сдвиг фаз может произойти даже при кратковременном снижении уровня мелатонина. Средний уровень мелатонина в течение периода в 6,5 ч снизился почти на 90% под воздействием непрерывного светового импульса 9500 лк, и менее чем на 20% под воздействием прерывистых световых импульсов той же силы. Подразумевается, что можно получить надежный эффект сдвига фазы при незначительном влиянии на общий уровень мелатонина. Если поддержание ритма изменения уровня мелатонина необходимо для того, чтобы человек хорошо себя чувствовал длительное время, подобные режимы освещения могут быть полезными, например, при изменении рабочего графика.

Выводы

Данные и результаты исследований, описанные в этой статье, позволяют описать воздействие освещения на циркадные системы в организме человека. Несмотря на то, что «естественный» свет является хорошей базовой моделью, будущие исследования, несомненно, позволят отрасли более эффективно оптимизировать технологии и методы искусственного освещения с учетом циркадных функций. В частности, светотехника должна начать оптимизировать количество света, спектр, пространственное распределение, время и продолжительность освещения для поддержания работы циркадных систем так же, как и зрительных функций. В таблице 2 приведены предположительные требования к характеристикам освещения, которые будут поддерживать эти функции.

Примечание: * — предварительные рекомендации, требующие дальнейших исследований и подтверждений.

Система тезисов, изложенная в настоящем документе, должна быть полезной, но наше общее понимание влияния освещения на циркадных функции по-прежнему очень ограничено. Важные вопросы, на которые световая индустрия должна найти ответ:

• Что является приоритетом при направленном воздействии светом на циркадный ритм: прогулы, ясность ума, качество сна, время необходимое на выполнение задачи?
• Является ли естественное освещение рабочих мест наиболее практичным средством для регулирования достаточного количества света, чтобы поддержать циркадные ритмы?
• Для ситуаций, в которых дневной свет является дефицитным (включая ночные смены работы), будет ли польза от источников так называемого «полного спектра», со значительной долей энергии в коротковолновой области видимого спектра?
• Может ли какая-либо функция световой эффективности, основанная на эффекте снижения уровня мелатонина, быть включенной в стандарты освещения?
• Должна ли в спецификациях освещения отдельно оговариваться вертикальная составляющая светового потока, в основном характеризующая освещение сетчатки глаза человека?
• Помогут ли высокие утренние «дозы» света рабочим дневной смены работать более эффективно в течение дня и лучше спать ночью?
• Будут ли особое место в спецификации систем освещения занимать системы управления освещением, в связи с тем, что регулирование циркадного ритма зависит и от времени воздействия светом, и от его продолжительности?

Безусловно, чтобы найти ответы на эти и многие другие вопросы о взаимодействии освещения и физиологии циркадных ритмов, требуются более широкие и глубокие исследования. Эти исследования уже оказали влияние на общественное мнение. Несомненно, возникнет спрос на системы освещения, адресно вызывающие фотобиологические эффекты, поэтому есть надежда, что этот обзор вдохновит исследователей и разработчиков в светотехнике учитывать описанные эффекты наравне с потребностями зрительной системы.                   

Статья посвящена доктору Роберту Левину, главному научному сотруднику OSRAM Sylvania. На протяжении всей своей карьеры д-р Левин строил мост от науки к инженерии освещения и вдохновил многих из нас делать этот мост прочнее и шире.