Evo koja je važnost dnevne svjetlosti za ljude

Dnevno svjetlo je sveprisutno i ključno je za vid sisavaca, kao i za nevizualni unos u mozak putem intrinzično fotoosjetljivih retinalnih ganglijskih stanica (ipRGC) koje izražavaju fotopigment melanopsin. IpRGC se projiciraju na cirkadijalni sat u suprahijazmatskim jezgrama i time osiguravaju uključivanje u 24-satni ciklus dan-noć, a promjene u duljini dana pokreću odgovarajuća sezonska ponašanja. IpRGC se također projiciraju na perihabenularnu jezgru i okolne regije mozga koje moduliraju raspoloženje, stres te učenje kod životinja i ljudi. S obzirom na to da svjetlo ima izravne snažne učinke na raspoloženje, kogniciju, budnost, performanse i san, može se smatrati "lijekom" za liječenje mnogih kliničkih stanja. Svjetlosna terapija već je uvriježena za zimske i druge depresije te cirkadijalne poremećaje spavanja. Osim vizualnih i nevizualnih učinaka preko mrežnice oka, dnevno svjetlo svojim utjecajem na razvoj očiju pridonosi sprječavanju kratkovidnosti kod mladih te je, putem kože, važno za sintezu vitamina D i zdravlje kostiju. Sunce je najjači izvor svjetlosti i, ovisno o dozi, njegovo ultraljubičasto zračenje toksično je za žive organizme te se može koristiti kao dezinfekcijsko sredstvo. Većina istraživanja koristi laboratorijsko električno svjetlo, bez dinamičkih i spektralnih promjena kroz koje dnevno svjetlo prolazi iz trenutka u trenutak. Postoji jaz između važnosti dnevnog svjetla za ljude i broja istraživanja koja se provode na istu temu. Dnevno svjetlo se uzima zdravo za gotovo, kao faktor okoliša, u kojem treba uživati ili ga izbjegavati, ovisno o uvjetima. Više svijesti o dnevnom svjetlu u arhitekturi i urbanom dizajnu, izvan estetskih vrijednosti i vizualne udobnosti, može dovesti do kvalitetnijeg radnog i životnog okruženja. Iako još nemamo osnovu za pretpostavku kako je prirodno dnevno svjetlo "bolje" od električnog svjetla, rasprava o okolišu zahtijeva ozbiljno razmatranje sunčeve svjetlosti ne samo za solarnu energiju, već i kao biološki nužnu za održiv i zdrav život.

1. Uvod

Posljednjih desetljeća svjedočili smo izvanrednom razotkrivanju molekularnih tajni cirkadijalnog sata u živim organizmima. Kod sisavaca, cirkadijalni ritmovi u stanicama, tkivima i organima generiraju se samoodrživim petljama transkripcije - translacije molekularne jezgre. Naučili smo mnogo o sinkronizaciji sata s vanjskim ciklusom dan-noć i učinku različitih valnih duljina, intenziteta i vremenskog rasporeda svjetla na ljudsku fiziologiju i ponašanje. Simulacije svitanja i sumraka otkrile su prirodnu osjetljivost sata na postupno mijenjanje slabog intenziteta svjetla koje se nalazi u prirodi, a kliničari su koristili jako umjetno svjetlo za liječenje poremećaja raspoloženja i spavanja. Područje bioloških ritmova stoga je uistinu interdisciplinarno, gdje psihijatri razumiju općenita svojstva cirkadijalnog sustava, a stanični biolozi mogu doprinijeti poboljšanju funkcija spavanja/budnosti eksperimentalnim znanjem.
Istraživanja svjetla prvenstveno su provedena u kontroliranim laboratorijskim uvjetima, korištenjem definiranih svjetlo-tamnih okruženja i vremenski određenom primjenom umjetnog svjetla. S obzirom na to da se evolucija cirkadijskih satova i uključivanje u 24-satni ciklus svjetlosti i tame dogodila u prirodnim uvjetima, mnogo prije izuma struje i upotrebe izvora svjetlosti osim Sunca, čini se prikladnim usmjeriti istraživanje svjetlosti prema razumijevanju utjecaja dnevnog svjetla na ljudsku fiziologiju i psihologiju u terenskim uvjetima, iako je takvo istraživanje puno zahtjevnije zbog nepredvidivih i manje kontroliranih varijacija svjetla u okolišu.

Nedavno smo pod pokroviteljstvom Akademije dnevnog svjetla objavili dva rada vezana uz istraživanje dnevnog svjetla: “Dnevno svjetlo: Što čini razliku?” i "Uloga dnevnog svjetla za ljude: trenutne rupe u znanju". Iako dosta dobro poznajemo fizičke razlike između dnevnog i električnog svjetla, tehnički je izuzetno teško oponašati sva svojstva prirodnog svjetla s električnim svjetlom i kombinirati ga u jedan izvor svjetla (spektar, dinamiku, vremenske varijacije, brzinu promjene, prostornu distribuciju, frekvencije treperenja, polarizaciju). Možda je ta "jedinstvenost" ono što implicira da je prirodno svjetlo superiornije od električnog. Specifične koristi dnevnog svjetla vjerojatno nadilaze subjektivne preferencije ili pozitivnu simboliku Sunca, no još nemamo podatke koji bi poduprli istu pretpostavku.

U svakodnevnom životu, izloženost dnevnom svjetlu smanjena je zgradama i definirana njihovim vanjskim otvorima; dizajn dnevnog osvjetljenja je složen, a pogled je dodatni, presudan faktor. Temperatura također igra važnu ulogu, ekstremna vrućina i hladnoća zadržavaju ljude u zatvorenom prostoru te stvaraju nove inženjerske izazove za adekvatnu prilagodbu temperature u unutarnjem okruženju. Naposljetku, zemljopisni, kulturni aspekti, kao i društvena praksa i standardi određuju individualno ponašanje u zatvorenom i na otvorenom. Ovdje se fokusiramo na nova dostignuća koja mogu potaknuti terenska istraživanja u stvarnom životu.

2. Što je dnevno svjetlo?

Dnevno svjetlo je izravno i neizravno elektromagnetsko zračenje Sunca, koje se mijenja različitim refleksijama te prenosi i filtrira kroz atmosferu. Trajanje i dostupnost dnevnog svjetla ovisi o geografskoj širini, godišnjem dobu i atmosferskim uvjetima. Dnevna svjetlost ima široku kontinuiranu spektralnu raspodjelu snage, koja se mijenja unutar i kroz dane te s vremenskim uvjetima i uvjetima na nebu, i to u apsolutnoj snazi (zračenju), boji, difuziji, polaritetu i smjeru. Za sunčanog dana, na otvorenom, intenzitet svjetla (osvijetljenost) varira između 20.000 i 100.000 lx, oko 3.000 lx kada pada kiša, i do 1.000 lx za vrijeme sumraka u gradskom okruženju. U zatvorenim prostorima, tokovi dnevnog svjetla obično su mnogo niži i eksponencijalno opadaju s udaljenošću od prozora. Vrlo dinamičan uzorak dnevnog svjetla u suprotnosti je sa stalnom dostupnošću električnog svjetla. Osim toga, ovisno o izvoru svjetlosti (žarna niti, fluorescentna ili LED), spektralna raspodjela snage svjetla prilično se razlikuje jedna od druge i od dnevne svjetlosti, iako se sva mogu percipirati kao "bijela" svjetlost.

3. Unos svjetlosti u oko i mozak

Kod sisavaca, svjetlost koja dopire do mrežnice ključna je za vid (pokret, prostorni detalji, boja), pretočena u električne signale u štapićima i čunjićima. Svjetlost je također važna za nevizualni unos u mozak putem podskupa intrinzično fotoosjetljivih retinalnih ganglijskih stanica (ipRGC) koje izražavaju fotopigment melanopsin osjetljiv na kratku valnu duljinu. IpRGC se projiciraju na cirkadijalni sat u suprahijazmatskim jezgrama (SCN), gdje otpuštaju glutamat i PACAP. GABA je najzastupljeniji neurotransmiter u SCN-u, koeksprimiran u neuronima koji eksprimiraju VIP, AVP i GRP. SCN stanični oscilatori mogu se međusobno sinkronizirati kako bi proizveli precizan, koherentan izlazni signal, posredovan sinaptičkim i humoralnim čimbenicima. Na taj način ipRGC posreduju u uključivanju SCN cirkadijalnog sata u 24-satni ciklus svjetlo-tama, modificiraju spavanje, budnost, veličinu zjenica i mnoge druge fiziološke funkcije. Oni također stupaju u interakciju s drugim ganglijskim stanicama mrežnice kako bi prenijeli vizualni i nevizualni unos svjetlosti. Ova dva fotska sustava dugo su se smatrala neovisnima, no noviji dokazi ukazuju na interakcije kod životinja i u ljudskoj vizualnoj percepciji, npr. informacije posredovane melanopsinom putem primarnog vidnog korteksa. Složenost se još više proširila od otkrića da su vizualni odgovori na svim razinama, od ipRGC-a do primarnog vidnog korteksa i retinalne aktivnosti, modulirani stanjem uzbuđenja te s otkrićem novih GABA-ergičkih putova kod životinja.

Raspon funkcija središnjeg živčanog sustava, za koje je utvrđeno da svjetlost na njih utječe, i dalje raste. Najvažnija - sada svima poznata - zeitgeber uloga svjetlosti je sinkronizirati i pomicati cirkadijalne ritmove. Duljina dana (i stopa promjene duljine dana) pokreće sezonske reakcije, a prijelazi dan-noć u sumrak su ključni. Ne samo da svjetlost izravno povećava budnost, već se čini da izlaganje danu mijenja noćni san. Učinci svjetla na poboljšanje raspoloženja (poznati iz kliničkih primjena) posredovani su ne samo cirkadijalnim mehanizmima, već i putem neovisnim o SCN-u koji povezuje ipRGC s perihabenularnom jezgrom (PHb), koja je sama blizu neurona koji moduliraju raspoloženje i stres. Fotičke informacije za PHb također mogu utjecati na učenje odvojeno od cirkadijalne uloge SCN-a. Habenulae su male uparene jezgre u mozgu koje pridonose mnogim kognitivnim i motivacijskim funkcijama i dodatni su dio cirkadijalnog sklopa. I kod životinja i kod ljudi, habenularni neuroni reagiraju na osvjetljenje mrežnice ovisno o dobu dana.

Jasno je da će daljnje studije osnovnih mehanizama koji se odnose na oko i njegove signalne putove do mozga i uključenih neurotransmitera ostati temeljene na laboratoriju, korištenjem kontroliranih i dobro definiranih izvora električne svjetlosti. Međutim, razumijevanje ovih osnovnih mehanizama pomoći će definirati, usmjeriti i analizirati podatke o dnevnom svjetlu iz terenskih istraživanja.

4. Nedostatak dnevnog svjetla

Dva su glavna epidemiološka razvoja povezana s dnevnom svjetlošću (ili bolje rečeno nedostatkom dnevne svjetlosti). Raširena i rastuća pojava kratkovidnosti u mladih je zabrinjavajući trend, posebno u Aziji. Počinje između 4. i 6. godine života ili kasnije. Iako nošenje naočala može korigirati vid, ne može zaustaviti napredovanje kratkovidnosti. Pokazalo se da izlaganje prirodnom svjetlu, kao što je boravak na otvorenom 2-3 sata dnevno, štiti od razvoja kratkovidnosti kod mnogih vrsta uključujući mlađe ljude. Nekoliko sati dnevnog izlaganja danjem svjetlu na otvorenom jednostavan je "čudesan" preventivni recept. Biokemijski putevi koji dovode do rasta oka koji izaziva kratkovidnost nisu u potpunosti razjašnjeni. Mehanizmi povezani s retinalnim dopaminom, koji je stimuliran svjetlom, kontroliraju rast oka. Također se pretpostavlja uključenost cirkadijalne regulacije u razvoj refrakcije kod kratkovidnosti.

Kratkovidnost nije jedini problem, izgleda kako je zdravlje djece u digitalnom dobu ugroženo s povećanim vremenom gledanja u ekran. Opće je poznato zakašnjelo vrijeme spavanja do kojeg dolazi kod mladih ljudi koji navečer koriste plave zaslone mobilnih telefona i tableta. Nedostatak prirodnog dnevnog svjetla djeteta u razvoju, glavna posljedica povećanog vremena provedenog u zatvorenom prostoru, na internetu, povezan je s višestrukim zdravstvenim rizicima u rasponu od fizioloških poremećaja (spavanje, pretilost), psiholoških problema (depresija, anksioznost) i kognitivnog oštećenja. Uključeni su glavni neurotransmiteri rašireni u neuronskim mrežama mozga. Na primjer, serotonin je ključni neurotransmiter povezan s raspoloženjem i cirkadijalnom regulacijom; dopamin regulira moždane krugove nagrađivanja (motivacija, pozornost) i centre za kretanje.

Vitamin D neophodan je za razvoj i zdravlje kostiju. Znamo da bez vitamina D kosti mogu postati meke, tanke i lomljive (rahitis, osteoporoza). Novi podaci ukazuju da je vitamin D, sintetiziran ultraljubičastim B-zračenjem na dnevnoj svjetlosti koji dopire do kože, dodatno povezan s cirkadijalnim sustavom te ciklusom spavanja i budnosti, vjerojatno putem imunološkog sustava ili novootkrivenog melanopsin-fotosenzitivnog sustav ljudske kože. Imunološke reakcije također reguliraju središnji i periferni cirkadijalni sat. Njihova pravilna koordinacija ključna je za adaptivni imunitet, kao što je zaštitna proizvodnja protutijela nakon cijepljenja (npr. putem T i B-stanica). Reakcije također variraju ovisno o dobu dana, godišnjem dobu i spavanju. Niske razine vitamina D povezane su s većim rizikom od infekcije COVID-19; nedavna studija o metabolitu vitamina D primijenjenom na hospitaliziranim pacijentima s COVID-19 pokazala je značajno smanjen prijem u jedinicu intenzivne njege. Ovi rezultati otvaraju potpuno nove interakcije dnevnog svjetla sa satom, spavanjem i zdravljem imunološkog sustava, s naglaskom na trenutnu situaciju pandemije COVID-19.

5. Svjetlo i poremećaji raspoloženja

Povezanost između afektivnih poremećaja i cirkadijskih ritmova ima dugu povijest, jer su izmijenjeni ciklusi spavanja i budnosti te periodične promjene raspoloženja zabilježeni još u ranoj psihijatrijskoj literaturi. U sadašnje moderno doba otkriveno je da nametnuti cirkadijalni poremećaji zbog smjenskog rada, noćnog svjetla i prekomeridijanskog letenja potiču afektivne simptome kod ranjivih pojedinaca. Pokusi na životinjama pokazuju da čak i kratkotrajno izlaganje noćnom svjetlu može izazvati simptome povezane s depresijom; nepravilni rasporedi svjetlosti djeluju izravno putem ipRGC-a kako bi povećali ponašanje i učenje povezano s depresijom, što je reverzibilno s antidepresivima. S druge strane, jako svjetlo dokazani je antidepresiv za sezonske i druge depresije. Svakodnevni boravak na otvorenom može na sličan način poboljšati raspoloženje. Dodatno, povećana izloženost električnom svjetlu ili kombinirano (dnevno) svjetlo može popraviti raspoloženje kod neurodegenerativnih bolesti. Opet, povezujući se s današnjom pandemijom COVID-19, dnevna svjetlost može biti od pomoći u ograničavanju psihijatrijskih posljedica, hospitalizacije te vjerojatnosti same infekcije: kroz antidepresivni učinak jakog svjetla i dezinfekcijska svojstva svjetlosti.

6. Budućnost s dnevnim svjetlom?

Klimatske promjene i rasprava o okolišu zahtijevaju ozbiljno razmatranje sunčeve svjetlosti, ne samo za solarnu energiju nego i za zdravlje. Iako se nova generacija LED rasvjete može približiti spektralnoj distribuciji dnevnog svjetla te se može programirati u smislu intenziteta i korelirane temperature boje tijekom dana kako bi se simuliralo dnevno svjetlo, kao i ključni prijelazi zore i sumraka, potreban je novi fokus na prirodnom dnevnom svjetlu kroz arhitektonska rješenja za postizanje bolje energetske učinkovitosti. I dalje postoje ključni nedostaci u istraživanju dnevnog svjetla koji se odnose na nesigurnost u pogledu količine i kvalitete dnevnog svjetla potrebne za 'optimalno' fiziološko i psihološko funkcioniranje te opće zdravlje. Još uvijek nemamo standardizirane alate za točno i kontinuirano mjerenje individualne izloženosti dnevnom svjetlu (i električnom svjetlu) kroz više vremenskih raspona, uključujući spektralni sastav svjetla. Ne samo da je dnevno izlaganje određenom intenzitetu svjetla, trajanju, valnoj duljini i vremenskom rasporedu važno, već se modifikacija prethodnog izlaganja svjetlu, dobi, problemima s očima, lijekovima mora zabilježiti te integrirati u optimizaciju izlaganja (dnevnom) svjetlu. Potreban nam je konsenzus o metodologijama za određivanje učinaka dnevnog svjetla na vizualne, psihološke i somatske funkcije, kao i bolja integracija i razmjena baza znanja o dnevnom svjetlu iz različitih disciplina.

U širem smislu, to znači odgovarajući dizajn za urbana okruženja i zgrade s više dnevnog svjetla. Problem istraživanja je jasan: dnevnu svjetlost kao dinamičan prirodni izvor teško je kontrolirati, predvidjeti ili replicirati. Možemo li razviti metriku za mjerenje "prirodnosti" svjetlosti? I možemo li odrediti razlikuju li se i kako učinci dnevnog svjetla od učinaka električnog svjetla? Jasno je da se u svakodnevnom životu krećemo između dnevnog i električnog svjetla, tako da se posljedice izlaganja čistom prirodnom fotoperiodu mogu mjeriti samo u zajednicama koje žive izolirano daleko od umjetnih izvora svjetlosti ili kampiraju u divljini.

Na kraju, dnevno svjetlo također se može učinkovito koristiti za jačanje cirkadijalnog uvlačenja (npr. u bolnicama) kako bi se poboljšala učinkovitost i smanjile nuspojave bilo koje terapijske intervencije. Vrijeme na satu pojedinca relevantno je za vrijeme primjene lijeka, a vrijeme liječenja zauzvrat djeluje na učinke istog.

S obzirom na sve veće prepoznavanje važnosti cirkadijalnog ritma te regulacije ponašanja i funkcije mozga ovisne o spavanju i budnosti u odnosu na zdravlje i opće stanje, naše dvije "bijele knjige" o dnevnom svjetlu, daju detaljan nacrt za buduća istraživanja.

Ukratko, potrebno nam je više podataka utemeljenih na dokazima koji bi podržali premisu da je pristup prirodnom dnevnom svjetlu neophodan i koristan za održiv i zdrav život. Zajednica cirkadijana i spavanja intelektualno je dovoljno bogata da odgovori na ovaj istraživački izazov za definiranje potrebnih parametara, ali morat će bolje komunicirati među disciplinama te razviti ažurirani teorijski okvir, u koji je ključno integrirati nalaze istraživanja dnevnog svjetla, dakle stvaranje temelja za korisne primjene zajednice.

Izvor: Science Direct