o?wietlenie

Strona główna
Profesjonalne
Domowe
LED+Światłowody
Branża
Światło, a nasze zdrowie, samopoczucie i produktywność

Około trzydziestu do czterdziestu lat temu badania medyczne i biologiczne prowadzone na świecie wykazały, że światło ma nie tylko wzrokowe, ale i biologiczne oddziaływanie na organizm ludzki. W ostatnich latach coraz częściej mówi się o biologicznych efektach światła.

Jak doszło do tego odkrycia?

   Czasowy cykl oświetlenia naturalnego na kuli ziemskiej zamyka się w 24 godzinach i składa się z dwóch okresów: około 12 godzin jasności i około 12 godzin ciemności. Organizm ludzki jest do tego cyklu dostosowany i funkcjonuje w nim poprawnie. Zmiana cyklu może jednak powodować istotne zaburzenia w funkcjonowaniu naszego ciała. Na przykład podczas lotów kosmicznych, astronauci okrążając ziemię doświadczają innego, znacznie krótszego cyklu światło-ciemność. Są to 3 godziny jasności i 3 godziny braku światła. Zmiana ta wywołuje w ich organizmach zaburzenie cyklu biologicznego powodujące trudności w zasypianiu, zaburzenia snu oraz osłabienie aktywności i koncentracji w czasie pracy. Naukowcy badający to zjawisko zaczęli podejrzewać, że u jego podstaw leży zaburzenie naturalnego cyklu oświetlenia. Dziś wiemy już, że istotnie jest to prawda.
   Inna obserwacją były przypadki występujące u ludzi, którzy utracili wzrok w wyniku wypadków. U niektórych takich osób następują poważne zaburzenia naturalnego rytmu czasowego okresów aktywności i snu. Polegają one na utracie zdolności do zasypiania w regularnych odstępach czasu. Problem ten nie występuje jednak u wszystkich osób, które straciły wzrok. U części z nich cykl dobowy nie zastaje zakłócony. Naukowcy zaczęli więc poszukiwać w ludzkim organizmie innego niż oczy, regulatora dobowego rytmu biologicznego.
   Od dawna było wiadomo, że za widzenie odpowiadają dwa typy fotoreceptorów umiejscowionych w siatkówce ludzkiego oka, czopki i pręciki. Światło padające na te receptory wywołuje złożone reakcje chemiczne powodujące powstawanie pewnego rodzaju sygnałów w nerwach łączących receptory z korą wzrokową w tylnej części mózgu. Kora wzrokowa interpretuje te sygnały jako wrażenia wzrokowe.
   Rysunek 1 pokazuje połączenia nerwowe pomiędzy czopkami i pręcikami w oku i korą wzrokową w mózgu. Pręciki pracują przy bardzo niskich poziomach światła (tzw. widzenie skotopowe) i nie umożliwiając postrzegania barw, a jedynie kształtów. Przy większej ilości światła widzenie następuje dzięki działaniu czopków, które pozwalają na rozróżnianie barw i ostre widzenie przedmiotów.
   W 2002 roku odkryto nowy typ receptora w ludzkim oku. Odpowiada on za biologiczne skutki, jakie wywołuje światło w ludzkim ciele. Skomplikowane reakcje chemiczne przebiegające pod wpływem światła padającego na ten receptor, również wywołują sygnały, przekazywane dzięki połączeniom nerwowym, między innymi do obszaru mózgu nazywanego
jądrem nadskrzyżowań, w skrócie SCN od angielskiego „suprachia-smatic nuclei”, odpowiadającego za sterowanie ludzkim zegarem biologicznym oraz do szyszynki.
 

Rys. 1. Wzrokowe i biologiczne połączenia w mózgu: połączenie nerwowe pomiędzy siatkówką w oku, z jej czopkami i pręcikami, a korą wzrokową oraz pomiędzy siatkówką z nowym receptorem i jądrem nadskrzyżowań SCN.


 

Wzrokowe oddziaływanie światła
   Mimo wykrycia biologicznego oddziaływania światła na organizm ludzki, jego oddziaływanie wzrokowe nie utraciło nic ze swojego znaczenia.
   Wydolność wzrokowa człowieka zależy od warunków pracy wzrokowej. W sytuacji oświetlenia sztucznego uzyskanie wysokiej wydolności wzrokowej jest uzależnione od zapewnienia dostatecznie dobrego oświetlenia określanego m.in. wysokimi poziomami natężenia oświetlenia na płaszczyźnie roboczej. Przy określonym natężeniu oświetlenia wydolność wzrokowa nie jest jednak taka sama u wszystkich ludzi.

 

Rys. 2. Zalezność pomiędzy względną wydolnością wzrokową (w %) i natężeniem oświetlenia (w lx). Ciągła linia niebieska: ludzie młodzi; przerywana linia czerwona: lidzie starsi (źróło: CIE[10]). EN: poziomy natężenia oświetlenia określane przez Normę Europejską.

Rysunek 2 przedstawia zależność pomiędzy natężeniem oświetlenia na płaszczyźnie roboczej (w luksach), a względną wydolnością wzrokową człowieka (w %). Jak widać zwiększenie poziomu natężenia oświetlenia powoduje wzrost wydolności wzrokowej. Istnieje jednak duża różnica wydolności wzrokowej w zależności od wieku osoby badanej. Lepsze rezultaty w zakresie wydolności wzrokowej wykazują ludzie młodsi tzn. około 30 lat, gorsze ludzie starsi około 55 lat. Na lewym wykresie pokazano, że przy względnie trudnych zadaniach wzrokowych, człowiek starszy potrzebuje ponad 1000 lx dla osiągnięcia takiej samej wydolności wzrokowej jak ludzie młodsi przy natężeniu oświetlenia 300 lx. Prawy wykres pokazuje tą samą zależność przy trudnej pracy wzrokowej, np. przy czytaniu drobnego tekstu. W tym przypadku jest ona jaszcze silniejsza. Dla osiągnięcia tej samej, zadowalającej wydolności wzrokowej przy trudnej pracy wzrokowej, osoba w wieku ponad 55 lat potrzebuje prawie 6 razy większej ilości światła niż człowiek w wieku około 30 lat.
   Nowa norma europejska w większości wypadków wymaga do pracy natężenia oświetlenia 300 lx. Jak widać jest to wartość wystarczająca dla osób w wieku około 30 lat. Starsi pracownicy, również potrzebni w firmach ze względu na swoje doświadczenie, a mający niestety niższą wydolność wzrokową, potrzebują jednak znacznie wyższego poziomu natężenia oświetlenia. Dzięki temu będą wykonywać równie dobrze taką samą pracę wzrokową, co młodsi. Oznacza to jednak konieczność podwyższenia natężenia oświetlenia z wymaganej normami minimalnej wartości 300 lx do około 1200 lx.

 

Wydolność wzrokowa starszych pracowników może być poprawiona do poziomu osiąganego przez ludzi młodych dzięki znacznemu podwyższeniu poziomu natężenia oświetlenia powyżej wymagań normatywnych.

W starszym wieku występuje efekt zażółcenia wierzchniej warstwy soczewki oka ludzkiego. Zażółcona soczewka działa jak filtr – przepuszcza bardzo dobrze promieniowanie widzialne o barwie żółtej, słabiej, lecz nadal dość dobrze, barwy sąsiadujące w widmie, tzn. promieniowanie czerwone i zielone, natomiast zatrzymuje dużą część promieniowania niebieskiego. Stąd do oka osób starszych wnika głównie promieniowanie żółte i sąsiednich barw z widma. Osoby takie znacznie słabiej widzą barwę niebieską. Innymi słowy osoba starsza widzi świat mniej niebieski niż ludzie młodzi.

 

Dla podwyższenia wydolności wzrokowej osób starszych korzystne jest stosowanie światła z dużą zawartością promieniowania w niebieskiej części widma.

Wydolność wzrokowa ludzi starszych może być zatem z powodzeniem poprawiona nie tylko przez odpowiednio wysoki poziom oświetlenia, ale także przez zastosowanie światła z dużym udziałem niebieskiej części widma.

Biologiczne oddziaływanie światła

Na podstawie posiadanej od dawna wiedzy o dwóch typach znanych fotoreceptorów, zazwyczaj myślimy o oczach wyłącznie jak o organach wzroku. Niedawne odkrycie kolejnego bioreceptora i jego połączeń z ośrodkami w mózgu, pozwoliło zrozumieć podstawowe znaczenie światła dla stymulowania i kontrolowania wielu procesów biologicznych w ludzkim ciele. Najważniejszym odkryciem stało się stwierdzenie, że światło, a w szczególności regularne  cykle światło-ciemność mają zasadniczy wpływ na kontrolowanie zegara biologicznego człowieka poprzez wpływ na produkcję niektórych ważnych hormonów w ciele ludzkim.

Światło, a rytm biologiczny człowieka
   Jak wspomniano na wstępie światło wywołuje w naszym organizmie efekty nie tylko wzrokowe. Ma ono także silne oddziaływanie biologiczne związane ściśle z powtarzalnym cyklem jasność-ciemność. Ilustruje to wykres na rysunku 3.

Rys. 3. Typowy dzienny rytm temperatury ciała, poziomu melatoniny i kortyzolu oraz stopnia aktywności ludzi dla naturalnego 24 godzinnego cyklu jasność/ciemność.

  

   Na osi poziomej przedstawiono dwie kolejne doby – dwa razy po 24 godziny. Wykres rozpoczyna się o godzinie 6 rano, gdy właśnie się rozjaśnia i natężenie światła naturalnego rośnie. Następnie o godzinie 12 w południe poziom światła jest wysoki, a o 18 po południu ściemnia się. O godzinie 2 w nocy jest oczywiście całkiem ciemno.
   W dzień mamy do czynienia z sytuacją, gdy na dworze jest zupełnie jasno i mamy tam dużą ilość światła. Sytuacja panująca w pomieszczeniach nie jest już jednak tak samo dobra nawet w południe. W ładny dzień na otwartej przestrzeni panuje natężenie oświetlenia naturalnego około 100.000 lx. W dzień pochmurny zmniejsza się ono do około 20.000 lx. W pomieszczeniach, zwłaszcza tych pozbawionych dostatecznej ilości światła naturalnego, mamy na ogół do czynienia z poziomami natężenia oświetlenia nie większymi niż 500 lx, a więc wielokrotnie niższymi.
   Na osi pionowej pokazano poziomy temperatury naszego ciała, stopnia aktywności oraz dwóch hormonów odpowiedzialnych naszą aktywność życiową – melatoniny i kortyzolu, których wydzielanie jest bezpośrednio powiązane z natężeniem oświetlenia, jakiemu jesteśmy poddawani.

 

Temperatura ciała. Dobowe wahania temperatury ciała są zjawiskiem znanym od ponad 100 lat. Różnice nie są duże i wynoszą około 0,4 stopnia Celsjusza.

Poziom kortyzolu. Kortyzol wydzielany w naszym organizmie jest nazywany hormonem stresu. Powszechnie wiadomo, że stres jest zjawiskiem szkodliwym, jednak niski poziom lub całkowity brak kortyzolu także może być szkodliwy. Duży nadmiar kortyzolu może niszczyć system immunologiczny. Z drugiej strony hormon ten bierze udział w produkcji glukozy w organizmie ludzkim, a ta z kolei dostarcza energii naszemu ciału. Poziom kortyzolu utrzymuje wysoką wartość w ciągu dnia i jest najwyższy w godzinach rannych, co stymuluje nas do działania. W nocy ilość kortyzolu w naszym organizmie spada umożliwiając nam normalny sen.

Poziom melatoniny. Za sen odpowiada jednak głównie drugi hormon – melatonina nazywana hormonem snu. Największy poziom melatoniny w organizmie występuje w nocy, jej poziom spada nad ranem i jest niski w ciągu dnia, kiedy pobudza nas wysoki poziom kortyzolu.

 

W dzień w ludzkim organizmie mamy dużo kortyzolu i mało melatoniny, dzięki czemu możemy być pobudzeni i aktywni, a nie senni.
W nocy odwrotnie poziom kortyzolu maleje, a melatoniny rośnie, dzięki czemu mamy spokojny, głęboki sen, a nasza aktywność jest minimalna.

Sterowanie zegarem biologicznym
   Przy okazji badań nad nowym receptorem okazało się, że ludzki zegar biologiczny nie działa dokładnie w cyklu 24 godzinnym. U niektórych osób cykl ten jest nieco krótszy, a osoby takie nazywamy „rannymi ptaszkami”. U innych cykl jest dłuższy niż 24 godziny. Są oni powszechnie nazywani „sowami”. Z wiekiem zegar biologiczny zaczyna pracować w nieco krótszym cyklu. Średnio dla całej populacji rytm dobowy trwa jednak 24,5 godziny, jest więc dłuższy od astronomicznego cyklu dnia i nocy. Mimo tego ludzie nie odczuwają dolegliwości związanych z tymi różnicami. Okazało się bowiem, że duża ilość światła podczas dnia i ciemność w godzinach nocnych poprzez regulację poziomu dwóch hormonów, melatoniny i kortyzolu, synchronizuje nasze indywidualne zegary biologiczne z cyklem i zegarem astronomicznym. Jeśli jednak w dzień nie dostajemy właściwej dawki promieniowania świetlnego, nasz zegar biologiczny nie jest właściwie ustawiany, co prowadzi do zaburzeń snu w nocy i senności i zmęczenia w dzień.

Oświetlenie pomieszczeń pracy w dzień
   Przykładem zaburzeń, związanych ze zbyt słabym oświetleniem pomieszczeń w ciągu dnia, mogą być przypadki grup pracowników wielkiego domu towarowego, pracujących w pomieszczeniach bez okien, a więc bez jakiegokolwiek dostępu światła naturalnego. W pomieszczeniach tych stosowe jest na ogół jedynie światło sztuczne, a średnie natężenie oświetlenia jest zazwyczaj na poziomie około 500 lx. Taki poziom oświetlenia w dzień, nie gwarantuje codziennego, prawidłowego ustawiania zegara biologicznego pracowników. Oświetlenie na tym poziomie umożliwia wprawdzie pracownikom dobre widzenie lecz jest ono zbyt słabe, aby skrócić ich naturalny cykl biologiczny ze średniej wartości 24,5 godziny do 24 godzin zgodnych z cyklem astronomicznym. Jeżeli ludzie będą pracowali w tych warunkach przez 24 dni, to codziennie ich rytm przesunie się o 0,5 godziny. Po tym czasie przesunięcie to będzie wynosiło około 12 godzin, więc dla omawianej grupy pracowników domu towarowego w nocy będzie miała miejsce sytuacja dzienna, a w dzień nocna. Po 24 dniach pracy w takich warunkach, ludzie ci w nocy nie będą mogli dobrze i głęboko spać, zaś w dzień będą nadmiernie zmęczeni, mało aktywni i senni. Po kolejnych 24 dniach nastąpi dalsze przesunięcie cyklu o kolejne 12 godzin i sytuacja wróci do normy, ludzie będą czuli się normalnie. Sytuacje te będą powtarzać się cyklicznie.
   Dotychczas środkiem zaradczym na taką sytuację były specyfiki farmakologiczne, pobudzające na dzień i nasenne w nocy. O wiele skuteczniejsze i zdrowsze okazuje się jednak stosowanie znacznie silniejszego oświetlenia. Dzięki biologicznemu wpływowi na nasz organizm stymuluje ono taką produkcję melatoniny i kortyzolu, że nasz zegar biologiczny synchronizuje się idealnie z astronomicznym.

 

Zapewnienie natężenia oświetlenia na stanowiskach pracy dziennej na poziomie ponad 1000 lx, znacznie większym od wymaganego, poprawia samopoczucie pracowników, zwiększa ich aktywność, zapobiega zmęczeniu i senności podczas pracy.

Oświetlenie pomieszczeń pracy w nocy
   Badania prowadzone na grupach pracowników pracujących w nocy wykazały, że im dłużej pracują oni po północy, tym bardzie poziom ich czujności obniża się i rośnie prawdopodobieństwo popełnienia przez pracownika pomyłki istotnej lub nawet groźnej w skutkach. Zależność tą przedstawia rysunek 4. Tłumaczy to fakt, że większość katastrof i wypadków w światowym przemyśle ma miejsce pomiędzy godziną 2 i 3 w nocy. Badacze zauważyli jednak, że jeśli w sposób zasadniczy, czyli co najmniej 10 krotnie, zwiększyć poziom natężenia oświetlenia, to poziom czujności zwiększa się bardzo istotnie.

Rys. 4. Stan czujność i samopoczucie wyrażane jako pobudzenia dla poziomów natężenia oświetlenia 250 lx i 2800 lx w funkcji czasu pracy po północy.

 

 

Silne, co najmniej 10 krotnie lepsze od obecnych wymagań, oświetlenie miejsc pracy nocnej zwiększa czujność pracowników, podnosi ich wydajność i zapobiega popełnianiu istotnych lub wręcz niebezpiecznych pomyłek.

Porównywano też poziom fal mózgowych delta u pracowników biurowych pracujących w pomieszczeniach z natężeniem oświetlenia 450 lx i 1700 lx. Fale te są intensywniejsze podczas snu, a zanikają w okresie aktywności. Ich poziom odzwierciedla więc stopień senności człowieka. Na rysunku 5 widać wyraźnie, że zwiększenie natężenia oświetlenia powoduje obniżenie intensywności fal delta, co świadczy o zmniejszeniu senności.

Rys. 5. Natężenia fal mózgowych delta w badaniu EEG pracowników biurowych przy poziomach natężenia oświetlenia 450 lx i 1700 lx.


Dobre oświetlenie daje korzyści

   Odkrycie w 2002 roku nowego fotoreceptora w ludzkim oku, pozwoliło zrozumieć ogromne korzyści, jakie dzięki swoim skutkom wzrokowym i biologicznym, przynosi pracodawcom dobre i silne oświetlenie miejsc pracy. Obok zdrowia i dobrego samopoczucia pracowników, dobre oświetlenie powoduje także szybsze wykonywanie czynności, zmniejsza liczbę popełnianych błędów, obniża ilość braków produkcyjnych, poprawia bezpieczeństwo, zmniejsza liczbę wypadków o obniża absencję chorobową. Badania wykazują, że w przemyśle dzięki podwyższeniu natężenia oświetlenia z 300 do 500 lx można osiągnąć wzrost wydajności o 8%, a podwyższenie natężenia do 2000 lx zwiększa wydajność o 20%.


Artykuł na podstawie:
1) wykładu profesora Wout van Bommel - Przewodniczącego Międzynarodowego Komitetu Oświetleniowego CIE oraz Dyrektora Central Lighting Design and Application Centre koncernu Philips Lighting w  Eindhoven,
2) materiałów konferencji „Światło i Zdrowie” zorganizowanej przez Instytut Elektrotechniki w Warszawie.

 

Artykuł ukazał się drukiem w kwartalniku
Oświetlenie INFO nr 1(13) styczeń-marzec 2006

Autor :   Marek Kołakowski