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Zeitrhythmen sind in der gesamten Lebenswelt zu finden. Zirkadiane (von lateinisch circa - um, dies - Tag) oder annähernd tägliche Rhythmen wurden in der Zeitschrift Světlo bereits mehrfach erwähnt - z. B. in den Ausgaben 1 und 3/2005 oder 5 und 6/2008. Der Begriff zirkadian wurde in den 1950er Jahren von Franz Halberg eingeführt, einem der Begründer der Chronobiologie, der Wissenschaft von der zeitlichen Ordnung in der Welt der Lebewesen. Unter den tschechischen Chronobiologen ist Prof. Helena Illnerová am bekanntesten, die zusammen mit ihren Kollegen anhand eines Rattenmodells als erste in der Welt entdeckte, wie die Änderung der Beleuchtungsdauer im Wechsel der Jahreszeiten den Rhythmus der Melatoninproduktion in der Zirbeldrüse [1] und die Lichtempfindlichkeit der biologischen Uhr im suprachiasmatischen Kern des Hypothalamus [2] beeinflusst.

Im Zentralnervensystem von Säugetieren befinden sich unterhalb der Sehnervenkreuzung die suprachiasmatischen Kerne (SCN), die zentrale biologische Uhr, die unter anderem den Hormonspiegel im Blut, die Körpertemperatur sowie Schlaf und Wachsein steuert. Melatonin ist das Hormon des Schlafes und der körperlichen Regeneration. Cortisol hingegen ist das Hormon für Aktivität, Stress und Bewegung. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine Wellenform der überwachten Werte, die aus [3] entnommen wurde. Die Wellenformen für jeden Tag sind in beiden Achsen variabel. Die zentrale Uhr wird jeden Tag durch die Wirkung des Lichts angepasst, aber auch die Nahrungsaufnahme hat einen Einfluss. Ohne Anpassung würde diese Uhr bei einem jungen Menschen mit einer Periode von etwa 24 Stunden frei laufen, daher der Begriff zirkadian. Nach dieser zentralen Uhr werden die inneren Uhren der einzelnen Organe weiter synchronisiert. Der Stimulus für die Anpassung der zentralen Uhr kann Licht einer geeigneten Spektralzusammensetzung sein, von nur einem Lux für einen Zeitraum von einigen Minuten, gefolgt von einem Absinken des Melatoninspiegels im Blut.

Auswirkungen von Licht auf lebende Organismen

Diese Effekte wurden von dem deutschen Augenarzt Prof. Fritz Hollwich, Autor eines Lehrbuchs über Augenheilkunde und zahlreicher Therapien, eingehend untersucht. In seiner Habilitationsschrift von 1948 unterschied er zwischen den visuellen und den energetischen (nicht visuellen) Komponenten des Augenapparats. Er stellte fest, dass die Konzentration bestimmter Hormone und anderer Substanzen bei Patienten, die durch den Grauen Star erblindet waren, anders war als in der gesunden Bevölkerung, und er beobachtete, dass sich diese Konzentration nach einem chirurgischen Linsenaustausch wieder normalisierte, wenn die Patienten ihr Sehvermögen wiedererlangten. Er stellte auch fest, dass bestimmte Arten von Licht, ob im Übermaß, im Mangel oder bei längerer Unveränderlichkeit, schädliche Auswirkungen auf Tiere haben [4]. In den letzten Jahren hat man von einem neuen Photorezeptor gesprochen, der lichtempfindlichen retinalen Ganglienzelle (ipRGC). Bei Mäusen wurden sie bereits 1991 entdeckt, beim Menschen erst 2007. Sie enthalten den Farbstoff Melanopsin und ihre maximale Empfindlichkeit wird im Wellenlängenbereich von 450 bis 482 nm (selten auch 420 und 491 nm) angegeben, siehe Abbildung 2. Diese Zellen geben der zentralen Uhr einen Anpassungsreiz, sind am Pupillenverengungsreflex und möglicherweise an der Gestaltung der visuellen Wahrnehmung beteiligt. Sie sind in der gesamten Netzhaut zu finden, wobei sie im unteren Teil der Netzhaut häufiger anzutreffen sind. Zusammengenommen kann man sie als zirkadiane Sensoren bezeichnen. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber blauem Licht und ihrer Verteilung auf der Netzhaut werden sie auch als Blaulichtdetektor bezeichnet. Jüngste Forschungen [5] zeigen, dass sowohl der zirkadiane Sensor als auch die Zapfen an der Synchronisierung der zentralen Uhr beteiligt sind und darüber hinaus die Belichtungszeit eine Rolle spielt. Der Vergleich von Schmalbandstrahlung der dominanten Wellenlängen 460 und 555 nm hat gezeigt, dass ihre Wirkung auf den Melatoninabfall zunächst etwa gleich groß ist, bei grünem Licht aber innerhalb von 90 Minuten fast verschwindet, während die Wirkung bei blauem Licht dauerhaft ist. C1(λ) beschreibt eher die Empfindlichkeit bei Langzeitexposition und C2(λ) berücksichtigt teilweise die Kurzzeitexposition. Es werden zwei Arten von Wirkungen berichtet: eine Abnahme des Melatoninspiegels und eine Phasenverschiebung der zentralen Uhr.

In der Literatur [6] und [7] wird das Design eines zirkadianen Dosimeters (Daysimeter, LuxBlick) diskutiert. Es ist ein kleines Gerät, das ähnlich wie eine Brille getragen werden kann. Als Detektoren werden zwei Photodioden verwendet - die Empfindlichkeit der ersten ist auf V(λ) und die der zweiten auf C(λ) korrigiert. Die gemessenen Beleuchtungsstärkewerte werden zusammen mit Zeitstempeln im Abstand von einigen zehn Sekunden im Speicher abgelegt. Durch die Analyse der Messwerte lässt sich feststellen, ob der Nutzer tagsüber die für das Nervensystem notwendige Lichtdosis erhält und ob er nachts nicht durch das Licht gestört wird. Kritische Bereiche können im Zeitverlauf lokalisiert und entsprechende Abhilfemaßnahmen vorgeschlagen werden. Die Ermittlung der Umstände kann durch Daten von zusätzlichen Sensoren, wie z. B. einem Beschleunigungsmesser oder einem Thermometer, erleichtert werden. Die Absenkung des Melatoninspiegels am Morgen und die Aufrechterhaltung eines niedrigen Melatoninspiegels während des Tages kann als mehr als wünschenswert angesehen werden, da sie eine Reihe von Prozessen auslöst, die zu größerer Wachsamkeit, Aktivität und Konzentration führen. Die Verbesserung des zirkadianen Empfindlichkeitsspektrums kann durch die Verwendung von Lichtquellen mit höherer Farbtemperatur erreicht werden. Nach dem Kruithof-Diagramm ist dann zu erwarten, dass die Nutzer eine höhere Beleuchtungsstärke verlangen, was z. B. durch zusätzliche lokale Leuchten erreicht werden kann. Höhere Beleuchtungsstärken und höhere Farbtemperaturen können an Arbeitsplätzen einen konkreten wirtschaftlichen Nutzen in Form von besserer Arbeitsqualität [8], geringerem Stress [4], besserer Nutzung der Arbeitszeit oder geringerem Krankenstand haben.

Melatonin ist das Hormon des Schlafes und der Regeneration des Körpers. Es "fängt" freie Radikale im Körper und vernichtet Krebszellen. Daher ist es äußerst vorteilhaft, es nachts ungestört wirken zu lassen. Gegen störendes Licht in der Nacht können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, von raffinierten Außenbeleuchtungen über Jalousien, Vorhänge und Rollläden bis hin zu roter Nachtbeleuchtung.

Weiße LEDs sind meist blaue LEDs mit einem Leuchtstoff, der das blaue Licht in gelbes Licht umwandelt und überträgt. Hier liegt auch ein gewisses Risiko, die Dunkelheit der Nacht mit LED-basierter öffentlicher Beleuchtung zu stören. Blaues Licht wird in der Atmosphäre stärker gestreut als Strahlung mit längeren Wellenlängen. Daher muss auch die Frage der Streulichtinterferenz beachtet werden.

Nach einer Veröffentlichung [9] sind LEDs mit einer niedrigen Farbtemperatur (2 600 K) in dieser Hinsicht am besten für die öffentliche Beleuchtung geeignet, aber auch hier ist der Anteil der zirkadian wirksamen Strahlung drei- bis viermal höher als bei den üblicherweise verwendeten Natriumdampfhochdrucklampen (siehe Tabelle 1).

Berechnungen und Messungen

In [10] werden zirkadiane Größen in Analogie zu photometrischen Größen eingeführt. Die Funktion V(λ) wird durch C(λ) ersetzt und die Größen erhalten den Index c. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, mit dem Konzept der zirkadianen Beleuchtungsstärke zu arbeiten. Die zirkadiane Beleuchtungsstärke kann mit einem um die relative zirkadiane Effizienz C(λ) korrigierten Luxmeter gemessen werden. Für orientierende Messungen kann die dunkelblaue Folie Lee Nr. 120 zur Korrektur verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus dem gemessenen Strahlungsflussspektrum zu berechnen oder den Umrechnungsfaktor für eine bestimmte Quelle zu ermitteln. Nach [10] kann ein circadianer Wirkungsfaktor acv eingeführt werden, der für Licht mit einer relativen Leistungsspektralzusammensetzung X(λ) nach der Beziehung (1) berechnet wird:

acv ist daher der Koeffizient für eine bestimmte Lichtquelle zur Umrechnung von photopischen Werten in zirkadiane Werte und kann zum Vergleich verschiedener Lichtquellen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Nervensystem verwendet werden.

Der Verlauf der Kurve C(λ) und der Inhalt der Fläche unter ihr sind noch nicht genau bekannt. Es ist daher angebracht, die Berechnung mit einem Koeffizienten zu versehen, der die berechneten Werte mit der aktuellen und der künftig aktualisierten C(λ)-Kurve vergleichbar macht. Der Koeffizient kann auf verschiedene Weise definiert werden, z. B. durch die Gleichheit der Flächen unter C(λ) und unter V(λ) oder durch die Gleichheit des Lichtstroms und des zirkadianen Stroms für CIE-Normlicht A (Glühlampenmodell). Die von mir zur Diskussion gestellte Variante hat den Arbeitstitel circadianer Aktivierungsindex und die Arbeitsbezeichnung Ac. Sein Wert wird für CIE D65-Licht auf 100 gesetzt und nach der Beziehung (2) berechnet:

Ac ermöglicht den Vergleich von Lichtquellen in Bezug auf ihre zirkadiane Wirkung. Als Referenzwert hat das Tageslicht einen Wert von 100. Seine Werte lassen sich für gängige Arten von Lichtquellen und Schwarzkörpertemperaturen leicht berechnen (Tabelle 1).

Neben den Tagesrhythmen gibt es bekannte physiologische Rhythmen wie den Gezeitenrhythmus sowie Wochen-, Monats- und Jahresrhythmen. Der Lichtmangel im Winter trägt nicht nur zur Wintermüdigkeit und zum Bedürfnis nach längerem Schlaf bei, sondern auch zur saisonal abhängigen Depression (SAD), die auch als Winterdepression bezeichnet wird. Hier kommt unter anderem eine intensive Lichttherapie (Phototherapie) zum Einsatz. Es hat sich gezeigt, dass eine 30-minütige Bestrahlung mit 10.000 lx auf Augenhöhe wirksam ist [11]. Sogenannte Sonnensimulatoren sind für den persönlichen Gebrauch bestimmt. Im Gegensatz zu industriellen Sonnenlichtsimulatoren handelt es sich dabei um Leuchten für die Augen- und Gesichtsbeleuchtung. Bekannt sind Tisch- oder Wandlampen mit Leuchtstoffröhren (übliche Beleuchtungsstärke ist 10 klx auf der Diffusorfläche) oder batteriebetriebene Taschenlampen mit weißen oder blauen Leuchtdioden. Weniger bekannt sind die so genannten Lichtvisiere, Kappen mit eingebauten Leuchtdioden, die die Augen beleuchten. Diese Hilfsmittel können dem Träger den Einstieg in den Tag erleichtern, doch für eine nachhaltige Wirkung ist eine ganztägige Beleuchtung, die auch hinsichtlich ihrer circadianen Wirkung geeignet ist, unerlässlich.

Literatur:

[1] ILLNEROVA, H. - VANECEK, J.: Pineal rhythm in N-acetyltransferase activity in rats under different artificial photoperiods and in natural daylight in the course of the year. Neuroendokrinologie, 1980, 31, S. 321-326.

[2] SUMOVA, A. - TRAVNICKOVA, Z. - PETERS, R. - SCHWARTZ, W. J. - ILLNEROVA, H.: The rat suprachiasmatic nucleus is a clock for all seasons. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 1995, 92, S. 7754-7758.

[3] BOMMEL VAN, W. J. M. - BELD VAN DEN, G. J. - OOYEN VAN, M. H. F.: Industrielle Beleuchtung und Produktivität. Philips Lighting : Die Niederlande [online]. August 2002, [zitiert am 2010-10-02]. Verfügbar unter

z WWW: <www.lighting.philips.com/in_en/applications/industry/pdf/industrial_lighting_and_productivity/pli-

0005_whitep-uk_20sep.pdf>.

[4] HOLLWICH, F.: Der Einfluß der okulären Lichtwahrnehmung auf den Stoffwechsel bei Mensch und Tier. Springer-Verlag, New York, 1979, 129 S., ISBN 0387903151.

[5] GOOLEY, J. J. et al.: Spectral Responses of the Human Circadian System Depend on the Irradiance and Duration of Exposure to Light. Science, Translational Medicine [online]. 2010-05-12, 2010, Ausgabe 31 [zitiert 2010-10-02], ISSN 1946-6242, DOI, 10.1126/scitranslmed.3000741.

[6] FIGUEIRO, M.: Research matters: measure up for healthy lighting. LD+A., 2005, Bd. 35, Nr. 1, S. 14-16, ISSN 0360-6325.

[7] HUBALEK, S.: LuxBlick: Messung der täglichen Lichtexposition zur Beurteilung der nicht-visuellen Lichtwirkungen über das Auge. Shaker Verlag, Zürich, 2007, 221 s. Disertační práce, ETH Zürich. Dostupné z WWW: <http://e-collection.ethbib.ethz.ch/view/eth:29804>. DOI:10.3929/ethz-a-005429531.

[8] BOMMEL VAN, W. J. M. -BELD VAN DEN, G. J.: Lighting for work: a review of visual and biological effects. Lighting Research and Technology, Dezember 2004, 36, 4, S. 255-266, ISSN 1477-1535,DOI:10.1191/1365782804li122oa.

[9] INTERNATIONAL DARK-SKY ASSOCIATION: Achievements in High Brightness White LEDs. Specifier Bulleting for Dark Sky Applications [online], 2010, Volume 3, Issue 1 [cit. 2010-10-02]. Dostupnýz WWW: <http://docs.darksky.org/SB/LED-SB-v3i1.pdf>.

[10] GALL, D. - LAPUENTE, V.: Beleuchtungsrelevante Aspekte bei der Auswahl eines förderlichen Lampenspektrums, Teil 1, Teil 2

[cit. 2010-10-02]. Dostupný z WWW: <http://www.tu-ilmenau.de/fileadmin/public/lichttechnik/Publikationen/2003/teil1.pdf; teil2.pdf>.

[11] PRAŠKO, J –BRUNOVSKÝ, M. – ZÁVĚŠICKÁ, L.: Fototerapie a její indikace. Psychiatrické centrum, 3. LF UK, Praha [online], 2006 [cit. 2010-10-02]. Dostupný z WWW: <http://www.tigis.cz/PSYCHIAT/psychsupp3_05/14_Prasko.htm>.

Rezension: MUDr. Milena Jirásková, Abteilung für Hautklinik, 1. Medizinische Fakultät der Karlsuniversität in Prag

Verfasser.
Antonín Fuksa Veröffentlicht in Světlo 6/2010