大自然對(duì)人類(lèi)的影響從人類(lèi)誕生之初開(kāi)始便沒(méi)有停止過(guò)，其中最為重要的一項(xiàng)便是日夜交替對(duì)于我們作息規(guī)律的影響。遠(yuǎn)古的人類(lèi)在日落之后點(diǎn)起篝火、千百年前的古人點(diǎn)起油燈和蠟燭都是為了在沒(méi)有自然光照的條件下仍然可以獲得一定活動(dòng)的自由。這種情況持續(xù)了上百萬(wàn)年直到一百多年前愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈，由此人類(lèi)開(kāi)啟了用科技手段來(lái)照明的時(shí)代。
本世紀(jì)初人類(lèi)進(jìn)入了半導(dǎo)體照明的時(shí)代，這是人類(lèi)照明史上的一次革命，因?yàn)榘雽?dǎo)體照明使得人類(lèi)能夠?qū)φ彰鳁l件具有很大的控制程度，這種控制程度是過(guò)去的白熾燈、日光燈技術(shù)所無(wú)法給予的。伴隨半導(dǎo)體照明技術(shù)一同發(fā)展起來(lái)的照明控制技術(shù)允許人們自主地調(diào)亮或調(diào)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(gè)很大的課題，牽涉到生物學(xué)、人體工學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)、照明科學(xué)、控制理論、照明設(shè)計(jì)、用戶(hù)心理學(xué)等等。本文先對(duì)其最基本的生物學(xué)原理做一個(gè)介紹。
在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的進(jìn)化之后，我們的身體已經(jīng)適應(yīng)了日出而作、日落而息的晝夜節(jié)律 (Circadian Rhythm)，也就是我們常說(shuō)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(duì)自身狀況的感應(yīng)。這也就是許多長(zhǎng)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(jì)初，神經(jīng)學(xué)家在人類(lèi)和動(dòng)物的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的神經(jīng)細(xì)胞：內(nèi)稟感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)，縮寫(xiě)為ipRGC，它并不參與視覺(jué)成像和色覺(jué)辨識(shí)。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(huì)誘發(fā)ipRGC產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)，經(jīng)由神經(jīng)通路傳導(dǎo)至下丘腦處的“視交叉上核”(suprachiasmatic nucleus)，縮寫(xiě)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(xì)胞。我們所有其它的視覺(jué)細(xì)胞在不同的色光條件下對(duì)SCN也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。這些細(xì)胞包括視桿細(xì)胞(Rods)、短波視錐細(xì)胞(S-Cones)、中波視錐細(xì)胞(M-Cones)、長(zhǎng)波視錐細(xì)胞(L-Cones)。SCN扮演的角色就是大腦的時(shí)鐘，也就是整個(gè)生物體的時(shí)鐘。
圖1：人眼視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞以及ipRGC的位置。來(lái)源：美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的照明研究中心(Lighting Research Center)
這個(gè)時(shí)鐘對(duì)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(hào)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(chēng)“松果體素”(melatonin)。由于褪黑素影響生物體的睡眠，所以它也被稱(chēng)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(zhì)量的。SCN所提供的晝夜節(jié)律信號(hào)影響松果體中褪黑素的分泌量。從生物化學(xué)角度講，褪黑素是由血清素 (serotonin)在酶的催化反應(yīng)下形成的。血清素是一種讓人清醒、警覺(jué)的激素，體內(nèi)血清素含量高時(shí)人會(huì)覺(jué)得自身狀態(tài)良好、認(rèn)知力強(qiáng)、記憶力好、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、幸福感強(qiáng)。所以在白天的時(shí)候，SCN會(huì)抑制褪黑素的分泌，使得血清素含量上升，從而維持人們?cè)诎滋斓幕顒?dòng)。到了夜晚，SCN對(duì)褪黑素分泌的抑制作用減弱，褪黑素分泌量增加，由此導(dǎo)致血清素減少，從而引導(dǎo)人們進(jìn)入睡眠狀態(tài)。褪黑素也是一種很強(qiáng)的天然抗氧化劑，它在我們睡著的時(shí)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(lái)源于網(wǎng)絡(luò)。
不僅是褪黑素，我們身體中的很多激素分泌也受到SCN的調(diào)配。比如腎上腺(adrenal gland)所分泌的皮質(zhì)醇(cortisol)就在很大程度上也受到SCN的控制。明亮的光照會(huì)刺激皮質(zhì)醇的分泌，而暗光條件下其分泌就受到抑制。皮質(zhì)醇能夠喚醒我們的身體機(jī)能，提高我們的核心體溫、心率和血壓，也能促進(jìn)我們的正常消化機(jī)能。如果SCN沒(méi)有向腎上腺發(fā)出分泌皮質(zhì)醇的信號(hào)，我們可能會(huì)感到疲倦和無(wú)精打采，而且會(huì)造成我們的消化系統(tǒng)對(duì)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(guān)的疾病。
根據(jù)對(duì)多種哺乳動(dòng)物進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)黑視素的感光峰值出現(xiàn)在波長(zhǎng)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(zhǎng)漂移至490納米。而人類(lèi)SCN對(duì)褪黑素分泌抑制作用的峰值出現(xiàn)在波長(zhǎng)為460納米左右。因此450納米到490納米的波長(zhǎng)區(qū)間是普遍認(rèn)為的最有效調(diào)控晝夜節(jié)律的范圍，所有基于人本照明而進(jìn)行的照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)都應(yīng)該重點(diǎn)考慮這個(gè)波長(zhǎng)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(nèi)正常分泌皮質(zhì)醇和抑制褪黑素。即便是所謂的“自然光”熒光燈管也無(wú)法在這個(gè)光譜區(qū)間提供足夠的強(qiáng)度。不過(guò)幸運(yùn)的是，如今的半導(dǎo)體照明光源 (LED)卻能夠在這個(gè)光譜區(qū)間提供足夠的強(qiáng)度，而且LED光源本身的驅(qū)動(dòng)方式也使得調(diào)節(jié)光譜和色溫成為可能。現(xiàn)今的照明市場(chǎng)上已經(jīng)有很多可調(diào)色溫的產(chǎn)品出現(xiàn)，這就是人們對(duì)人本照明的需求在市場(chǎng)上的體現(xiàn)。
此外，光照的時(shí)機(jī)對(duì)人類(lèi)晝夜節(jié)律也具有顯著的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于一個(gè)有正常作息時(shí)間的人來(lái)說(shuō)，在黎明和上午提供光照，會(huì)使其晝夜節(jié)律提前;而在傍晚和夜間提供光照，會(huì)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(xí)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(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致人體的各種健康問(wèn)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(wèn)題。可以毫不夸張地說(shuō)，光照會(huì)在很大程度上影響我們的健康狀況，所以我們常說(shuō)的“早睡早起身體好”并不是一句空洞的說(shuō)教。
除了光譜和光照時(shí)機(jī)，光照強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間也會(huì)對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生很重要的影響。關(guān)于光照因素對(duì)人本照明效果的影響作用將在后續(xù)的文章中做詳細(xì)的介紹。
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