【中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)專稿】大自然對(duì)人類的影響從人類誕生之初開始便沒有停止過，其中最為重要的一項(xiàng)便是日夜交替對(duì)于我們作息規(guī)律的影響。遠(yuǎn)古的人類在日落之后點(diǎn)起篝火、千百年前的古人點(diǎn)起油燈和蠟燭都是為了在沒有自然光照的條件下仍然可以獲得一定活動(dòng)的自由。這種情況持續(xù)了上百萬年直到一百多年前愛迪生發(fā)明白熾燈，由此人類開啟了用科技手段來照明的時(shí)代。

 

　　本世紀(jì)初人類進(jìn)入了半導(dǎo)體照明的時(shí)代，這是人類照明史上的一次革命，因?yàn)榘雽?dǎo)體照明使得人類能夠?qū)φ彰鳁l件具有很大的控制程度，這種控制程度是過去的白熾燈、日光燈技術(shù)所無法給予的。伴隨半導(dǎo)體照明技術(shù)一同發(fā)展起來的照明控制技術(shù)允許人們自主地調(diào)亮或調(diào)暗照明環(huán)境，并能夠改變色溫以符合自己的喜好，由此使得“人本照明”成為可能。人本照明是一個(gè)很大的課題，牽涉到生物學(xué)、人體工學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)、照明科學(xué)、控制理論、照明設(shè)計(jì)、用戶心理學(xué)等等。本文先對(duì)其最基本的生物學(xué)原理做一個(gè)介紹。

 

　　在經(jīng)歷了漫長的進(jìn)化之后，我們的身體已經(jīng)適應(yīng)了日出而作、日落而息的晝夜節(jié)律 (Circadian Rhythm)，也就是我們常說的“生物鐘”。人體是否能保持正常的晝夜節(jié)律直接決定了我們的健康和對(duì)自身狀況的感應(yīng)。這也就是許多長期熬夜、作息不規(guī)律的人普遍感到精神不好、健康狀況下降的原因。

 

　　在本世紀(jì)初，神經(jīng)學(xué)家在人類和動(dòng)物的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的神經(jīng)細(xì)胞：內(nèi)稟感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)，縮寫為ipRGC，它并不參與視覺成像和色覺辨識(shí)。ipRGC上有一種色素叫做“黑視素”，英文是melanopsin。這種黑視素在受到光照后會(huì)誘發(fā)ipRGC產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)，經(jīng)由神經(jīng)通路傳導(dǎo)至下丘腦處的“視交叉上核”(suprachiasmatic nucleus)，縮寫為SCN。然而ipRGC并不是唯一一種影響晝夜節(jié)律的視網(wǎng)膜細(xì)胞。我們所有其它的視覺細(xì)胞在不同的色光條件下對(duì)SCN也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。這些細(xì)胞包括視桿細(xì)胞(Rods)、短波視錐細(xì)胞(S-Cones)、中波視錐細(xì)胞(M-Cones)、長波視錐細(xì)胞(L-Cones)。SCN扮演的角色就是大腦的時(shí)鐘，也就是整個(gè)生物體的時(shí)鐘。

　　圖1：人眼視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞以及ipRGC的位置。來源：美國倫斯勒理工學(xué)院的照明研究中心（Lighting Research Center）

 

　　這個(gè)時(shí)鐘對(duì)生物體的作用大體上是這樣的：SCN將產(chǎn)生的晝夜節(jié)律信號(hào)傳遞給位于間腦上端的松果體 (pineal grand)。松果體的主要功能是產(chǎn)生褪黑素，也稱“松果體素”(melatonin)。由于褪黑素影響生物體的睡眠，所以它也被稱為“睡眠激素”，市面上有很多褪黑素藥片，就是幫助失眠人群改善睡眠質(zhì)量的。SCN所提供的晝夜節(jié)律信號(hào)影響松果體中褪黑素的分泌量。從生物化學(xué)角度講，褪黑素是由血清素 (serotonin)在酶的催化反應(yīng)下形成的。血清素是一種讓人清醒、警覺的激素，體內(nèi)血清素含量高時(shí)人會(huì)覺得自身狀態(tài)良好、認(rèn)知力強(qiáng)、記憶力好、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、幸福感強(qiáng)。所以在白天的時(shí)候，SCN會(huì)抑制褪黑素的分泌，使得血清素含量上升，從而維持人們?cè)诎滋斓幕顒?dòng)。到了夜晚，SCN對(duì)褪黑素分泌的抑制作用減弱，褪黑素分泌量增加，由此導(dǎo)致血清素減少，從而引導(dǎo)人們進(jìn)入睡眠狀態(tài)。褪黑素也是一種很強(qiáng)的天然抗氧化劑，它在我們睡著的時(shí)候能起到抗癌的效果。

　　圖2：視交叉上核(SCN)和松果體(Pineal gland)的位置圖。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。

 

　　不僅是褪黑素，我們身體中的很多激素分泌也受到SCN的調(diào)配。比如腎上腺(adrenal gland)所分泌的皮質(zhì)醇(cortisol)就在很大程度上也受到SCN的控制。明亮的光照會(huì)刺激皮質(zhì)醇的分泌，而暗光條件下其分泌就受到抑制。皮質(zhì)醇能夠喚醒我們的身體機(jī)能，提高我們的核心體溫、心率和血壓，也能促進(jìn)我們的正常消化機(jī)能。如果SCN沒有向腎上腺發(fā)出分泌皮質(zhì)醇的信號(hào)，我們可能會(huì)感到疲倦和無精打采，而且會(huì)造成我們的消化系統(tǒng)對(duì)食物（特別是碳水化合物）的異常加工，從而可能誘發(fā)糖尿病等一系列與消化系統(tǒng)有關(guān)的疾病。

 

　　根據(jù)對(duì)多種哺乳動(dòng)物進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)黑視素的感光峰值出現(xiàn)在波長為480納米左右，但由于人眼晶狀體透射效果，總體的感光峰值波長漂移至490納米。而人類SCN對(duì)褪黑素分泌抑制作用的峰值出現(xiàn)在波長為460納米左右。因此450納米到490納米的波長區(qū)間是普遍認(rèn)為的最有效調(diào)控晝夜節(jié)律的范圍，所有基于人本照明而進(jìn)行的照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)都應(yīng)該重點(diǎn)考慮這個(gè)波長區(qū)間。遺憾的是，傳統(tǒng)照明光源不能提供足夠的450納米至490納米之間的特定光譜，從而在白天的室內(nèi)正常分泌皮質(zhì)醇和抑制褪黑素。即便是所謂的“自然光”熒光燈管也無法在這個(gè)光譜區(qū)間提供足夠的強(qiáng)度。不過幸運(yùn)的是，如今的半導(dǎo)體照明光源 (LED)卻能夠在這個(gè)光譜區(qū)間提供足夠的強(qiáng)度，而且LED光源本身的驅(qū)動(dòng)方式也使得調(diào)節(jié)光譜和色溫成為可能。現(xiàn)今的照明市場(chǎng)上已經(jīng)有很多可調(diào)色溫的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就是人們對(duì)人本照明的需求在市場(chǎng)上的體現(xiàn)。

 

　　此外，光照的時(shí)機(jī)對(duì)人類晝夜節(jié)律也具有顯著的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于一個(gè)有正常作息時(shí)間的人來說，在黎明和上午提供光照，會(huì)使其晝夜節(jié)律提前；而在傍晚和夜間提供光照，會(huì)使其晝夜節(jié)律滯后。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習(xí)慣，而熬夜晚睡的人就越發(fā)地晚睡晚起。臨床觀察已經(jīng)有充分證據(jù)顯示，長期的熬夜、倒班或者不規(guī)律的作息最容易引發(fā)晝夜節(jié)律紊亂，而這種紊亂會(huì)導(dǎo)致人體的各種健康問題，包括：癌癥、心血管疾病、高血壓、糖尿病、肥胖癥、抑郁癥等一系列問題。可以毫不夸張地說，光照會(huì)在很大程度上影響我們的健康狀況，所以我們常說的“早睡早起身體好”并不是一句空洞的說教。

 

　　除了光譜和光照時(shí)機(jī)，光照強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間也會(huì)對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生很重要的影響。關(guān)于光照因素對(duì)人本照明效果的影響作用將在后續(xù)的文章中做詳細(xì)的介紹。

　　專欄作者簡介：譚建川，建筑科學(xué)博士、照明學(xué)碩士。照明認(rèn)證師 (LC)，WELL建筑標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證師 (WELL AP)，照明工程師協(xié)會(huì) (IES) 會(huì)員、專題委員會(huì)成員，領(lǐng)先能源與環(huán)境設(shè)計(jì)助理 (LEED GA)。畢業(yè)于美國紐約州的倫斯勒理工學(xué)院 (RPI) 的照明研究中心 (LRC)，現(xiàn)為照明產(chǎn)品經(jīng)理和研發(fā)主管。致力于在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)人本照明 (HCL)，在居住空間中實(shí)現(xiàn)WELL建筑理念，以及為照明企業(yè)提供業(yè)務(wù)培訓(xùn)、技術(shù)支持和產(chǎn)品策劃。

 

　　如有專業(yè)問題探討，請(qǐng)聯(lián)系：tjc.research@gmail.com

 

　　linkedIn: https://www.linkedin.com/in/jianchuan-tan-82151a64/