Vliv světla a osvětlení na člověka

Při navrhování a realizaci všech druhů osvětlení - tj. osvětlení umělého, denního nebo sdruženého - ve vnitřních prostorech budov se zpravidla za hlavní považuje vytvoření příznivých podmínek pro dobré vidění předpokládaných zrakových úkolů pro uživatele těchto prostorů z hlediska jejich rozmístění, obtížnosti úkolů a jejich časového rozložení. Přitom se přihlíží zejména k platným normativním dokumentům a jejich požadavkům, vyplývajícím z parametrů zrakových úkolů včetně snahy po docílení zrakové a celkové pohody z hlediska příjemného prostředí při vnímání zrakem.

Je však nezbytné připomenout, že všechny druhy světla a osvětlení působí na člověka a na živé organismy vůbec i jinými vlivy. Ty jsou velmi důležité pro tělesnou i psychickou pohodu člověka, pro optimální funkci celého jeho organismu i jednotlivých orgánů a mohou velmi významně ovlivňovat jeho zdravotní stav. Nesoulad mezi osvětlením a funkcemi lidského organismu může vyvolávat závažné zdravotní obtíže.

V dalším textu tohoto článku jsou shrnuty nejdůležitější skutečnosti o tomto působení i nejnovější poznatky z poslední doby. Je připojena i stručná zmínka o možnostech léčebných metod s použitím světla, které se sice již vymykají z oblasti osvětlování, ale velmi dobře dokreslují mnohostranné vlivy světla na člověka.

Vliv na biologické rytmy

Vývoj člověka probíhal od dávných dob v podmínkách neustálého pravidelného střídání světla ve dne a tmy v noci v závislosti na rotaci Země. Již před lety bylo zjištěno, že celá řada biologických funkcí v lidském organismu se výrazně mění v rytmu odpovídajícímu tomuto střídání, který byl označen jako cirkadiánní rytmus podle toho, že trvá přibližně jeden den (latinsky circa diem).

V tomto biologickém rytmu mozek programuje funkce celého organismu i jednotlivých orgánů tak, aby co nejlépe vyhovovaly požadavkům kladeným na člověka z hlediska vykonávaných činností v různých denních i nočních dobách. Někdy se tato funkce mozku označuje jako cirkadiánní hodiny. Nejdůležitější přitom ovšem vždy byla a dodnes je co nejlepší připravenost organismu k aktivitám nebo k odpočinku, ať již v dávné minulosti šlo o získání potravy lovem či únik před hrozícím nebezpečím, nebo dnes o co nejlepší výkony v různých pracovních aktivitách a na druhé straně o co nejlepší regeneraci organismu a odstranění únavy při odpočinku.

Každému asi nejznámější a nejbližší je pravidelné kolísání připravenosti organismu buď k odpočinku a ke spánku (ospalost večer), nebo k aktivitám a práci po ranním probuzení a zahájení denních činností. To je řízeno hlavně změnami ve vylučování hormonu melatoninu, který se často označuje jako spánkový hormon a jehož kolísání v závislosti na střídání světla a tmy je velmi dobře prozkoumáno. Obdobně ovšem kolísají i další tělesné funkce, jako například tělesná teplota, krevní tlak, tepová frekvence a četné jiné.

Mozek dostává informace o změnách světla a tmy ze zvláštních gangliových buněk v sítnici oka (tedy nikoliv z tyčinek nebo čípků, určených k vidění), které obsahují melanopsin sloužící k detekci světla. Tyto buňky zaznamenávají celkovou úroveň a trvání osvětlení, ale nereagují na jeho náhlé změny. Informace o stavu osvětlení předávají řídicímu orgánu v mozku zvanému suprachiasmatické jádro (SCN). To potom dává signály těm částem mozku a orgánům, které kontrolují cirkadiánní procesy.

Například pro řízení produkce melatoninu dává SCN signál paraventrikulárnímu jádru a přes ně se dostane až k epifýze, která tento hormon vyrábí. Na základě informace o setmění dostane epifýza signál, aby začala produkovat melatonin a připravila tak celý organismus ke spánku. Ráno opět po informaci o stoupající úrovni denního světla přijde opačný signál k zastavení produkce tohoto hormonu.

Obdobně se řídí i produkce jiných hormonů, mezi jinými i dnes dobře známého adrenalinu. Hormon kortizol, který se označuje zpravidla jako stresový hormon, má ráno sekreci asi 10x až 20x vyšší než v noci, protože připravuje organismus na nutnost reagovat na nejrůznější zátěže a nečekané situace během dne.

Typický cirkadiánní rytmus fyziologických procesů u člověka, který vstává brzo ráno, obědvá okolo poledne a v noci spí (rytmus může být ovšem v konkrétních případech ovlivněn různými okolnostmi, jako je teplota prostředí, doba jídla, stres, cvičení aj.), probíhá zpravidla takto:

Poruchy biologických rytmů

Nesoulad mezi průběhem střídání světla a tmy a denním režimem může vyvolávat lehčí nebo i velmi závažné poruchy. Je dobře známo, že takové poruchy a nutnost vyrovnávat narušení cirkadiánního rytmu vyvolává náhlé přemístění člověka do jiného časového pásma, například při cestách na jiné kontinenty. Proto třeba sportovci při účasti na světových soutěžích cestují ze vzdálených zemí buď bezprostředně před závodem, nebo lépe s takovým časovým předstihem, aby se jejich cirkadiánní rytmus mohl plně vyrovnat s místními podmínkami.

Velmi nepříznivě se mohou na člověku projevit rozdíly v synchronizaci biologických rytmů zejména v případech, kdy vznikají časové posuny jednotlivých činností proti dennímu rytmu, jako tomu je u pracovníků s posunem směn, při práci v noci (například i studium), kdy se sice aktivity posunují do noční doby, ale není možné přitom ovlivňovat produkci hormonů (např. melatoninu nebo kortizolu), tělesnou teplotu atd. U takových osob se časem zvyšuje výskyt srdečních chorob, potíží se zažívacím traktem, poruch spánku i jiných obtíží.

Narušení cirkadiánních rytmů se objevuje zákonitě ve velké míře v takových případech, kdy nejsou úroveň a trvání denního osvětlení dostatečné k jejich synchronizaci, zejména v zimním období s krátkým dnem a v krajinách s vyšší zeměpisnou šířkou. K tomu ještě mohou přispívat místní podmínky, například vysoká a hustá zástavba omezující přístup denního světla, celodenní pobyt v místnostech s nedostatečným denním osvětlením nebo s pouze umělým osvětlením a podobně.

U významné části populace při takovém deficitu denního světla vznikají charakteristické příznaky a obtíže, jako zvýšená únava, ospalost, snížená aktivita a výkonnost, apatie, růst tělesné hmotnosti, bolesti hlavy atd.

Tyto příznaky se označují jako syndrom SAD (seasonal affective disorder), který je možné popsat jako sezónní rozladění organismu. Například v USA celkem postihuje podle odborných podkladů tento syndrom v období od října do března v průměru přibližně 5 % obyvatelstva, ale v New Yorku vzhledem k nepříznivým místním podmínkám (velmi vysoká zástavba) a větší zeměpisné šířce je tento podíl asi 10 %.

Obtíže vznikající při tomto syndromu je možné odstranit nebo alespoň podstatně zmírnit pravidelným působením umělého osvětlení s vysokou úrovní a po přiměřeně dlouhou dobu (jde o osvětlenosti v tisících luxů a potřebná doba pobytu v tomto osvětlení je závislá na jeho úrovni).

Měření času živými organismy

V devadesátých letech byla věnována velká pozornost výzkumu ještě dalších způsobů měření času živými organismy, který přinesl překvapující výsledky. Bylo zjištěno, že vlastně každá buňka určitým způsobem měří čas a funguje v časovém rytmu. Například lidská buňka v laboratorních podmínkách na misce pod konstantním osvětlením stále pokračuje ve 24hodinových cyklech genové aktivity, ve vylučování hormonů a v produkci energie a odchyluje se od této doby pouze o několik minut.

Nově byla zjištěna i skutečnost, že v jednotlivých orgánech a tkáních nejen u lidí, ale také u mnoha dalších živočichů jsou buňky fungující v cirkadiánních rytmech nezávisle na řízení mozkem tak, že jejich cykly jsou vzájemně posunuty a vrcholí rozdílně během celého dne i noci. Přitom si však mozek zachovává kontrolní funkci v tom smyslu, aby i při posunutí cyklů byl dodržován 24hodinový rytmus.

Závažným objevem bylo, že lidský mozek je schopen měřit i krátké a velmi krátké časové intervaly pomocí soustavy nervových buněk v mozkové kůře, které fungují jako oscilátory a vysílají nezávisle na sobě a bez jakékoliv koordinace každá jinou frekvenci v rozsahu 10 až 40 cyklů za vteřinu. Rozhodující pro schopnost měření je skutečnost, že při závažném vnějším podnětu začnou tyto buňky vysílat svoje odlišné frekvence od jednoho společného momentu bezprostředně po onom podnětu, mají tedy společný start. Vzájemné poměry oscilací jednotlivých buněk se po každém odstartování shodně opakují a podle toho je potom soustava neuronů schopna stanovit se značnou přesností dobu, která od onoho startu vnějším podnětem proběhla.

Tato schopnost byla označena jako intervalový měřič času (interval timer) a přirovnává se ke stopkám používaným třeba ve sportu. Uplatňuje se v nejrůznějších situacích s časovým rozsahem od zlomků vteřiny až po několik hodin. Příkladem může být běžná situace na křižovatce při čekání na zelenou, kde máme odhadnout, za jak dlouho se rozsvítí, abychom včas a bez zdržování ostatních vyjeli. Také při různých sportech je důležitý odhad, kdy a jak reagovat na akci soupeře nebo na změněnou situaci během závodu. Velmi závažným požadavkem je přesný odhad časového intervalu nepochybně u hudebníků, zejména při součinnosti více osob nebo celých souborů. Schopnost přesného odhadu se dá cvičením zlepšovat.

Na rozdíl od oscilátorů, měřících krátké časové úseky, které mohou být nastaveny okamžitě, trvá změna nastavení cirkadiánních rytmů dny a někdy i týdny (změna trvání dne nebo posun časových pásem).

V poslední době byla věnována pozornost i tzv. mitotickým hodinám (mitosa - dělení buněk). Buňka v lidském těle se může dělit nejvýše 60x až 100x. Pak se však její růst náhle zastaví; buňka sice dýchá, metabolizuje, pohybuje se, ale už se nikdy znovu nedělí. Kultivované buňky dosáhnou tohoto stavu po několika měsících, ale buňky v živém organismu žijí podstatně déle.

Léčení pomocí světla

Mezi závažné účinky osvětlení na člověka náleží i možnosti léčení některých chorob nebo zdravotních stavů pomocí světla. Již dlouho je používána léčba světlem například u novorozenců při hyperbilirubinémii (novorozenecká žloutenka) ozařováním speciálními světelnými zdroji nebo i denním světlem.

V současné době se vyvíjejí léčebné metody založené na fotodynamické terapii, které vycházejí z toho, že některé látky a sloučeniny mohou být působením světla aktivovány tak, že působí jako toxiny a mohou rozrušovat tkáně, ve kterých jsou obsaženy. Takové látky se cíleně podávají takovým způsobem, aby se hromadily v nežádoucích tkáních a po aktivaci světlem pomáhaly k jejich odstranění nebo zastavení nežádoucího růstu. Bylo již dosaženo nadějných výsledků v řadě oblastí, zejména při léčení zhoubných nádorů, u kožních chorob, u leukémie, při odstraňování autoimunitních obtíží při transplantacích, ale také v očním lékařství. V neposlední řadě se používá této metody i při odstraňování aterosklerotických plátů v artériích pro zlepšení průchodnosti a zásobování krví důležitých orgánů a tím předcházení infarktů a dalších obtíží.

Je možné zmínit se ještě o nejnovějším využití světla při diagnostice zhoubného bujení, založeném na speciálním druhu spektroskopie (Raman) pomocí laseru. Při ní se může ozařovat nejen odebraný vzorek lidské tkáně, ale i živá tkáň při vyšetření pacienta. Aby se zamezilo možné rušivé fluorescenci tkáně, používá se při této spektroskopii vlnové délky 1064 nm. Tímto způsobem je možné velmi rychle rozlišit normální zdravou tkáň a tkáň napadenou zhoubným bujením i stanovit hranici mezi nimi, což může mít velký význam pro včasné léčení, případně záchranu života.

Závěr

Z uvedených údajů je zřejmé, že při návrhu všech druhů osvětlení - umělého, denního i sdruženého - je nezbytné vždy posuzovat nejen vlastní podmínky vidění pro dané zrakové úkoly podle příslušné normy, ale hodnotit komplexně celkový vliv všech druhů osvětlení na člověka v jejich vzájemné návaznosti a překrývání během celého dne i roku. Jen tak je možné vytvořit pro uživatele vnitřních prostorů budov nejen dobré podmínky osvětlení nezbytné pro vidění, ale také optimální životní prostředí během celého života od nejranějšího věku, důležitého pro zdravý vývoj, až po pokročilý věk se stoupajícími nároky na úroveň a kvalitu osvětlení při snižujících se schopnostech zrakového orgánu.

To ovšem předpokládá důslednou koordinaci a součinnost všech druhů osvětlení již od počátku projektového řešení budovy až po realizaci i správné užívání při provozu budovy v souladu s charakterem a časovým i místním rozložením všech činností uživatelů jednotlivých vnitřních prostorů.

Literatura:
/1/ Karen Wright: Times of our lives ; Scientific American 9/2002, s. 40 - 47
/2/ Smolensky M., Lamberg L.: The body clock guide to better health. Henry Holt and Co, 2000
/3/ Palmer J. D.: The living clock. Oxford university Press, 2000
/4/ Rao S. M., Mayer A. R., Harrington D. L.: The evolution of brain activation during temporal processing. Nature Neuroscience, vol. 4, č. 3, s. 317 - 323, březen 2001
/5/ Lane N.: New light on medicine. Scientific American 1/2003, s. 26 - 33