Um astronauta vê o nascer do Sol sobre a Terra a partir da Estação Espacial Internacional.Crédito: NASA
Como muitas outras estruturas institucionais montadas no final do século XX, a Estação Espacial Internacional (ISS) foi concebida para incorporar lâmpadas fluorescentes. Actualmente, a nave espacial está a mais de meio caminho de uma revisão da iluminação, e as suas lâmpadas originais estão a ser substituídas, peça por peça, por díodos emissores de luz (LEDs).
Comparado com as lâmpadas incandescentes ou fluorescentes convencionais, os LEDs utilizam menos energia, duram mais tempo e não contêm vidro ou mercúrio, negando o risco de estilhaços de vidro ou metal tóxico flutuarem através da estação espacial caso as lâmpadas se partam em gravidade zero. Mas os investigadores também esperam que o novo sistema de iluminação ajude os astronautas a dormir melhor à noite e a permanecerem alerta durante o dia.
O problema que os engenheiros estão a tentar resolver é que não há ‘dia’ ou ‘noite’ no espaço. A ISS circunda a Terra a cada 90 minutos mais ou menos, o que proporciona aos astronautas oportunidades frequentes de ver o Sol nascer e pôr-se, mas também provoca o caos no relógio do corpo cerca de 24 horas, ou circadiano. Entre os muitos efeitos deletérios do voo espacial sobre a saúde, a perturbação do ritmo circadiano e a privação do sono que o acompanha têm surgido como preocupações consideráveis – particularmente quando as pessoas contemplam viajar para locais mais distantes no Sistema Solar, diz George Brainard, director do Programa de Investigação da Luz na Universidade Thomas Jefferson em Filadélfia, Pensilvânia.
O sistema de iluminação baseado em LED que está a ser introduzido no ISS foi concebido para visar não apenas hastes e cones – células fotorreceptoras no olho que permitem a visão em luz fraca e a cores, respectivamente – mas também um terceiro tipo de célula fotorreceptora que foi descoberta há quase 20 anos. Conhecidas como células fotossensíveis intrínsecas da retina (ipRGCs), estes fotorreceptores contêm uma proteína fotossensível chamada melanopsina. Não têm muito papel na visão; em vez disso, os ipRGCs servem como o principal ponto de entrada do corpo para a luz que regula funções biológicas, tais como o ciclo sono-vigília, o estado de alerta e o humor. Os investigadores começam a compreender até que ponto demasiada ou pouca luz a uma hora errada do dia pode lançar processos fisiológicos importantes fora de sincronia, quer seja um astronauta numa nave espacial, uma enfermeira no turno da noite, ou apenas a jogar jogos de computador após a hora de dormir.
A iluminação artificial tem prolongado o período de tempo durante o qual as pessoas são expostas à luz todos os dias, para o melhor ou para o pior. Os sistemas de iluminação dinâmica baseados em LED que são capazes de ajustar a cor e intensidade da luz que emitem devem permitir conceber ambientes iluminados que sejam menos prejudiciais para a saúde. “Não há limites à tecnologia em termos do que pode ser feito com as luzes LED”, diz Robert Lucas, um neurocientista da Universidade de Manchester, Reino Unido, que estuda a resposta do sistema visual à luz. “Isso coloca-nos o ónus, como biólogos, de dizer aos engenheiros de iluminação exactamente o que devem fazer”
Erasing the night
For milhares de anos, os dias das pessoas foram governados pelo nascer e pôr do Sol, com ajuda do fogo para prolongar os tempos de vigília até à noite. Depois veio o inventor americano Thomas Edison. A lâmpada de filamento de carbono, que ele patenteou em 1880, permitiu às pessoas manter as actividades diurnas a funcionar 24 horas por dia e cimentou a iluminação incandescente como pedra angular da vida moderna.
Yet Edison não poderia ter previsto o caos que a lâmpada iria causar nos relógios circadianos das pessoas. “A combinação da economia de 24 horas e a disponibilidade de luz eléctrica levou-nos a ignorar a natureza diurna da nossa espécie”, diz Luc Schlangen, um cientista de iluminação da Signify, uma empresa de iluminação LED em Eindhoven, Holanda.
Até aos anos 90, muitos investigadores tinham começado a suspeitar que havia mais para ver do que varas e cones. Uma das principais pistas provinha de ratos geneticamente concebidos para carecerem de varas e cones, que são por isso cegos. Tal como nos seus homólogos avistados, a luz pode reiniciar o relógio circadiano destes animais e suprimir a expressão da melatonina1, uma hormona produzida pelo cérebro à noite que regula o ciclo sono-vigília. Da mesma forma, algumas pessoas cegas também têm ciclos sono-vigília normais2. “Sabíamos que existia antes de sabermos onde ou o que era”, diz Steven Lockley, cronobiólogo da Harvard Medical School em Boston, Massachusetts.
Em 2001, a equipa de Brainard e investigadores de outro laboratório da Universidade de Surrey, Reino Unido, relataram independentemente que a supressão da melatonina é mais forte em pessoas expostas à luz com um comprimento de onda de 446-477 nanómetros, o que corresponde ao azul no espectro da luz visível. Isto sugere que um receptor sintonizado com esta luz regula o relógio circadiano3,4. Um desses receptores, a melanopsina proteica, tinha sido ligado ao ritmo circadiano, e em 2002, investigadores da Universidade de Brown em Providence, Rhode Island, mostraram que as células ganglionares da retina contendo este receptor – ipRGCs – são sensíveis à luz5. O alvo biológico que permite a reposição do relógio interno do corpo tinha sido identificado.
Estudos epidemiológicos nas últimas décadas mostraram que a luz artificial perturba o relógio circadiano, e tal perturbação tem estado ligada à depressão, perturbações metabólicas, doenças imunitárias e cardiovasculares e cancro6. A iluminação incandescente e fluorescente em casas e escritórios faz um mau trabalho ao reproduzir o espectro dos raios do Sol. Um LED bem afinado poderia estimular melhor os ipRGCs das pessoas que estão dentro de casa durante o dia, ajudando a manter os seus relógios circadianos nos carris. Mas a substituição da iluminação convencional por LEDs traz os seus próprios problemas: ao contrário das lâmpadas incandescentes e fluorescentes, as luzes LED são frequentemente enriquecidas com comprimentos de onda azuis que perturbam o sono quando utilizadas à noite. A luz que os LEDs produzem é também mais intensa, o que significa que embalam um duplo furo. “A intensidade é tão importante como o comprimento de onda”, explica Lucas. “Uma luz brilhante e amarela pode ter tanta activação de melanopsina como uma luz fraca e azul”
Luz mais inteligente
Muito da biologia subjacente aos ipRGCs ainda está a ser explorada – por exemplo, pensava-se que estes fotorreceptores não desempenhavam qualquer papel na visão, mas agora são conhecidos por interagir com varetas e cones. Mas as recomendações dos investigadores para criar um ambiente iluminado saudável são, no entanto, simples: as pessoas devem procurar luz brilhante e luz azul durante o dia, e minimizar a exposição a ambos à noite. “Penso que agora sabemos o suficiente que podemos mudar a prática da iluminação para benefício de todos na sociedade”, diz Mark Rea, um cientista cognitivo do Centro de Investigação em Iluminação do Instituto Politécnico Rensselaer em Troy, Nova Iorque.
O laboratório do Cronobiólogo Steven Lockley na Escola Médica de Harvard em Boston, Massachusetts, explora como o olho detecta a luz para repor o relógio circadiano do corpo.Crédito: Magnus Wennman
Já surgiu um punhado de intervenções de saúde baseadas na luz. As caixas de luz que emitem uma luz azul intensa foram mostradas para ajudar pessoas com uma forma de depressão chamada desordem afectiva sazonal; muitos dispositivos móveis incluem agora características para reduzir a emissão de luz azul à noite; e estão disponíveis óculos que filtram tais comprimentos de onda. Em colaboração com parceiros da indústria, os investigadores estão também a explorar formas de tornar a iluminação de espaços em escritórios, hospitais e espaços de vida menos prejudicial à saúde.
Rea e a sua colega Mariana Figueiro, que lidera o Centro de Investigação de Iluminação da Rensselaer, estão a investigar os efeitos das intervenções de iluminação em pessoas idosas com doença de Alzheimer e formas relacionadas de demência7. Uma vez que menos luz atinge a retina com a idade, é necessária uma maior intensidade de luz para a activação do fotorreceptor, diz Figueiro. O simples aumento da quantidade de luz azul durante o dia ajuda a regular os ciclos sono-vigília das pessoas, que são frequentemente perturbados nas pessoas com demência. Mas conseguir isto pode nem sempre ser prático. “Ninguém quer realmente comer os seus ovos sob luz azul – todos parecem pálidos e horríveis”, diz Figueiro. “Quando se vai para o campo, é preciso ter isso em conta”. Entretanto, Lucas e a sua equipa estão a utilizar projectores para testar um novo tipo de ecrã de computador ou televisão em que a saída pode ser modificada para reduzir a sua capacidade de estimular ipRGCs8. Os ecrãs convencionais produzem imagens combinando três cores de luz – vermelho, verde e azul. Em vez de drenar os comprimentos de onda azuis das imagens, os investigadores utilizaram filtros ópticos para afinar a produção de dois projectores, substituindo o azul por violeta e ciano. Uma quinta cor, amarela, foi também utilizada para proporcionar aos investigadores um maior controlo. As projecções combinadas foram capazes de produzir imagens que eram menos eficazes a estimular a melanopsina em ipRGCs, mas que tinham cor e brilho comparáveis. Os voluntários não conseguiam dizer se as imagens que viam eram produzidas pelos ecrãs modificados. Contudo, relataram sentir-se mais sonolentos e produziram mais melatonina na sua saliva quando viram filmes à noite utilizando o cenário menos estimulante.
Os dois tipos de ecrãs dependem do metamerismo, um fenómeno pelo qual as combinações de luz que parecem iguais diferem realmente na sua maquilhagem espectral, diz Lucas. Cada combinação, ou metamerismo, afecta de forma semelhante os cones, mas os ipRGCs de forma diferente. O colaborador de Lucas Christian Cajochen, um cronobiólogo da Universidade de Basileia na Suíça, planeia testar os efeitos de tais metameres no desempenho cognitivo, no humor e no sono num estudo que envolve até 200 trabalhadores de escritório.
Em princípio, os metameres poderiam ser incorporados na iluminação do quarto, permitindo às pessoas regular o tempo e a força da estimulação do ipRGC dentro de casa. Mas a iluminação de um quarto pode ser complicada, explica Manuel Spitschan, um neurocientista da Universidade de Oxford, Reino Unido, que utiliza metameres para estudar como a luz afecta a função visual, o comportamento e a actividade cerebral, porque as superfícies podem reflectir a luz de muitas maneiras. Assim, Spitschan está a utilizar a modelação por computador para prever como os objectos numa sala ficariam quando iluminados por metamers.
Dados os efeitos da iluminação artificial sobre o corpo, muitos investigadores estão a pressionar para que se estabeleçam directrizes sobre a concepção da iluminação que tenham em conta o seu efeito sobre os ipRGCs, bem como como a forma como pode tornar mais fácil a sua visualização. No ano passado, um grupo de investigadores liderado pela Schlangen trabalhou com a Comissão Internacional de Iluminação, uma organização sem fins lucrativos em Viena, para criar uma norma de medição. Deverá ajudar a traduzir os resultados revistos pelos pares em orientações quantitativas para a concepção da iluminação.
A instalação do sistema de iluminação dinâmica no ISS deverá estar concluída no final deste ano. Foi concebido para oferecer três configurações: uma que produz uma luz branca e brilhante para utilização durante as horas de trabalho; outra que faz com que uma luz fraca se esgote em comprimentos de onda azuis para ajudar a preparar os astronautas para dormir à noite; e uma luz de maior intensidade enriquecida em comprimentos de onda azuis que será utilizada para ajudar a aumentar o estado de alerta quando necessário e para repor o relógio circadiano depois de trabalhar à noite ou para fixar ciclos sono-vigília perturbados. Brainard e Lockley, que estão a liderar o projecto, já avaliaram os efeitos do sistema no sono dos astronautas, nos níveis de melatonina, no desempenho do trabalho e na visão da Terra. Agora, os astronautas farão os mesmos testes no espaço para determinar se tal iluminação pode sobrepor-se aos efeitos de experimentar 16 amanheceres por dia.
Demonstrar que é possível modular a perturbação circadiana extrema associada à vida no espaço ajudará a construir os alicerces de um futuro de iluminação inteligente, diz a dupla. “Temos a sorte de a neurociência e a tecnologia dos LEDs terem evoluído ao mesmo tempo”, diz Lockley. “Só vai ficar mais interessante.