Svetlo v budovách a jeho nevizuálne vnímanie

Z biologického hľadiska zabezpečuje optimálne svetelné prostredie denné svetlo. Dostatočné osvetlenie umožňuje dobrú orientáciu v priestore a vizuálnu komunikáciu s okolím. Svetelné prostredie ovplyvňuje súčasne celý rad biologických funkcií v organizme, preto treba zabezpečiť potrebnú dynamiku svetla.

Rozšírenie elektrického osvetlenia v minulom storočí prinieslo prevratné zmeny v našom svetelnom prostredí, ktoré sa dnes výrazne odlišuje od prírodného prostredia. Vďaka umelému osvetleniu sme dnes schopní zabezpečiť požadovanú intenzitu a kvalitu osvetlenia v akomkoľvek dennom či nočnom čase. Dochádza však aj k potlačeniu prirodzenej dynamiky svetla, ktorá pomáha orientácii v čase. Je otázkou, či svetelné prostredie, ktoré spravidla prispôsobujeme našim vizuálnym požiadavkám, zodpovedá aj komplexným biologickým potrebám nášho tela.

Svetlo a vnútorný časový systém človeka

V roku 2002 identifikoval S. Hattar v ľudskom oku nový druh buniek citlivých na svetlo, fotoreceptorov pomenovaných ipRGCs (intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells). Tieto bunky sú súčasťou tzv. systému nevizuálneho vnímania svetla, ktorý do mozgu odovzdáva informácie o prítomnosti alebo absencii svetla. Nejde však o obrazovú informáciu ako v prípade vizuálneho systému.

Nevizuálne vnímanie svetla synchronizuje vnútorný čas organizmu s vonkajším prostredím, s rytmom striedania pozemského dňa a noci [8, 9]. K synchronizácii dochádza pri dopade dostatočného množstva svetelného žiarenia na sietnicu oka. Fotoreceptory ipRGCs aktivované svetlom (obr. 1) sú priamo prepojené so suprachiazmatickým jadrom (SCN) v hypotalame a s ďalšími centrami v mozgu. SCN plní funkciu hlavných cirkadiánnych hodín v tele, centrálneho oscilátora, ktorý koordinuje periférne oscilátory v jednotlivých orgánoch a bunkách.

Obr. 1 Schematický rez ľudským okom, detail sietnice s tromi typmi fotoreceptorov

Každý telesný orgán, každý proces aj každá bunka v tele pravidelne menia počas dňa mieru svojej aktivity. Tento tzv. cirkadiánny rytmus (z latinčiny circa = približne, diem = deň) je autonómny, približne 24-hodinový cyklus biochemických, fyziologických a behaviorálnych procesov v organizme [2]. Nejde len o rytmus aktivity a odpočinku, v tele prebiehajú aj zmeny telesnej teploty, tlaku, srdečnej frekvencie, menia sa aktivity tráviaceho traktu, vylučovania, hladiny hormónov v tele atď. Cirkadiánna perióda nezodpovedá presne dĺžke pozemského dňa.

Priemerná perióda vnútorného cirkadiánneho rytmu u človeka je približne 24,2 hodiny, odlišuje sa medzi jedincami a môže trvať od 23,6 do 25,1 hodiny. Väčšina populácie má teda periódu dlhšiu než pozemský deň. Ak by nedochádzalo k pravidelnej synchronizácii s vonkajším prostredím, vnútorné hodiny jedincov s väčšou odchýlkou by sa predchádzali/oneskorovali aj o niekoľko hodín za týždeň. Príčiny a dôsledky tohto javu už roky skúma Till Roenneberg a jeho vedecký tím. Ich závery preukazujú, že práve pravidelné striedanie denného svetla a nočnej tmy predstavuje spoľahlivý spôsob, ako príroda automaticky zabezpečuje synchronizáciu vnútorných hodín organizmu, ale zároveň umožňuje adaptáciu na zmenu podmienok, napríklad pri cestovaní cez niekoľko časových pásiem.

Svetlo pôsobí na organizmus človeka trojakým spôsobom:

• Vysoká intenzita svetla počas dňa zvyšuje koncentráciu serotonínu v mozgu, čím podporuje dobrú náladu, zlepšuje kognitívne funkcie a tlmí ospalosť. Zároveň posilňuje stabilitu cirkadiánneho rytmu, čím nepriamo prispieva ku kvalitnému spánku v noci. 
• Každodenné zvyšovanie či znižovanie intenzity svetla pri svitaní a súmraku informuje biologické hodiny o tom, že sa mení pomer medzi dňom a nocou. Tieto signály sú zásadné pre synchronizáciu vnútorného času s vonkajším prostredím. Ranné svetlo posúva naše hodiny dopredu (t. j. umožňuje nám ráno sa prirodzene prebúdzať), svetlo vo večerných hodinách náš vnútorný čas oneskoruje (spánok prichádza neskôr).
• Svetlo zasahujúce do temnej fázy dňa pôsobí patologicky. Zasahuje do periódy spánku, ktorá je nevyhnutná na rast organizmu, konsolidáciu pamäťových stôp, regeneráciu periférnych orgánov a imunitného systému. Svetlo uprostred noci organizmus mylne vníma ako signál dňa, takže spúšťa biochemické procesy zabezpečujúce jeho dennú aktivitu. Nevzniká tak možnosť potrebnej regenerácie a postupne dochádza k vyčerpaniu.

Neurohormón melatonín

Sledovať funkciu cirkadiánneho systému môžeme pomocou merania koncentrácie hormónu melatonínu, ktorý sa produkuje v súčinnosti s SCN v epifýze. Ako potvrdila vo svojich prácach profesorka Illnerová [3], produkcia melatonínu v organizme je výrazne rytmická: počas dňa sú jeho koncentrácie v tele veľmi nízke a výrazne sa zvyšujú v čase, keď sa organizmus ukladá k spánku. Maximálnu koncentráciu dosahuje melatonín v noci, preto sa nazýva hormónom „temna“. Produkcia melatonínu je však potlačená v prípade, že je organizmus v čase subjektívnej noci vystavený svetelnému žiareniu. Pri zníženej koncentrácii melatonínu môže dochádzať k oslabeniu imunitného systému a schopnosti regenerácie organizmu. Dlhodobé zníženie môže ohroziť zdravie človeka.

Spektrum

Biologická účinnosť svetla závisí nielen od jeho intenzity, ale aj od spektrálneho zloženia. Zatiaľ čo na zabezpečenie zrakovej funkcie sa skladajú informácie z troch typov čapíkov, pričom vrchol citlivosti je v oblasti spektra okolo 555 nm, fotoreceptory ipRGC, ktoré ovplyvňujú fyziologické procesy a kognitívne funkcie, sú citlivé na svetlo s vlnovou dĺžkou 460 – 480 nm, teda na modrú zložku svetelného spektra. Rozdiely medzi biologickou a vizuálnou účinnosťou pri niekoľkých vybraných zdrojoch svetla sú vyznačené na obr. 2.

Obr. 2 Grafické porovnanie zdrojov prirodzeného svetla a umelého osvetlenia. Farebná plocha – celé spektrum zdroja. Čiarkovaná krivka vyznačuje vizuálne aktívnu časť spektra, plná krivka vyznačuje cirkadiánne aktívnu časť spektra. Ra – index podania farieb, CT – teplota chromatickosti (zdroj: [4])

Dostatočné zastúpenie modrej zložky v svetelnom prostredí počas dňa je veľmi dôležité na správnu synchronizáciu cirkadiánneho rytmu. Naopak, v noci môže svetelné žiarenie s vyšším obsahom modrej spektrálnej zložky potlačiť produkciu melatonínu aj pri veľmi nízkej intenzite osvetlenia. Ak ide o svetlo, ktoré má zastúpenú len modrú oblasť spektra (napr. modré LED), môže mať na cirkadiánny systém veľký účinok, aj keď ho náš zrak vníma ako svetlo s veľmi malou intenzitou (obr. 2, posledný graf).

Premena svetelného prostredia

Naše súčasné svetelné prostredie je veľmi odlišné od prostredia, v ktorom sa človek vyvíjal milióny rokov. K zásadnému zlomu došlo s nástupom dostupného elektrického osvetlenia pred necelými 150 rokmi, čo je z hľadiska vývoja ľudského organizmu a jeho možnej adaptácie na nové podmienky veľmi krátky čas. Zmenu svetelných podmienok ilustruje zjednodušená rekonštrukcia typického svetelného prostredia v rôznych etapách histórie (obr. 3).

Obr. 3 Simulácia (5 × 24 hodín) typického profilu osvetlenosti v sledovaných etapách histórie (zdroj: [5])

Kedysi sa človek pohyboval celý deň vonku, v prírodnom prostredí s veľkými rozdielmi osvetlenosti medzi dňom a nocou. Aj pri zatiahnutej oblohe sa hladiny vonkajšej osvetlenosti pohybujú nad úrovňou 4 000 lx, počas jasných slnečných dní presahuje vonkajšia osvetlenosť 100 000 lx, svitanie a západ slnka dosahujú približne 1 000 lx – t. j. hodnoty potrebné na aktiváciu nevizuálneho systému človeka. Na takéto podmienky je náš organizmus prispôsobený, náš cirkadiánny systém má v takomto prostredí zabezpečené dostatočné množstvo podnetov. V súčasnosti však napríklad pri práci v kancelárii dosahuje hladina osvetlenosti bežne len niekoľko percent toho, na čo bolo naše oko zvyknuté pri pohybe vonku (obr. 4).

Obr. 4 Osvetlenosť, vizuálna a nevizuálna funkcia. Príklad možnej osvetlenosti horizontálnej roviny (v lx) v rôznych svetelných podmienkach, citlivosti ľudského oka, režime zraku a aktivite fotoreceptorov. Rozsah citlivosti ipRGCs fotoreceptorov nevizuálneho systému je vyznačený oranžovou líniou (zdroj: [5]).

Dnes trávi človek podľa štatistík až 90 % času vo vnútri budov. To predstavuje pobyt vo veľmi konštantnom prostredí, ktoré možno označiť ako biologickú tmu. Naopak v noci, keď je náš zmyslový aparát na svetlo veľmi citlivý, sme často vystavení svetelnému žiareniu televíznej obrazovky či monitora, umelému osvetleniu s nemalým podielom krátkych vlnových dĺžok (t. j. modrej zložky svetelného spektra). Ich spektrum sa líši od svetla ohňa, sviečok, ale aj tradičnej žiarovky so spektrálnym zložením prevažne v dlhších vlnových dĺžkach, v ktorých oblasti je citlivosť ipRGCs veľmi nízka.

Na vytvorenie zdravého svetelného prostredia je dôležité zabezpečiť veľkú dynamiku svetla. Počas dňa je vhodné osvetlenie s vysokou svetelnou intenzitou a obsahom modrej zložky. V noci treba naopak obmedziť prítomnosť rušivého svetla a voliť svetelné zdroje s minimálnym zastúpením krátkych vlnových dĺžok.

Nezosúladené vnútorné hodiny

Dôsledkom života pod umelým osvetlením môže byť nedostatok impulzov na synchronizáciu denných a sezónnych telesných rytmov. Pri desynchronizácii vnútorných cirkadiánnych hodín oproti vonkajšiemu času dochádza v organizme k problémom. Sezónny nedostatok denného svetla sa spája s jarnou únavou – najmä v oblastiach s vyššou zemepisnou šírkou sa často vyskytujú sezónne depresie. Oslabený, nedostatočne synchronizovaný cirkadiánny rytmus alebo dlhodobé narušovanie temnej fázy noci zvyšuje významným spôsobom riziko vzniku tzv. civilizačných chorôb, ako sú psychiatrické ochorenia vrátane depresií, spánkových porúch a porúch pamäti (Alzheimerova demencia). Terapia jasným svetlom môže byť účinnou prevenciou [9]. Poškodená regulácia cirkadiánneho rytmu sa spája aj s vyšším rizikom kardiovaskulárnych chorôb, inzulínovej rezistencie a obezity, ako aj niektorých foriem karcinómov.

Extrémnu záťaž predstavuje pre organizmus človeka práca na zmeny, najmä striedanie práce v nočných a denných hodinách. Štúdia na zdravotníckom personáli v nemocničných zariadeniach preukázala niekoľkonásobne vyššie riziko nádorových ochorení u osôb pracujúcich v nočných zmenách dlhšie ako päť rokov. Z týchto dôvodov vníma odborná verejnosť svetlo v noci celosvetovo ako závažný negatívny faktor pre zdravie človeka. Svetová zdravotnícka organizácia (WHO) vo vyhlásení z roku 2013 označuje „prácu na zmeny s narušením cirkadiánneho cyklu” ako možný karcinogén.

Dánsko uznalo rakovinu prsníka ako chorobu z povolania pri práci na zmeny. Vplyv umelého osvetlenia na poškodenie cirkadiánneho rytmu zhŕňa práca vedeckého tímu R. G. Stevensa [7].
Známym príkladom akútnej desynchronizácie vnútorných a vonkajších cirkadiánnych hodín je napríklad jet-leg, stav po rýchlom prekročení viacerých časových pásiem. Na vyrovnanie sa s novým časom treba približne jeden deň na každé časové pásmo a plná adaptácia organizmu môže trvať aj niekoľko týždňov.

Ohrozené skupiny osôb

Nielen ľudia pracujúci v noci a cestovatelia môžu trpieť porušením synchronizácie vnútorných a vonkajších hodín. Presunutie dennej aktivity do interiéru budov a nadmerné užívanie umelého osvetlenia v noci výrazne prispeli k tomu, že sa poruchy spánku stali závažným problémom celej modernej spoločnosti.

Existujú však skupiny osôb, ktoré sú výrazne citlivejšie na kvalitu svetelného prostredia. Táto citlivosť môže byť daná napríklad vekom, pohlavím alebo vrodeným chronotypom (preferencia aktivity veľmi skoro ráno alebo veľmi neskoro večer).

Napríklad hormonálne zmeny počas dospievania takisto pôsobia na vnútorný časový systém organizmu. Biologické hodiny adolescentov mávajú tendenciu sa oneskorovať, ľudia okolo 20. roku majú z tohto dôvodu sklon chodiť spať aj vstávať neskôr než bežná populácia – sú večernými chronotypmi. Expozícia jasnému svetlu večer a v noci môže oneskorenie vnútorných biologických hodín pri týchto osobách ešte zvýrazniť, a tým obmedziť dĺžku spánku, najmä ak sú spoločnosťou nútení byť aktívni už skoro ráno, teda vďaka takto posunutému vnútornému času počas ich subjektívnej noci [10]. Dôsledkom môže byť dlhodobá spánková deprivácia a tzv. sociálny jetleg, čo má preukázateľný vplyv na ich kognitívne schopnosti a výsledky štúdia.

Naopak u seniorov sa nevizuálny systém stáva vekom menej citlivým – na dobrú synchronizáciu potrebujú počas dňa vyššie hladiny osvetlenosti, než sú bežné v ich domovoch. Poruchy spánku a denného rytmu tak predstavujú jedny z najčastejších problémov seniorov. Trpí nimi viac ako 80 % starších osôb. Jednou z príčin je zhoršenie priestupnosti oka na modré vlnové dĺžky, s čím sa spája desynchronizácia vnútorného času jedinca. Starší ľudia trávia často všetok čas v budovách, spravidla pod nedostatočným osvetlením, napriek tomu, že najmä pre nich je dostatok jasného svetla počas dňa veľmi dôležitý.

Záver

Zhromaždené fakty dokladajú, že z biologického hľadiska zabezpečuje optimálne svetelné prostredie denné svetlo. Jeho kvalita aj kvantita sa menia počas dňa tak, že prirodzene synchronizuje vnútorné biologické hodiny človeka. Pri niektorých jedincoch pomáha zároveň redukovať extrémne fázové posuny cirkadiánneho rytmu, čím zabezpečuje zdravé svetelné prostredie.

Z pohľadu architekta/projektanta budovy je teda dôležité navrhovať objekty tak, aby sa denné svetlo dalo využívať v maximálnej miere. To znamená vytvárať budovy, ktoré umožňujú privádzať veľké množstvo denného svetla do interiéru, podporujú jeho rovnomernú distribúciu a súčasne chránia pred nežiaducimi efektmi ako oslnenie alebo vysoký kontrast v zornom poli.

Využitie výlučne denného svetla, úplne bez umelého osvetlenia, určite nie je v dnešnej spoločnosti prijateľné. Treba teda hľadať stratégie a koncepty optimalizujúce využitie denného a umelého osvetlenia, ktoré umožnia moderný spôsob života, no súčasne minimalizujú možné nežiaduce efekty a zabezpečia dostatočnú synchronizáciu vnútorných biologických hodín.

Systémy umelého osvetlenia by mali slúžiť ako doplnenie denného svetla v mieste a čase jeho nedostatku, nie však ako hlavné osvetlenie priestoru. Regulácia osvetľovacích systémov by sa mala navrhovať ako dynamická, so zohľadnením denného (cirkadiánneho) rytmu človeka, tzn. mala by upravovať kvantitu a kvalitu svetla podľa denného či nočného času. To všetko by mala dopĺňať možnosť zohľadniť špecifické individuálne potreby.

Príspevok vznikol s podporou MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitné centrum energeticky efektívnych budov – Fáza udržateľnosti.

Ing. arch. Lenka Maierová, PhD.
Autorka pôsobí v Univerzitnom centre energeticky efektívnych budov ČVUT v Buštěhrade.

Literatúra

1. Hattar, S., et al.: Melanopsin-containing retinal ganglion cells: architecture, projections, and intrinsic photosensitivity. Science 2002. 295(5557): 1065–70.
2. 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.
3. Illnerová, H.: Melatonin, jeho tvorba a působení. Chemické listy 27/ 3. Bulletin Asociace českých chemických společností 273, 2008.
4. Maierová, L.: Denní světlo, umělé osvětlení a biorytmy člověka. In: Sborník odborného semináře Kurz osvětlovací techniky XXXII. Loučná nad Desnou, 3. – 5. 10. 2016. 
5. Maierová, L.: Světelné prostředí v budovách, nevizuální vnímání světla a inter-individuální rozdíly. Disertační práce, ČVUT v Praze, 2015.
6. Roenneberg, T. – Merrow, M.: Entrainment of the human circadian clock. Cold Spring Harbor Symposia Quantitative Biology 2007; 72:293-9.
7. 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.
8. Wirz-Justice, A. – Fournier, C.: Light Health and Wellbeing: Implications from chronobiology for architectural design. World Health Design. 2010: 44-9.
9. Wirz-Justice, A. – Cajochen, C.: Cirkadiánní rytmy a deprese: možnosti chronobiologické léčby. Čes. a slov. Psychiatrie 2012; 108 (4): 198 – 204.
10. Wittmann, M. – Dinich, J. – Merrow, M. – Roenneberg, T. Social jetlag: misalignment of biological and social time. Chronobiol Int. 2006; 23: 497 – 509.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2017.