光对人生理心理的影响和幽闭环境中的光策略

王 伟，刘 红

（北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京100191）

1 引言

光是人类赖以生存的必须条件，人类在进化的过程中形成了许多适应光环境的机制，生理和心理都会受到光环境的显著影响。光对人的生理作用是主要通过神经系统影响生理功能，例如生物节律、免疫力等［1⁃2］。 光也能直接影响人的心理，不同的光源、照度、色温对人的心理影响不同［3⁃5］。

幽闭环境由于缺乏自然光照射，容易导致视觉舒适度降低、生理功能紊乱，从而产生心理疾病［6⁃7］。 在空间站、航天器、舰艇等特殊密闭空间中，乘员长期处于单一光源下，工作人员的生物节律容易紊乱、记忆力下降、舒适感降低、易疲劳、工作效率降低［8］。由于缺少日光照射，人体健康面临维生素D缺乏、新陈代谢紊乱、免疫力下降等问题［9］，对其工作能力和生活状况产生重要影响。因此，提供科学的照明环境尤为重要。

本文综合分析国内外的相关研究结果，阐述光环境对人的生理和心理健康的影响，并针对幽闭环境中的光环境提出光设计策略，为进一步深入开展研究提供参考。

2 光对人生理健康的影响

2.1 光对人体褪黑素的影响

人眼通过视秆细胞和视椎细胞进行明视觉和暗视觉体验。美国科学家Berson等人［10］发现了一种新的感光细胞——视网膜特化感光神经节细胞（Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cells，ipRGCs），可直接作用于下丘脑的松果体，影响褪黑素的分泌，而褪黑素对人体衰老、睡眠、抗癌等有着广泛的影响［11⁃12］。

松果体产生的褪黑素会随光周期变化出现昼少夜多的节律性波动，这种节律性波动具有稳定的特性，褪黑素的这种昼夜节律性变动也可以在血液、脑脊液和尿液中观察到，并且不受生活方式支配［13］。研究者们认为采用不当的光源，会影响褪黑素的分泌，从而影响人体的生理功能，导致中枢神经系统功能失调甚至可能扰乱身体的自然平衡［14］。已有研究表明褪黑素的分泌对动物的食欲产生重要影响，如Piccinetti等［15］证明了外源性褪黑素可刺激斑马鱼瘦素和黑色素受体（MC4R）的表达，并通过降低生长素释放肽、神经肽 Y（NPY）、大麻素1型受体CB1的表达，来控制对食物的摄取欲。

目前也有学者研究调查了光在人体调节食欲的效果，与食欲相关的瘦素［16］、胃促生长素［17］都与光相关，而光对褪黑素的分泌以及褪黑素参与动物食欲控制也已被报道，如萨里大学AlBreiki等［18］进行了分组实验，10名健康被试者（5名男性和5名女性）随机交叉设计实验。昏暗条件（＜5 lux）和强光条件（＞500 lux），分组测试至少7天。每阶段从18点到次日6点完成，参与者喝等热量的和含咖啡因的晚餐（1066 kcal，38 g蛋白质，104 g总胆固醇、54 g脂肪和7 g纤维素）。基于参与者的连续48 g的尿液收集获得的褪黑素分泌情况（昏暗条件下褪黑素水平），进餐时间被个体化。餐后5 h进行食欲监测，包括3项参数报道：饥饿感、饱腹感和预期食物消耗。

如图1、图2所示，昏暗环境下人的饥饿感和摄食欲是降低的。这为一些激素包括瘦素、胃促生长素对食欲控制的影响提供了更多的研究信息。这一结果也支持了褪黑素在昏暗环境下降低人的食欲的观点。光环境对人的食欲的影响目前的研究很少，还需更多研究证实以上结论。

图1 饥饿率对比结果［18］Fig.1 Comparison of hunger rating［18］

图2 摄食欲对比结果［18］Fig.2 Comparison of appetite［18］

2.2 照度、色温对人的视觉影响

2.2.1 照度对人的视觉影响

当人从明亮的地方走进黑暗的地方，光线变化使得眼睛什么也看不见，需要一段时间后，视网膜的敏感度才逐渐增高，并能逐渐看清黑暗处的物体，这就是暗适应。由暗处到亮处，特别是强光下，最初会感到光线刺眼，几乎看不清外界事物，几秒钟之后逐渐看清物体，这个过程称为明适应。

由于视锥细胞明适应的过程非常迅速，使得明适应时间很短，大概几秒就能完成。而暗适应的反应时间较长，大约需要30 min。在幽闭环境中，例如隧道照明中尤其明显［19］，当驾驶员白天进入隧道时，隧道的灯光条件没有外面明亮，驾驶员视线受到光线干扰，产生暗适应现象。而如果隧道照明条件不合理，容易发生安全事故。

不同照度下，视敏度随照度递增而升高，而不同性别在相同照度下视敏度并无显著差别。李道芝［20］在200～400 lux照度下测定男女学生的视力（表1），结果显示视敏度有显著上升，而在400 lux以上，随着照度提高而视敏度的上升较慢，无显著差异。

表1 不同照度下男女学生的视力均值［20］Table 1 The average visual acuity of male and female students under different illumination［20］

研究表明，冬季房间照明除了适当调节灯光冷暖外，适当提高室内光环境的照度有助于治疗季节性情绪障碍（Seasonal Affective Disorder，SAD）疾病［21］。因此建议幽闭环境中的照明条件应适当依据不同季节采用动态的照明方案，特别是我国北方冬天家庭照明可由平均的100 lux提高到200 lux，或将有助于改善北方冬季由于缺乏户外光照产生的抑郁症状。

强照度水平可用来作为治疗季节性抑郁障碍的光疗手段，研究者们针对光疗中的光照强度做了研究。Kripke等［22］研究认为用2000～3000 lux的强度光照2～3 h对非季节性重度抑郁症患者有积极的治疗效果。也有研究利用10 000 lux高强度光照分别进行90 min治疗，抑郁得分相比之前降低一半［23］。同时，照度强度变化对人的视觉反应及心理感受程度有不同程度的影响。孙立晔等［24］研究表明，黑暗环境下，被照物体随着照度的降低，人的视觉及心理感受的满意程度都会降低。另外，不同的照度水平对人的情绪影响存在性别差异。Laurentin对20名学生在不同的光环境下的热舒适、作业面视觉舒适、光环境的舒适度方面进行研究［25］，得到的结果是：女性对环境的感受更加敏感，当温度不可接受时，照明环境也难以接受；在高照度灯光下，女性的负面情绪减弱，而男性的负面情绪增加；当环境温度不同时，作业面的视觉舒适感相同，而环境的明暗感觉不同，环境温度高时感觉暗，温度低时感觉亮；被试者认为自然光环境舒适的照度水平为311 lux，人工光为479 lux，混合光源为558 lux。

为了统一测量标准，国际照明委员会（CIE）提出邻近的周边照度的概念，指出作业区域和周围区域的照度以及照度分布对于人的观察、进行视觉作业的速度、安全性和舒适度有很大影响［26］。邻近周边区域的维持照度可以低于作业照度，但不应低于表2给出的数值。

表2 邻近周围区域照度参考［26］Table 2 The surrounding area illumination reference［26］

2.2.2 色温对中枢神经系统的影响

色温影响人的中枢神经系统，高色温光源能提高大脑的兴奋、集中注意、警觉和觉醒水平，能提高脑力活动能力，对脑力负荷是有利的；但是高色温对脑力负荷后的疲劳恢复又是不利的，晚上长时间处于高色温光源下，会影响人在夜间的睡眠质量，使睡眠慢波周期的时间缩短［27］。

Yasukouchi等［28］通过实验发现，色温对人的昼夜节律、皮层的觉醒水平、自主神经张力、运动功能等都有显著影响。Noguchi等［29］在色温分别为3000 K和5000 K光照条件下的人体枕叶脑电图进行了功率谱分析，结果表明在5000 K下，人脑的α波衰减系数比3000 K下明显大得多，表明在高色温下，大脑皮层的活性比低色温时高得多。Kozaki等［30］研究了不同色温对睡眠质量的影响，发现在睡眠前数小时内处于高色温光照下，慢波睡眠的时间比在低色温下有明显的缩短，会影响人的睡眠质量。 Rong⁃Hwa等［31］对被试者进行相关色温检查和楚氏注意力测试来测量注意力集中度，结果表明在4300 K条件下，被试者能更好地持续集中注意力；在设定的三个照明条件2700 K、4300 K、6500 K下，舒适度没有显著差异，而清晰度存在性别差异，男性的清晰度结果显示三个条件下无显著差异，而女性在2700 K下，清晰度显著降低。

2.3 光对人生物节律的影响

光周期能影响生物钟基因表达，调控生物节律［32］。对果蝇的研究发现了产生昼夜节律的基因［33⁃34］，称为 Period 和 Timeless，可产生 PER 蛋白和TIM蛋白，这些蛋白在早上还很少，浓度随着时间的推移增加，到晚上到达较高的水平，并产生睡意。在夜间不再产生PER蛋白和TIM蛋白，浓度会逐渐回落。光可激活Cry基因的蛋白质产物并促进其与TIM蛋白的结合（图3），导致其在蛋白酶体中的降解［35⁃36］。 同时，夜间的一束灯光能阻断TIM蛋白，从而提高觉醒水平、重置昼夜节律［37］。到早晨，TIM蛋白被降解，使PER蛋白容易被DBT磷酸化并随后降解，当TIM蛋白和PER蛋白的浓度大幅度降低时，觉醒再度出现，基因也重新激活。

图3 Period基因反馈调节示意图Fig.3 Schematic diagram of feedback regulation of Period gene

在哺乳动物中，光线能够影响PER蛋白和TIM蛋白的产生，从而增强视上核中某些神经元的活动。Period基因的一种突变已经在人类中发现，这种基因突变人群昼夜节律快于24 h，晚上睡得很早，早晨醒得很早，而研究表明大多数患有这种睡眠障碍的人受到抑郁症的困扰［38⁃39］。

褪黑素是目前用来研究昼夜节律的常用生物标记物［40⁃41］。 研究表明，夜间光照会显著影响血浆褪黑素浓度，同时改变人体昼夜节律起搏阶段［42］。而不同波长的光对褪黑素分泌也有不同的作用效果，Pandi⁃Perumal等［43］研究表明，光的波长会对褪黑素分泌有不同程度的抑制作用，蓝绿色LED的抑制作用最高达70%，接下来是标准灯箱，可以达到65%的抑制作用，最后是白光LED，有50%的抑制作用。结果还显示2小时蓝绿色LED光照会导致生物节律延迟20分钟。日本学者登仓寻宝［44］发现白炽灯和红色荧光灯对褪黑素的抑制能力较弱，容易进入较深的睡眠（睡眠中体温温差变化较大）。而绿色和蓝色对褪黑素分泌的抑制能力较强，达到较浅的睡眠深度（睡眠中体温温差变化较小）。Brainard等人研究表明500 nm蓝绿光对褪黑素分泌影响最大［45］，这一结论在科学研究中被广泛使用。

3 环境光对人的心理健康的影响

3.1 光影响心理健康的途径

光对心理健康的影响可能通过多种生理因素中介，有研究发现皮肤细胞在光照下会产生阿片类物质，血液中的阿片类物质升高有助于改善情绪体验［46］。由于光照能影响视交叉上核，而这里是调节褪黑激素分泌的昼夜节律中枢［47］，因此光照（尤其是夜间）能够通过影响生物节律来影响心理健康。褪黑激素分泌对短波光敏感［48］，褪黑素可通过影响睡眠或者生物钟，从而间接对情绪和认知产生影响［49］。另外，光照也可直接对心理健康产生影响。例如照度变化能让人对空间冷暖的感知发生改变，特殊的光色也可能具有独特的心理效应［50］。

3.2 光对人情绪的影响

心理健康问题往往导致情绪问题，因此情绪是心理健康的重要评估成分。瑞典学者Küller R等在自然光条件下发现光照能够影响人的情绪［51］。他们还发现照明强度与情绪之间是倒U型曲线，认为光照强度刚好适宜时，情绪状态最好；过暗或者过亮的光强度都会损害情绪体验。而中科院心理研究所也有相同的实验结果，他们发现［52］：研究者给老年被试者施加过于明亮的光照，发现不仅没有改善老年人的情绪体验，反而使他们产生了更多急躁、焦虑、不安等负面情绪。照明对情绪的影响还受到一些因素的调节作用。有研究者提出照明对情绪的影响可以按照时间分为初始效应和长时效应［53］：在光照的最初5 min，照明与感觉寻求有关，色温与敌意有关；光照30 min之后，性别、照度和色温之间才开始出现交互作用。其中，年龄也是重要的考虑因素，年轻人在冷光照射下完成90 min的认知任务后，负性情绪显著升高，但是暖光照射条件下，则较少产生负性情绪；老年人的结果恰好相反，暖光照射下长时间认知任务后负性情绪升高，冷光照射下则没有这种效应；研究者认为这是由于年龄变化，不同光色的情绪意义发生改变。

3.3 光疗

鉴于褪黑素对人情绪产生一定影响，目前多项研究表明［11⁃12，48，54］，褪黑素对于短波段光的敏感性高于峰值处于长波处的光，即短波长光对褪黑素分泌具有明显的抑制作用。可以考虑通过光疗法来治疗人情绪方面的疾病，如抑郁症、狂躁症等［55］。

在高纬度国家或地区，冬季太阳光照不足，易出现“季节性情绪障碍”（SAD），具体症状为：情绪低落、易激惹、易疲劳无力、嗜睡、糖代谢增加等［56］。研究认为SAD主要是因为日光摄取量减少引起体内激素分泌变化而引起的生物节律紊乱［57］。在北欧接近极圈的地域，极昼极夜现象明显，光照节律不同于正常自然节律还有人出现“冬日抑郁症”［56］，因此亟需科学的室内光环境设计来进行情绪调节。

已有研究结果表明，光疗对患有阿尔兹海默疾病的老年人可以起到缓解病情的作用，并对用于老年人的照明环境指标提出了一些建议［58］：老年人在白天应接受包含短波较多的高照度照明环境，但在晚上应低于100 lux，同时应尽量减少短波长的含量；对于老年人居住环境，应该提供模拟自然光变换的动态24 h照明。

不论是自然光还是人工光，光对情绪的影响作用是肯定的。光照影响情绪的变化，又受到性别、年龄等因素的调解，并在不同时程上有不同特点。研究者发现光疗对于季节性和非季节性情感障碍都有很好的效果，光疗作为一种物理疗法，具有安全、方便、副作用小等优点，对于治疗情感障碍前景十分广阔［59］。

4 特殊环境下光环境对人的生理和心理的影响

4.1 航空航天航海光环境对乘员生理心理的影响

在航空飞行领域，安全飞行所需要的信息中，大约90%需要飞行员有良好的视觉系统［60］。在FAA的报告中提到，21%的飞行事故是由于低光照导致的［61］。不论是光照过低还是过高，不合理的照明都极易引起驾驶员疲劳，使“人为差错率”升高。所以，科学的照明方案，尤其是选择合适的照度、色温，对飞行安全有非常重要的意义和参考价值。

在美国的天空实验室任务、航天飞机任务和俄罗斯的和平号任务中，多导睡眠监测显示航天员平均睡眠时长较短，睡眠的昼夜节律和幅度发生改变，这种改变的机制可能与光暗循环的周期设置有关［62⁃63］。 NASA 分别为期 16 天和 10 天的 STS⁃90任务和STS⁃95任务中，航天员在飞行甲板、实验舱和中层甲板三个舱之间穿梭，而三个舱光强设置不同，飞行甲板最高达到80 000 lux，其他两个舱最高值为93 lux和171 lux［64］。这项研究结果表明航天员的昼夜节律紊乱、睡眠缺失，而环境光被认为是昼夜节律改变的“起搏器”，昼夜节律异常降低了体温节律变化幅度，改变了体温记录波形，延迟了飞行中的皮质醇分泌，使神经行为学表现受到负面影响。

航海领域的潜艇舱室光环境直接影响艇员的健康状况，根据余浩等对长航潜艇艇员的神经行为监测［8，65］，影响主要表现在视觉简单反应时明显延长，联想记忆能力有所下降。由于艇员长期水下生活，2个月始终处于视野狭小的舱室内，没有自然光的照明，眼睛的调节适应能力受到了一定的影响，出艇后容易疲劳。长期处于单一人工光源下，艇员的生物钟节律会发生改变，为此国外的核潜艇设计已经将光环境设计作为潜艇适居性的重要考虑因素。美国和法国的核潜艇采用了营造白天和夜晚交替的光照环境，在傍晚时刻，利用浅红色光模拟黄昏至黑夜的自然现象；早晨日升时刻，开始将灯光逐渐调亮，营造晨曦感觉；潜艇舱内景观设计也注意色彩和亮度的使用，多采用浅色、亮色系调节乘员心情。俄罗斯核潜艇休息室设计了自然景观窗，营造纵深开阔的视觉效果，以提高舱室适居性［66］。

目前，航空航天飞行器、潜艇光源多采用荧光灯照明，而荧光灯光线较强、启动较慢、易闪烁、随交流电变化，容易造成视觉疲劳。随着LED技术的发展，LED光源具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，被广泛应用于智慧照明方案，其优良特征在航空航天航海领域有很好的应用前景。

航空航天航海领域的光环境研究因航行任务的复杂性，较难开展研究。而地面特殊的低压、缺氧环境以及隧道驾驶等因其环境条件与航行过程中的部分相似性，可作为特殊环境中光对人体生理心理影响的参考。

4.2 低压、缺氧环境下光对人体生理心理的影响

研究者们针对低压、缺氧环境研究光对机体生理及心理的影响，发现低压环境下受试者视力随压力降低、照度增加而升高；受试者心率均随压力降低而升高，血压则为无明显变化规律［67］。新疆军区高山病研究所对高原低氧环境做研究调查发现：高原低氧环境会影响色觉功能和先觉敏感度；并且随着海拔升高，高原色觉与光觉也有变化，视觉延长明显；另外，高原缺氧影响人体视觉机能，研究发现在海拔4300 m时，夜间视力明显受损，并且不会因为人体的代偿反应或降低海拔高度而改善［68］。

4.3 隧道光对人体生理心理的影响

隧道是一个极其特殊的道路交通环境，其环境特点为：空间相对狭小、纵深较长、封闭性强、隧道内外的光线差别较大、隧道内亮度水平低且烟尘扩散较慢［69］。在这种光环境下会产生恐惧、烦躁、压抑以及视觉疲劳等不良的生理、心理反应，驾驶员在行车过程中，受到这些不良反应的长时间影响，会增加生理、心理负荷，对行车安全是相当不利的，极易引起交通事故。驾驶员初次进入公路隧道，认知能力较差，并进行持续的视觉探索，使得视觉负荷增加，也增加了紧张感［70］。眼动参数在隧道侧壁较亮的照明环境中更稳定。研究者们建议优化高速公路隧道照明环境的空间亮度分布以及入口处设开放式太阳屏幕，以达到节能安全的照明需求［71］。近年来，我国的隧道工程的景观设计中也把光环境考虑进去，提出隧道照明过渡变换的观点，但大都从节能的方向出发，而隧道光对人员的心理影响还缺乏深入量化分析，隧道光环境设计在满足动态照明的同时需要优化舒适度要求。

5 利用光技术改善幽闭环境中人的生理心理策略

空间基地、空间站、潜艇、地下和水下设施、大型客机、长期不见太阳光的地下室和无窗的生活、工作和娱乐场所，以及冬季漫长的北方地区，长期缺少太阳的自然光，容易导致各种心理和生理问题，特别是生物节律紊乱、负面情绪和工作效率低等［72⁃73］。

幽闭条件光环境的研究，不应该只局限于研究量化指标（即影响光环境的物理量），更应该研究一下光的非物理性指标［74］。光环境对人的社会行为、情绪等方面都会产生影响。在光环境中，可见度是展开视觉活动的基础，研究者们提出可以通过视觉来认识和评价环境，从色彩学、设计学角度出发，解答人在环境中的情绪以及氛围等情感反应［75］。

针对飞行器、舰艇、潜艇等海空大型设备的不同的活动场所要采用动态的照明方案，工作场所使用的光源可采用白光LED灯，利用白光模拟不同季节的日光变化，从而对人的生物节律起唤醒作用。生活区还应提供红外光源和紫外光源。紫外光源可采用波长为280 nm～315 nm的中波紫外光，对合成维生素D有促进作用，工作场所紫外辐射每日接触不得超过1 μW／cm2（14.4 mJ／cm2）［76］；红外光源可采用4μm～14μm远红外光，这个在医术界里面统称为“生育光线”［77⁃78］，对生命的生长有促进作用。

而在地面幽闭环境中可提供模拟太阳光的人工光源，为实现调节生物钟、调节新陈代谢的目的，这种光源需包含人体所需的紫外和红外光谱，并且具有不受时间、季节和气候影响、可连续或间断方式照明、总辐照度稳定且可调等特点。

目前，国内外对各项主观评价指标与光环境因素之间的定性关系研究还较少见，确定光环境对人体生理和心理变化的影响机制并确立其定性和定量关系，从而提出科学的照明方案尤为重要。

6 结语

光环境对人的生理健康的影响，主要集中在对激素分泌和对中枢神经系统的影响，而对于其他生理方面，例如食欲控制等的影响还存在很多未知因素。光环境对心理健康的影响多聚集在光照对情绪的影响上。情绪与生理关系较强，因此受光照的影响较大。心理健康的其他方面，尤其是社会性更强的方面（如人际关系）与光照的关系如何还需要进一步研究。

合理的光环境设计已经显得尤为重要，目前动态照明、智慧照明方案的提出优化了人工照明条件，但目前动态照明、智慧照明方案大多应用在高消费场所或者商业化地段以及大规模的城市建设规划中，并且成本相对较高，在特殊生存环境中更是缺乏系统的智慧照明体系。在缺乏自然光照射的特殊空间中，照明方案不仅要满足生理和心理方面的需求，还需针对季节、年龄、性别、健康状况、文化及地域的差异等具体问题进行更精确的设计，使得光环境更加人性化、合理化。

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