人本照明的生物学背景解析

 

本世纪初人类进入了半导体照明的时代，这是人类照明史上的一次革命，因为半导体照明使得人类能够对照明条件具有很大的控制程度，这种控制程度是过去的白炽灯、日光灯技术所无法给予的。伴随半导体照明技术一同发展起来的照明控制技术允许人们自主地调亮或调暗照明环境，并能够改变色温以符合自己的喜好，由此使得“人本照明”成为可能。人本照明是一个很大的课题，牵涉到生物学、人体工学、半导体科学、照明科学、控制理论、照明设计、用户心理学等等。本文先对其最基本的生物学原理做一个介绍。

 

在经历了漫长的进化之后，我们的身体已经适应了日出而作、日落而息的昼夜节律 (Circadian Rhythm)，也就是我们常说的“生物钟”。人体是否能保持正常的昼夜节律直接决定了我们的健康和对自身状况的感应。这也就是许多长期熬夜、作息不规律的人普遍感到精神不好、健康状况下降的原因。

 

在本世纪初，神经学家在人类和动物的视网膜上发现了一种独特的神经细胞：内禀感光视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)，缩写为ipRGC，它并不参与视觉成像和色觉辨识。ipRGC上有一种色素叫做“黑视素”，英文是melanopsin。这种黑视素在受到光照后会诱发ipRGC产生神经信号，经由神经通路传导至下丘脑处的“视交叉上核”(suprachiasmatic nucleus)，缩写为SCN。然而ipRGC并不是唯一一种影响昼夜节律的视网膜细胞。我们所有其它的视觉细胞在不同的色光条件下对SCN也会产生不同的影响。这些细胞包括视杆细胞(Rods)、短波视锥细胞(S-Cones)、中波视锥细胞(M-Cones)、长波视锥细胞(L-Cones)。SCN扮演的角色就是大脑的时钟，也就是整个生物体的时钟。

 

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图1：人眼视网膜中的感光细胞以及ipRGC的位置。来源：美国伦斯勒理工学院的照明研究中心(Lighting Research Center)

 

这个时钟对生物体的作用大体上是这样的：SCN将产生的昼夜节律信号传递给位于间脑上端的松果体 (pineal grand)。松果体的主要功能是产生褪黑素，也称“松果体素”(melatonin)。由于褪黑素影响生物体的睡眠，所以它也被称为“睡眠激素”，市面上有很多褪黑素药片，就是帮助失眠人群改善睡眠质量的。SCN所提供的昼夜节律信号影响松果体中褪黑素的分泌量。从生物化学角度讲，褪黑素是由血清素 (serotonin)在酶的催化反应下形成的。血清素是一种让人清醒、警觉的激素，体内血清素含量高时人会觉得自身状态良好、认知力强、记忆力好、学习能力强、幸福感强。所以在白天的时候，SCN会抑制褪黑素的分泌，使得血清素含量上升，从而维持人们在白天的活动。到了夜晚，SCN对褪黑素分泌的抑制作用减弱，褪黑素分泌量增加，由此导致血清素减少，从而引导人们进入睡眠状态。褪黑素也是一种很强的天然抗氧化剂，它在我们睡着的时候能起到抗癌的效果。

 

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图2：视交叉上核(SCN)和松果体(Pineal gland)的位置图。图片来源于网络。

 

不仅是褪黑素，我们身体中的很多激素分泌也受到SCN的调配。比如肾上腺(adrenal gland)所分泌的皮质醇(cortisol)就在很大程度上也受到SCN的控制。明亮的光照会刺激皮质醇的分泌，而暗光条件下其分泌就受到抑制。皮质醇能够唤醒我们的身体机能，提高我们的核心体温、心率和血压，也能促进我们的正常消化机能。如果SCN没有向肾上腺发出分泌皮质醇的信号，我们可能会感到疲倦和无精打采，而且会造成我们的消化系统对食物(特别是碳水化合物)的异常加工，从而可能诱发糖尿病等一系列与消化系统有关的疾病。

 

根据对多种哺乳动物进行的实验，研究者们发现黑视素的感光峰值出现在波长为480纳米左右，但由于人眼晶状体透射效果，总体的感光峰值波长漂移至490纳米。而人类SCN对褪黑素分泌抑制作用的峰值出现在波长为460纳米左右。因此450纳米到490纳米的波长区间是普遍认为的最有效调控昼夜节律的范围，所有基于人本照明而进行的照明产品设计都应该重点考虑这个波长区间。遗憾的是，传统照明光源不能提供足够的450纳米至490纳米之间的特定光谱，从而在白天的室内正常分泌皮质醇和抑制褪黑素。即便是所谓的“自然光”荧光灯管也无法在这个光谱区间提供足够的强度。不过幸运的是，如今的半导体照明光源 (LED)却能够在这个光谱区间提供足够的强度，而且LED光源本身的驱动方式也使得调节光谱和色温成为可能。现今的照明市场上已经有很多可调色温的产品出现，这就是人们对人本照明的需求在市场上的体现。

 

此外，光照的时机对人类昼夜节律也具有显著的影响。实验结果显示，对于一个有正常作息时间的人来说，在黎明和上午提供光照，会使其昼夜节律提前;而在傍晚和夜间提供光照，会使其昼夜节律滞后。所以，早起并且在早上充分接受光照的人容易保持早睡早起的习惯，而熬夜晚睡的人就越发地晚睡晚起。临床观察已经有充分证据显示，长期的熬夜、倒班或者不规律的作息最容易引发昼夜节律紊乱，而这种紊乱会导致人体的各种健康问题，包括：癌症、心血管疾病、高血压、糖尿病、肥胖症、抑郁症等一系列问题。可以毫不夸张地说，光照会在很大程度上影响我们的健康状况，所以我们常说的“早睡早起身体好”并不是一句空洞的说教。

 

除了光谱和光照时机，光照强度和持续时间也会对昼夜节律产生很重要的影响。关于光照因素对人本照明效果的影响作用将在后续的文章中做详细的介绍。

 

 

 

作者简介：谭建川，建筑科学博士、照明学硕士。照明认证师 (LC)，WELL建筑标准认证师 (WELL AP)，照明工程师协会 (IES) 会员、专题委员会成员，领先能源与环境设计助理 (LEED GA)。毕业于美国纽约州的伦斯勒理工学院 (RPI) 的照明研究中心 (LRC)，现为照明产品经理和研发主管。致力于在物联网 (IoT) 环境下实现人本照明 (HCL)，在居住空间中实现WELL建筑理念，以及为照明企业提供业务培训、技术支持和产品策划。