Světlo a biologické hodiny

 

 

Časové rytmy lze najít v celé živé říši. O cirkadiánních (z lat. circa – okolo, dies – den) čili přibližně denních rytmech byla v časopisu Světlo řeč již několikrát – např. v číslech 1 a 3/2005 nebo 5 a 6/2008. Pojem cirkadiánní zavedl v padesátých letech 20. století Franz Halberg, jeden ze zakladatelů chronobiologie, vědy o časovém řádu v živé říši. Z českých chronobiologů je nejznámější prof. Helena Illnerová, která se svými spolupracovníky na modelu potkana jako první na světě objevila, jak změna délky osvětlení během střídání ročních období ovlivňuje rytmus v tvorbě melatoninu v epifýze [1] a ve fotosenzitivitě v biologických hodinách v suprachiazmatickém jádru hypotalamu [2].

 

V centrální nervové soustavě savců se tedy pod křížením zrakových nervů nacházejí suprachiazmatická jádra (SCN), centrální biologické hodiny, které řídí mimo jiné hladiny hormonů v krvi, tělesnou teplotu, spánek a bdělost. Melatonin je hormon spánku a tělesné regenerace. Kortizol je naopak hormon aktivity, stresu a pohybu. Příklad průběhu sledovaných hladin, převzatý z [3], znázorňuje obr. 1. Průběhy pro jednotlivé dny jsou proměnné v obou osách.

 

Centrální hodiny se každý den seřizují působením světla, ale vliv má i příjem potravy. Bez seřízení by tyto hodiny u mladého člověka volně běžely s periodou přibližně 24 hodin, odtud tedy označení cirkadiánní. Podle těchto centrálních hodin se dále synchronizují vnitřní hodiny jednotlivých orgánů. Podnět pro seřízení centrálních hodin může představovat osvětlení o vhodném spektrálním složení v řádu již od jednotek luxů po dobu jednotek minut a následuje jej pokles hladiny melatoninu v krvi.

 

Tyto účinky podrobně zkoumal německý oční lékař prof. Fritz Hollwich, autor učebnice oftalmologie a mnoha léčebných postupů. Ve své habilitační práci z roku 1948 rozlišuje zrakovou a energetickou (nezrakovou) složku očního aparátu. U pacientů slepých z důvodu šedého zákalu zjistil odlišné hladiny některých hormonů a dalších látek oproti hodnotám běžným ve zdravé populaci a sledoval návrat těchto hladin do normálu po operativní výměně čočky, kdy se pacientům navrátil zrak. Zjistil také, že některé druhy světla, jeho nadbytek, nedostatek nebo dlouhodobá neměnnost mají na živočichy nepříznivé účinky [4].

 

V posledních několika letech se hovoří o novém fotoreceptoru – světlocitlivých sítnicových gangliových buňkách (ipRGC). U myší byly objeveny v roce 1991, u člověka teprve v roce 2007. Obsahují barvivo melanopsin, jejich maximální citlivost se uvádí v oblasti vlnových délek 450 až 482 nm (zřídka též 420 a 491 nm), viz obr. 2. Tyto buňky dávají centrálním hodinám podnět k seřízení, podílejí se na reflexu stahování zornic a možná i na formování zrakového vjemu. Vyskytují se po celé sítnici a v její dolní části jsou hojnější. Souhrnně je lze nazvat cirkadiánním čidlem. Pro jejich citlivost na modré světlo a rozložení na sítnici se označují jako detektor modrého nebe.

 

Nejnovější výzkumy [5] ukazují, že na synchronizaci centrálních hodin se podílí jak cirkadiánní čidlo, tak i čípky a navíc zde hraje roli i doba expozice. Při porovnání úzkopásmových záření o dominantních vlnových délkách 460 a 555 nm se ukázalo, že jejich účinek na pokles melatoninu je zpočátku přibližně stejný, avšak u zeleného světla během 90 minut téměř vymizí, kdežto u modrého světla je působení trvalé. C₁(λ) vystihuje spíše citlivost při dlouhodobém působení a C₂(λ) částečně zohledňuje i krátkodobé působení. Uvádějí se dva druhy účinku: pokles hladiny melatoninu a fázový posun centrálních hodin.

 

V literatuře [6] a [7] je pojednána konstrukce cirkadiánního dozimetru (Daysimeter, LuxBlick). Jde o malý přístroj, který lze nosit podobně jako brýle. Jako detektory jsou použity dvě fotodiody – citlivost první je korigovaná na V(λ) a druhé na C(λ). Naměřené hodnoty osvětlení se společně s časovými značkami ukládají do paměti v intervalu desítek sekund. Analýzou naměřených hodnot lze určit, zda uživatel dostává během dne potřebnou dávku světla účinného pro nervovou soustavu a zda není v noci světlem naopak rušen. Kritická místa je možné lokalizovat v čase a popř. navrhnout vhodnou nápravu. Identifikaci okolností mohou usnadnit údaje z přídavných senzorů, např. z akcelerometru nebo teploměru.

 

Odbourání melatoninu poránu a udržování jeho nízké hladiny během dne lze považovat za více než žádoucí, neboť spouští množství procesů vedoucích k větší bdělosti, aktivitě a soustředěnosti. Posílení spektra v oblasti cirkadiánní citlivosti lze dosáhnout použitím světelných zdrojů s vyšší teplotou chromatičnosti. Podle Kruithofova diagramu lze pak od uživatelů očekávat požadavky na vyšší osvětlenost, což je možné řešit např. přídavnými lokálními svítidly. Vyšší osvětlenost a vyšší teplota chromatičnosti mohou mít na pracovištích konkrétní ekonomický výstup v podobě kvalitnější práce [8], snížení stresu [4], lepšího využití pracovní doby nebo snížení nemocnosti.

 

Melatonin je hormon spánku a regenerace organismu. „Vychytává“ v těle volné radikály a ničí rakovinné buňky. Je tedy nanejvýš prospěšné nechat jej v noci nerušeně pracovat. Opatření proti rušivému světlu v noci se nabízí několik, od promyšlených svítidel venkovního osvětlení, přes rolety, závěsy a žaluzie až po červené noční osvětlení.

 

Bílé LED jsou většinou v principu modré LED s luminoforem, který modré světlo zčásti přeměňuje na žluté a zčásti propouští. Zde také spočívá určité riziko rušení noční tmy veřejným osvětlením na bázi LED. Modré světlo se totiž v atmosféře rozptyluje více než záření větších vlnových délek. Je tedy třeba věnovat pozornost i otázce rušení rozptýleným světlem. Podle publikace [9] jsou pro veřejné osvětlení z tohoto hlediska nejvhodnější LED s nízkou teplotou chromatičnosti (2 600 K), avšak i zde je podíl cirkadiánně účinného záření troj- až čtyř-násobně větší než u běžně používaných vysokotlakých sodíkových výbojek (viz tab. 1).

 

V článku [10] se zavádějí cirkadiánní veličiny analogicky k veličinám fotometrickým. Funkci V(λ) nahrazuje C(λ) a veličiny se opatřují indexem c. Lze tak pracovat např. s pojmem cirkadiánní osvětlenost.

 

Cirkadiánní osvětlenost lze měřit luxmetrem korigovaným na poměrnou cirkadiánní účinnost C(λ). Pro orientační měření lze ke korekci použít tmavě modrou fólii Lee č. 120. Jinou možností je výpočet ze změřeného spektra zářivého toku nebo zjištění přepočtového koeficientu pro daný zdroj. Podle [10] lze zavést činitel cirkadiánní účinnosti a_cv (něm. circadianer Wirkungsfaktor), který se pro světlo s poměrným spektrálním složením výkonu X(λ) vypočítá podle vztahu (1)

 

rovnice    (1)

 

a_cv je tedy pro daný světelný zdroj koeficientem pro přepočet fotopických hodnot na hodnoty cirkadiánní a lze jej použít k porovnání různých světel, resp. světelných zdrojů, z hlediska jejich účinků na nervovou soustavu.

 

Průběh křivky C(λ) a ani obsah plochy pod ní zatím nejsou přesně známy.

 

Proto je vhodné výpočet opatřit koeficientem, díky kterému budou hodnoty vypočtené se současným a v budoucnosti aktualizovaným průběhem C(λ) srovnatelné. Koeficient lze definovat různými způsoby, např. rovností ploch pod C(λ) a pod V(λ) nebo rovností světelného a cirkadiánního toku pro CIE normalizované světlo A (model žárovkového světla). Varianta, kterou navrhuji k diskusi, má pracovní název index cirkadiánního aktivačního účinku a pracovní označení A_c. Jeho hodnota se stanoví na 100 pro světlo CIE D65 a vypočítá se podle vztahu (2):

 

rovnice     (2)

 

A_c umožňuje srovnávat světelné zdroje z hlediska jejich cirkadiánního účinku. Pro referenční – denní světlo má hodnotu 100. Jeho hodnoty lze snadno vyčíslit pro běžné typy světelných zdrojů a teploty černého tělesa (tab. 1).

 

Kromě denních rytmů jsou známy např. fyziologické rytmy přílivu a odlivu a dále rytmy týdenní, měsíční a roční. Nedostatek světla v zimě přispívá nejen k zimní ospalosti a potřebě delšího spánku, ale i k sezonní emoční poruše (SAD), známé též jako zimní deprese. Zde se mj. používá léčba intenzivním světlem (fototerapie). Jako účinná expozice se ukázala osvětlenost 10 000 lx v úrovni očí po dobu 30 minut [11]. Pro osobní použití jsou určeny tzv. sluneční simulátory. Na rozdíl od průmyslových simulátorů slunečního světla jde o svítidla pro osvětlování očí a tváře. Známá jsou stolní či nástěnná svítidla se zářivkami (obvyklé světlení je 10 klx na povrchu difuzoru) nebo kapesní bateriová svítidla s bílými či modrými světelnými diodami. Méně známé jsou tzv. light visory, čepice se štítkem se zabudovanými LED pro osvětlování očí. Tyto pomůcky mohou uživateli usnadnit vykročení do nového dne, avšak pro trvalý efekt je nezbytné celodenní osvětlení vyhovující i z hlediska jeho cirkadiánního účinku.

[1] ILLNEROVA, H. – VANECEK, J.: Pineal rhythm in N-acetyltransferase activity in rats under different artificial photoperiods and in natural daylight in the course of the year. Neuroendocrinology, 1980, 31, s. 321–326.

[2] SUMOVA, A. – TRAVNICKOVA, Z. – PETERS, R. – SCHWARTZ, W. J. – ILLNEROVA, H.: The rat suprachiasmatic nucleus is a clock for all seasons. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 1995, 92, s. 7754–7758.

[3] BOMMEL VAN, W. J. M. – BELD VAN DEN, G. J. – OOYEN VAN, M. H. F.: Industrial lighting and productivity. Philips Lighting : The Netherlands [online]. August 2002, [cit. 2010-10-02]. Dostupný z WWW: <www.lighting.philips.com/in_en/applications/industry/pdf/industrial_lighting_and_productivity/pli-0005_whitep-uk_20sep.pdf>.

[4] HOLLWICH, F.: The Influence of Ocular Light Perception on Metabolism in Man and in Animal. Springer-Verlag, New York, 1979, 129 s., ISBN 0387903151.

[5] GOOLEY, J. J. et al.: Spectral Responses of the Human Circadian System Depend on the Irradiance and Duration of Exposure to Light. Science, Translational Medicine [online]. 2010-05-12, 2010, issue 31 [cit. 2010-10-02], ISSN 1946-6242, DOI, 10.1126/scitranslmed. 3000741.

[6] FIGUEIRO, M.: Research matters: Measure up for healthy lighting. LD+A., 2005, roč. 35, sv. 1, s. 14–16, ISSN 0360-6325.

[7] HUBALEK, S.: LuxBlick: Messung der täglichen Lichtexposition zur Beurteilung der nicht-visuellen Lichtwirkungen über das Auge. Shaker Verlag, Zürich, 2007, 221 s. Disertační práce, ETH Zürich. Dostupné z WWW: <http://e-collection.ethbib.ethz.ch/view/eth:29804>. DOI:10.3929/ethz-a-005429531.

[8] BOMMEL VAN, W. J. M. –BELD VAN DEN, G. J.: Lighting for work: a review of visual and biological effects. Lighting Research and Technology, December 2004, 36, 4, s. 255–266, ISSN 1477-1535,DOI:10.1191/1365782804li122oa.

[9] INTERNATIONAL DARK-SKY ASSOCIATION: Achievements in High Brightness White LEDs. Specifier Bulleting for Dark Sky Applications [online], 2010, Volume 3, Issue 1 [cit. 2010-10-02]. Dostupný z WWW: <http://docs.darksky.org/SB/LED-SB-v3i1.pdf>.

[10] GALL, D. – LAPUENTE, V.: Beleuchtungsrelevante Aspekte bei der Auswahl eines förderlichen Lampenspektrums, Teil 1, Teil 2 [cit. 2010-10-02]. Dostupný z WWW: <http://www.tu-ilmenau.de/fileadmin/public/lichttechnik/Publikationen/2003/teil1.pdf; teil2.pdf>.

[11] PRAŠKO, J –BRUNOVSKÝ, M. – ZÁVĚŠICKÁ, L.: Fototerapie a její indikace. Psychiatrické centrum, 3. LF UK, Praha [online], 2006 [cit. 2010-10-02]. Dostupný z WWW: <http://www.tigis.cz/PSYCHIAT/psychsupp3_05/14_Prasko.htm>.

Recenze: MUDr. Milena Jirásková, Kožní klinika 1. LF UK a VFN Praha

 

 

^*) Ing. Antonín Fuksa je absolventem (roku 2000) oboru měřicí a přístrojová technika na Fakultě elektrotechnické ČVUT. Věnuje se návrhu měřicích zařízení, programování obchodního softwaru a některým aspektům světelné techniky, zvláště fyziologickým a psychologickým účinkům světla. Pracuje externě jako poradce mj. pro firmu NASLI spol. s r. o.