1. Ánh sáng và thị giác
Ánh sáng tự nhiên (mặt trời) có thành phần quang phổ đầy đủ các màu trong vùng nhìn thấy của mắt từ 380 nm đến 780 nm.
Giữa thế kỷ 19, nghiên cứu tổ chức học của võng mạc mắt, người ta đã biết 2 loại:
+ Tế bào cảm quang hình gậy (que) nhạy cảm nhất với ánh sáng bước sóng 507nm liên quan đến độ nhạy thấp, cung cấp tầm nhìn scotopic (tầm nhìn ban đêm) và góp phần vào tầm nhìn trong phạm vi trung gian (tầm nhìn mesopic).
+ Tế bào cảm quang hình nón nhạy cảm mạnh với bước sóng 555nm là các tế bào cảm thụ ánh sáng có chức năng thị giác, phản ứng với tất cả các màu trong quang phổ thị giác góp phần vào tầm nhìn ở mức ánh sáng cao (tầm nhìn quang).
Các tín hiệu ánh sáng tác động lên tế bào cảm quang trong võng mạc chuyển thành tín hiệu điện truyền đi trong hệ thống thần kinh thị giác đến vùng trung tâm thị giác trên vỏ não và được tổng hợp phân tích thành các tín hiệu hình ảnh để cho ta cảm nhận được các vật thể và phân biệt chúng.
Ánh sáng nhìn thấy của thị giác
Cuộc cách mạng thứ tư trong chiếu sáng điện nhân tạo thời Cách mạng Công nghiệp 4.0 là sản phẩm giao thoa của những đỉnh cao của vật lý học (Giải Nobel 2014 về LED blue cường độ cao), của sinh học (Giải Nobel Y học 2017) và những thành tựu nổi bật của Công nghệ thông tin đầu thế kỷ XXI đã giúp chúng ta tạo ra những hệ thống chiếu sáng nhân tạo trong nhà có thể thay đổi phổ ánh sáng, màu sắc ánh sáng, cường độ chiếu sáng phù hợp với nhịp sinh học, giúp con người làm việc hiệu quả hơn, năng suất hơn, giảm các sai lỗi trong công việc và tốt cho sức khỏe hơn.
Phổ ánh sáng mặt trời hàng ngày
Tới năm 2017 giải Nobel Y học đã được trao cho 3 nhà khoa học người Mỹ, Jeffrey Hall, Michael Rosbash và Michael Young nhằm tôn vinh những đóng góp của họ trong các nghiên cứu về nhịp sinh học (hay còn gọi là đồng hồ sinh học) của sinh vật. Đồng hồ sinh học hay nhịp sinh học (circadian/biological clock or rhythms) được định nghĩa là những phản ứng của cơ thể, bao gồm các quá trình sinh lý, sinh hóa và trao đổi chất (physiology and metabolism) diễn ra trong một chu kỳ có độ dài gần 24h.
2. Giới thiệu Đồng hồ sinh học
“Đồng hồ” sinh học này nằm trên não bộ, cấu thành từ hàng nghìn tế bào thần kinh giúp đồng bộ các chức năng và hoạt động thể chất, tinh thần và hành vi đáp ứng với ánh sáng và bóng tối. Tóm lại, đồng hồ điều chỉnh nhiều chức năng bao gồm: thời gian ngủ, sự thèm ăn, thân nhiệt, nồng độ các hormone, sự tỉnh táo, hoạt động thể chất, huyết áp, khả năng phản ứng... Sự vô tổ chức của hệ thống nhịp sinh học của chúng ta, bao gồm cả nhiễu loạn trong nhịp (chu kỳ) melatonin, còn gọi là sự phá vỡ nhịp ngày đêm hay phá vỡ nhịp thời gian chronodisruption (CD). Các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy CD có liên quan đến việc tăng tỷ lệ mắc tiểu đường, béo phì, bệnh tim, suy giảm nhận thức và tình cảm, lão hóa sớm và một số loại ung thư.
Đồng hồ sinh học của con người theo nhịp ngày/đêm
Vùng não trung tâm suprachiasmatic (SCN) là một vùng nhỏ của não ở vùng dưới đồi, nằm ngay phía trên giao thoa thị giác. Nó chịu trách nhiệm kiểm soát nhịp sinh học và gọi là máy tạo nhịp sinh học (pacemarker) trung tâm.
Đầu vào của máy tạo nhịp sinh học chủ yếu là chu kỳ sáng/tối (thông qua các tế bào ipRGCs), các hoạt động thể chất, hoạt động xã hội theo thời gian biểu và qui luật ăn uống cũng có ảnh hưởng đến sự đồng bộ của máy tạo nhịp và các bộ dao động ngoại vi của cơ thể như tim, gan, thận.
Đầu ra là các hoạt động, các hoóc môn (chủ yếu là melatonin), việc ăn uống, mức độ tỉnh táo, huyết áp, cách ứng xử. Các đầu ra cũng có sự tương tác ngược lại đối với máy tạo nhịp trung tâm cũng như các bộ phận khác của cơ thể, đồng thời máy tạo nhịp trung tâm cũng ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ dao động ngoại vi.
Tế bào hạch đưa tín hiệu đến não và điều chỉnh sản xuất hoóc môn. Ba hoóc môn quan trọng nhất kiểm soát nhịp sinh học là:
- Melatonin làm cho bạn mệt mỏi, làm chậm các chức năng và làm giảm khả năng hoạt động để cơ thể có thể nghỉ ngơi.
- Cortisol mặt khác là một hoóc môn căng thẳng được sản xuất từ khoảng 3 giờ sáng. Nó kích thích sự trao đổi chất và lập trình cơ thể cho chế độ ban ngày.
- Serotonin hoạt động như một chất kích thích và động lực thúc đẩy.
Melatonin là máy tạo nhịp sinh học chính; mục đích của nó là để đồng bộ hóa môi trường nội tiết tố với chu kỳ sáng-tối của môi trường bên ngoài. Nó chủ yếu được sản xuất và tiết ra bởi tuyến tùng và bị ức chế bởi ánh sáng theo cảm nhận của võng mạc.
Ánh sáng ban ngày ngăn chặn việc sản xuất melatonin và kích thích sản xuất cortisol để đảm bảo sự tỉnh táo trong ngày. Chu kỳ tiết ra và ức chế melatonin và cortisol theo nhịp ngày đêm được chỉ ra trên hình.
Chu trình tiết ra và ức chế melatonin và cortisol trong cơ thể theo nhịp ngày đêm.
Mức cortisol trong máu cao nhất vào khoảng gần 9 giờ sáng, sau đó giảm xuống xuyên suốt ngày và melatonin sẽ tăng lên sau 6 giờ tối, đạt tối đa vào khoảng gần giữa đêm và giảm dần cho tới 6 giờ sáng. Việc chiếu sáng không phù hợp với ánh sáng tự nhiên có thể ảnh hưởng đến cường độ và pha của chu kỳ tiết/ức chế melatonin và cortisol.
Sản phẩm chính của hệ thống đồng hồ sinh học là sản xuất ra hoóc môn melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) là một hoóc môn gây ngủ. Hoạt động sản xuất này trong tuyến tùng thường diễn ra với tần suất khác nhau tại các thời điểm trong ngày. Melatonin được tiết ra nhiều vào ban đêm và hạn chế ở mức tối thiểu vào ban ngày. Sự ức chế melatonin, gây ra do tiếp xúc với ánh sáng, sẽ mang đến cho bạn cảm giác tỉnh táo và khả năng tập trung cao hơn.
3. Rối loạn nhịp sinh học
Xu hướng hiện đại của con người dành phần lớn thời gian trong nhà làm tăng đáng kể nguy cơ gián đoạn sinh học do hậu quả của việc tiếp xúc với ánh sáng nhân tạo không hoàn hảo. Văn phòng, trường học, cơ sở thương mại và công nghiệp sử dụng ánh sáng cường độ cao, nhiều ánh sáng xanh “Blue - rich light” (nhiệt độ màu 4000K) để giúp mọi người tỉnh táo hơn, tập trung, phản ứng nhanh và năng suất. Tiếp xúc với ánh sáng có nhiều ánh sáng xanh là điều cần thiết vào ban ngày để cải thiện sức sống và sự tập trung, nhưng nó có thể là một kẻ giết người về sức khỏe nếu loại tiếp xúc với ánh sáng này được kéo dài vào ban đêm.
Trên thực tế, một phần lớn dân số thường làm việc hoặc học sâu vào ban đêm. Những người này có nguy cơ cao bị gián đoạn sinh học vì tiếp xúc vào ban đêm với ánh sáng xanh hoạt tính sinh học sẽ ngăn chặn triệt để sự tiết melatonin để nghỉ ngơi và khiến cơ thể thiết lập lại đồng hồ sinh học. Đồng hồ sinh học của chúng ta đã phát triển để theo dõi mặt trời mọc và mặt trời lặn. Sự vắng mặt hoặc mức độ thấp của ánh sáng xanh hoạt tính sinh học sau khi mặt trời lặn cung cấp tín hiệu ban đêm cho não bộ sản xuất melatonin. Sự tiết melatonin bắt đầu tăng lên khoảng 9h tối và đạt đỉnh khoảng 2h sáng. Não sẽ ngừng sản xuất melatonin vào 7h sáng. Sự thay đổi thời gian tiết melatonin do thay đổi theo mùa, làm ca đêm hoặc đi du lịch qua các múi giờ khác nhau cũng có thể dẫn đến gián đoạn đồng hồ sinh học. Đồng hồ sinh học SCN và đồng hồ ngoại vi sẽ phải điều chỉnh lại các chu kỳ sáng-tối mới.
Khắc phục rối loạn nhịp sinh học dành cho những người phải làm ca đêm, Rạng Đông đã ứng dụng giải pháp HCL trong các lĩnh vực này
Xem thêm: Giải pháp chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (HCL)
4. Hậu quả của gián đoạn nhịp sinh học
sự gián đoạn của nhịp sinh học có thể dẫn đến một số hậu quả tiêu cực. Không chỉ giấc ngủ bị ảnh hưởng, dẫn đến mệt mỏi, giảm hiệu suất làm việc học tập ban ngày và các rối loạn giấc ngủ khác nhau như mất ngủ và ngưng thở khi ngủ. Sự không đồng bộ bên trong giữa SCN và đồng hồ ngoại vi ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình trao đổi chất và tăng sinh tế bào của chúng ta. Nhịp sinh học bị gián đoạn đã được chứng minh là có liên quan đến béo phì, tiểu đường, trầm cảm, rối loạn lưỡng cực, rối loạn tim mạch, các vấn đề sinh sản và rối loạn cảm xúc theo mùa. Sự giải phóng hormone mất cân bằng có thể làm suy giảm chức năng của hệ thống miễn dịch và cản trở các đồng hồ gen liên quan đến các bệnh ung thư như ung thư vú, tuyến tiền liệt và ung thư đại trực tràng.
5. Nhiệt độ màu tác động nhịp sinh học như thế nào?
Nhiệt độ màu của nguồn tính theo nhiệt độ Kelvin (K) diễn tả màu sắc của các nguồn sáng so với màu của vật đen được nung nóng từ 2000K đến 10 000K. Thuật ngữ “nhiệt độ màu” thường thay thế với “nhiệt độ màu tương quan (CCT)”.
Nhiệt độ màu càng thấp, nguồn sáng thể hiện càng ấm vì phổ ánh sáng bão hòa với bước sóng đỏ và cam. Nhiệt độ màu càng cao, nguồn sáng thể hiện càng mát vì phổ ánh sáng bão hòa với bước sóng màu xanh.
Trong quá trình tiến hóa, nhịp sinh học của chúng ta đã được hòa hợp với trình tự tự nhiên của ngày và đêm. Mặt trời mọc và lặn tạo thành ranh giới tự nhiên giữa thời gian làm việc và nghỉ ngơi. Từ sáng (ví dụ: 8 giờ sáng) đến tối (ví dụ 5 giờ chiều), melanopsin trong mắt phản ứng đặc biệt với các thành phần màu xanh trong ánh sáng ngoài trời với độ nhạy cao nhất. Ánh sáng ban ngày với CCT trong khoảng 4000 - 6500 K kích thích sinh học ức chế melatonin và tăng cường sản xuất dopamine, serotonin và cortisol. Chính trong giai đoạn này, mọi người có sự tỉnh táo, tập trung, sức sống, động lực và khả năng cao nhất để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau với hiệu quả và năng suất cao. Đây là nhiệt độ màu phổ biến cho ánh sáng nhân tạo trong môi trường học tập và làm việc.
Ánh sáng ấm áp, cường độ thấp hơn vào lúc bình minh và hoàng hôn giúp mọi người khởi đầu nhẹ nhàng vào ban ngày hoặc giúp họ thư giãn vào buổi tối, ban đêm. Nhịp sinh học của con người vốn gắn liền với chu kỳ ánh sáng của ngày mặt trời và được thiết lập để nhận được ánh sáng trắng ấm (2700 - 3000 K) mạnh hơn ở phần màu đỏ của quang phổ vào buổi tối và ban đêm. Melatonin tăng lên vào ban đêm khi không có ánh sáng giàu màu xanh tăng, góp phần thư giãn và thúc đẩy cơn buồn ngủ. Tông màu ấm áp của ánh sáng cũng tạo ra cảm giác thoải mái và ấm cúng, và tạo ra một bầu không khí thân mật cho phép mọi người nghỉ ngơi yên bình
Xem thêm:
Tại sao ánh sáng có nhiệt độ màu 4000k-6500k lại giúp tỉnh táo, tập trung vào ban ngày?
Tại sao ánh sáng có nhiệt độ màu 2700k-3000k lại giúp con người thư giãn, nghỉ ngơi vào ban đêm?
6. Ánh sáng xanh Blue [λ= 400-460nm] (Blue light hazard) và [λ= 460-490nm] có vai trò như thế nào với nhịp sinh học.
Ảnh hưởng của ánh sáng xanh đến mắt
6.1. Ánh sáng xanh blue λ= 400-460nm (Blue light hazard λ BLH) ảnh hưởng tới nhịp sinh học như thế nào?
Do tính chất quang phổ không có tia cực tím và tia hồng ngoại của bức xạ quang của LED, thành tố được đánh giá duy nhất cho đèn LED và đèn chiếu sáng trong phân loại an toàn đèn IEC/IES là nguy cơ ánh sáng xanh (Blue light hazard λ BLH).
Nguy cơ ánh sáng xanh (BLH) được định nghĩa là khả năng gây tổn thương võng mạc do quang hóa do tiếp xúc với bức xạ với ánh sáng bước sóng ngắn (400nm - 460nm).
Bức xạ ánh sáng xanh lên mắt có thể tạo ra sự sản sinh các loại phản ứng ô xi hóa (ROS) tấn công nhiều phân tử, bao gồm các tế bào biểu mô sắc tố võng mạc (RPE) rất cần thiết cho sự tái tạo các sắc tố thị giác, cung cấp chất dinh dưỡng và oxy cho tế bào cảm quang, cân bằng nội môi của tế bào cảm quang. Hiện tượng oxy hóa quá mức dẫn đến chết tế bào biểu mô sắc tố võng mạc RPE, cuối cùng làm cho các tế bào cảm quang hình que, hình nón bị thoái hóa. Quang hợp ánh sáng xanh liên quan đến sinh bệnh học của thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác (AMD), một bệnh thoái hóa võng mạc.
6.2. Ánh sáng xanh blue λ= 460-490nm ảnh hưởng hoạt động thị giác thế nào?
Độ nhạy sáng của ipRGCs chủ yếu được điều khiển bởi một photopigment gọi là melanopsin. Hệ thống thị giác thiếu melanopsin vẫn có thể giúp cơ thể con người tham gia vào chu kỳ sáng - tối vì các tế bào cảm quang cổ điển (tức là tế bào que và hình nón) cũng góp phần vào quá trình quang dẫn sinh học. Tuy nhiên, đáp ứng quang sinh học bị suy giảm khoảng 40%.
Ánh sáng xanh của chiếu sáng LED HCL
Melanopsin chỉ phản ứng với ánh sáng xanh bước sóng ngắn và có độ nhạy sáng cực đại ở bước sóng chủ yếu trong khoảng 460nm đến 490nm. Khi ánh sáng cảm nhận được bằng mắt với tỷ lệ cao màu xanh đạt đến các ipRGC chứa melanopsin này, các thụ thể melanopsin được kích hoạt và báo hiệu cho đồng hồ sinh học chính của SCN ngừng tiết ra hormone melatonin trong khi tăng tiết ra dopamine, cortisol and serotonin để giúp cơ thể chuẩn bị cho hoạt động trong ngày. Tiếp xúc liên tục với ánh sáng với màu xanh phong phú vào ban ngày mô phỏng phản ứng sinh lý vào ban ngày, tăng nhiệt độ cơ thể, nhịp tim, tăng sức mạnh và sự phối hợp của cơ bắp, tối đa hóa sự tỉnh táo và năng suất.
Xem thêm: Thế nào là ánh sáng xanh có hại? tác hại của ánh sáng xanh có hại là gì?
6.3. Ban ngày cần nhiều ánh sáng blue để kích thích sản xuất hocmon cortisol vậy tại sao sản xuất đèn LED lại hạn chế ánh sáng blue?
Ánh sáng blue bao hàm cả dải bước sóng 400-500nm:
+ Vùng bước sóng 460-490nm (đỉnh hấp thụ của tế bào hạch cảm quang ở 480nm):
ánh sáng blue có tác động ức chế melatonin, kích thích cortisol (ánh sáng blue có lợi).
+ Vùng bước sóng 400-460nm (Blue light hazard) với đỉnh phát xạ blue ở bước sóng 440nm để kích thích bột huỳnh quang tạo ánh sáng trắng của LED trùng với phổ nhạy cảm của tế bào nón loại S-cone. Nếu quá nhiều ánh sáng blue sẽ gây hại cho tế bào Scone, võng mạc. Do vậy sản xuất đèn LED cần hạn chế loại ánh sáng blue 400-460nm. Song lại cần tăng ánh sáng blue bước sóng 460-480nm gần với phổ ánh sáng ban ngày. Hiện nay, Rạng Đông sản xuất đèn LED đang sử dung gói chip LED đạt chỉ tiêu an toàn quang sinh học IEC 62471; gói LED SunLike có phổ gần với phổ mặt trời, có nhiều thành phần vùng phổ 480 nm phù hợp với nhịp sinh học và giúp hạn chế cận thị. Các đèn LED sử dụng gói LED ánh sáng ấm SunLike (nhiệt độ màu ~ 4000K) giúp bảo vệ thị lực hay giảm nguy cơ cận thị, nhất là cho việc học tập buổi tối ở nhà. Vì vậy, chiếu sáng HCL với việc sử dụng các nguồn sáng LED phù hợp sẽ giúp
Xem thêm:
