光照对人的生理节律的影响

1、2 0 0 5 年3 月灯与照明第2 9 卷第1 期 光照对人的生理节律的影响 孙大鹏 ( 天津大学建筑学院，天津3 0 0 0 7 2 ) 摘要：最新的研究发现，人体的生物钟系统和视觉系统具有不同程度的光照需求，这个结论对 传统的照明设计观念提出了挑战。适当的光照可以起到调节人体生理节律的作用，本文阐述了 光照强度、空间分布、频谱分布等对生理节律的作用规律和机理，了解这部分内容将有助于我们 营造一个健康舒适的光照环境。 关键词：生物钟系统；生理节律；松果腺；下丘脑视交叉上核；褪黑素；光谱灵敏度 1 人的生理节律和人体生物钟系统 人类的众多行为和生理现象如觉醒、血压、心 率、体温等都具有昼夜周

2、期性，这种每间隔大约2 4 小时重复一次的生理现象称为生理节律。生理节律 是人类在长期进化的过程中保存下来的适应性特 征，这些节律可以随着外界环境( 比如光照) 的改变 而改变，当人体受到光照时，人体内的生物钟系统将 导引并启动从光信号到生理信号的连锁放大过程， 从而调节人的行为和生理活动，影响人体的生理节 律。 人体的生物钟系统包括视网膜、下丘脑视交叉 上核( s u p 随c h i 够m 砒i cn u c l e 岫，S C N ) 和松果腺( p i n e a l g l a n d ，P ，正是通过它们之间的相互作用，产生、重 置和调控人体的生理和行为节律，其中下丘脑视交 叉上核

3、起支配作用，是生理节律最主要的起搏器，它 一方面受到外界环境因素( 主要是光照周期信号) 的影响，另一方面接受机体自身机制( 某些化学物质 如5 一羟色胺、褪黑素) 的调节；松果腺的作用是合成 褪黑素( m e l a t o n i n ，M E L ) ，褪黑素的合成具有明显的 昼夜节律性，白昼血中浓度极低，黑夜显著升高，夜 间褪黑素分泌量比白天多5 一l O 倍，清晨2 ：0 0 到 3 ：0 0 达到峰值，褪黑素不仅辅助完成视交叉上核的 生理节律起搏功能，还能将光照周期信号输送到人 体多个功能器官，以传达光信息和生物周期的相关 信息；视网膜是生物钟系统感知光的窗口，最新研究 表明，存在

4、于视网膜节细胞( r e t i n a lg a l l d i o nc e l l s ， R G c s ) 上的视黑蛋白( n l e l 锄o p s i n ) 是生物钟系统最直 接的光信号接受体，除此之外，隐色素( c 珂p t o c h m m e ， C R Y ) 是另外一种生物钟光受体，H a t t e r 等人的研究 结果还提示，除视黑蛋白和隐色素外，可能还存在其 他的光输入途径，而且各种光受体之间相互对话，最 后由视网膜下丘脑束将光信息传递到下丘脑视交叉 上核。 光照是人体生理节律的主要触发因子，由于下 丘脑视交叉上核的节律性活动周期要稍稍大于2 4 小时，因此

5、光暗周期就成了促使下丘脑视交叉上核 的活动周期与太阳日同步的主要因素。 2 光的特性( 强度、时段、空间分 布、光谱等) 对生理节律的影响 随着研究的不断深入，人们逐渐地认识到光照 对于人体生理节律的重要作用。 1 9 8 0 年，L e w y 和他的同事们证明了明亮的白光 ( 夜间2 ：0 0 4 ：0 0 ，照度为2 5 0 01 【) 能够抑制人体褪 黑素的分泌，使夜间人体褪黑素的水平与日间持平， 后来他们又证明了明亮的白光能够缓解“季节性情 绪紊乱症”( S e a s o n a lA 虢c t i v eD i s o r d e r ，S A D ，或者称 “冬日抑郁症”，具体

6、症状为：情绪明显低落、易发怒、 显著疲劳、嗜睡、糖代谢增加等) 的症状。这一成果 激起了人们对这一领域的研究和探索，以后的研究 证明了： 白天明亮的光照及夜间的黑暗环境有助于A D 症( A l z h e i m e r sD i s e a s e ，具体症状为缺乏规律的活动 与睡眠习惯) 患者改进他们的活动及睡眠结构。 3 】 万方数据 2 0 0 5 年3 月灯与照明第2 9 卷第l 期 ( V a ns o m e r e n 等) 有节奏的光照要比持续光更能促进未成年人的 生长。( M i l l e r 等) 明亮的光照能够增强脑部活动( B a d i a 等) 、改善 认识行

7、为( B o y c e 等) 和主观的机敏性( F i g I l e i m 等) 。 除此之外，相关的研究还发现光照可以提高夜 班工人的工作效率；可以直接影响人大脑皮层的活 动；等等。 光照对人体生物钟系统的作用不同于视觉系统 的作用原理，它具有自身的规律和特点，下面仅从光 照强度、持续时间与时段及光谱分布几个方面分别 阐述。 2 1 光照强度对人体生理节律的作用 在白光照明的办公室里，水平工作面5 0 0l 】【的 照度足以满足人的视觉工作的需要，但在相同的光 照条件下持续照射一个小时，才刚刚能够激发生物 钟系统的光生物作用。如果用夜间光照( 持续一小 时) 对褪黑素的抑制程度来反映生

8、理节奏的相对灵 敏度，那么我们可以得到有关照度与生理节奏的相 对灵敏度的函数曲线( 如图1 ) 。图1 右侧的曲线表 明：人眼看到照度为1 0 0 2 0 0l 】【的光( “全光谱”荧 光灯) 能够在一定程度上抑制褪黑素的产生，即水平 工作面5 0 0b 【的照度水平接近于可以抑制褪黑素分 泌的照度下限。该图表也说明，相对来说，人体生物 钟系统需要的照度值最大，视觉工作需要的照度要 低几个数量级，而在黑暗环境( 如在月光下) 下具有 感知力需要的照度值要比视觉工作需要的照度再低 几个数量级。 人眼肴到的光j ! f 度( 1 ) 【) 予一相对视功效( 任意光谱效率分布) 一_ 一全光谱荧光

9、灯 - 9 一蓝色发光二极管( 4 7 0 n m ) 图l相对视功效、褪黑素抑制程度与人眼照度的关系曲线 2 2 光照持续时间与时段对人体生理节律的作用 光照时段对人体生物钟系统运作的影响不大， 无论白天黑夜，任何时段的光刺激都可能会引起系 统的反应，但光照时段的不同能够延迟或是提前人 体内部的生物钟，由于人的生物钟周期要比一个太 3 2 阳日稍长，因此，我们需要在每个早晨提前我们的生 物钟，使它与太阳日同步。在夏季，自然光会较早地 照射到人体，使体内的褪黑素迅速分解，因而人们能 够较早地起床，且精神较好；而冬季早起的人们在起 床后会感到疲惫，没有精神，这是由于人体缺少光的 照射，体内的褪黑

10、素浓度不能迅速降低的缘故。 2 3 光谱分布对人体生理节律的作用 早期的关于光照对大鼠体内褪黑素抑制作用的 研究发现，波长为5 0 0n m 的光对大鼠体内褪黑素抑 制作用最明显，这与杆状细胞的光谱光视效率峰值 所对应的波长几乎是一致的，关于人体的研究也似 乎表明杆状细胞是褪黑素抑制光线的接受体。然 而，接下来的研究却表明生理节律对波长4 6 0n m 左 右的光波最敏感，这不仅与杆状细胞最敏感的光波 长相差甚远，与黄斑中心中央窝( 黄斑是视网膜中央 锥体细胞集中的部位，中央窝是黄斑中心的凹下处， 此处锥体细胞的密度达到最大) 细胞最敏感的光波 长相差也很大。最近有学者指出，视黑蛋白和隐色 素

11、是生物钟的光受体，而且可能会有其他的接受体。 波长对生理节律产生不同的影响作用可用c ( A ) 曲 线( 图2 最左侧的曲线) 来表示。 光 谱 光 视 效 宴委 波长( n m ) 明视觉 一- 暗视觉 生理社律 图2 明暗视觉的光谱光视效率曲线 与生理节律的光谱灵敏度曲线 生理节律的光谱灵敏度曲线与光谱光视效率曲 线的差异可以解释为什么满足视觉的需要与满足生 理节律所需要的光会有如此大的差异。另外 W a 瑚a n 的研究表明，人眼照度为81 ) 【的光就可以改 变褪黑素的产生节奏，他在研究中使用了光谱为两 个窄波段的蓝色光源，窄波段的波峰分别在4 3 6n m 和4 5 6n m ，非

12、常接近c ( 入) 曲线中对生理节律系统产 生影响最大的波长值，该短波光源与30 0 0k 荧光灯 发出4 9 0l 】【照度时具有同样的抑制效果。图表3 显 示的是当30 0 0k 荧光灯与w a r I I I a n 使用的短波光源 对生理节律的具有同样影响作用时，他们的光谱效 万方数据 2 0 0 5 年3 月灯与照明第2 9 卷第1 期 率分布曲线。此外，M a I i a n a G 的实验数据表明，蓝 色发光二极管( 入= 4 7 0 姗) 发出的1 8l 】【的光对夜间 褪黑素的产生有显著的抑制作用。 相 对 辐 射 硝l 素 短波光源 3 0 ( ) ( ) K 荧光灯 波长

13、( n m ) 图3 对生理节律具有相同影响作用的30 0 0k 荧光灯 与短波光源的相对辐射功率 以上研究表明，用来满足视觉系统设计的照明 灯具，如30 0 0k 的荧光灯，对于人体生理节律的效 果作用不明显，那些短波光源相对于长波光源更容 易影响人体的生理节律。因而，使用偏红色光谱的 灯光照明有利于人们保持高质量的睡眠；而绿色和 蓝色对褪黑激素分泌的抑制能力较强，夜间照射会 导致较浅的睡眠深度( 睡眠中体温温差变化较小) ， 因而，使用偏蓝绿色光谱的灯光照明不利于人们保 持高质量的睡眠。 3结论 通过对光照与人的生理节律作用的研究，人们 一方面认识到光的各种特性对生理节律的作用规 律；另一

14、方面认识到在光的设计过程中，考虑光对人 的生理节律的作用的重要性，尤其是在那些季节性 情绪紊乱症及A D 症的多发地区。 根据褪黑素对人体生物钟的作用原理，有些厂 家模拟夏天早晨天渐渐放亮的感觉发明了黎明模拟 灯，通过微电脑控制灯光的强弱( 最好为全光谱灯) ， 使每天在设定的起床时间前逐渐增大亮度，光通过 照射人体，使体内的褪黑素含量发生变化，从而自动 调节生物钟，这样冬季早起后就不会有疲劳感。对 于那些季节性情绪紊乱症及A D 症的患者，光照也 可以成为一种非药理的治疗方法，适合的光照有助 于他们改善自身的生活节律。照明设计师在进行室 内的照明设计时，不仅要满足基本照度以及创造良 好的灯光

15、艺术，还应充分考虑不同的照明光环境对 人的生理产生的不同影响，从而创造一个生动且有 益健康的光环境。 光照与人的生理节律作用机理还有相当大的未 知领域，神经生理学和精神物理学的发展将有助于 我们认识和探索的不断深入，这个过程同时也是对 人与自然关系认识的深入，人与自然的关系永远都 是如此的紧密，人类日出而作，日落而息的习惯虽然 被工业社会的到来所打破，但长期进化所形成的人 的生理节律终究是源于自然、适于自然的。 参考文献 1 庞蕴凡视觉与照明北京：中国铁道出版社，1 9 9 3 ，5 4 8 6 2 刘炜，王晓静照明对人的生理与心理的影响灯与照 明，2 0 0 2 ，2 6 ( 0 1 0 2

16、 ) ：3 l 一3 4 3 韩秀引，王蕾、欧可群哺乳动物的生物钟系统研究中 国临床康复，2 0 0 3 ，0 7 ( 2 5 ) ：3 4 9 8 3 4 9 4 刘炜，杨春字，陈仲林影响人体生物节律的褪黑素与 住宅光环境设计照明工程学报，2 0 0 2 ，1 3 ( 0 3 ) ：4 6 5 0 5 柳孝图建筑物理北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 0 ， 1 3 3 一1 3 5 6 周先举，俞光第，印其章哺乳动物昼夜节律组构中的 下丘脑视交叉上核和松果腺生理科学进展，2 0 0 l ，3 2 ( 0 2 ) ：1 1 6 一1 2 0 【7JM a r i 蝴G F i g u e i r 0 R e 踯龇hR e c a p ：C i r c a d i a nR l l y t h r n I 趣h t i n gD e s 泗A p p H c a t i 0 咀( I D + A ) ，2 0 0 3 ，3 3 ( 0 2 ) ：1 7 一1 9 8 M a