夏與溪，胡 華

中南大學，湖南 長沙 410000

0 引言

隨著近年來有關光照對人體影響研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)光照對人體不僅有著視覺方面的影響，還形成了光的非視覺效應，從各方面影響著人體健康。有關健康的光環(huán)境研究在全球范圍內(nèi)受到關注，并成為近年來采光照明領域研究的熱點。兒童與青少年時期的人體處于發(fā)育的高峰期，光照對該時期人體的影響和作用是巨大的，因此文章重點介紹光照對發(fā)育期人體的影響，以期對營造兒童及青少年健康生長的光環(huán)境及其相關研究有所啟發(fā)。

1 光照對青少年兒童視力發(fā)育的影響

現(xiàn)有的研究對人眼視覺的發(fā)育及衰退過程已有了較清晰的了解。胎兒6周時視神經(jīng)開始發(fā)育，6個月時可感受外界光照強弱變化。嬰兒出生時，人眼的結構已經(jīng)成形，但還需依靠外界的視覺刺激來完成復雜的視覺功能發(fā)育。

近年來的醫(yī)學研究表明，陽光中所攜帶的短波長藍光能夠促進眼球的發(fā)育。人在嬰幼兒時期眼球中的晶狀體未徹底發(fā)育成形，此時藍光較成年人更容易穿過嬰幼兒晶狀體抵達視網(wǎng)膜并加快黃斑區(qū)細胞的氧化，從而致使病變。因此，人在短波藍光中的暴露應該有一個適度區(qū)間，既保證正常發(fā)育的需要，又要避免過度暴露致病。

現(xiàn)代流行病學認為環(huán)境、遺傳、營養(yǎng)是導致少兒近視的主要原因，而光照是環(huán)境中不可忽視的重要因素。French等[1]的研究表明，自然光能夠促使視網(wǎng)膜分泌多巴胺，有利于瞳孔收縮和調(diào)節(jié)視覺壓力，抑制眼球的軸向發(fā)展，從而降低近視發(fā)生的概率。此外，兒童睡眠時間不足會導致自主神經(jīng)功能紊亂，干擾眼睫狀肌的正常調(diào)節(jié)功能，從而導致形成近視眼。

由此可見，視力的成形、發(fā)育離不開光信號刺激，科學健康的光環(huán)境對于兒童及青少年視力正常發(fā)育、預防近視和延緩近視加深有著非常重要的意義。

2 光照對青少年兒童色覺的影響

色覺是人眼的視功能之一，正常人眼可辨別波長在390～780 nm之間的可見光，對綠光靈敏度最高，對紅光較低。

視網(wǎng)膜上存在三種用于感知顏色的視錐細胞，即L型視錐細胞（L-cone）、M型視錐細胞（M-cone）和S型視錐細胞（S-cone），分別對應著長、中、短波長的光。每種視錐細胞都對某一個特定波長的顏色異常敏感，這是由于每種視錐細胞內(nèi)部有著不同的色素，色素的不同導致吸收的光譜區(qū)域不一樣。一般來說，S型視錐細胞中含有的藍敏素對波長420 nm的光線最為敏感，M型視錐細胞中含有的綠敏素對530 nm的波長最為敏感，而L型視錐細胞中含有的紅敏素對560 nm的波長最為敏感，三種視錐細胞的反應波峰和對應波長顏色如圖1所示。

圖1 三種視錐細胞的反應波峰和對應波長顏色

目前對動物進行的單色光試驗揭示了單色光對色覺的影響。錢一峰[2]的研究成果表明，長期采用某一單色光對小鼠進行照明，會對其特定視錐細胞數(shù)量、分布密度產(chǎn)生影響。劉睿等[3-4]的研究表明，恒河猴和豚鼠色覺通路的信號對比會因單色光照明發(fā)生變化，并對其光譜敏感曲線的振幅和峰值都造成影響。Min[5]采用單色光對豚鼠視網(wǎng)膜上視錐細胞及視蛋白表達的影響研究，發(fā)現(xiàn)豚鼠色覺系統(tǒng)能夠隨著單色光的變化而發(fā)生代償性反應。

熒光燈光譜為連續(xù)光譜上的線狀譜，如圖2所示，主要波長為405 nm、436 nm、456 nm和577 nm，缺少長波紅色光波段。缺少長波的熒光燈對視網(wǎng)膜上L型視錐細胞刺激較少，會對紅-綠通路（L/M通路）、藍-黃通路（S/L+M通路）和亮度通路（L+M）產(chǎn)生影響，從而表現(xiàn)為色覺異常。

圖2 熒光燈光譜

近年普遍采用的LED燈的光譜一般有兩個以上峰值，如圖3所示，藍光（400～480 nm）為主要波長組成部分，而其他的波長范圍相對輻射強度很低。因此LED光源的光譜也是分布于輻射強度較低的連續(xù)光譜上的線狀譜，光譜中藍光所占比例較高，應注意其產(chǎn)生的不利健康影響。

圖3 LED燈光譜

由以上研究可知，單色光、熒光燈以及LED燈等人工照明方式對色覺均有不同程度的影響，尤以藍光（400～480 nm）為主要波長的高色溫LED燈對視網(wǎng)膜黃斑區(qū)可產(chǎn)生較嚴重的損害作用。

3 光照對青少年兒童腦波節(jié)律的影響

在進化過程中，生物發(fā)育并分化出了生物鐘來協(xié)調(diào)晝夜節(jié)律。目前認為哺乳動物的大部分行為及生理現(xiàn)象具有內(nèi)源性晝夜節(jié)律，如睡眠時間、體溫、心跳、血壓、免疫力和內(nèi)分泌等。2017年，美國科學家發(fā)現(xiàn)“控制晝夜節(jié)律的分子機制”。根據(jù)Berson[6]的研究，影響哺乳動物調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的感光細胞是除視桿細胞和視錐細胞以外的第三種細胞——視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)感光細胞（ipRGCs）。光照向大腦中的生物鐘結構發(fā)送信號的大致過程為，光入射到視網(wǎng)膜后，光信號被ipRGCs接收并產(chǎn)生生物電信號，該信號沿著視網(wǎng)膜下丘腦束（RHT）向上傳遞到下丘腦視交叉上核（SCN）和下丘腦室旁核（PVN），最后到達松果體（pineal gland），刺激和調(diào)節(jié)褪黑激素（MLT）的分泌，從而影響生理和行為的節(jié)律。光的非視覺效應神經(jīng)通路如圖4所示。這一發(fā)現(xiàn)證實了光照參與人體內(nèi)分泌調(diào)節(jié)，且盲人也能發(fā)生同樣的現(xiàn)象，表明該光照引起的節(jié)律漂移為光的非視覺效應。

圖4 光的非視覺效應神經(jīng)通路示意圖

褪黑激素的分泌具有明顯的晝夜節(jié)律性，在目前研究的脊椎動物中，褪黑激素在夜間的分泌量都顯著高于日間，但夜間的光照刺激能抑制其分泌。Sega等[7]的研究表明光照刺激除了影響松果體產(chǎn)生和分泌褪黑素，還會對褪黑素產(chǎn)生急性抑制作用。

充分的光照能改變睡眠節(jié)律，該節(jié)律對人體以及其他哺乳動物大腦功能所產(chǎn)生的最直接的影響就是睡眠/覺醒的晝夜節(jié)律。人的內(nèi)源性節(jié)律約25 h，當人在無光照的情況下生活2周，睡眠/覺醒的時間就會與外界白天黑夜的時間相反；重新生活在24 h的光照節(jié)律下時，生物鐘會跟隨光照環(huán)境節(jié)律重新調(diào)定為24 h。

目前工程上使用較多的非視覺效應評判方法多為簡化版Lucas模型，褪黑素抑制光譜敏感曲線M(λ)和視覺光譜敏感曲線V(λ)如圖5所示。褪黑素抑制光譜敏感度較高的波長范圍在446～488 nm，波長為464 nm藍光時敏感度最高，說明藍綠光對褪黑素抑制作用較強。

圖5 褪黑素抑制視覺光譜敏感曲線

因此，科學健康的光環(huán)境不僅有助于兒童及青少年形成正常的晝夜節(jié)律和養(yǎng)成良好的睡眠習慣，還能對其正常的生長發(fā)育和腫瘤預防起到非常重要的促進作用。

東川的綠色之變是云南綠色發(fā)展的一個小小縮影。從理念到行動，在云嶺大地上綠色發(fā)展日益成為與傳統(tǒng)工業(yè)化增長模式相競爭并獲勝的另一種發(fā)展模式，成為消費升級的新動能、創(chuàng)新驅動的新動能和經(jīng)濟增長的新動能。

4 光照對青少年兒童骨骼發(fā)育的影響

維生素D對骨骼的生長和發(fā)育起著重要作用。若缺少維生素D，在兒童和青少年身上主要表現(xiàn)為牙齒萌出延遲和低血鈣，骨骼生長也將會受到影響，如出現(xiàn)骨質變軟、佝僂病、骨骼畸形等情況，還會影響神經(jīng)、造血、免疫等的功能。人體獲取維生素D的主要方法有兩種，一種是經(jīng)由飲食攝取，如食用動物肝臟、魚肝油、雞蛋等可獲取維生素D；另一種是最主要的方式，即通過自然光照射獲取，皮膚中的膽固醇在紫外線的照射下能在皮膚表面合成維生素D，并被直接吸收到血液中。人體所需的維生素D有90%以上通過自身合成[8]。

王淑榮等[8]在對日光中紫外線照射與維生素D代謝的關系的研究中發(fā)現(xiàn)，適量的日光照射（1/4最小紅斑量）能避免人體因維生素D缺乏導致的骨骼畸形和佝僂病。孫要武等[9]在人工太陽光源（280～320 nm）預防兒童佝僂病的生物學效應試驗研究中得出，兒童冬季每天接受人工太陽光源照射3 h可有效防止佝僂病發(fā)生且能提高人體抵抗力。王莉娟等[10]在中波紫外線照射前后老年性骨質疏松癥血清中維生素D2、D3的測定試驗中得知，被試者經(jīng)過中波紫外線（UVB，275～320 nm）照射后血清中維生素D2、D3的含量顯著增加，說明中波紫外線的照射對治療老年骨質疏松癥有積極作用。連星燁等[11]在不同地區(qū)光照量與人體維生素D水平及骨密度之間的關系研究中發(fā)現(xiàn)，平原地區(qū)人群的骨密度與其所在地域的日照量呈正相關，日光中紫外線的強度及劑量與骨質疏松癥的發(fā)生密切相關。

預防佝僂病和維生素D缺乏所需要的日光照射量需要根據(jù)不同情況來看，如要考慮日光照射的季節(jié)、時間、太陽高度角、空氣污染、云層等環(huán)境因素的差異；同時個體差異的不同也使人體所需的日光照射時間有較大差異，如年齡、皮膚色素、衣著、防曬劑的使用等差異會使皮膚合成所需維生素D的時間及效率產(chǎn)生較大偏差[12]。美國有報道，全身只包裹一塊尿布的白人嬰兒每周只需30 min的日光照射即可，只有臉和手部皮膚暴露的白人嬰兒每周也只需2 h的日照，但對于黑人嬰兒而言，其需要的日光照射量可能是白人嬰兒的6倍。

適量的紫外線照射對人體骨骼發(fā)育至關重要，但是過多的紫外線暴露不僅不能使人體持久產(chǎn)生維生素D，還會增加皮膚腫瘤的患病概率。趙平等[13]進行的紫外線照射前后抗佝僂病作用的時間-效應關系的試驗研究表明，超過合成維生素D的最佳劑量（1/4最小紅斑量）后過量照射無增強作用。Wharton等[14]的研究也表明避免過量日光照射能減少皮膚癌的發(fā)生概率。根據(jù)流行病學結果，也間接證明了接受日光照射的年齡越小，皮膚癌發(fā)生的危險性越大，甚至比一生中日光照射的總量更為重要。

因此，良好且適當?shù)墓庹諘和扒嗌倌杲】档墓趋腊l(fā)育有至關重要的促進作用，但過量的自然光照射也會給人體帶來危害。由此可知，一定的戶外活動是必要的，但也需避免日光暴曬，日照量過大時應做好防曬措施。

5 光照對青少年兒童心理健康的影響

目前心理學研究成果表明，兒童及青少年對光照環(huán)境極其敏感，光照作用于兒童和青少年心理的影響包括情緒、認知、行為等，這種影響是通過照度/亮度、顯色性、色溫、色彩、照明方式、光源位置等指標和因素綜合作用實現(xiàn)的。

過暗或者過亮的照明都會使人產(chǎn)生負面情緒，照明的強度（照度/亮度）與情緒之間呈倒U型曲線，合理的光照強度才能給人舒適的體驗。人暴露于過于明亮的光照下時不僅不能改善情緒體驗，反而會產(chǎn)生更多不安、急躁、焦慮等負面情緒。長期光照不足的情況下，血清素（調(diào)節(jié)睡眠、情緒、焦慮、沖動控制、食欲和性行為的重要神經(jīng)介質之一）可能會過度轉化為褪黑激素，導致血清素缺乏，而血清素缺乏癥是導致情緒紊亂的主要原因之一，包括輕度的神經(jīng)衰弱以及嚴重的精神失常。目前，光療法作為一種干預治療手段用于醫(yī)學治療，劑量通常是每日2 500 lx持續(xù)2～4 h，或每日l0 000 lx持續(xù)30 min[15]。適當?shù)墓獐熌軌驇椭拱喙ぷ魅藛T更好地適應晝夜顛倒的節(jié)律，并改善其睡眠和情緒體驗，同時是應對季節(jié)性情感障礙（SAD）的一種成熟方案。

色彩、色溫與情緒有著直接關聯(lián)。在暖白光（3 000 K）照明條件下，兒童會感到放松，并能夠安靜下來；中性光（4 000 K）和冷白光（6 000 K）能使兒童注意力集中和頭腦清醒，顯色性差的冷白光則會使人感到冰冷和過于嚴肅，并使其產(chǎn)生沮喪的情緒。不同色彩會給人帶來不同情緒：紅色帶來緊張感，適宜運動場所；粉色可在短時間內(nèi)帶來平靜感，長時間則會使人焦慮不安；黃色能在短時間促進記憶，長期則易使人感到憤怒與沮喪；橙色促進人際交流；藍色令人產(chǎn)生睡意，也是短時記憶準確度最高的色彩環(huán)境；長期的紫色環(huán)境會使人沮喪；綠色使人感到平靜，是視覺空間中集中注意力最迅速和最準確的色彩環(huán)境，可提高兒童及青少年的閱讀速度和理解能力。局部彩色光的應用在短時間內(nèi)會吸引人的注意力，但長時間的彩色光環(huán)境不僅會影響兒童和青少年視力的正常發(fā)育，還會引發(fā)其煩躁、易怒等負面情緒。

照明方式也會給人的情緒造成影響。若空間頂部的亮度遠低于地面的亮度，會讓人感覺到壓抑，可采用間接照明或半直接半間接照明以消除亮度分布不均的現(xiàn)象。例如，在一些層高較高的空間采用洗墻燈照亮頂部結構，或采用上下出光的照明燈具等。Barnitt[16]在2005年關于學校內(nèi)照明方式的選擇與學習成績之間相關性的研究表明，優(yōu)秀的人工照明應該是45%的上照光+55%的下照光，此類型的混合型照明方式從長遠來看能顯著提高學生的學業(yè)水平。

光源位置也會影響情緒，這與太陽的位置變化有關：早晚太陽的位置較低且色溫也較低，令人精神放松；而中午太陽的高位置和高色溫使人更易集中精力。光源位置越高，緊張感越強烈；光源位置低則令人感覺松弛。因此在一些小范圍的兒童及青少年活動的場所，適當?shù)夭捎靡恍┑蜕珳?、低位置照明可以緩解兒童及青少年的緊張情緒，使其放松心情；而在需要提高學習效率的空間采用頂部照明的方式會更利于其完成學習任務。

6 光照對青少年兒童學習效率的影響

針對光照對學習效率的影響，國內(nèi)已經(jīng)開展了一系列的研究。例如，林丹丹等[17]用不同色溫及照度的熒光燈對參與試驗的學生進行照射，研究對比了不同光照環(huán)境下參與者的主觀評價、工作績效及視疲勞程度的區(qū)別，結果表明高照度水平（300～750 lx）更有利于提高兒童及青少年視覺活動的效率，且能有效延緩中小學生的視覺疲勞，減輕疲勞程度，從而提高其學習效率。重慶大學的黃海靜[18]在三種色溫熒光燈（2 700 K、4 000 K、6 500 K）的照明環(huán)境下研究學生完成視覺作業(yè)的校對工作能力，繪制出了3項能力的指數(shù)（IMC）分析圖并得出結論，在300 lx照度，中、高色溫（4 000 K、6 500 K）的環(huán)境下，學生的學習效率更高，并提出教室照度標準值可從300 lx提高到500～750 lx。Yan 等[19]在光源色溫對腦波節(jié)律及學習效率的影響研究中證明熒光燈的光譜、光強與學生視覺心理、視疲勞、學習效率等因素密切相關，并建立了“光譜/光強度-生理節(jié)律-學習效率模型”，顯示4 000 K左右的中色溫燈適合作為主光源，6 500 K色溫不宜被用作教室照明，并在此基礎上進一步測試了不同色溫、照度下學生腦波節(jié)律的變化，得到“在試驗研究的照度、色溫范圍內(nèi)，照度和色溫的增大可以增加大腦皮層的興奮性，但學習效率與光環(huán)境中的照度和色溫的增加成負向運動”的結論。

外國的研究者也針對光照對學習效率的影響做了大量研究，如Benya[20]早在2001年發(fā)表的《學校照明（Lighting for Schools）》中表明，教室中有天然采光的學生比教室中無天然采光的學生的計算和閱讀理解能力高出20%以上。Gentile等[21]的研究表明，500 1x照度的光環(huán)境下小學生的計算、作文和閱讀方面的成績均高于300 1x照度的標準照明環(huán)境下的小學生。日本千葉大學的Shi等[22]的試驗發(fā)現(xiàn)，照明光色溫在3 000 K時大腦活性相對最低，但對運動后體力恢復和放松有利；5 000 K時最有活力，最適宜運動，舒適度最高；7 000 K時腦波活性最強，但疲勞消除得最慢，疲倦感最強。

以上研究結果表明，提高照度有利于提高學習效率，但單純提高教室照明中的色溫對提高學習效率無顯著作用[23]，且無論是熒光燈還是LED燈，高色溫光環(huán)境均會加重學生的視疲勞及腦疲勞，因此不應作為教室照明的主光源。教室照明環(huán)境的設置應考慮“時間累積”效應、學習的長期性及高負荷性，以及視疲勞、腦疲勞、心理活動等多方面因素的綜合影響來選擇最合適的照明方案。

筆者從各研究數(shù)據(jù)中綜合發(fā)現(xiàn)，照度為500～750 lx，色溫在4 000 K左右的中色溫光且采用半直接型照明方式（45%的上照光+55%的下照光，或將房間頂部亮度與作業(yè)面亮度形成此比例關系）的光照是最適合兒童學習和發(fā)展認知能力的光環(huán)境，可促進兒童取得理想的學習成績。并且可以在兒童及青少年進行學習和活動的空間，通過控制系統(tǒng)，按照其注意力規(guī)律進行色溫和明暗的調(diào)節(jié)，從而幫助使用者在放松狀態(tài)（低照度、低色溫）和學習狀態(tài)（高照度、中高色溫）之間進行相互調(diào)節(jié)，這將更有利于提高兒童及青少年的學習效率。

7 結論

健康的光環(huán)境不僅在視覺效應方面對兒童及青少年預防近視發(fā)生，延緩近視加深和預防色覺發(fā)育異常、色覺損傷等方面有著非常重要的意義，還對其正常的生長發(fā)育和腫瘤的預防起到非常重要的積極作用，同時，適當?shù)淖贤饩€照射對兒童及青少年骨骼的發(fā)育至關重要，但過量的紫外線照射則會增加其皮膚腫瘤的患病率。除此以外，光環(huán)境還能對兒童及青少年的情緒及學習效率產(chǎn)生較大影響。

因此，健康合理的光環(huán)境對兒童及青少年的健康生長發(fā)育有著十分重要的影響。現(xiàn)有的采光設計標準是根據(jù)工作環(huán)境的視覺需要，以滿足基本工作視覺清晰度為主要評價方式的，在光與健康方面的關聯(lián)還不夠緊密，文章旨在推進兒童及青少年使用空間中基于健康的光環(huán)境設計方法的發(fā)展。兒童及青少年使用空間的光環(huán)境除滿足基本視看要求外，還應該考慮該年齡段人群的特殊需要，強調(diào)光健康概念在光環(huán)境設計中的作用能使其使用空間的光環(huán)境設計方法更有利于兒童及青少年健康生長發(fā)育。