Partneři sekce:
  • Stavmat
  • REHAU
  • Českomoravský beton

Světlo v budovách – nevizuální vnímání světla

Světlo v budovách – nevizuální vnímání světla

Dostatečné osvětlení umožňuje dobrou orientaci v prostoru a vizuální komunikaci s okolím. Světelné prostředí současně ovlivňuje řadu biologických funkcí v organismu. Je třeba zajistit potřebnou dynamiku světla.

Rozšíření elektrického osvětlení v minulém století přineslo překotné změny našeho světelného prostředí, které se dnes výrazně liší od prostředí přírodního. Díky umělému osvětlení jsme dnes schopni zajistit požadovanou intenzitu a kvalitu osvětlení v jakoukoli denní či noční dobu. Dochází však také k potlačení přirozené dynamiky světla, která napomáhá orientaci v čase. Je otázkou, zda světelné prostředí, které zpravidla přizpůsobujeme našim vizuálním požadavkům, odpovídá také komplexním biologickým potřebám našeho těla.

Světlo a vnitřní časový systém člověka

V roce 2002 identifikoval S. Hattar v lidském oku nový druh na světlo citlivých buněk, fotoreceptorů pojmenovaných ipRGCs – intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells. Tyto buňky jsou součástí tzv. systému nevizuálního vnímání světla, který do mozku předává informace o přítomnosti nebo absenci světla. Nejedná se však o informaci obrazovou, jako v případě vizuálního systému.

Nevizuální vnímání světla synchronizuje vnitřní čas organismu s vnějším prostředím, s rytmem střídání pozemského dne a noci, viz Anna Wirz-Justice. K synchronizaci dochází při dopadu dostatečného množství světelného záření na sítnici oka. Světlem aktivované fotoreceptory ipRGCs (Obr. 1) jsou přímo propojeny se suprachiasmatickým jádrem (SCN) v hypotalamu a s dalšími centry v mozku. SCN plní funkci hlavních cirkadiánních hodin v těle, centrálního oscilátoru, který koordinuje periferní oscilátory v jednotlivých orgánech a buňkách.

Obr. 1 Schematický řez lidským okem, detail sítnice se třemi typy fotoreceptorů.

Obr. 1 Schematický řez lidským okem, detail sítnice se třemi typy fotoreceptorů.

Každý tělesný orgán, každý proces i každá buňka v těle pravidelně proměňují míru své aktivity během dne. Tento tzv. cirkadiánní rytmus (z latiny circa = přibližně, diem = den) je autonomní, přibližně 24hodinový cyklus biochemických, fyziologických a behaviorálních procesů v organismu, viz publikace IES. Nejedná se pouze o rytmus aktivity a odpočinku, probíhají také změny tělesné teploty, tlaku, srdeční frekvence, aktivity trávicího traktu, vylučování, mění se hladiny hormonů v těle atd.

Cirkadiánní perioda neodpovídá přesně délce pozemského dne. Průměrná perioda vnitřního cirkadiánního rytmu je u člověka přibližně 24,2 hodiny, liší se mezi jedinci a může trvat mezi 23,6 až 25,1 hodiny. Většina populace má tedy periodu delší než pozemský den. Pokud by nedocházelo k pravidelné synchronizaci s vnějším prostředím, vnitřní hodiny jedinců s větší odchylkou by se předcházely/zpožďovaly i o několik hodin za týden.

Příčiny a důsledky tohoto jevu již řadu let zkoumá Till Roenneberg a jeho vědecký tým. Jejich závěry prokazují, že právě pravidelné střídání denního světla a noční tmy je spolehlivý způsob, jak příroda automaticky zajištuje synchronizaci vnitřních hodin organismu, ale současně umožňuje adaptaci na změnu podmínek například při cestování přes několik časových pásem.

Světlo působí na organismus člověka trojím způsobem.

•    Vysoká intenzita světla ve dne zvyšuje koncentraci serotoninu v mozku a tím podporuje dobrou náladu, zlepšuje kognitivní funkce a tlumí ospalost. Posiluje také stabilitu cirkadiánního rytmu, čímž nepřímo přispívá ke kvalitnímu spánku v noci.

•    Každodenní zvyšování či snižování intenzity světla za rozbřesku a při soumraku informuje biologické hodiny o tom, že se mění poměr mezi dnem a nocí. Tyto signály jsou zásadní pro synchronizaci vnitřního času s vnějším prostředím. Ranní světlo posouvá naše hodiny dopředu (tj. umožňuje nám ráno se přirozeně probouzet), světlo ve večerních hodinách náš vnitřní čas zpožďuje (spánek přichází později).

•    Světlo zasahující do temné fáze dne působí patologicky. Zasahuje do periody spánku, která je nutná pro růst organismu, konsolidaci paměťových stop, regeneraci periferních orgánů a imunitního systému. Světlo uprostřed noci organismus mylně vnímá jako signál dne a spouští biochemické procesy zajišťující jeho denní aktivitu. Není tak umožněna potřebná regenerace a postupně dochází k vyčerpávání.

Neurohormon melatonin

Sledovat funkci cirkadiánního systému lze pomocí měření koncentrace hormonu melatoninu, který je produkován v součinnosti s SCN v epifýze. Jak potvrdila ve svých pracích profesorka Illnerová, produkce melatoninu v organismu je výrazně rytmická: během dne jsou jeho koncentrace v těle velmi nízké, výrazně se zvyšují v době, kdy se organismus ukládá se ke spánku.

Maximální koncentrace dosahuje melatonin během noci, proto bývá nazýván hormonem „temna“. Produkce melatoninu je však potlačena v případě, že je organismus v době subjektivní noci vystaven světelnému záření. Při snížené koncentraci melatoninu může docházet k oslabení imunitního systému a schopnosti regenerace organismu. Dlouhodobé snížení může ohrozit zdraví člověka.

Spektrum

Biologická účinnost světla závisí nejen na jeho intenzitě, ale také na spektrálním složení. Zatímco pro zajištění zrakové funkce jsou skládány informace ze tří typů čípků a vrchol citlivosti je v oblasti spektra kolem 555 nm, fotoreceptory ipRGC, které ovlivňují fyziologické procesy a kognitivní funkce, jsou citlivé na světlo o vlnové délce 460 – 480 nm, tedy na modrou složku světelného spektra. Rozdíly mezi biologickou a vizuální účinností u několika vybraných zdrojů světla jsou vyznačeny na obrázku 2.

Obr. 2 Grafické porovnání zdrojů přirozeného světla a umělého osvětlení. Barevná plocha - celé spektrum zdroje. Čárkovaná křivka vyznačuje vizuálně aktivní část spektra, plná křivka vyznačuje cirkadiánně aktivní část spektra. Ra – index podání barev, CT – teplota chromatičnosti. Převzato z Maierová 2016.

Obr. 2 Grafické porovnání zdrojů přirozeného světla a umělého osvětlení. Barevná plocha – celé spektrum zdroje. Čárkovaná křivka vyznačuje vizuálně aktivní část spektra, plná křivka vyznačuje cirkadiánně aktivní část spektra. Ra – index podání barev, CT – teplota chromatičnosti. Převzato z Maierová 2016.

Dostatečné zastoupení modré složky ve světelném prostředí během dne je velmi důležité pro správnou synchronizaci cirkadiánního rytmu. Naopak v noci může světelné záření s vyšším obsahem modré spektrální složky potlačit produkci melatoninu i při velmi nízké intenzitě osvětlení. Pokud se jedná o světlo, které má zastoupenou pouze modrou oblast spektra (např. modré LED), může mít na cirkadiánní systém velký účinek, přestože jej náš zrak vnímá jako světlo s velmi malou intenzitou, viz obrázek 2, poslední graf.

Proměna světelného prostředí

Naše současné světelné prostředí je velmi odlišné od prostředí, ve kterém se člověk vyvíjel po miliony let. K zásadnímu zlomu došlo s nástupem dostupného elektrického osvětlení před necelými 150 lety, což je z hlediska vývoje lidského organismu a jeho možné adaptace na nové podmínky velmi krátký čas. Změnu světelných podmínek ilustruje zjednodušená rekonstrukce typického světelného prostředí v různých etapách historie (Obr. 3).

Obr. 3 Simulace (5 x 24 hodin) typického profilu osvětlenosti ve sledovaných etapách historie; převzato z Maierová 2015.

Obr. 3 Simulace (5 x 24 hodin) typického profilu osvětlenosti ve sledovaných etapách historie; převzato z Maierová 2015.

Dříve se člověk pohyboval celý den venku, v přírodním prostředí s velkými rozdíly osvětleností mezi dnem a nocí. I při zatažené obloze se hladiny venkovní osvětlenosti pohybují nad 4000 lx, v jasných slunečných dnech přesahuje venkovní osvětlenost 100 000 lx, svítání a západ slunce dosahují přibližně 1000 lx – tj. hodnoty potřebné k aktivaci nevizuálního systému člověka.

Pro takové podmínky je náš organismus přizpůsoben, náš cirkadiánní systém má v takovém prostředí zajištěno dostatečné množství podnětů. Dnes, například při práci v kanceláři, dosahuje hladina osvětlenosti běžně pouhých několik procent toho, na co bylo naše oko zvyklé při pohybu venku (Obr. 4).

Obr. 4 Osvětlenost, vizuální a nevizuální funkce. Příklad možné osvětlenosti horizontální roviny (v lx), za různých světelných podmínek, citlivosti lidského oka, režim zraku a aktivita fotoreceptorů. Rozsah citlivosti ipRGCs fotoreceptorů nevizuálního systému je vyznačen oranžovou linií; převzato z Maierová 2015.

Obr. 4 Osvětlenost, vizuální a nevizuální funkce. Příklad možné osvětlenosti horizontální roviny (v lx), za různých světelných podmínek, citlivosti lidského oka, režim zraku a aktivita fotoreceptorů. Rozsah citlivosti ipRGCs fotoreceptorů nevizuálního systému je vyznačen oranžovou linií; převzato z Maierová 2015.

Dnes tráví člověk dle statistik až 90 % času uvnitř budov. To představuje pobyt ve velmi konstantním prostředí, které lze označit jako biologickou tmu. Naopak v noci, kdy je náš smyslový aparát na světlo velmi citlivý, jsme často vystaveni světelnému záření televizní obrazovky, monitoru, umělému osvětlení s nemalým podílem krátkých vlnových délek, tj. modré složky světelného spektra. Jejich spektrum se liší od světla ohně, svíček, ale i tradiční žárovky se spektrálním složením převážně v delších vlnových délkách, v jejichž oblasti je citlivost ipRGCs velmi nízká.

Pro vytvoření zdravého světelného prostředí je důležité zajistit velkou dynamiku světla. Ve dne je vhodné osvětlení s vysokou světelnou intenzitou a obsahem modré složky. Naopak v noci je třeba omezit přítomnost rušivého světla a volit světelné zdroje s minimálním zastoupením krátkých vlnových délek.

Neseřízené vnitřní hodiny

Důsledkem života pod umělým osvětlením může být nedostatek impulsů pro synchronizaci denních i sezonních tělesných rytmů. Při desynchronizaci vnitřních cirkadiánních hodin oproti vnějšímu času dochází v organismu k potížím. Sezonní nedostatek denního světla bývá spojován s jarní únavou, zejména v oblastech s vyšší zeměpisnou šířkou se často vyskytují sezonní deprese.

Oslabený, nedostatečně synchronizovaný cirkadiánní rytmus nebo dlouhodobé narušování temné fáze noci významným způsobem zvyšuje riziko vzniku tzv. civilizačních chorob, jako jsou psychiatrická onemocnění včetně depresí, spánkových poruch a poruch paměti, jako je Alzheimerova demence. Terapie jasným světlem může být účinnou prevencí, viz práce vědeckého týmu A. Wirz-Justice a C. Cajochen.

Poškozená regulace cirkadiánního rytmu je také spojována s vyšším rizikem kardiovaskulárních nemocí, inzulínové rezistence a obezity, jakož i některých forem karcinomů. Extrémní zátěž pro organismus člověka představuje práce na směny, zejména střídání práce v nočních a denních hodinách. Studie na zdravotním personálu v nemocničních zařízeních prokázala několikanásobně vyšší riziko nádorových onemocnění u osob pracujících v nočních směnách po dobu více než 5 let.

Z těchto důvodů je světlo v noci mezi odbornou veřejností celosvětově vnímáno jako závažný negativní faktor pro zdraví člověka. Světová zdravotnická organizace (WHO) v prohlášení z roku 2013 označuje „práci na směny s narušením cirkadiánního cyklu” jako možný karcinogen. Dánsko uznalo rakovinu prsu jako nemoc z povolání při práci na směny. Vliv umělého osvětlení na poškození cirkadiánního rytmu shrnuje práce vědeckého týmu R. G. Stevense.

Známým příkladem akutní desynchronizace vnitřních a vnějších cirkadiánních hodin je například jet-lag, stav po rychlém překročení více časových pásem. K vyrovnání s novým časem je potřeba přibližně jeden den na každé časové pásmo, plná adaptace organismu může trvat i několik týdnů.

Ohrožené skupiny osob

Nejen lidé pracující v noci a cestovatelé mohou trpět porušením synchronizace vnitřních a vnějších hodin. Přesunutí denní aktivity do interiéru budov a nadměrné užívání umělého osvětlení v noci výrazně přispěly k tomu, že se poruchy spánku staly závažným problémem celé moderní společnosti. Existují však skupiny osob, které jsou výrazně citlivější na kvalitu světelného prostředí. Tato citlivost může být dána například věkem, pohlavím nebo vrozeným chronotypem (preference aktivity velmi brzo ráno nebo velmi pozdě večer, tzv. skřivani a sovy).

Například hormonální změny v období dospívání působí také na vnitřní časový systém organismu. Biologické hodiny adolescentů mívají tendenci se zpožďovat, lidé kolem 20. roku věku mají z tohoto důvodu sklon chodit spát i vstávat později než běžná populace, jsou večerními chronotypy.

Expozice jasnému světlu večer a v noci může zpoždění vnitřních biologických hodin u těchto osob ještě zvýraznit a tím omezit délku spánku, zejména pokud jsou společností nuceni být aktivní již brzo ráno, tedy díky takto posunutému vnitřnímu času v době jejich subjektivní noci, viz práce Wittmanna a Roenneberga. Důsledkem může být dlouhodobá spánková deprivace a tzv. sociální jet-lag, což má prokazatelný vliv na jejich kognitivní schopnosti a výsledky ve studiu.

Naopak u seniorů se nevizuální systém s věkem stává méně citlivý a pro dobrou synchronizaci potřebuje během dne vyšší hladiny osvětlenosti, než jsou běžné v jejich domovech. Poruchy spánku a denního rytmu jsou tak jedny z nejčastějších problémů seniorů.

Trpí jimi přes 80 % starších osob. Jedna z příčin je zhoršení prostupnosti oka pro modré vlnové délky a s tím spojená desynchronizace vnitřního času jedince. Starší lidé často tráví veškerý čas v budovách, zpravidla pod nedostatečným osvětlením, přestože zejména pro ně je dostatek jasného světla během dne velmi důležitý.

Závěr

Shromážděná fakta dokládají, že z biologického hlediska optimální světelné prostředí zajišťuje denní světlo. Jeho kvalita i kvantita se mění během dne tak, že přirozeně synchronizuje vnitřní biologické hodiny člověka. Pomáhá redukovat extrémní fázové posuny cirkadiánního rytmu u některých jedinců a tím zajišťuje zdravé světelné prostředí.

Z pohledu architekta/projektanta budovy je tedy důležité navrhovat objekty tak, aby bylo možno denní světlo využívat v maximální míře. To znamená vytvářet budovy, které umožňují přivádět velké množství denního světla do interiéru, podporují jeho rovnoměrnou distribuci a současně chrání před nežádoucími efekty, jako oslnění nebo vysoký kontrast v zorném poli.

Využití pouze denního světla, zcela bez umělého osvětlení, nepochybně není pro dnešní společnost přijatelné. Je tedy třeba hledat strategie a koncepty optimalizující využití denního a umělého osvětlení, které umožní moderní způsob života, současně ale minimalizují možné nežádoucí efekty a zajistí dostatečnou synchronizaci vnitřních biologických hodin.

Systémy umělého osvětlení by měly sloužit jako doplnění denního světla v místě a době jeho nedostatečnosti, nikoli jako hlavní osvětlení prostoru. Regulace osvětlovacích systémů by měla být navrhována jako dynamická, zohlednit denní (cirkadiánní) rytmus člověka, tzn. upravovat kvantitu a kvalitu světla podle denní či noční doby. To vše doplněné možností zohlednit specifické individuální potřeby.

Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura
•    Hattar, S., et al., Melanopsin‐containing retinal ganglion cells: architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science 2002. 295(5557): 1065‐70.
•    IES Light and human health committee, Light and human health: an overview of the impact of optical radiationon visual, circadian, neuroendocrine, and neurobehavioral responses, 2008, IES of North America, ISBN 978-0-87995-228-0.
•    Illnerová H. Melatonin, jeho tvorba a působení. Chemické listy 27/ 3. Bulletin Asociace českých chemických společností 273, 2008.
•    Maierová L. Denní světlo, umělé osvětlení a biorytmy člověka, In: Sborník odborného semináře Kurz osvětlovací techniky XXXII. Loučná nad Desnou, 3. – 5. 10. 2016. ISBN 978-80-248-3969-1.
•    Maierová L. Světelné prostředí v budovách, nevizuální vnímání světla a inter-individuální rozdíly. Disertační práce, ČVUT v Praze, 2015.
•    Roenneberg T, Merrow M. Entrainment of the human circadian clock. Cold Spring Harbor Symposia Quantitative Biology 2007; 72:293-9.
•    Stevens, R. G., et al., Breast cancer and circadian disruption from electric lighting in the modern world. CA A Cancer Journal for Clinicians 2013; 64, 3.
•    Wirz-Justice A., Fournier C. Light Health and Wellbeing: Implications from chronobiology for architectural design. World Health Design. 2010: 44-9.
•    Wirz-Justice, A., Cajochen, C. Cirkadiánní rytmy a deprese: možnosti chronobiologické léčby. Čes a slov Psychiat 2012; 108(4): 198-204.
•    Wittmann M, Dinich J, Merrow M, Roenneberg T. Social jetlag: misalignment of biological and social time. Chronobiol Int. 2006; 23: 497–509.

Text: Lenka Maierová, Ph.D.
Obrázky: autorka

Ilustrační foto: Isifa/Shutterstock
Autorka pracuje v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 1/2017.