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1 licht.wissen 19 Wirkung des Lichts auf den Menschen Freier Download auf

2 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen 01 Inhalt [Titel] Das Gehirn synchronisiert die innere Uhr des Menschen mit der Außenwelt. Ein Taktgeber ist das Licht. [01] Biologisch wirksame Beleuchtung ergänzt bedarfsgerecht das einfallende Tageslicht. [02] In der dunklen Jahreszeit besonders wichtig: Biologisch wirksames Licht unterstützt den schwächeren Tageslichtreiz in Innenräumen. 3 Editorial 4 Licht prägt die Evolution des Menschen 6 Biologische Rhythmen 10 Die innere Uhr 14 Biologisch wirksames Licht 16 Biologisch wirksames Licht in Innenräumen 20 Lichttherapie 24 Hinweise zur Lichtplanung 26 Beleuchtungsqualität und Energieeffizienz 28 Praxisbeispiel: Dynamisches Licht im Büro 30 Praxisbeispiel: Dynamisches Licht am Industriearbeitsplatz 32 Praxisbeispiel: Dynamisches Licht in der Schule 34 Praxisbeispiel: Dynamisches Licht im Seniorenheim 36 Praxisbeispiel: Dynamisches Licht für zu Hause 38 Lampenspektren 40 Ausblick: Forschung wird intensiviert 42 Glossar 44 Normen, Literatur 46 Publikationen von licht.de 47 Impressum und Bildnachweis

3 02 Editorial Hell und dunkel, warm und kalt oder der Wechsel der Jahreszeiten: Erdrotation und -neigung bedingen konstant wiederkehrende Veränderungen, die im Laufe der Evolution dazu geführt haben, dass der Mensch ein System von inneren Uhren entwickelt hat, das solche Veränderungen antizipiert das circadiane System: Einem komplizierten Uhrwerk gleich, steuert es die 24-Stunden-Variation sämtlicher Körperfunktionen und stimmt sie aufeinander ab. Wird es gestört, kann das zu unterschiedlichsten Krankheitssymptomen wie Depressionen oder Immunerkrankungen führen. Bereits seit den 1980er-Jahren erforschen Wissenschaftler, wie sich über das Auge vermitteltes Licht biologisch auf den Menschen auswirkt. Doch erst 2002 entdeckten sie Ganglienzellen in der Netzhaut von Säugetieren, die nicht dem Sehen dienen. Sie reagieren am sensibelsten auf sichtbares blaues Licht und stellen die Master Clock, die wiederum das System innerer Uhren mit dem äußeren Hell-Dunkel-Zyklus synchronisiert. Das vorliegende Heft fasst praxisrelevant und anwenderorientiert heute verfügbares Wissen über die okular vermittelte, nicht visuelle Wirkung des Lichts auf den Menschen zusammen. Es ist kein abschließendes Übersichtswerk, sondern der ambitionierte Versuch, das schnell wachsende Forschungsfeld von Licht, Gesundheit und Leistungsfähigkeit zu einem frühen Zeitpunkt darzustellen. Die Chronobiologie wird unser tägliches Leben künftig substanziell verändern. Ein Ziel ist es, das circadiane System durch dynamisches Licht zu stärken: Im Kern geht es darum, Tageslicht in Innenräume zu bringen und tagsüber bedarfsgerecht durch künstliches Licht mit erhöhtem Blauanteil zu ergänzen. Arbeit soll dadurch sicherer und effizienter werden, das Lernen konzentrierter. In Pflegeheimen oder Krankenhäusern unterstützt dynamisches Licht den Schlaf-/Wachzyklus der Menschen, fördert Wohlbefinden und Heilungsprozesse. In den Abend- und Nachtstunden dagegen wird Licht mit geringerem Blauanteil dazu führen, dass zum Beispiel Schichtarbeiter seltener krank werden und Schlafstörungen insgesamt abnehmen. Das Thema Licht und Gesundheit ist faszinierend. Die Entdeckung des dritten Fotorezeptors hat ihm neue Dynamik verliehen: Chronobiologen, Lichtindustrie und Architekten haben jetzt die Chance, durch gemeinsame Anstrengungen die Lebensqualität der Menschen entscheidend zu verbessern. licht.wissen 19 leistet hierzu einen Beitrag. Dr. Dieter Kunz, Abteilung für Schlafmedizin, St. Hedwig-Krankenhaus, Berlin Institut für Physiologie, Charité Universitätsmedizin Berlin, CBF 3

4 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen 03 4

5 Licht prägt die Evolution des Menschen Licht ist Leben. Unter dem Einfluss der Sonne entwickelten sich vor drei Milliarden Jahren die ersten Lebewesen auf der Erde. Den weisen Menschen (Homo sapiens) gibt es seit etwa Jahren. Lange Zeit hatte er nur das Feuer, erst seit etwas mehr als 100 Jahren nutzt er elektrisches Licht. Kein Wunder also, dass Tageslicht den Menschen geprägt hat. Alles Leben auf der Erde ist räumlich und zeitlich organisiert. Viele natürliche Vorgänge verlaufen rhythmisch. Die Erde dreht sich in 24 Stunden um ihre Achse und in 365 Tagen um die Sonne. So entstehen Tag und Nacht, Sommer und Winter. Der Mond wiederum dreht sich um die Erde, bewirkt dadurch die Gezeiten und im Wechselspiel mit der Sonne den monatlichen Rhythmus. ihren eigenen Fortbestand und den der Pflanze. Im Laufe der Zeit haben Organismen ihre innere Uhr immer wieder biologisch sinnvoll an äußere Rhythmen anpassen müssen. Diese Fähigkeit hat sich evolutionsbiologisch als Vorteil herausgestellt. So hat auch der Mensch ein genetisch verinnerlichtes Wissen über Zeiträume entwickelt. Diese Zyklen haben die Lebensräume auf der Erde stark beeinflusst: Viele Pflanzen beispielsweise passen ihre Überlebensstrategie an Tag und Nacht an. Sie öffnen ihre Blüten mit dem ersten Sonnenlicht. Ihr Nektar wird dadurch für Insekten erreichbar, die ihre Sammelflüge daran anpassen. Dabei bestäuben sie die Pflanze. So sichern sie [03 05] Tag oder Nacht, Sommer oder Winter: Licht bestimmt die Rhythmen allen Lebens auf der Erde auch die des Menschen: Im Laufe der Evolution hat er sich daran angepasst und eine innere Uhr entwickelt

6 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen Biologische Rhythmen Vom Gehirn kontrolliert, läuft im menschlichen Körper jeden Tag das gleiche Programm ab. Die innere Uhr steuert Schlaf- und Wachphasen, aber auch Herzfrequenz, Blutdruck und Stimmung. Jede Zelle und jedes Organ hat einen eigenen Rhythmus, der regelmäßig mit der Außenwelt synchronisiert werden muss. Der Mensch orientiert sich dazu vor allem an Tag und Nacht. 6 [06+07] Der Mensch hat den Rhythmus von Tag und Nacht verinnerlicht: Schlaf- und Wachphasen wechseln sich ab, aber auch Körpertemperatur, Atmung und Puls folgen eigenen Rhythmen mit individuellen Hochund Tiefpunkten zu bestimmten Tageszeiten. Viele Körperfunktionen des Menschen und anderer Lebewesen verlaufen zyklisch. Chronobiologen unterscheiden je nach Periodenlänge drei wichtige Kategorien: > Ultradiane Rhythmen betragen jeweils nur wenige Stunden, wie zum Beispiel Tageszeiten oder Hunger-, Schlaf- und Wachphasen bei Säuglingen. > Circadiane Rhythmen orientieren sich an Tag und Nacht. Sie dauern etwa 24 Stunden (lat. circa = ungefähr, dies = Tag). > Infradiane Rhythmen schließlich sind länger als 24 Stunden, wie beispielsweise der Wechsel der Jahreszeiten. Circadianer Rhythmus Der Mensch und seine Körperfunktionen folgen tages- und jahreszeitlichen Rhythmen. Von der Zelle bis zu den Organen, jede Einheit steuert ihr zeitliches Programm selbst. Atmung und Herzschlag, Wachen und Schlafen: Alle biochemisch kontrollierten Funktionen haben im Laufe eines Tages ihre individuellen Hoch- und Tiefpunkte. Kurz vor dem Aufwachen steigt die Körpertemperatur, Blutdruck und Pulsfrequenz erhöhen sich. Etwa eine Stunde später produziert der Körper stimulierende Hormone. Mediziner wissen, dass die gefährlichste Zeit für einen Herzinfarkt vormittags zwischen 10 und 12 Uhr ist. Zum gleichen Zeitpunkt dagegen fallen knifflige Denksportaufgaben wie Sudoku am leichtesten. Auch das Kurzzeitgedächtnis läuft jetzt auf Hochtouren, beste Voraussetzungen also für Prüfungen und Bewerbungsgespräche. Zwischen 12 und 14 Uhr produziert der Magen am meisten Säure. So fällt es nicht weiter schwer, das Mittagessen zu verdauen. Dabei verschlingt der Magen so viel Energie, dass der restliche Körper ermüdet. Aber auch ohne etwas zu essen, hat der Mensch am Mittag ein Leistungstief. Am frühen Nachmittag geht es wieder bergauf mit Körper und Geist. Dafür ist das Schmerzempfinden auf seinem Tiefpunkt. Empfindliche Patienten sollten daher ihren Zahnarzttermin nicht morgens, sondern gegen 15 Uhr wahrnehmen. Wer zwischen 16 und 17 Uhr Sport treibt, ist besonders leistungsfähig. Die Zeit ist ideal für Muskelaufbau und Konditionstraining. Das Bier danach baut der Körper zwischen 18 und 20 Uhr am besten ab. Wenn es dunkel wird, ermüdet der Mensch. Um 3 Uhr nachts erreicht sein Organismus das absolute Tief. Die Statistik erfasst für diesen Zeitpunkt übrigens die meisten natürlichen Sterbefälle. Rhythmus ist genetisch bedingt Der Mensch hat den Rhythmus von Tag und Nacht verinnerlicht. Die Fähigkeit, den Körper auf die Tageszeit einzustellen, ist im Erbgut verankert. Versuche mit Testpersonen in Isolierkammern haben bewiesen, dass regelmäßige Schlaf- und Wachphasen auch dann eingehalten werden, wenn sie nicht durch Tageslicht stimuliert werden. Der genetisch vorgegebene Rhythmus des Menschen liegt üblicherweise bei etwas mehr als 24 Stunden. Einige folgen einem Zyklus von unter 24 Stunden, andere liegen deutlich darüber. Entsprechend lassen sich Menschen in sogenannte Chronotypen einteilen. Chronotypen Erkennen lassen sich Chronotypen vor allem an ihren Schlafgewohnheiten. Für viele Menschen gilt: Morgenstund hat Gold im Mund. Die sogenannten Lerchen sind

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8 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen schon frühmorgens hellwach. Eulen dagegen brauchen einige Zeit, um sich mit dem neuen Tag anzufreunden. Ihre innere Uhr läuft deutlich langsamer als die anderer Menschen. Die innere Uhr der Lerchen hingegen ist zu schnell. Ihr Rhythmus ist oftmals schon nach 23 Stunden abgeschlossen, der der Eulen manchmal erst nach 26 Stunden. Verglichen mit dem Durchschnitt haben beide einen verschobenen Schlaf-/Wach- Rhythmus. Den einen drängt seine innere Uhr zum frühen Aufstehen, während sie den anderen zum Morgenmuffel macht. Vor allem die Eulen erleben einen permanenten sozialen Jetlag, wenn sie frühmorgens aus der Nachtruhe gerissen werden, die für sie subjektiv noch lange nicht beendet ist. Ihr Organismus passt sich trotz ausgleichender externer Faktoren wie Arbeitszeiten oder Tageslicht nur schlecht an den kürzeren Rhythmus der Erdumdrehung an. Mit jedem Werktag häufen sie ein immer größeres Schlafdefizit an, das dann am Wochenende ausgeglichen werden muss. Aber auch Frühaufsteher empfinden ihre innere Uhr als störend. Vor allem am Wochenende, wenn sie spät ins Bett gehen und dennoch am Morgen zur gewohnt frühen Zeit aufwachen. Ausgeprägte Chronotypen leiden oftmals auch gesundheitlich unter dem permanenten Konflikt mit ihrer biologischen Uhr. Sie sind anfälliger für organische Erkrankungen und greifen statistisch gesehen häufiger zu Nikotin und Alkohol. Jahreszeitliche Unterschiede Auch Sommer und Winter beeinflussen die chronobiologischen Rhythmen des Menschen. Oftmals ist er im Winter weniger fit, kann sich nur schlecht konzentrieren oder reagiert langsamer. Zudem isst er mehr, so dass Körpergewicht und Blutzuckerspiegel steigen. Stimmung, sondern regelrecht depressiv. Sie leiden unter einer saisonal abhängigen Depression (Seasonal Affective Disorder = SAD). In Deutschland ist jeder zehnte Erwachsene davon betroffen (siehe Seite 20, Lichttherapie gegen SAD-Symptome). Rhythmus und Lebensalter Wenn junge Eltern oft gestresst und müde sind, dann liegt das auch an der inneren Uhr ihres Nachwuchses. Denn Säuglinge und Kleinkinder bewegen sich noch in ultradianen Rhythmen, also Phasen von jeweils drei oder vier Stunden. Erst im Alter von fünf Jahren passt sich der Mensch an Tag und Nacht an. Doch schon als Teenager entwickelt er neue Rhythmen und erntet von seinen Eltern dafür bestenfalls Unverständnis. Er geht spät ins Bett und schläft morgens gerne länger, oft auch über acht Stunden hinaus. Mit 18 bis 20 Jahren nimmt das Schlafbedürfnis dann wieder ab auf gut sieben Stunden. Mit Beginn des dreißigsten Lebensjahres lässt die Schlafqualität kontinuierlich nach. Der Mensch schläft flacher und subjektiv schlechter, obwohl er früher und regelmäßiger ins Bett geht. Die Symptomatik verschärft sich mit Überschreiten des siebzigsten Lebensjahres: Der Körper benötigt nachts immer weniger Schlaf, selbst die Körpertemperatur schwankt kaum noch im Laufe eines Tages. Der Schlaf-/Wach-Rhythmus koppelt sich zunehmend von den äußeren Taktgebern ab. Daher wird die Großmutter auch kaum auf ihren Mittagsschlaf verzichten. Je älter der Mensch wird, desto weniger unterscheidet sein Körper zwischen Tag und Nacht. Darüber hinaus wirken sich die Jahreszeiten psychologisch aus. Vor allem in Gegenden mit ausgeprägten Jahreszeiten sind die Menschen im Winter nervöser als im Sommer und meist auch schlechter gelaunt. Einige Menschen sind während der dunklen Jahreszeit jedoch nicht nur leicht getrübter 8

9 08 [08] Schlaf- und Wachrhythmen verändern sich im Laufe des Lebens. 09 [09] Leistungskurve des Menschen im Tagesverlauf: Morgens gegen 10 Uhr sind Körper und Geist am effektivsten. Um 3 Uhr nachts erreicht der Organismus seinen Tiefpunkt. 9

10 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen

11 Die innere Uhr Jeder Mensch tickt anders. Dennoch ist er gebunden an Tag und Nacht. Alle Zellen haben ihre eigene Rhythmik im Konzert des Körpers, sind aber blind für die Außenwelt. Die Master Clock dirigiert die vielen inneren Uhren und synchronisiert sie mit ihrer Umwelt. Taktgeber ist das Licht. [10] Der Mensch synchronisiert seine innere Uhr immer wieder mit der Außenwelt. Natürlicher Taktgeber ist das Tageslicht. [11] Erst 2002 entdeckten Wissenschaftler spezielle Ganglienzellen auf der Netzhaut, die nicht dem Sehen dienen. Sie sind im nasalen und unteren Bereich der Netzhaut am empfindlichsten. Die Zapfen und Stäbchen sind für das Sehen verantwortlich. SCN ist die Master Clock Der Suprachiasmatische Nucleus (SCN) ist Mittler zwischen dem Licht und der körperlichen Reaktion darauf. Hauptaufgabe des SCN ist es, wie ein Dirigent die vielen kleinen Uhren des Körpers zu koordinieren, die keinen direkten Draht zur Außenwelt haben. Denn der Stoffwechsel muss an die Tageszeiten angepasst sein. Nur so lassen sich die vielen verschiedenen Prozesse zeitlich aufeinander abstimmen. Als Master Clock taktet der SCN die Zellen, indem er über Nervenverbindungen oder Botenstoffe die einzelnen Uhren im Körper synchronisiert. Dazu schaltet er sie an oder ab, aktiviert oder hemmt Enzyme, lässt Hormone produzieren oder blockieren. Der SCN besteht aus zwei reiskorngroßen Gehirnkernen, die über der Kreuzung der beiden Sehnerven sitzen und als Schaltzentrale unserer inneren Uhr gelten. Sie bestehen jeweils aus einigen tausend Nervenzellen, deren circadiane Rhythmen durch das Tageslicht täglich gestellt werden. Dritter Lichtrezeptor Dass selbst Langschläfer auch ohne Wecker irgendwann von alleine aufwachen, verdanken sie ihrem circadianen Rhythmus, der durch Licht stimuliert wird. Lange war jedoch unklar, wie Menschen diese Lichtreize wahrnehmen. Erst 2002 haben Wissenschaftler neben Stäbchen und Zapfen einen dritten Fotorezeptor in der Netzhaut entdeckt. Dieser dient jedoch nicht dem Sehen. Es handelt sich um spezielle Ganglienzellen, die sich über die Netzhaut verteilen. Ganglienzellen bilden eine zum Glaskörper hin gelegene Nervenzellschicht und leiten als Ausgangsneuronen visuelle Informationen der Netzhaut über den Sehnerv ins Gehirn weiter. Insgesamt unterscheidet die Wissenschaft 20 verschiedene Arten. Im neuen Typus, der den dritten Rezeptor bildet, entdeckten die Forscher das lichtempfindliche Protein Melanopsin, das zum Beispiel bekannt ist aus der Haut von Fröschen, die ihre Hautfarbe der Umgebung anpassen können. In Versuchen veränderten sich lichtunempfindliche Zellen von Mäusen zu lichtsensitiven, nachdem sie mit menschlichem Melanopsin geimpft wurden. Am empfindlichsten reagierten sie auf das blaue Licht des sichtbaren Spektrums mit einer Wellenlänge um 460 Nanometer. Beim Menschen haben Wissenschaftler den neuen Fotorezeptor daraufhin zuerst indirekt nachgewiesen. Dazu bestrahlten sie Testpersonen nachts für eineinhalb Stunden mit monochromatischem Licht verschiedener Wellenlängen und beobachteten die Konzentration des als Schlafhormon bekannten Melatonins in deren Blut. Sie verglichen die Werte vor und nach der Bestrahlung und stellten fest, dass blaues Licht die Produktion von Melatonin in der Nacht unterdrückt. Licht taktet die innere Uhr Licht ist also der entscheidende Taktgeber für den SCN. Als Reiz verarbeiten die melanopsinhaltigen Ganglienzellen es jedoch nicht visuell: Über den retino-hypothalamischen Trakt sind die Ganglienzellen direkt mit dem SCN, der Epiphyse (Zirbeldrüse) und dem Hypothalamus verbunden. Dieser ist das wohl wichtigste Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems. Abends produziert die Epiphyse Melatonin. Es sorgt dafür, dass der Mensch ermüdet. Morgens sinkt der Melatoninspiegel wieder. 11

12 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen Visueller (Grün) und biologischer (Blau) Pfad Sehzentrum Suprachiasmatischer Nucleus (SCN) Zirbeldrüse Oberes Zervikalganglion Retinohypothalamischer Trakt Rückenmark 12 Der Einfluss des Tageslichts auf den menschlichen Körper 3.00 Uhr nachts 9.00 Uhr morgens 06:00 12:00 18:00 24:00 06:00 12:00 18:00 24:00 06: Cortisol-Spiegel Melatonin-Spiegel

13 [12] Stäbchen und Zapfen übertragen den optischen Reiz via Sehnerv ins Sehzentrum des Gehirns (grüner Pfad). Die Ganglienzellen des dritten Lichtrezeptors dagegen sind über den retinohypothalamischen Trakt mit dem oberen Zervikalganglion im Rückenmark und dem SCN verbunden (blauer Pfad). Über Zirbeldrüse und Hormonhaushalt synchronisiert der SCN den Körper mit der Außenwelt. [13] Cortisol und Melatonin wirken antizyklisch: Morgens produziert der Körper Cortisol. Gegen 9 Uhr ist es im Blut maximal konzentriert, fällt über den Tag dann kontinuierlich ab. Die Melatoninproduktion setzt erst mit der Dunkelheit wieder ein. Um 3 Uhr ist der Melatoninspiegel am höchsten. Das erste Sonnenlicht unterstützt den genetisch festgelegten Rhythmus, indem es die Produktion des Hormons zusätzlich hemmt. Hormone: Botenstoffe der inneren Uhr Verdauung, Stimmung oder Schlaf: Der Mensch ist bestimmt von komplizierten biochemischen Prozessen. Wann das Essen gut bekömmlich ist, die Leistungsfähigkeit am höchsten und der Schlaf am tiefsten sind, regeln die Hormone. Vor allem Melatonin und Cortisol bestimmen den circadianen Rhythmus, denn sie wirken im Körper entgegengesetzt. Auch der Stimmungsaufheller Serotonin ist für diesen Prozess biochemisch unerlässlich. Melatonin Melatonin macht müde, entschleunigt die Körperfunktionen und senkt die Aktivität zugunsten der verdienten Nachtruhe. Es sorgt zudem dafür, dass viele Stoffwechselvorgänge zurückgefahren werden. Die Körpertemperatur sinkt, der Organismus läuft sozusagen auf Sparflamme. In dieser Phase schüttet der Körper Wachstumshormone aus, die nachts die Zellen reparieren. Cortisol Cortisol dagegen ist ein Stresshormon, das etwa ab drei Uhr morgens in der Nebennierenrinde produziert wird. Es regt den Stoffwechsel wieder an und programmiert den Körper auf Tagesbetrieb. Das erste Morgenlicht reizt dann den dritten Rezeptor im Auge und unterdrückt die Produktion von Melatonin in der Epiphyse. Gleichzeitig sorgt die Hypophyse (Hirnanhangdrüse) dafür, dass der Körper verstärkt Serotonin ausschüttet. Serotonin Serotonin wirkt stimmungsaufhellend und motivierend. Während der Cortisolspiegel im Blut über den Tag abfällt und sich dabei antizyklisch zum Melatoninspiegel verhält, verhilft das Serotonin dem Menschen zu mehreren Leistungshochs. Bei einbrechender Dunkelheit schaltet die innere Uhr auf Nacht. Hat der Körper tagsüber aber Lichtmangel, wird auch der Melatoninspiegel niedrig ausfallen. Die Folgen: Der Mensch schläft schlecht, wacht unausgeruht auf, ist tagsüber müde und wirkt antriebslos. Bleibt ab Herbst ein ausreichender Lichtreiz am Tag aus, kann der Prozess in eine Negativspirale münden. Einige Menschen entwickeln in dieser Zeit sogar eine saisonal abhängige Depression (SAD). Ihre innere Uhr gerät aus dem Takt, weil das hormonelle Gleichgewicht im Gehirn gestört ist. Biologische Dunkelheit Der Mensch entfernt sich heute immer mehr von seinen natürlichen Rhythmen. Viele arbeiten im Schichtbetrieb oder in fensterlosen Gebäuden. Morgens oder abends, im Supermarkt oder im Büro: Fast unbegrenzt steht künstliches Licht bereit, um Menschen das Sehen zu ermöglichen oder ihre Nacht einfach zum Tag zu machen. Doch trotz normgerechter Beleuchtung fehlen oft Dynamik und biologische Wirkung des Tageslichts. Die Wissenschaft spricht in diesem Zusammenhang bereits von Biologischer Dunkelheit. Für den Menschen hat das Folgen: Seine innere Uhr gerät aus dem Takt. Künstliche Beleuchtung ergänzt Tageslicht Aufgabe biologisch wirksamen künstlichen Lichts ist es, die Wirkung von Tageslicht in Innenräumen zu unterstützen. Im Verlauf eines Tages verändern sich Einfallwinkel, Anteile an direktem und indirektem Licht, Lichtfarbe und Helligkeit. Moderne Beleuchtungskonzepte stellen deshalb Licht unterschiedlicher Farbtemperatur und unterschiedlicher Beleuchtungsstärke dynamisch bereit. Künstliches Licht kann so den menschlichen Rhythmus stabilisieren und ihn mit Zeiten synchronisieren, die von seiner inneren Uhr abweichen. Dabei ist der Zeitpunkt entscheidend, wann das Auge hellem Licht ausgesetzt wird. Licht am Abend verzögert die Melatoninproduktion und stellt die innere Uhr nach. Licht am frühen Morgen dagegen verlagert den natürlichen Rhythmus nach vorne. 13

14 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen 14 14

15 Biologisch wirksames Licht Licht unterstützt die biologischen Prozesse im menschlichen Körper. Es synchronisiert den Organismus mit seiner Umwelt. Doch nicht immer und überall steht es ausreichend bereit. Gut, dass künstliches Licht dann biologisch wirksam hinzugeregelt werden kann. In der freien Natur, zu Hause oder am Arbeitsplatz: Licht ist für den Menschen unerlässlich. Zu wenig Licht kann dafür verantwortlich sein, dass sich die innere Uhr des Menschen verschiebt oder seine Schlafund Wachphasen weniger stark ausgeprägt sind. Beides wirkt sich negativ auf den chronobiologischen Rhythmus aus und kann die Gesundheit beeinträchtigen. Tageslicht und künstliche Beleuchtung kombinieren Die Helligkeit des Tageslichts hängt stark von geografischer Lage, Wetter, Jahresoder Tageszeit ab. In Mitteleuropa könnten die meisten Räume zwar von etwa 8 bis 17 Uhr mit natürlichem Licht beleuchtet werden. Doch das durch die Fenster einfallende Tageslicht reicht in der Raumtiefe meist nicht aus. Biologisch wirksame künstliche Beleuchtung kann dann zugeschaltet oder abhängig vom Tageslicht automatisch stufenlos hinzugeregelt werden. Tageslicht und künstliche Beleuchtung sollten einander also ergänzen und bei der Innenraumbeleuchtung nicht konkurrieren. Beide zu kombinieren, spart zudem Energie und erhöht die Beleuchtungsqualität. Faktoren biologisch wirksamen Lichts Die Natur gibt die Faktoren für biologisch wirksames Licht vor: > Beleuchtungsstärke, > Flächigkeit, > Lichtrichtung, > Farbtemperatur und > Dynamik. Tageslicht ist mehrere Tausend Lux stark. Untersuchungen zeigen jedoch, dass bereits Beleuchtungsstärken zwischen 500 und Lux biologisch wirksam sind. Dazu muss das Licht aber auch viele Rezeptoren in der Netzhaut erreichen. Wie beim Himmel muss es deshalb großflächig von oben und von vorne ins Auge fallen. Dabei spielt die Farbtemperatur eine entscheidende Rolle: Sie sollte dem Tageslicht ähneln. Sein Spektrum enthält den biologisch wirksamen blauen Bereich und wird von Menschen als angenehm empfunden. Schließlich verändern sich Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur des Tageslichts von Sonnenauf- bis Sonnenuntergang dynamisch. Künstliche Beleuchtung, die sich an diesen Parametern orientiert, unterstützt wirksam und bedarfsgerecht die positiven Effekte des Tageslichts auf den menschlichen Organismus. [14] Licht aktiviert und beeinflusst unsere Stimmung. [15] Die Farbtemperatur bestimmt, wie das Licht wirkt: Ein warmweißes Spektrum entspannt, Tageslichtweiß aktiviert

16 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen Biologisch wirksames Licht in Innenräumen Damit künstliche Beleuchtung in Innenräumen biologisch wirkt, orientiert sie sich am Vorbild der Natur: Intelligent gesteuert, lenkt sie die notwendigen Beleuchtungsstärken abhängig von Tageszeit und Tageslicht effektiv ins Auge. Moderne Lampen sorgen für das richtige Spektrum, Leuchten für die richtige Verteilung des Lichts. 16 [16] Großflächige Leuchten lenken ihr Licht biologisch wirksam von vorne und von oben ins Auge. Sind Decken und oberer Teil der Wände reflektierend hell, unterstützt das den Effekt zusätzlich. Lichtsteuerung für die Dynamik Biologisch wirksame künstliche Beleuchtung sollte auf den circadianen Rhythmus des Anwenders abgestimmt sein. Sie muss aktive Zeiten und Ruhephasen biologisch sinnvoll unterstützen. Im Verlauf eines Tages ändern sich Sonnenstand und Farbtemperatur des natürlichen Lichts. Dynamische Beleuchtung orientiert sich daran und ersetzt in Innenräumen zunehmend statische Lichtlösungen. Dazu setzt sie auf intelligente Steuerungstechnik und Sensorik. So können Leuchten, die ihr Licht gleichzeitig direkt und indirekt abstrahlen, beispielsweise mit Lichtquellen unterschiedlicher Lichtfarbe bestückt werden, die individuell angesteuert werden. Lichtmanagement-Systeme erzeugen dadurch einen bedarfsgerechten Farbtemperaturverlauf, der den natürlichen Rhythmus des Menschen unterstützt. Natürlich verteiltes Licht Verteilung und spektrale Empfindlichkeit des dritten Rezeptors auf der Netzhaut zeigen, wie perfekt sich das Auge an die natürlichen Bedingungen angepasst hat: Die sensibelsten melanopsinhaltigen Ganglienzellen sind im nasalen und unteren Bereich des Auges angeordnet (siehe S.10). Denn der Himmel beleuchtet das Auge von oben und von vorne. So muss auch künstliche Beleuchtung das Licht lenken, wenn es biologisch wirken soll. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Rezeptor einen Sättigungszustand erreichen kann. Es genügt also nicht, eine Lichtquelle mit punktförmiger Lichtaustrittsfläche und hohem Blauanteil zu verwenden, um eine circadiane Wirkung zu erzielen. Dafür ist es vielmehr notwendig, möglichst viele Rezeptoren im Auge anzusprechen. Dies gelingt zum Beispiel mit entsprechend großflächigen Leuchten. Der Effekt wird auch erzielt, wenn Raumbegrenzungsflächen wie der obere Teil einer Wand und die Decke als reflektierend helle Flächen genutzt werden. Dazu eignen sich insbesondere Leuchten, die ihr Licht direkt und indirekt abstrahlen oder Wand- und Deckenfluter, die ihr Licht ausschließlich indirekt verteilen. Natürliches Lichtspektrum Elektromagnetische Wellen im Bereich von 100 Nanometer bis 1 Millimeter werden als optische Strahlung bezeichnet. Licht ist das für das menschliche Auge sichtbare Spektrum von 380 bis 780 Nanometer. Den Lichtreiz nimmt das menschliche Auge mit drei unterschiedlichen Zapfen wahr, die jeweils empfindlich auf rote, grüne oder blaue Strahlung reagieren. Allerdings empfindet der Mensch nicht jede Farbe als gleich hell. Versuche mit Testpersonen haben gezeigt, dass Farben im gelb-grünen Bereich bei 555 Nanometern am hellsten wahrgenommen werden (siehe Grafik 19, S. 19, hier Kurve v( ). Kräftiges Rot oder Blau erscheinen hingegen eher dunkel. Neben den Zapfen tragen weitere Rezeptoren im Auge zum Sehprozess bei. Die Stäbchen ermöglichen es dem Menschen, auch während der Dämmerung zu sehen. Allerdings können sie keine Farben unterscheiden. Ihre Hellempfindlichkeit zeigt die Kurve v ( ). Biologisch wirksam ist der blaue Bereich um 460 Nanometer (Kurve c( ). Spektrum nach Maß Nachdem der dritte Lichtrezeptor nachgewiesen worden war, konnte technisch zunächst nur Leuchtstofflampen ein erhöhter

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18 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen Blauanteil beigemischt werden. Inzwischen kann die Lampen- und Leuchtenindustrie auch viele andere Lichtquellen in ihrer biologischen Wirkung optimieren. Licht emittierende Dioden (LEDs) sind besonders flexibel. Das Spektrum weißer LEDs besteht aus blauem, im Halbleiter erzeugten Licht und dem im Leuchtstoff erzeugten, breitbandigen Grün-Gelb-Anteil. Blau- und Gelbanteile können fast beliebig verändert werden. So entsteht ein Lichtspektrum nach Maß, das auch biologisch wirkt. Gelbe LEDs wirken dagegen nur minimal, rote fast gar nicht. Hersteller kombinieren in Hybrid-Leuchten daher beispielsweise warmweiße Leuchtstofflampen mit blauen LEDs oder tageslichtweiße mit gelben und roten LEDs. So werden biologische und visuelle Wirkung individuell aufeinander abgestimmt und variiert. Nicht alle Lampen sollen biologisch wirken Einige Lichtquellen zeigen produktionsbedingt eine sogenannte Quecksilberlinie: In Abbildung 20, die das Spektrum einer Dreibanden-Leuchtstofflampe zeigt, ist sie als deutliche Spitze bei 434 Nanometer erkennbar. Sie liegt im spektralen Bereich, für den der dritte Fotorezeptor des Auges am sensibelsten ist. Doch nicht zu jeder Tageszeit ist das circadian wirksame Spektrum erwünscht. Im Rahmen des Verbundforschungsprojektes PLACAR hat die Lam

19 pen- und Leuchtenindustrie daher Leuchtstofflampen entwickelt, die diesen Bereich eliminieren oder betonen und dennoch alle visuellen Qualitätsansprüche erfüllen. Beleuchtungsstärke variiert dynamisch Im Laufe eines Tages variiert dynamische Beleuchtung nicht nur die Farbtemperatur von Warmweiß bis Tageslichtweiß. Auch ihre Beleuchtungsstärke passt sich mit 500 bis Lux dem circadianen Rhythmus des Menschen an, indem sie den natürlichen Lichtreiz bedarfsgerecht ergänzt. Besonders sinnvoll ist das für Räume, in denen sich Menschen über längere Zeit aufhalten. Die positiven Effekte zeigen Pilot- projekte in Altenheimen (siehe S. 34) und Schulen (siehe S. 32): Die Beleuchtung hat dazu beigetragen, den Wach-/Schlaf- Rhythmus älterer Menschen zu stabilisieren. Zudem waren sie kommunikativer. Schüler erbrachten bessere Leistungen, waren aufmerksamer und konzentrierter. [17+18] Die Ganglienzellen des dritten Lichtrezeptors sind im nasalen und unteren Bereich der Netzhaut am empfindlichsten. Damit hat sich das Auge an die natürlichen Lichtverhältnisse angepasst, denn der Himmel beleuchtet das Auge von vorne und von oben. Licht, das aus dieser Richtung aufs Auge trifft, ist daher biologisch am wirksamsten. [19] Aktionsspektrum der Melatoninsuppression [c( )] im Vergleich zur Hellempfindlichkeit des Auges beim Nacht- [v ( )] und Tagsehen [v( )]: Biologisch am wirksamsten ist Licht mit einer Wellenlänge zwischen 460 und 480 Nanometer. [20] PLACAR-Leuchtstofflampe mit Kelvin Farbtemperatur % Forschungsprojekt PLACAR rel. Intensität 20 75% 50% 25% 0% Wellenlänge (nm) Mit dem Auftrag, zu untersuchen, wie unterschiedliche Lampen auf verschiedene Parameter des circadianen Systems wirken, wurde 2006 das Forschungsprojekt PLACAR ins Leben gerufen. Die Abkürzung steht für Plasmalampen für circadiane Rhythmen. Die For - schungs ergebnisse sollen langfristig dazu führen, Lampen zu entwickeln, die circadiane Rhythmen positiv beeinflussen. An PLACAR beteiligt sind die deutsche Lampen- und Leuchtenindustrie, die Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie an der Berliner Charité und das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie in Greifswald. 19

20 licht.wissen 19 _ Wirkung des Lichts auf den Menschen Lichttherapie Biologisch wirksames Licht wird auch in der Medizin eingesetzt. Saisonal abhängige Depressionen (SAD), die in der dunklen Jahreszeit auftreten, werden mit Licht bereits erfolgreich therapiert. Erste Untersuchungen deuten jetzt darauf hin, dass die Lichttherapie auch gegen nicht saisonale Depressionen und andere Krankheiten wirkt. Bäume verlieren ihre Blätter, Störche ziehen nach Süden, und Igel halten Winterschlaf. Nur der Mensch glaubt, den Jahreszeiten trotzen zu können. Ganz klar, ein von der Natur bestimmtes Leben passt nicht in die industrialisierte Welt. Kaum ein Arbeitgeber würde akzeptieren, wenn seine Mitarbeiter ihren biologischen Rhythmen folgend zur Arbeit erschienen. Also quälen sich viele Menschen mit auffallend schlechter Stimmung durch Herbst und Winter. Saisonal abhängige Depression Der Lichtmangel ist tatsächlich ein ernstes Problem: Fehlt ausreichend natürliches Licht, entwickeln fünf bis 20 Prozent der Gesamtbevölkerung regelrechte Mangelerscheinungen. Symptome wie verstärktes Schlafbedürfnis, fehlende Antriebskraft, Stimmungsschwankungen und sogar Depressionen können sich in Wintermonaten zu einer saisonal abhängigen Depression (SAD) entwickeln, die therapiert werden muss. US-amerikanische Wissenschaftler haben dieses Phänomen seit Anfang der 1980er- Jahre erforscht. SAD unterscheidet sich von anderen Formen der Depression vor allem dadurch, dass die Symptome mit länger werdenden Tagen im Frühling abklingen, im Herbst aber wieder auftreten. Heißhunger durch Lichtmangel 20 Die Betroffenen leiden im Gegensatz zu anderen depressiven Patienten auch nicht an Schlaflosigkeit. Im Gegenteil, sie gehen früher ins Bett als im Sommer und haben dennoch Schwierigkeiten, aufzustehen. Auch Appetitlosigkeit sonst eine typische Begleiterscheinung von Depressionen [21] Beim Hausarzt, in der Klinik oder bequem zu Hause: Lichttherapiegeräte beugen ist ihnen fremd. Sie entwickeln sogar Heißhunger, vor allem auf Kohlenhydrate wie wirksam und unkompliziert einer saisonal abhängigen Depression vor. Schokolade, Kartoffelprodukte oder Brot. 21

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