Melanopická denná osvetlenosť v budovách

V posledných dvoch desaťročiach biologický a medicínsky výskum priniesol niekoľko zásadných objavov v oblasti vplyvov svetla na živú prírodu, a teda aj na ľudí. Jedným z nich bol objav melanopsínu, ďalšieho fotopigmentu, ktorý sa nachádza v ganglionových bunkách v sietnici ľudského oka. Jeho objav významne prehĺbil chápanie funkcií zrakového systému. Spočiatku sa objav melanopsínu chápal ako kľúč k pochopeniu nevizuálnych vplyvov svetla na ľudský organizmus. Z novších výskumov je zrejmé, že melanopsín sa podieľa aj na videní a na ďalších psychofyziologických pochodoch v ľudskom organizme. V tomto článku si bude autor všímať melanopsín a jazykovo od neho odvodenú melanopickú osvetlenosť iba vo vzťahu k niekoľkým aspektom osvetľovania vnútorných priestorov denným svetlom.

Melanopsín

Melanopsín, nový druh opsínu, bol objavený na prelome 20. a 21. storočia. Melanopsín obsahujú niektoré vnútorné sietnicové gangliové bunky cicavcov (aj iných chordátov). Takýchto buniek, ktoré obsahujú melanopsín, je v ľudskom oku iba niekoľko tisíc. Tieto fotoreceptory sa podieľajú na riadení cirkadiánnych (lat. circa – okolo, dies – deň) biorytmov, zrenicového reflexu, vnímaní jasu a aj na iných procesoch v ľudskom organizme, z ktorých viaceré sa považujú za nedostatočne preskúmané. Melanopsín je teda na začiatku procesov regulácie cirkadiánnych biorytmov, s ktorými sú spojené početné fotobiologické, psychofyziologické, fyziologickooptické a fotochemické pochody v ľudskom tele. Na obr. 1 je znázornená spektrálna citlivosť melanopsínu vo vzťahu k spektrálnej citlivosti ďalších štyroch fotocitlivých buniek v ľudskom oku (t. j. tyčinkám a k trom druhom čapíkov) [1]. Spektrálne citlivosti fotosenzorov podľa obr. 1 platia pre „priemerného“ pozorovateľa vo veku 32 rokov.

Obr. 1. Relatívna spektrálna citlivosť fotoreceptorov v ľudskom oku podľa [1]

Medzinárodná norma [1] okrem definovania relatívnej spektrálnej citlivosti fotosenzorov v ľudskom oku tiež obsahuje informácie týkajúce sa vplyvu veku a zorného poľa na stimuláciu vnútorne fotosenzitívnych buniek ganglií sietnice obsahujúcich melanopsín. Avšak neposkytuje dostatočné informácie pre navrhovanie osvetlenia v praxi. V zásade môže všetkých päť typov fotoreceptorov prispievať k vizuálnemu vnímaniu, kde sa relatívny príspevok každého fotoreceptora môže meniť v závislosti od expozičných vlastností, ako sú intenzita osvetlenia sietnice, čas expozície, svetelná história, smerovanie svetla a ďalšie. Melanopsín je maximálne citlivý na vlnové dĺžky svetla okolo 490 nm. Aktivácia fotosenzitívnych gangliových buniek si vyžaduje vyššie intenzity svetla ako tyčinky a čapíky a je v porovnaní s „klasickými“ fotoreceptormi pomalšia. Gangliové bunky môžu byť aktivované aj nepriamo z tyčiniek a čapíkov a vtedy je aktivácia rýchlejšia a na svetlo citlivejšia [2]. Časť svetelného spektra, na ktorú reaguje melanopsín, potláča produkciu hormónu melatonínu v ľudskom tele počas dňa. Melatonín sa podstatne podieľa na synchronizácii cirkadiánnych rytmov v jednotlivých tkanivách a orgánoch ľudského tela. Cirkadiánne rytmy sú generované prostredníctvom špeciálnych, tzv. hodinových génov (len pre zaujímavosť, v prípade melanopsínu je to gén Opn4). Ak je intenzita svetla vo vnútornom prostredí budov počas dňa nízka, popr. jeho vlnové zloženie sa významne líši od akčného spektra potlačenia tvorby melatonínu, dochádza k poklesu vytvárania melatonínu v epifýze a narušeniu synchronizácie cirkadiánnych rytmov viacerých fyziologických procesov, človek sa nachádza v „biologickej tme“, resp. v „biologickom prítmí“, hoci všetko naokolo dobre vidí. Intenzívny a široko koncipovaný chronobiologický výskum prináša stále nové poznatky a súčasne spresňuje a prehlbuje existujúce poznatky o vplyve svetla na ľudský organizmus.

Melanopická osvetlenosť

Objav svetlocitlivých gangliových buniek v očiach ľudí a nimi regulovaný komplex nevizuálnych účinkov na ľudský organizmus vyvolali u odborníkov v oblasti svetelnej techniky živý záujem. Ten sa postupne prejavil aj v nových prístupoch k navrhovaniu osvetlenia a aj v pojmoch, ako sú „osvetlenie zamerané na človeka“, „biofilné osvetlenie“, „cirkadiánne osvetlenie“. V odbornej verejnosti sa o týchto pojmoch a ich podmienenostiach už dlhší čas vedie diskusia, ktorá v niektorých smeroch získava ucelené kontúry. V posledných niekoľkých rokoch sa publikovalo niekoľko noriem, ktoré sa zaoberajú nevizuálnymi účinkami svetla [1], [3] až [6]. Základné praktické otázky svetelných technikov spočívajú v tom, ako zahrnúť nové medicínske poznatky o nevizuálnych účinkoch svetla do bežnej projektovej praxe. V oblasti teoretických základov a aj v praktických aplikáciach umelého svetla sa v tejto oblasti vykonalo veľa. V oblasti denného osvetlenia budov sa týmto problémom venovala malá pozornosť. Hlavným dôvodom malého záujmu je skutočnosť, že denné svetlo sa z hľadiska svojho spektrálneho zloženia, intenzity a časovej premenlivosti považuje z biologického hľadiska za optimálne. Toto konštatovanie v plnej miere platí pre exteriérové denné svetlo, v prípade interiérového denného svetla to už nemusí byť taká nespochybniteľná pravda. Zasklenie, tieniaca technika a farebná úprava vnútorných povrchov (čiastočne aj vonkajších) môžu pôsobiť ako výrazné spektrálne filtre a v súčinnosti so znižovaním množstva denného svetla v budovách sa dá predpokladať určitá hranica, pri ktorej denné osvetlenie nemusí stačiť na synchronizáciu biologických hodín, najmä u ľudí, ktorí sa dlhodobo zdržujú vo vnútornom prostredí. V tejto súvislosti možno argumentovať tým, že v takýchto prípadoch môže nedostatok denného svetla suplovať umelé osvetlenie. Hoci je to technicky v značnej miere realizovateľné, je dobré sa v bežných prípadoch sústreďovať na využívanie obnoviteľného zdroja svetla, ktorým je ekologické a zdravé denné svetlo. Na obr. 2 sú činitele spektrálnej priepustnosti svetla niekoľkých druhov plochých stavebných skiel. Je z neho zrejmé, že niektoré druhy v hmote farbených skiel (platí to aj pre farebné fólie) dramaticky menia spektrálne zloženie svetla preniknutého do interiéru.

Obr. 2. Činiteľ spektrálnej priepustnosti svetla niekoľkých druhov skiel podľa [7]

V priebehu času bol navrhnutý väčší počet metód, ktorých cieľom je zahrnúť melanopickú osvetlenosť do projektovania cirkadiánneho osvetlenia budov (napr. [8] až [14]). Jedna z prvých bola metóda činiteľa cirkadiánnej účinnosti (nem. circadianer Wirkungsfaktor, angl. circadian action factor) [8]. V súčasnosti pútajú širšiu medzinárodnú pozornosť najmä metóda cirkadiánneho stimulu (CS) [11] a metóda ekvivalentného melanopického luxu (EML) [12]. Obidve metódy vychádzajú zo spektrálneho zloženia svetla vstupujúceho do oka pozorovateľa vo vertikálnej rovine. Efektívnosť svetelného prostredia z hľadiska cirkadiánneho stimulu hodnotí metóda [11] v škále od 0 (žiadny stimul) po 0,7 (úplný stimul). V skorých ranných hodinách sa v CS metóde požaduje na očiach človeka osvetlenosť aspoň 180 lx (fotopická osvetlenosť) v trvaní 1 h, aby sa dosiahol cirkadiánny stimul vyšší ako 0,3. Hodnoty CS > 0,3 sa považujú za dostatočné na potlačenie tvorby melatonínu v ľudskom tele počas dňa. V metóde cirkadiánneho stimulu sa v prípade zdrojov svetla s teplou farbou získava hodnota CS prepočtom uvažujúcim iba spektrálnu citlivosť melanopsínu. Pri zdrojoch so studenou farbou svetla sa v hodnote CS okrem akčného spektra melanopsínu zohľadňujú aj efekty najmä tyčiniek a čapíkov typu S. Hodnoty CS zvyšuje intenzita svetla vstupujúceho do oka a jeho studená farba.

Melanopická ožiarenosť je efektívna fotobiologická ožiarenosť spektrálne váhovaná podľa melanopického akčného spektra s_mel(λ) (spektrálnej citlivosti melanopsínu)
   

Tab. 1. Ekvivalentný melanopický lux niekoľkých zdrojov svetla

Medzinárodne používaný certifikačný systém WELL Building Standard v1 [13], ktorý hodnotí vplyv budov na zdravie a pohodu ich užívateľov, zaviedol aj hodnotenie cirkadiánneho osvetlenia metódou ekvivalentného melanopického luxu (certifikačný systém používa skratku EML). Tento systém má vo verzii č. 1 osobitné požiadavky na pracovné priestory, obytné prostredia, učebné priestory a denné miestnosti v pracovných priestoroch. Certifikačný systém WELL v1 pre 75 % pracovných miest požaduje najmenej 200 EML na vertikálnej rovine vo výške 1,2 m nad podlahou aspoň medzi 9.00 a 13.00 h každý deň v roku. Pre ostatné pracovné miesta sa požaduje aspoň 150 EML. Je zaujímavé, že v denných miestnostiach sa požaduje minimálne 250 EML a v školských učebniach iba 150 EML. Hodnota 250 EML je podľa systému WELL ekvivalentná 226 lx denného svetla (D65), v prípade „LED žiarovky“ s farbou svetla 2 700 K je na dosiahnutie 250 EML potrebná osvetlenosť okolo 555 lx. Pri bočnom dennom osvetlení osvetlenosť vertikálnej roviny (resp. oka) vo veľkej miere závisí od smerovania pohľadu. Vertikálna osvetlenosť roviny, ktorej normála smeruje priamo k oknu, je úplne iná ako osvetlenosť inak smerovanej vertikálnej roviny. Značná časť svetla, ktoré vstupuje do oka, je svetlo mnohonásobne odrazené od rozličných povrchov, a teda jeho spektrálne zloženie sa môže aj významne líšiť od spektrálneho zloženia svetla vychádzajúceho z primárneho svetelného zdroja. Spektrum svetla vstupujúceho do oka vo všeobecnosti závisí aj od spektrálneho zloženia ďalších zdrojov svetla, ktoré sa dnes vo väčšine vnútorných priestorov nachádzajú (počítačové monitory, televízne obrazovky, mobilné telefóny, svietiace reklamné panely a pod.). Používanie kritérií certifikačného systému WELL v praxi je značne problematické. V prípade neustále sa meniaceho spektrálneho zloženia denného osvetlenia a jeho intenzity sa zdajú byť problematické aj trochu „uletené“ teoretické úvahy o určovaní priestorovo priemernej valcovej ožiarenosti ako východiska pre aplikáciu systému WELL.

Z etického hľadiska je sporné aj to, že nie pre všetky pracoviská sa v systéme WELL požaduje úroveň melanopickej (tzv. biologickej) osvetlenosti, ktorá je zo zdravotného hľadiska podľa systému WELL potrebná.

Vo verzii č. 2 certifikačný systém WELL [14] požaduje na získanie jedného bodu za umelé cirkadiánne osvetlenie CS > 0,3, teda umožňuje aplikovať aj metódu cirkadiánneho stimulu. Odôvodňuje sa to tým, že CS > 0,3 odpovedá hodnotám ekvivalentného melanopického luxu v rozsahu 150 až 315 EML pre väčšinu bežne používaných svetelných zdrojov. V certifikačnom systéme WELL sa uvádza, že je jedno, či sa požadované úrovne ekvivalentného melanopického svetla získajú z umelého alebo z prírodného svetelného zdroja. Z takéhoto postoja si menej informovaní ľudia môžu urobiť úsudok, že „zdravé biologické svetlo“ je totožné s minimálnou úrovňou umelého cirkadiánneho svetla potrebného na potlačenie tvorby melatonínu v ľudskom organizme. V skutočnosti existuje celý rad argumentov, ktoré hovoria v prospech denného osvetlenia vnútorných priestorov v budovách. Metódu ekvivalentného melanopického luxu odporúča CIE (Medzinárodná komisia pre osvetlenie) na hodnotenie nevizuálnych aspektov svetla [15]. Je však potrebné poznamenať, že nevizuálne účinky svetla na človeka nie sú funkciou iba ekvivalentného melanopického luxu. Špecifický nevizuálny efekt ovplyvňujú interakcie medzi fotoreceptormi oka, pričom ich spracovanie ovplyvňuje spektrálne zloženie svetla, jeho intenzita a trvanie, čas pôsobenia počas dňa a aj ďalšie vplyvy.

Metóda cirkadiánneho stimulu, metóda ekvivalentného melanopického luxu aj norma CIE [1] majú svoje webové aplikácie (napr. CS metóda [16]). Zo zadaného spektrálneho rozloženia intenzity žiarenia svetelných zdrojov sa pomocou týchto aplikácií určia hodnoty CS, EML, resp. α-opické hodnoty (α označuje niektorý z piatich fotopigmentov oka a „opic“ pochádza z anglických slov rhodopic, melanopic, cyanopic, chloropic a erythropic, ktorými sa v neurofyziológii [12] a už aj v technickej literatúre označujú merné jednotky vztiahnuté k určitému fotopigmentu, napr. cyanopický lux).

V súčasnosti sú už k dispozícii aj prístroje, ktoré priamo merajú melanopickú osvetlenosť, napr. spektrofotometer MSC 15 [17], a aj výpočtové programy hodnotiace melanopickú dennú osvetlenosť vo vnútornom prostredí budov (napr. [18], [19]).

Záver

Dostatočná a kvalitná melanopická osvetlenosť je žiaduca vo všetkých vnútorných priestoroch s dlhodobým pobytom ľudí počas dňa. Osobitne dôležitá je melanopická osvetlenosť v školách, nemocničných izbách, v ubytovacích a ďalších zariadeniach pre seniorov, v psychiatrických liečebniach a aj v iných priestoroch s podobným účelom. V odbornej literatúre sa špecificky odporúča kvalitná melanopická osvetlenosť v priestoroch, kde sa vykonávajú náročné duševné práce, ktoré si vyžadujú vysokú koncentráciu. Hygienické a stavebné predpisy v Českej aj v Slovenskej republike tradične venujú výraznú pozornosť dennému osvetleniu budov. Je otázne, či v každom prípade sa pri vyhovujúcej fotopickej dennej oosvetlenosti dosiahne aj dostatočná melanopická osvetlenosť.

V oblasti nevizuálnych účinkov svetla na ľudí existuje množstvo nezodpovedaných otázok. Táto problematika si zaslúži sústredený aplikovaný vedecký výskum, ktorý prinesie aj dostatočne overené technické podklady pre praktické navrhovanie osvetlenia.

Poďakovanie
Tento príspevok podporili výskumné projekty APVV-18-0174 a APVV-16-0126.

prof. Ing. Jozef Hraška, PhD.,
Stavebná fakulta Slovenskej technickej univerzity

Recenze: doc. Ing. Stanislav Darula, PhD., Ústav výstavby a architektury, Bratislava

Literatúra:
[1] CIE S 026/E:2018. CIE System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light.
[2] MÜNCH, M. a A. KAWASAKI. Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells: Classification, function and clinical implications. Current Opinion in Neurology. 2013, 26 (1), 45–51.
[3] PD CEN/TR 16791:2017. Quantifying irradiance for eye-mediated non-image-forming effects of light in humans.
[4] D I N S P E C 5 0 3 1 - 1 0 0 : 2 0 1 5 - 0 8 . Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik – Teil 100: Über das Auge vermittelte, melanopische Wirkung des Lichts auf den Menschen – Größen, Formelzeichen und Wirkungsspektren.
[5] DIN SPEC 67600:2013-04. Biologisch wirksame Beleuchtung – Planungsempfehlungen.
[6] ISO/CIE WD TR 21783. Light and lighting – Integrative lighting – Non-visual effects.
[7] XIAODONG, Ch., Z. XIN a D. JIANGTAO. Glazing type (colour and transmittance), daylighting, and human performances at a workspace: A full- -scale experiment in Beijing. Building and Environment. 2019, 153(18), 168–185.
[8] GALL, D. a K. BIESKE. Definition and measurement of circadian radiometric quantities, Light and health – non-visual effects. In: Proceedings of the CIE symposium ’04, Vienna, Austria, 30 September – 2 October 2004. s. 129–132.
[9] AMUNDADOTTIR, M. L., S. W. LOCKLEY a M. ANDERSEN. Unified framework to evaluate non-visual spectral effectiveness of light for human health. Lighting Research and Technology. 2017, 49(6), 673–696.
[10] KONIS, K. A novel circadian daylight metric for building design and evaluation. Building and Environment. 2017, 113, 22–38.
[11] REA, M. S., M. G. FIGUEIRO, A. BIERMAN a J. D. BULLOUGH. Circadian light. Journal of Circadian Rhythms. 2010, 8(2), 10.
[12] LUCAS, R. J., S. N. PEIRSON, D. M. BERSON, T. M. BROWN, H. M. COOPER, et al. Measuring and using light in the melanopsin age. Trends Neurosci. 2014, 37(1), 1–9.
[13] International WELL Building Institute. WELL Building Standard® v1. Q4 2017 verzia
[14] International WELL Building Institute. WELL Building Standard® v2. Q1 2020 verzia
[15] CIE. CIE Position Statement on Non-Visual Effects of Light – Recommending Proper Light at the Proper Time, 2nd Edition. October 2019.
[16] CS Calculator. Dostupné z: https://www. lrc.rpi.edu/cscalculator/
[17] https://www.gigahertz-optik.de/en-us/product/msc15
[18] EWING, P. H., J. HAYMAKER a E. A. EDELSTEIN. Simulating Circadian Light: Multi-Dimensional Illuminance Analysis. In: Proceedings of the 15th IBPSA Conference San Francisco, CA, USA, Aug. 7–9, 2017. s. 2363–2371.
[19] INANICI, M., M. BRENNAN a E. CLARK. Spectral daylighting simulations: Computing circadian light. In: Proceedings of BS2015: 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, India, Dec. 7–9, 2015. pp. 1245–1252.