【中國半導體照明網(wǎng)專稿】大自然對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便是日夜交替對于我們作息規(guī)律的影響。遠古的人類在日落之后點起篝火、千百年前的古人點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代。
本世紀初人類進入了半導體照明的時代，這是人類照明史上的一次革命，因為半導體照明使得人類能夠對照明條件具有很大的控制程度，這種控制程度是過去的白熾燈、日光燈技術所無法給予的。伴隨半導體照明技術一同發(fā)展起來的照明控制技術允許人們自主地調亮或調暗照明環(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。人本照明是一個很大的課題，牽涉到生物學、人體工學、半導體科學、照明科學、控制理論、照明設計、用戶心理學等等。本文先對其最基本的生物學原理做一個介紹。
在經(jīng)歷了漫長的進化之后，我們的身體已經(jīng)適應了日出而作、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自身狀況的感應。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。
在本世紀初，神經(jīng)學家在人類和動物的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了一種獨特的神經(jīng)細胞：內稟感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)，縮寫為ipRGC，它并不參與視覺成像和色覺辨識。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誘發(fā)ipRGC產(chǎn)生神經(jīng)信號，經(jīng)由神經(jīng)通路傳導至下丘腦處的“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)膜細胞。我們所有其它的視覺細胞在不同的色光條件下對SCN也會產(chǎn)生不同的影響。這些細胞包括視桿細胞(Rods)、短波視錐細胞(S-Cones)、中波視錐細胞(M-Cones)、長波視錐細胞(L-Cones)。SCN扮演的角色就是大腦的時鐘，也就是整個生物體的時鐘。
圖1：人眼視網(wǎng)膜中的感光細胞以及ipRGC的位置。來源：美國倫斯勒理工學院的照明研究中心（Lighting Research Center）
這個時鐘對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量的。SCN所提供的晝夜節(jié)律信號影響松果體中褪黑素的分泌量。從生物化學角度講，褪黑素是由血清素 (serotonin)在酶的催化反應下形成的。血清素是一種讓人清醒、警覺的激素，體內血清素含量高時人會覺得自身狀態(tài)良好、認知力強、記憶力好、學習能力強、幸福感強。所以在白天的時候，SCN會抑制褪黑素的分泌，使得血清素含量上升，從而維持人們在白天的活動。到了夜晚，SCN對褪黑素分泌的抑制作用減弱，褪黑素分泌量增加，由此導致血清素減少，從而引導人們進入睡眠狀態(tài)。褪黑素也是一種很強的天然抗氧化劑，它在我們睡著的時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。
不僅是褪黑素，我們身體中的很多激素分泌也受到SCN的調配。比如腎上腺(adrenal gland)所分泌的皮質醇(cortisol)就在很大程度上也受到SCN的控制。明亮的光照會刺激皮質醇的分泌，而暗光條件下其分泌就受到抑制。皮質醇能夠喚醒我們的身體機能，提高我們的核心體溫、心率和血壓，也能促進我們的正常消化機能。如果SCN沒有向腎上腺發(fā)出分泌皮質醇的信號，我們可能會感到疲倦和無精打采，而且會造成我們的消化系統(tǒng)對食物（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)有關的疾病。
根據(jù)對多種哺乳動物進行的實驗，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)間是普遍認為的最有效調控晝夜節(jié)律的范圍，所有基于人本照明而進行的照明產(chǎn)品設計都應該重點考慮這個波長區(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，從而在白天的室內正常分泌皮質醇和抑制褪黑素。即便是所謂的“自然光”熒光燈管也無法在這個光譜區(qū)間提供足夠的強度。不過幸運的是，如今的半導體照明光源 (LED)卻能夠在這個光譜區(qū)間提供足夠的強度，而且LED光源本身的驅動方式也使得調節(jié)光譜和色溫成為可能?，F(xiàn)今的照明市場上已經(jīng)有很多可調色溫的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就是人們對人本照明的需求在市場上的體現(xiàn)。
此外，光照的時機對人類晝夜節(jié)律也具有顯著的影響。實驗結果顯示，對于一個有正常作息時間的人來說，在黎明和上午提供光照，會使其晝夜節(jié)律提前；而在傍晚和夜間提供光照，會使其晝夜節(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，而這種紊亂會導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。
除了光譜和光照時機，光照強度和持續(xù)時間也會對晝夜節(jié)律產(chǎn)生很重要的影響。關于光照因素對人本照明效果的影響作用將在后續(xù)的文章中做詳細的介紹。
專欄作者簡介：譚建川，建筑科學博士、照明學碩士。照明認證師 (LC)，WELL建筑標準認證師 (WELL AP)，照明工程師協(xié)會 (IES) 會員、專題委員會成員，領先能源與環(huán)境設計助理 (LEED GA)。畢業(yè)于美國紐約州的倫斯勒理工學院 (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)境下實現(xiàn)人本照明 (HCL)，在居住空間中實現(xiàn)WELL建筑理念，以及為照明企業(yè)提供業(yè)務培訓、技術支持和產(chǎn)品策劃。
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