An astronauta ogląda wschód Słońca na Ziemi z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.Credit: NASA
Jak wiele innych struktur instytucjonalnych montowanych pod koniec XX wieku, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) została zaprojektowana z myślą o włączeniu do niej żarówek fluorescencyjnych. Obecnie statek kosmiczny jest w ponad połowie drogi przez remont oświetlenia, a jego oryginalne żarówki są wymieniane, kawałek po kawałku, na diody elektroluminescencyjne (LED).
W porównaniu z konwencjonalnymi żarówkami żarowymi lub fluorescencyjnymi, LED zużywają mniej energii, trwają dłużej i nie zawierają szkła ani rtęci, negując ryzyko odłamków szkła lub toksycznych metali unoszących się w stacji kosmicznej, jeśli żarówki pękną w zerowej grawitacji. Ale naukowcy mają również nadzieję, że nowy system oświetlenia pomoże astronautom lepiej spać w nocy i zachować czujność w ciągu dnia.
Problemem, który inżynierowie próbują rozwiązać, jest to, że w kosmosie nie ma „dnia” ani „nocy”. ISS okrąża Ziemię co około 90 minut, co zapewnia astronautom częste okazje do oglądania wschodu i zachodu Słońca, ale także sieje spustoszenie w 24-godzinnym zegarze organizmu. Wśród wielu szkodliwych skutków lotów kosmicznych dla zdrowia, zaburzenia rytmu okołodobowego i towarzysząca im deprywacja snu stały się poważnym zmartwieniem – szczególnie, gdy ludzie rozważają podróż do bardziej odległych miejsc w Układzie Słonecznym, mówi George Brainard, dyrektor Programu Badań nad Światłem na Uniwersytecie Thomasa Jeffersona w Filadelfii, Pensylwania.
System oświetlenia oparty na diodach LED wprowadzany do ISS jest zaprojektowany tak, aby celować nie tylko w pręciki i czopki – komórki fotoreceptorowe w oku, które umożliwiają widzenie w słabym świetle i w kolorze, ale także w trzeci typ komórek fotoreceptorowych, który został odkryty prawie 20 lat temu. Znane jako wewnętrznie światłoczułe komórki zwojowe siatkówki (ipRGCs), te fotoreceptory zawierają światłoczułe białko zwane melanopsiną. Nie odgrywają one większej roli w widzeniu; zamiast tego, ipRGCs służą jako główny punkt wejściowy dla światła, które reguluje funkcje biologiczne, takie jak cykl snu i czuwania, czujność i nastrój. Naukowcy zaczynają rozumieć, w jakim stopniu zbyt duża lub zbyt mała ilość światła o niewłaściwej porze dnia może wytrącić z równowagi ważne procesy fizjologiczne, niezależnie od tego, czy jesteś astronautą na statku kosmicznym, pielęgniarką na nocnej zmianie, czy po prostu grasz w gry komputerowe po godzinie snu.
Sztuczne oświetlenie wydłużyło czas, w którym ludzie są narażeni na światło każdego dnia, na dobre i na złe. Dynamiczne systemy oświetleniowe oparte na diodach LED, które są w stanie regulować kolor i natężenie dostarczanego światła, powinny umożliwić projektowanie środowisk oświetlonych, które są mniej szkodliwe dla zdrowia. „Technologia nie ma granic, jeśli chodzi o to, co można zrobić z oświetleniem LED” – mówi Robert Lucas, neurobiolog z Uniwersytetu w Manchesterze w Wielkiej Brytanii, który bada reakcję układu wzrokowego na światło. „To nakłada na nas, biologów, obowiązek powiedzenia inżynierom oświetlenia, co dokładnie powinni robić.”
Przełamywanie nocy
Przez tysiące lat, dni ludzi były regulowane przez wschód i zachód Słońca, z pomocą ognia, aby przedłużyć czas czuwania do wieczora. Potem pojawił się amerykański wynalazca Thomas Edison. Żarówka z włóknem węglowym, którą opatentował w 1880 r., umożliwiła ludziom wykonywanie czynności w ciągu dnia przez całą dobę i ugruntowała pozycję oświetlenia żarowego jako kamienia węgielnego współczesnego życia.
Ale Edison nie mógł przewidzieć spustoszenia, jakie żarówka spowoduje w zegarach okołodobowych ludzi. „Połączenie całodobowej gospodarki i dostępności światła elektrycznego doprowadziło do lekceważenia dobowej natury naszego gatunku” – mówi Luc Schlangen, naukowiec zajmujący się oświetleniem w Signify, firmie produkującej oświetlenie LED w Eindhoven w Holandii.
W latach 90. wielu badaczy zaczęło podejrzewać, że widzenie to coś więcej niż pręciki i czopki. Główną wskazówką były myszy genetycznie pozbawione pręcików i czopków, które z tego powodu są niewidome. Tak jak u ich widzących odpowiedników, światło może zresetować zegar okołodobowy tych zwierząt i stłumić ekspresję melatoniny1, hormonu produkowanego przez mózg w nocy, który reguluje cykl sen-budzenie. Podobnie, niektóre osoby niewidome również mają normalne cykle snu i czuwania2. „Wiedzieliśmy o jego istnieniu, zanim dowiedzieliśmy się, gdzie i co to jest” – mówi Steven Lockley, chronobiolog z Harvard Medical School w Bostonie, Massachusetts.
W 2001 r. zespół Brainarda i badacze z innego laboratorium na Uniwersytecie Surrey w Wielkiej Brytanii niezależnie stwierdzili, że tłumienie melatoniny jest najsilniejsze u osób wystawionych na działanie światła o długości fali 446-477 nanometrów, co odpowiada barwie niebieskiej w spektrum światła widzialnego. To sugeruje, że receptor dostrojony do tego światła reguluje zegar okołodobowy3,4. Jeden z takich receptorów, białko melanopsin, został powiązany z rytmem okołodobowym, a w 2002 r. badacze z Brown University w Providence, Rhode Island, wykazali, że komórki zwojowe siatkówki zawierające ten receptor – ipRGCs – są wrażliwe na światło5. Zidentyfikowano cel biologiczny, który umożliwia zresetowanie wewnętrznego zegara organizmu.
Badania epidemiologiczne przeprowadzone w ciągu ostatnich kilku dekad wykazały, że sztuczne światło zakłóca pracę zegara okołodobowego, a takie zakłócenia powiązano z depresją, zaburzeniami metabolicznymi, chorobami układu odpornościowego i sercowo-naczyniowego oraz nowotworami6. Oświetlenie żarowe i fluorescencyjne w domach i biurach słabo odwzorowuje spektrum promieniowania słonecznego. Dobrze dobrane diody LED mogłyby lepiej stymulować ipRGC osób, które w ciągu dnia przebywają w pomieszczeniach zamkniętych, pomagając im w utrzymaniu prawidłowego rytmu okołodobowego. Jednak zastąpienie konwencjonalnego oświetlenia diodami LED niesie ze sobą pewne problemy: w przeciwieństwie do żarówek i świetlówek, światło LED jest często wzbogacone o niebieskie fale, które zakłócają sen, gdy są używane w nocy. Światło wytwarzane przez diody LED jest również bardziej intensywne, co oznacza, że mają one podwójną moc. „Intensywność jest równie ważna jak długość fali” – wyjaśnia Lucas. „Jasne, żółte światło może mieć tak samo dużą aktywację melanopsyn jak przyćmione, niebieskie światło.”
Mądrzejsze oświetlenie
Wiele z biologii, która leży u podstaw ipRGCs jest nadal badana – na przykład, te fotoreceptory były uważane za nie odgrywające żadnej roli w widzeniu, ale teraz wiadomo, że współdziałają z pręcikami i czopkami. Ale zalecenia naukowców dotyczące tworzenia zdrowego oświetlonego środowiska są mimo wszystko proste: ludzie powinni szukać jasnego światła i niebieskiego światła w ciągu dnia i minimalizować ekspozycję na oba w nocy. „Myślę, że wiemy już wystarczająco dużo, by zmienić praktykę oświetleniową z korzyścią dla wszystkich członków społeczeństwa” – mówi Mark Rea, kognitywista z Lighting Research Center w Rensselaer Polytechnic Institute w Troy, w stanie Nowy Jork.
Laboratorium chronobiologa Stevena Lockleya w Harvard Medical School w Bostonie, Massachusetts, bada, jak oko wykrywa światło, aby zresetować zegar okołodobowy organizmu.Credit: Magnus Wennman
Wyłoniła się już garść interwencji zdrowotnych opartych na świetle. Wykazano, że lightboxy emitujące intensywne niebieskie światło pomagają osobom cierpiącym na depresję zwaną sezonową chorobą afektywną; wiele urządzeń mobilnych posiada obecnie funkcje redukujące emisję niebieskiego światła wieczorem; dostępne są również okulary odfiltrowujące takie długości fal. We współpracy z partnerami z przemysłu naukowcy badają również sposoby, dzięki którym oświetlenie pomieszczeń w biurach, szpitalach i pomieszczeniach mieszkalnych będzie mniej szkodliwe dla zdrowia.
Rea i jego koleżanka Mariana Figueiro, która prowadzi Centrum Badań nad Oświetleniem w Rensselaer, badają wpływ interwencji oświetleniowych na osoby starsze z chorobą Alzheimera i pokrewnymi formami demencji7. Ponieważ z wiekiem do siatkówki dociera mniej światła, do aktywacji fotoreceptorów potrzebna jest większa intensywność światła, mówi Figueiro. Samo zwiększenie ilości światła niebieskiego w ciągu dnia pomaga regulować cykle snu i czuwania, które są często zaburzone u osób z demencją. Ale osiągnięcie tego może nie zawsze być praktyczne. „Nikt tak naprawdę nie chce jeść jajek przy niebieskim świetle – wszyscy wyglądają blado i okropnie” – mówi Figueiro. „Kiedy idziesz w teren, musisz wziąć to pod uwagę”. Tymczasem Lucas i jego zespół używają projektorów do testowania nowego typu wyświetlaczy komputerowych lub telewizyjnych, w których wyjście może być modyfikowane w celu zmniejszenia jego zdolności do stymulowania ipRGCs8. Konwencjonalne wyświetlacze wytwarzają obrazy poprzez połączenie trzech kolorów światła – czerwonego, zielonego i niebieskiego. Zamiast usuwać niebieskie fale z obrazu, badacze użyli filtrów optycznych, aby zmodyfikować wyjście dwóch projektorów, zastępując niebieski fioletem i cyjanem. Piąty kolor, żółty, również został użyty, aby zapewnić badaczom większą kontrolę. Połączone projekcje były w stanie wyprodukować obrazy, które były mniej skuteczne w stymulowaniu melanopsyny w ipRGCs, ale miały porównywalny kolor i jasność. Ochotnicy nie byli w stanie stwierdzić, czy oglądane przez nich obrazy zostały wyprodukowane przez zmodyfikowane wyświetlacze. Zgłaszali jednak, że czuli się bardziej senni i produkowali więcej melatoniny w ślinie, gdy oglądali filmy wieczorami przy użyciu mniej stymulującego ustawienia.
Dwa typy wyświetlaczy opierają się na metameryzmie, zjawisku, w którym kombinacje światła, które wyglądają tak samo, w rzeczywistości różnią się w swoim składzie spektralnym, mówi Lucas. Każda kombinacja, lub metamer, wpływa na czopki podobnie, ale na ipRGC inaczej. Współpracownik Lucasa, Christian Cajochen, chronobiolog z Uniwersytetu w Bazylei w Szwajcarii, planuje przetestować wpływ takich metamerów na wydajność poznawczą, nastrój i sen w badaniu obejmującym do 200 pracowników biurowych.
W zasadzie metamery mogłyby zostać włączone do oświetlenia pomieszczeń, umożliwiając ludziom regulowanie czasu i siły stymulacji ipRGC w pomieszczeniach. Ale oświetlenie pokoju może być skomplikowane, wyjaśnia Manuel Spitschan, neurobiolog z Uniwersytetu w Oxfordzie w Wielkiej Brytanii, który wykorzystuje metamery do badania wpływu światła na funkcje wzrokowe, zachowanie i aktywność mózgu, ponieważ powierzchnie mogą odbijać światło na wiele sposobów. Spitschan używa więc modelowania komputerowego, aby przewidzieć, jak obiekty w pomieszczeniu będą wyglądać, gdy będą oświetlone metamerami.
Zważywszy na wpływ sztucznego oświetlenia na ciało, wielu badaczy naciska na wytyczne dotyczące projektowania oświetlenia, które uwzględniają jego wpływ na ipRGCs, a także to, jak może ono ułatwić widzenie. W zeszłym roku grupa badaczy pod kierownictwem Schlangena pracowała z International Commission on Illumination, organizacją non-profit z Wiednia, nad stworzeniem standardu pomiarowego. Powinien on pomóc w przełożeniu recenzowanych wyników badań na ilościowe wytyczne dla projektowania oświetlenia.
Instalacja dynamicznego systemu oświetlenia na ISS ma zostać zakończona jeszcze w tym roku. Został on zaprojektowany tak, aby oferować trzy ustawienia: jedno, które produkuje jasne, białe światło do użytku w godzinach pracy; inne, które sprawia, że przyćmione światło zubożone w niebieskie fale, aby pomóc przygotować astronautów do snu w „wieczór”; i światło o wyższej intensywności wzbogacone w niebieskie fale, które będą używane, aby pomóc zwiększyć czujność, gdy jest to wymagane i zresetować zegar okołodobowy po pracy w nocy lub naprawić zaburzone cykle sen-budzenie. Brainard i Lockley, którzy kierują projektem, ocenili już wpływ systemu na sen astronautów, poziom melatoniny, wydajność pracy i wzrok na Ziemi. Teraz astronauci przeprowadzą te same testy w kosmosie, aby ustalić, czy takie oświetlenie może zignorować skutki doświadczania 16 wschodów słońca dziennie.
Demonstrowanie, że możliwe jest modulowanie ekstremalnych zaburzeń rytmu okołodobowego związanych z życiem w kosmosie pomoże zbudować fundamenty inteligentnego oświetlenia przyszłości, mówi para. „Mamy szczęście, że neuronauka i technologia diod LED rozwinęły się w tym samym czasie”, mówi Lockley. „To będzie tylko bardziej interesujące.