Биологическое действие освещения – традиционного и светодиодами

5 июня 2013
Мир освещения претерпевает быстрые изменения, обусловленные возможностью использования светодиодов для общего освещения. В то же время, проводятся интенсивные исследования так называемого биологического или невизуального действия света на людей. Прикладные исследования в различных областях знаний показали, что традиционные и новые решения в части искусственного освещения позволяют стимулировать биологическую систему человека. В любом случае, для обеспечения благоприятного невизуального действия света следует учитывать конкретные спектральные характеристики рецепторов и их расположение в сетчатке, а также временную связь между искусственным освещением и изменениями освещения в естественных условиях.

1. Биологическая система

С момента открытия так называемых фоторецепторов третьего рода, отличных от палочек и колбочек, проводились интенсивные исследования циркадного восприятия света через посредство светочувствительного фермента мелатопсина (натуральных светочувствительных ганглиозных клеток сетчатки – ipRGC (intrinsic photosensitive Retinal Ganglion Cell)) [1]. Результаты исследований фотопигмента, рецепторов и входных и выходных характеристик нервной системы неизменно демонстрировали тот факт, что максимум спектральной чувствительности организма приходится на синюю область спектра, тогда как его реакция на жёлтую и красную области спектра пренебрежимо мала [2].

Клетки ipRGC расположены в сетчатке, и их выходные сигналы  обрабатываются в ретино-гипоталамическом тракте. Действие светового стимула зависит от количества освещённых фоторецепторов, освещённости и местоположения этих фоторецепторов в сетчатке. В  отличие от зрительной (визуальной) системы, сигналы от невизуальной системы попадают в «буфер» или «память» внутренних часов тела. Даже через несколько дней после воздействия света его влияние всё ещё ощущается в фазе и амплитуде циркадной системы.

Эта система подстраивает внутренние биологические ритмы под внешний мир. Очевидно, что свет неба является естественным стимулом для рецепторов, причём подобные стимулы нужны для оптимальной работы всего организма. Хронобиологические и психологические исследования показали, что подгонка к суточному ритму, то есть привязка биологических циклов к естественным, имеет решающее значение с точки зрения обеспечения настроения, работоспособности и здоровья. Кроме того, стимулирующий биологическую систему свет усиливает восприимчивость и приводит к улучшению познавательной деятельности, активируя работу человеческого мозга.

2. Важные для освещения моменты

2.1. Спектральный состав света

Прикладные исследования показали, что биологическую систему можно стимулировать при помощи традиционного искусственного освещения, принимая при этом во внимание спектральные характеристики рецепторов и их расположение в сетчатке. В большинстве из опубликованных исследований использовались люминесцентные лампы (ЛЛ), так как лампы этого типа наиболее широко применяются для общего освещения в представляющих интерес областях применения, таких как школы, офисы и промышленные предприятия, а также дома для престарелых. Предназначенные для общего освещения СД отличаются от использовавшихся ранее традиционных источников света, главным образом, своим спектром. Свет белых СД обычно состоит из излучаемого кристаллом синего света и излучения слоя люминофора, который преобразует часть синего света в более длинноволновое видимое излучение, оставляя небольшой провал между этими участками длин волн. Создаваемое в результате впечатление белого света может быть обеспечено и при помощи сочетания красного, зелёного и синего (RGB) СД, обеспечивающего спектр, состоящий из более узких, чем в случае сочетания синего СД и люминофора, полос. Различия в спектрах традиционных и СД источников света могут повлиять на биологическую эффективность освещения, что в настоящее время является предметом медико-биологических исследований.

2.2. Пространственное распределение света

     Если рассматривать СД в качестве источника света, то он представляет собой относительно маленький точечный источник, если сравнивать его с небом, ЛЛ или матированными лампами. Если не принять меры к распределению света по большей площади, то СД кажутся неподходящими для требуемой стимуляции хронобиологической чувствительной системы человеческого организма. Однако «голые» СД для освещенияобычно не используются. Как и в случае традиционных ламп, применяются различные оптические устройства для перенаправливания света таким образом, чтобы обеспечить выполнение предъявляемых к освещению требований. Специальные оптические системы позволяют распределить свет СД по большим площадям, с тем чтобы сделать СД подходящими для общего внутреннего освещения.

2.3. Временной режим освещения

Современная практика освещения не всегда предполагает изменение освещения в соответствии со временем суток. Однако с точки зрения хронобиологии подобные изменения следует обеспечить в комнатах, в которых люди находятся длительное время днём или ночью. Биологическое действие света должно быть использовано таким образом, чтобы обеспечить стабилизацию ритма сна-бодрствования. Это предполагает создание более высокого уровня освещения с большей синей составляющей в глубине комнат в дневное время. В ночное время рекомендуется использовать светильники с узкими пучками света и более тёплым спектром излучения, которые освещают только зону проведения зрительной работы. Изменение освещения в течение дня особенно легко обеспечить при помощи СД, так как этот источник света проще всего приспособить к выполнению конкретных задач. Однако это требует применения более мелких приборов (групп СД), предназначенных для выполнения различных функций, и, возможно, усложнения системы освещения.

3. Результаты исследований

В настоящее время проводятся многочисленные исследования применимости СД для общего освещения, направленные главным образом на оценку зрительного восприятия. При этом некоторые исследования позволяют получить первые сведения о биологическом действии СД освещения. Компания OSRAM финансировала различные исследования, основанные на предположении, что усиление воздействия на биологическую систему в дневное время и его ослабление в ночное время окажут положительное влияние на дневную деятельность людей и на ночное восстановление их организмов. Научное руководство и ответственность за все эти исследования легли на участвующие в проведении исследований университеты, тогда как компания OSRAM осуществляла техническое обеспечение и предоставляла требуемые осветительные установки.

3.1. Исследования офисов

В случае офисов единственным изменением условий работы офисного персонала штаб-квартиры компании OSRAM была замена цветовой температуры ЛЛ с 4000 на 8000 К. Это исследование проводилось Медико-психологическим институтом Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана, Мюнхен, Германия. Несколькими неделями до и в различные моменты времени после замены ламп добровольцы из штата компании участвовали в проведении артиграфии движений кисти, исследованиях концентрации внимания и самочувствия и регистрации сна. Уведомлённый о целях изменения цвета света персонал хорошо воспринял это изменение. Основные результаты проведённого исследования были связаны с артиграфией и данными о сне. Новый цвет ламп привёл к улучшению синхронизации фаз сна и бодрствования с проведёнными в офисе часами [3]. С другой стороны, это продемонстрировало как потенциальную эффективность имеющего большую синюю составляющую освещения в нормальных офисных условиях, так и необходимость согласования биологически эффективного освещения с естественными биологическими циклами.

3.2. Исследования школ

Первые исследования влияния изменения внутреннего освещения на учащихся были проведены Университетской клиникой Гамбург–Эппендорф, Гамбург, Германия. Эти полевые исследования и последующие лабораторные исследования показали, что увеличение цветовой температуры и освещённости в утренние часы приводят к увеличению работоспособности при тестировании умственных способностей и выполнении связанных со школьным обучением задач [4]. При проведении этих исследований использовались динамичные светильники с ЛЛ, которые настраивались учителем на создание требуемой сцены.

Центр неврологии и познания Ульмского университета, Ульм, Германия, провёл обследование учащихся старших классов. Предполагалось, что биологически оптимизированное освещение двух классных комнат двух школ улучшит познавательную деятельность и концентрацию внимания и, в то же время, уменьшит социальный десинхроноз. Социальный десинхроноз вызывается обусловленным социальными причинами (проведённое в школе время) изменением картины чередования сна и бодрствования, приводящим во время учебной недели к депривации сна (бессоннице) и характерным для смены часовых поясов симптомам. Свет сказывается на фазе циркадного ритма и, тем самым, на социальном десинхронозе [5, 6]. В классной комнате сравнения было хорошее, но стандартное освещение. Комната, в которой находилась исследовавшаяся группа, освещалась светильниками с ЛЛ, предназначенными для прямого освещения зоны выполнения зрительной работы, и СД модулями с высокой коррелированной цветовой температурой, светящими на потолок для обеспечения отражённого освещения. Сравнение полученных до и после замены освещения результатов подтвердило предполагавшееся улучшение внимания и работоспособности. Данные о сне продемонстрировали устойчивую тенденцию, но не достигли заданного заранее уровня достоверности.

3.3. Исследование освещения салона самолёта

 Невизуальное действие освещения салона самолёта во время полёта исследовалось компанией OSRAM  и её партнёрами из авиационной промышленности (компании Airbus и Diehl Aerospace) и научных учреждений (Вуппертальский университет, Фраунгоферовский институт строительной физики). Добровольцы приняли участие в имитации ночного полёта продолжительностью более 10-ти часов в условиях либо стандартного освещения, либо осуществляемого по «биологически оптимизированному» графику освещения. Несколько физиологических и психологических тестов и опросов о самочувствии были проведены для проверки предположения, что оптимизация освещения салона, обеспечиваемого исключительно СД (RGB + тёплый белый + холодный белый), в соответствии с вышеупомянутыми критериями приводит к увеличению комфорта и восстановления в ночное время и улучшению концентрации после «приземления». Изменение освещения заключалось в уменьшении синей составляющей вечером и ранним утром и увеличении синей составляющей в конце полёта. Положительный эффект проявился как в виде уменьшения вечернего нервно-психического напряжения и подавления выработки мелатонина , так и характере протекания процесса выработки мелатонина утром и в улучшении работоспособности по окончании полёта.

4. Заключение

Исследования биологического невизуального действия света продемонстрировали большую важность освещения для самочувствия и здоровья людей. Однако пока что не наблюдалось никакой существенной разницы в эффективности между традиционным и СД освещением. При одинаковых пространственном распределении света и режиме работы освещения эффективность, похоже, зависит главным образом от относительной величины синей составляющей спектра излучения источника света.

Авторы: Андреас Войтысяк (Andreas Wojtysiak), Лиу Жянпин (Liu Jianping) 

Список литературы

     1. Berson, D. M. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock//

Science. – 2002. – Vol.295, No. 5557. – P. 1070-1073.

     2. Rea, M.S. Circadian light// J. Circadian Rhythms. – 2010. – Vol. 8, No. 1. – P. 2.

     3.Vetter, C. Blue-enriched office light competes with natural light as a zeitgeber// Scand.

J. Work Environ Health. – 2011. – Vol. 37, No. 5. – P. 437-445.

     4. Barkmann, C. Applicability and efficiacy of variable light in schools// Physiol. Behav. – 2012. – Vol. 105. – P.  621-627.

     5. Khalsa, S.B. A phase response curve to single bright light pulses in human subjects//

J. Physiol. – 2003. – Vol. 549(Pt 3). – P. 945-952.

     6. Figueiro, M. 2010. Lack of short-wavelength light during the school day delays dim light

melatonin onset (DLMO) in middle school students// Neuro Endocrinol Lett. – 2010. – Vol. 31,   No. 1. – P. 92-96.


Оставить комментарий