Ein Astronaut betrachtet den Sonnenaufgang über der Erde von der Internationalen Raumstation aus.Credit: NASA
Wie viele andere institutionelle Strukturen, die Ende des zwanzigsten Jahrhunderts errichtet wurden, wurde auch die Internationale Raumstation (ISS) mit Leuchtstoffröhren konzipiert. Derzeit befindet sich das Raumschiff mehr als zur Hälfte in einer Beleuchtungsüberholung, bei der die ursprünglichen Glühbirnen Stück für Stück durch Leuchtdioden (LEDs) ersetzt werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen oder Leuchtstoffröhren verbrauchen LEDs weniger Energie, halten länger und enthalten kein Glas oder Quecksilber, so dass die Gefahr von Glassplittern oder giftigen Metallen, die durch die Raumstation schweben, wenn die Glühbirnen in der Schwerelosigkeit zerbrechen, nicht besteht. Die Forscher hoffen aber auch, dass das neue Beleuchtungssystem den Astronauten hilft, nachts besser zu schlafen und tagsüber wach zu bleiben.
Das Problem, das die Ingenieure zu lösen versuchen, ist, dass es im Weltraum keinen „Tag“ oder „Nacht“ gibt. Die ISS umkreist die Erde etwa alle 90 Minuten, was den Astronauten zwar häufige Gelegenheiten bietet, die Sonne auf- und untergehen zu sehen, aber auch die rund 24-stündige, sogenannte zirkadiane Uhr des Körpers durcheinanderbringt. Unter den vielen schädlichen Auswirkungen der Raumfahrt auf die Gesundheit haben sich die Störung des zirkadianen Rhythmus und der damit einhergehende Schlafentzug als erhebliche Bedenken herauskristallisiert – vor allem, wenn man über Reisen zu weiter entfernten Orten im Sonnensystem nachdenkt, sagt George Brainard, Direktor des Light Research Program an der Thomas Jefferson University in Philadelphia, Pennsylvania.
Das LED-basierte Beleuchtungssystem, das auf der ISS eingeführt wird, ist so konzipiert, dass es nicht nur auf Stäbchen und Zapfen abzielt – Fotorezeptorzellen im Auge, die das Sehen bei schwachem Licht bzw. in Farbe ermöglichen – sondern auch auf einen dritten Typ von Fotorezeptorzellen, der vor fast 20 Jahren entdeckt wurde. Diese als intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGCs) bekannten Photorezeptoren enthalten ein lichtempfindliches Protein namens Melanopsin. Sie spielen keine große Rolle beim Sehen; stattdessen dienen ipRGCs dem Körper als Haupteintrittspunkt für Licht, das biologische Funktionen wie den Schlaf-Wach-Rhythmus, Wachheit und Stimmung reguliert. Forscher beginnen zu verstehen, inwieweit zu viel oder zu wenig Licht zur falschen Tageszeit wichtige physiologische Prozesse aus dem Takt bringen kann, egal ob man Astronaut auf einem Raumschiff ist, Krankenschwester in der Nachtschicht oder einfach nur Computerspiele nach der Schlafenszeit spielt.
Künstliche Beleuchtung hat die Zeitspanne, in der Menschen täglich Licht ausgesetzt sind, verlängert – zum Guten wie zum Schlechten. Dynamische Beleuchtungssysteme auf LED-Basis, die in der Lage sind, die Farbe und Intensität des von ihnen abgegebenen Lichts anzupassen, sollten es ermöglichen, beleuchtete Umgebungen zu gestalten, die weniger gesundheitsschädlich sind. „Es gibt keine Grenzen für die Technologie in Bezug auf das, was mit LED-Lampen gemacht werden kann“, sagt Robert Lucas, ein Neurowissenschaftler an der Universität von Manchester, Großbritannien, der die Reaktion des visuellen Systems auf Licht untersucht. „Das bringt uns als Biologen in die Pflicht, den Beleuchtungsingenieuren genau zu sagen, was sie tun sollten.“
Die Nacht erwecken
Jahrtausendelang wurde der Tag der Menschen durch den Auf- und Untergang der Sonne bestimmt, mit Hilfe des Feuers, um die Wachzeiten in die Abendstunden zu verlängern. Dann kam der US-Erfinder Thomas Edison. Die von ihm 1880 patentierte Kohlefaden-Glühbirne ermöglichte es den Menschen, ihre Tagesaktivitäten rund um die Uhr aufrechtzuerhalten, und zementierte die Glühbirne als Eckpfeiler des modernen Lebens.
Doch Edison konnte nicht ahnen, welche Verwüstungen die Glühbirne in den Tagesrhythmen der Menschen anrichten würde. „Die Kombination aus der 24-Stunden-Ökonomie und der Verfügbarkeit von elektrischem Licht hat dazu geführt, dass wir die tageszeitliche Natur unserer Spezies missachten“, sagt Luc Schlangen, Lichtwissenschaftler bei Signify, einem LED-Beleuchtungsunternehmen in Eindhoven, Niederlande.
In den 1990er Jahren hatten viele Forscher begonnen zu vermuten, dass es beim Sehen mehr gibt als Stäbchen und Zapfen. Ein wichtiger Hinweis kam von Mäusen, die genetisch so verändert wurden, dass ihnen Stäbchen und Zapfen fehlen und die deshalb blind sind. Genau wie bei ihren sehenden Gegenstücken kann Licht die zirkadiane Uhr dieser Tiere zurücksetzen und die Expression von Melatonin1 unterdrücken, einem Hormon, das vom Gehirn nachts produziert wird und den Schlaf-Wach-Rhythmus reguliert. In ähnlicher Weise haben auch einige blinde Menschen normale Schlaf-Wach-Zyklen2. „Wir wussten, dass es existiert, bevor wir wussten, wo oder was es ist“, sagt Steven Lockley, Chronobiologe an der Harvard Medical School in Boston, Massachusetts.
Im Jahr 2001 berichteten Brainards Team und Forscher eines anderen Labors an der University of Surrey, Großbritannien, unabhängig voneinander, dass die Unterdrückung von Melatonin bei Menschen am stärksten ist, die Licht mit einer Wellenlänge von 446-477 Nanometern ausgesetzt sind, was Blau im Spektrum des sichtbaren Lichts entspricht. Dies legt nahe, dass ein auf dieses Licht abgestimmter Rezeptor die zirkadiane Uhr reguliert3,4. Ein solcher Rezeptor, das Protein Melanopsin, wurde mit dem zirkadianen Rhythmus in Verbindung gebracht, und im Jahr 2002 zeigten Forscher der Brown University in Providence, Rhode Island, dass retinale Ganglienzellen, die diesen Rezeptor enthalten – ipRGCs -, lichtempfindlich sind5. Das biologische Ziel, das die Rückstellung der inneren Uhr des Körpers ermöglicht, war identifiziert.
Epidemiologische Studien der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass künstliches Licht die zirkadiane Uhr stört, und eine solche Störung wurde mit Depressionen, Stoffwechselstörungen, Immun- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs in Verbindung gebracht6. Glühbirnen und Leuchtstoffröhren in Wohnungen und Büros bilden das Spektrum der Sonnenstrahlen nur schlecht nach. Eine gut abgestimmte LED könnte die ipRGCs von Menschen, die sich tagsüber in geschlossenen Räumen aufhalten, besser stimulieren und so dazu beitragen, dass ihre innere Uhr in Gang gehalten wird. Das Ersetzen konventioneller Beleuchtung durch LEDs bringt jedoch seine eigenen Probleme mit sich: Im Gegensatz zu Glühbirnen und Leuchtstoffröhren sind LED-Lampen oft mit blauen Wellenlängen angereichert, die den Schlaf stören, wenn sie nachts verwendet werden. Das Licht, das LEDs erzeugen, ist außerdem intensiver, was bedeutet, dass sie eine doppelte Wirkung haben. „Die Intensität ist genauso wichtig wie die Wellenlänge“, erklärt Lucas. „Ein helles, gelbes Licht kann genauso viel Melanopsin-Aktivierung bewirken wie ein schwaches, blaues Licht.“
Schlauere Beleuchtung
Vieles von der Biologie, die den ipRGCs zugrunde liegt, wird noch erforscht – zum Beispiel dachte man, dass diese Photorezeptoren keine Rolle beim Sehen spielen, aber man weiß jetzt, dass sie mit Stäbchen und Zapfen interagieren. Aber die Empfehlungen der Forscher für eine gesunde Lichtumgebung sind dennoch einfach: Menschen sollten tagsüber helles und blaues Licht suchen und nachts die Exposition gegenüber beidem minimieren. „Ich denke, wir wissen jetzt genug, um die Beleuchtungspraxis zum Wohle aller in der Gesellschaft zu ändern“, sagt Mark Rea, ein Kognitionswissenschaftler am Lighting Research Center am Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York.
Das Labor des Chronobiologen Steven Lockley an der Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, erforscht, wie das Auge Licht erkennt, um die zirkadiane Uhr des Körpers zurückzustellen.Credit: Magnus Wennman
Eine Handvoll lichtbasierter Gesundheitsinterventionen sind bereits aufgetaucht. Lichtkästen, die ein intensives blaues Licht aussenden, helfen nachweislich Menschen mit einer Form von Depression, die als saisonale affektive Störung bezeichnet wird; viele mobile Geräte enthalten jetzt Funktionen, um die Emission von blauem Licht am Abend zu reduzieren; und es gibt Brillen, die solche Wellenlängen herausfiltern. In Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie erforschen die Forscher auch Möglichkeiten, die Raumbeleuchtung in Büros, Krankenhäusern und Wohnräumen weniger gesundheitsschädlich zu gestalten.
Rea und seine Kollegin Mariana Figueiro, die das Lighting Research Center in Rensselaer leitet, untersuchen die Auswirkungen von Beleuchtungsmaßnahmen auf ältere Menschen mit Alzheimer und verwandten Formen der Demenz7. Da mit zunehmendem Alter weniger Licht die Netzhaut erreicht, wird eine höhere Lichtintensität für die Aktivierung der Photorezeptoren benötigt, sagt Figueiro. Einfach die Menge an blauem Licht während des Tages zu erhöhen, hilft, den Schlaf-Wach-Rhythmus zu regulieren, der bei Menschen mit Demenz oft gestört ist. Aber dies zu erreichen, ist vielleicht nicht immer praktisch. „Niemand will wirklich unter blauem Licht essen – alle sehen blass und schrecklich aus“, sagt Figueiro. „Wenn man ins Feld geht, muss man das berücksichtigen.“ In der Zwischenzeit testen Lucas und sein Team mit Projektoren eine neue Art von Computer- oder Fernsehbildschirmen, bei denen die Ausgabe so modifiziert werden kann, dass sie die ipRGCs8 weniger stark anregt. Herkömmliche Displays erzeugen Bilder durch die Kombination von drei Lichtfarben – rot, grün und blau. Anstatt die blauen Wellenlängen aus den Bildern zu entfernen, nutzten die Forscher optische Filter, um die Ausgabe von zwei Projektoren zu optimieren und ersetzten Blau durch Violett und Cyan. Eine fünfte Farbe, Gelb, wurde ebenfalls verwendet, um den Forschern eine größere Kontrolle zu ermöglichen. Die kombinierten Projektionen waren in der Lage, Bilder zu erzeugen, die weniger effektiv bei der Stimulation des Melanopsins in den ipRGCs waren, aber eine vergleichbare Farbe und Helligkeit aufwiesen. Die Probanden waren nicht in der Lage zu erkennen, ob die Bilder, die sie sahen, von den modifizierten Displays erzeugt wurden. Sie berichteten jedoch, dass sie sich schläfriger fühlten und mehr Melatonin in ihrem Speichel produzierten, wenn sie abends Filme mit der weniger anregenden Einstellung ansahen.
Die beiden Displaytypen beruhen auf Metamerie, einem Phänomen, bei dem sich Kombinationen von Licht, die gleich aussehen, tatsächlich in ihrer spektralen Zusammensetzung unterscheiden, sagt Lucas. Jede Kombination, oder Metamer, wirkt auf die Zapfen ähnlich, aber auf die ipRGCs unterschiedlich. Lucas‘ Mitarbeiter Christian Cajochen, ein Chronobiologe an der Universität Basel in der Schweiz, plant, die Auswirkungen solcher Metamere auf die kognitive Leistung, die Stimmung und den Schlaf in einer Studie mit bis zu 200 Büroangestellten zu testen.
Im Prinzip könnten Metamere in die Raumbeleuchtung eingebaut werden, so dass Menschen den Zeitpunkt und die Stärke der ipRGC-Stimulation in Innenräumen regulieren können. Aber die Beleuchtung eines Raumes kann knifflig sein, erklärt Manuel Spitschan, Neurowissenschaftler an der Universität Oxford, Großbritannien, der mit Metameren untersucht, wie Licht die Sehfunktion, das Verhalten und die Gehirnaktivität beeinflusst, weil Oberflächen das Licht auf vielfältige Weise reflektieren können. Deshalb nutzt Spitschan Computermodelle, um vorherzusagen, wie Objekte in einem Raum aussehen würden, wenn sie von Metameren beleuchtet würden.
Angesichts der Auswirkungen von künstlichem Licht auf den Körper drängen viele Forscher auf Richtlinien für das Lichtdesign, die die Wirkung auf die ipRGCs berücksichtigen. Im vergangenen Jahr hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Schlangen mit der International Commission on Illumination, einer gemeinnützigen Organisation in Wien, zusammengearbeitet, um einen Messstandard zu erstellen. Er soll dabei helfen, die Erkenntnisse der Fachleute in quantitative Richtlinien für die Lichtplanung umzusetzen.
Die Installation des dynamischen Beleuchtungssystems auf der ISS soll noch in diesem Jahr abgeschlossen werden. Es wurde so konzipiert, dass es drei Einstellungen bietet: eine, die ein helles, weißes Licht für den Einsatz während der Arbeitszeit erzeugt; eine andere, die ein gedämpftes, an blauen Wellenlängen verarmtes Licht erzeugt, um die Astronauten auf den Schlaf am „Abend“ vorzubereiten; und ein Licht mit höherer Intensität, das mit blauen Wellenlängen angereichert ist, das verwendet wird, um bei Bedarf die Wachsamkeit zu steigern und die zirkadiane Uhr nach der Arbeit in der Nacht neu einzustellen oder um gestörte Schlaf-Wach-Zyklen zu beheben. Brainard und Lockley, die das Projekt leiten, haben bereits auf der Erde die Auswirkungen des Systems auf den Schlaf der Astronauten, den Melatoninspiegel, die Arbeitsleistung und das Sehvermögen untersucht. Jetzt werden die Astronauten die gleichen Tests im Weltraum durchführen, um festzustellen, ob eine solche Beleuchtung die Auswirkungen von 16 Sonnenaufgängen pro Tag aufheben kann.
Der Nachweis, dass es möglich ist, die extreme zirkadiane Störung, die mit dem Leben im Weltraum verbunden ist, zu modulieren, wird dazu beitragen, die Grundlage für eine intelligente Beleuchtung in der Zukunft zu schaffen, sagen die beiden. „Wir haben das Glück, dass sich die Neurowissenschaft und die Technologie der LEDs gleichzeitig entwickelt haben“, sagt Lockley. „Es wird nur noch interessanter werden.