光照对儿童与青少年健康的影响研究

夏与溪，胡 华

中南大学，湖南 长沙 410000

0 引言

随着近年来有关光照对人体影响研究的不断深入，人们发现光照对人体不仅有着视觉方面的影响，还形成了光的非视觉效应，从各方面影响着人体健康。有关健康的光环境研究在全球范围内受到关注，并成为近年来采光照明领域研究的热点。儿童与青少年时期的人体处于发育的高峰期，光照对该时期人体的影响和作用是巨大的，因此文章重点介绍光照对发育期人体的影响，以期对营造儿童及青少年健康生长的光环境及其相关研究有所启发。

1 光照对青少年儿童视力发育的影响

现有的研究对人眼视觉的发育及衰退过程已有了较清晰的了解。胎儿6周时视神经开始发育，6个月时可感受外界光照强弱变化。婴儿出生时，人眼的结构已经成形，但还需依靠外界的视觉刺激来完成复杂的视觉功能发育。

近年来的医学研究表明，阳光中所携带的短波长蓝光能够促进眼球的发育。人在婴幼儿时期眼球中的晶状体未彻底发育成形，此时蓝光较成年人更容易穿过婴幼儿晶状体抵达视网膜并加快黄斑区细胞的氧化，从而致使病变。因此，人在短波蓝光中的暴露应该有一个适度区间，既保证正常发育的需要，又要避免过度暴露致病。

现代流行病学认为环境、遗传、营养是导致少儿近视的主要原因，而光照是环境中不可忽视的重要因素。French等[1]的研究表明，自然光能够促使视网膜分泌多巴胺，有利于瞳孔收缩和调节视觉压力，抑制眼球的轴向发展，从而降低近视发生的概率。此外，儿童睡眠时间不足会导致自主神经功能紊乱，干扰眼睫状肌的正常调节功能，从而导致形成近视眼。

由此可见，视力的成形、发育离不开光信号刺激，科学健康的光环境对于儿童及青少年视力正常发育、预防近视和延缓近视加深有着非常重要的意义。

2 光照对青少年儿童色觉的影响

色觉是人眼的视功能之一，正常人眼可辨别波长在390～780 nm之间的可见光，对绿光灵敏度最高，对红光较低。

视网膜上存在三种用于感知颜色的视锥细胞，即L型视锥细胞（L-cone）、M型视锥细胞（M-cone）和S型视锥细胞（S-cone），分别对应着长、中、短波长的光。每种视锥细胞都对某一个特定波长的颜色异常敏感，这是由于每种视锥细胞内部有着不同的色素，色素的不同导致吸收的光谱区域不一样。一般来说，S型视锥细胞中含有的蓝敏素对波长420 nm的光线最为敏感，M型视锥细胞中含有的绿敏素对530 nm的波长最为敏感，而L型视锥细胞中含有的红敏素对560 nm的波长最为敏感，三种视锥细胞的反应波峰和对应波长颜色如图1所示。

图1 三种视锥细胞的反应波峰和对应波长颜色

目前对动物进行的单色光试验揭示了单色光对色觉的影响。钱一峰[2]的研究成果表明，长期采用某一单色光对小鼠进行照明，会对其特定视锥细胞数量、分布密度产生影响。刘睿等[3-4]的研究表明，恒河猴和豚鼠色觉通路的信号对比会因单色光照明发生变化，并对其光谱敏感曲线的振幅和峰值都造成影响。Min[5]采用单色光对豚鼠视网膜上视锥细胞及视蛋白表达的影响研究，发现豚鼠色觉系统能够随着单色光的变化而发生代偿性反应。

荧光灯光谱为连续光谱上的线状谱，如图2所示，主要波长为405 nm、436 nm、456 nm和577 nm，缺少长波红色光波段。缺少长波的荧光灯对视网膜上L型视锥细胞刺激较少，会对红-绿通路（L/M通路）、蓝-黄通路（S/L+M通路）和亮度通路（L+M）产生影响，从而表现为色觉异常。

图2 荧光灯光谱

近年普遍采用的LED灯的光谱一般有两个以上峰值，如图3所示，蓝光（400～480 nm）为主要波长组成部分，而其他的波长范围相对辐射强度很低。因此LED光源的光谱也是分布于辐射强度较低的连续光谱上的线状谱，光谱中蓝光所占比例较高，应注意其产生的不利健康影响。

图3 LED灯光谱

由以上研究可知，单色光、荧光灯以及LED灯等人工照明方式对色觉均有不同程度的影响，尤以蓝光（400～480 nm）为主要波长的高色温LED灯对视网膜黄斑区可产生较严重的损害作用。

3 光照对青少年儿童脑波节律的影响

在进化过程中，生物发育并分化出了生物钟来协调昼夜节律。目前认为哺乳动物的大部分行为及生理现象具有内源性昼夜节律，如睡眠时间、体温、心跳、血压、免疫力和内分泌等。2017年，美国科学家发现“控制昼夜节律的分子机制”。根据Berson[6]的研究，影响哺乳动物调节昼夜节律的感光细胞是除视杆细胞和视锥细胞以外的第三种细胞——视网膜神经节感光细胞（ipRGCs）。光照向大脑中的生物钟结构发送信号的大致过程为，光入射到视网膜后，光信号被ipRGCs接收并产生生物电信号，该信号沿着视网膜下丘脑束（RHT）向上传递到下丘脑视交叉上核（SCN）和下丘脑室旁核（PVN），最后到达松果体（pineal gland），刺激和调节褪黑激素（MLT）的分泌，从而影响生理和行为的节律。光的非视觉效应神经通路如图4所示。这一发现证实了光照参与人体内分泌调节，且盲人也能发生同样的现象，表明该光照引起的节律漂移为光的非视觉效应。

图4 光的非视觉效应神经通路示意图

褪黑激素的分泌具有明显的昼夜节律性，在目前研究的脊椎动物中，褪黑激素在夜间的分泌量都显著高于日间，但夜间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响松果体产生和分泌褪黑素，还会对褪黑素产生急性抑制作用。

充分的光照能改变睡眠节律，该节律对人体以及其他哺乳动物大脑功能所产生的最直接的影响就是睡眠/觉醒的昼夜节律。人的内源性节律约25 h，当人在无光照的情况下生活2周，睡眠/觉醒的时间就会与外界白天黑夜的时间相反；重新生活在24 h的光照节律下时，生物钟会跟随光照环境节律重新调定为24 h。

目前工程上使用较多的非视觉效应评判方法多为简化版Lucas模型，褪黑素抑制光谱敏感曲线M(λ)和视觉光谱敏感曲线V(λ)如图5所示。褪黑素抑制光谱敏感度较高的波长范围在446～488 nm，波长为464 nm蓝光时敏感度最高，说明蓝绿光对褪黑素抑制作用较强。

图5 褪黑素抑制视觉光谱敏感曲线

因此，科学健康的光环境不仅有助于儿童及青少年形成正常的昼夜节律和养成良好的睡眠习惯，还能对其正常的生长发育和肿瘤预防起到非常重要的促进作用。

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4 光照对青少年儿童骨骼发育的影响

维生素D对骨骼的生长和发育起着重要作用。若缺少维生素D，在儿童和青少年身上主要表现为牙齿萌出延迟和低血钙，骨骼生长也将会受到影响，如出现骨质变软、佝偻病、骨骼畸形等情况，还会影响神经、造血、免疫等的功能。人体获取维生素D的主要方法有两种，一种是经由饮食摄取，如食用动物肝脏、鱼肝油、鸡蛋等可获取维生素D；另一种是最主要的方式，即通过自然光照射获取，皮肤中的胆固醇在紫外线的照射下能在皮肤表面合成维生素D，并被直接吸收到血液中。人体所需的维生素D有90%以上通过自身合成[8]。

王淑荣等[8]在对日光中紫外线照射与维生素D代谢的关系的研究中发现，适量的日光照射（1/4最小红斑量）能避免人体因维生素D缺乏导致的骨骼畸形和佝偻病。孙要武等[9]在人工太阳光源（280～320 nm）预防儿童佝偻病的生物学效应试验研究中得出，儿童冬季每天接受人工太阳光源照射3 h可有效防止佝偻病发生且能提高人体抵抗力。王莉娟等[10]在中波紫外线照射前后老年性骨质疏松症血清中维生素D2、D3的测定试验中得知，被试者经过中波紫外线（UVB，275～320 nm）照射后血清中维生素D2、D3的含量显著增加，说明中波紫外线的照射对治疗老年骨质疏松症有积极作用。连星烨等[11]在不同地区光照量与人体维生素D水平及骨密度之间的关系研究中发现，平原地区人群的骨密度与其所在地域的日照量呈正相关，日光中紫外线的强度及剂量与骨质疏松症的发生密切相关。

预防佝偻病和维生素D缺乏所需要的日光照射量需要根据不同情况来看，如要考虑日光照射的季节、时间、太阳高度角、空气污染、云层等环境因素的差异；同时个体差异的不同也使人体所需的日光照射时间有较大差异，如年龄、皮肤色素、衣着、防晒剂的使用等差异会使皮肤合成所需维生素D的时间及效率产生较大偏差[12]。美国有报道，全身只包裹一块尿布的白人婴儿每周只需30 min的日光照射即可，只有脸和手部皮肤暴露的白人婴儿每周也只需2 h的日照，但对于黑人婴儿而言，其需要的日光照射量可能是白人婴儿的6倍。

适量的紫外线照射对人体骨骼发育至关重要，但是过多的紫外线暴露不仅不能使人体持久产生维生素D，还会增加皮肤肿瘤的患病概率。赵平等[13]进行的紫外线照射前后抗佝偻病作用的时间-效应关系的试验研究表明，超过合成维生素D的最佳剂量（1/4最小红斑量）后过量照射无增强作用。Wharton等[14]的研究也表明避免过量日光照射能减少皮肤癌的发生概率。根据流行病学结果，也间接证明了接受日光照射的年龄越小，皮肤癌发生的危险性越大，甚至比一生中日光照射的总量更为重要。

因此，良好且适当的光照会对儿童及青少年健康的骨骼发育有至关重要的促进作用，但过量的自然光照射也会给人体带来危害。由此可知，一定的户外活动是必要的，但也需避免日光暴晒，日照量过大时应做好防晒措施。

5 光照对青少年儿童心理健康的影响

目前心理学研究成果表明，儿童及青少年对光照环境极其敏感，光照作用于儿童和青少年心理的影响包括情绪、认知、行为等，这种影响是通过照度/亮度、显色性、色温、色彩、照明方式、光源位置等指标和因素综合作用实现的。

过暗或者过亮的照明都会使人产生负面情绪，照明的强度（照度/亮度）与情绪之间呈倒U型曲线，合理的光照强度才能给人舒适的体验。人暴露于过于明亮的光照下时不仅不能改善情绪体验，反而会产生更多不安、急躁、焦虑等负面情绪。长期光照不足的情况下，血清素（调节睡眠、情绪、焦虑、冲动控制、食欲和性行为的重要神经介质之一）可能会过度转化为褪黑激素，导致血清素缺乏，而血清素缺乏症是导致情绪紊乱的主要原因之一，包括轻度的神经衰弱以及严重的精神失常。目前，光疗法作为一种干预治疗手段用于医学治疗，剂量通常是每日2 500 lx持续2～4 h，或每日l0 000 lx持续30 min[15]。适当的光疗能够帮助夜班工作人员更好地适应昼夜颠倒的节律，并改善其睡眠和情绪体验，同时是应对季节性情感障碍（SAD）的一种成熟方案。

色彩、色温与情绪有着直接关联。在暖白光（3 000 K）照明条件下，儿童会感到放松，并能够安静下来；中性光（4 000 K）和冷白光（6 000 K）能使儿童注意力集中和头脑清醒，显色性差的冷白光则会使人感到冰冷和过于严肃，并使其产生沮丧的情绪。不同色彩会给人带来不同情绪：红色带来紧张感，适宜运动场所；粉色可在短时间内带来平静感，长时间则会使人焦虑不安；黄色能在短时间促进记忆，长期则易使人感到愤怒与沮丧；橙色促进人际交流；蓝色令人产生睡意，也是短时记忆准确度最高的色彩环境；长期的紫色环境会使人沮丧；绿色使人感到平静，是视觉空间中集中注意力最迅速和最准确的色彩环境，可提高儿童及青少年的阅读速度和理解能力。局部彩色光的应用在短时间内会吸引人的注意力，但长时间的彩色光环境不仅会影响儿童和青少年视力的正常发育，还会引发其烦躁、易怒等负面情绪。

照明方式也会给人的情绪造成影响。若空间顶部的亮度远低于地面的亮度，会让人感觉到压抑，可采用间接照明或半直接半间接照明以消除亮度分布不均的现象。例如，在一些层高较高的空间采用洗墙灯照亮顶部结构，或采用上下出光的照明灯具等。Barnitt[16]在2005年关于学校内照明方式的选择与学习成绩之间相关性的研究表明，优秀的人工照明应该是45%的上照光+55%的下照光，此类型的混合型照明方式从长远来看能显著提高学生的学业水平。

光源位置也会影响情绪，这与太阳的位置变化有关：早晚太阳的位置较低且色温也较低，令人精神放松；而中午太阳的高位置和高色温使人更易集中精力。光源位置越高，紧张感越强烈；光源位置低则令人感觉松弛。因此在一些小范围的儿童及青少年活动的场所，适当地采用一些低色温、低位置照明可以缓解儿童及青少年的紧张情绪，使其放松心情；而在需要提高学习效率的空间采用顶部照明的方式会更利于其完成学习任务。

6 光照对青少年儿童学习效率的影响

针对光照对学习效率的影响，国内已经开展了一系列的研究。例如，林丹丹等[17]用不同色温及照度的荧光灯对参与试验的学生进行照射，研究对比了不同光照环境下参与者的主观评价、工作绩效及视疲劳程度的区别，结果表明高照度水平（300～750 lx）更有利于提高儿童及青少年视觉活动的效率，且能有效延缓中小学生的视觉疲劳，减轻疲劳程度，从而提高其学习效率。重庆大学的黄海静[18]在三种色温荧光灯（2 700 K、4 000 K、6 500 K）的照明环境下研究学生完成视觉作业的校对工作能力，绘制出了3项能力的指数（IMC）分析图并得出结论，在300 lx照度，中、高色温（4 000 K、6 500 K）的环境下，学生的学习效率更高，并提出教室照度标准值可从300 lx提高到500～750 lx。Yan 等[19]在光源色温对脑波节律及学习效率的影响研究中证明荧光灯的光谱、光强与学生视觉心理、视疲劳、学习效率等因素密切相关，并建立了“光谱/光强度-生理节律-学习效率模型”，显示4 000 K左右的中色温灯适合作为主光源，6 500 K色温不宜被用作教室照明，并在此基础上进一步测试了不同色温、照度下学生脑波节律的变化，得到“在试验研究的照度、色温范围内，照度和色温的增大可以增加大脑皮层的兴奋性，但学习效率与光环境中的照度和色温的增加成负向运动”的结论。

外国的研究者也针对光照对学习效率的影响做了大量研究，如Benya[20]早在2001年发表的《学校照明（Lighting for Schools）》中表明，教室中有天然采光的学生比教室中无天然采光的学生的计算和阅读理解能力高出20%以上。Gentile等[21]的研究表明，500 1x照度的光环境下小学生的计算、作文和阅读方面的成绩均高于300 1x照度的标准照明环境下的小学生。日本千叶大学的Shi等[22]的试验发现，照明光色温在3 000 K时大脑活性相对最低，但对运动后体力恢复和放松有利；5 000 K时最有活力，最适宜运动，舒适度最高；7 000 K时脑波活性最强，但疲劳消除得最慢，疲倦感最强。

以上研究结果表明，提高照度有利于提高学习效率，但单纯提高教室照明中的色温对提高学习效率无显著作用[23]，且无论是荧光灯还是LED灯，高色温光环境均会加重学生的视疲劳及脑疲劳，因此不应作为教室照明的主光源。教室照明环境的设置应考虑“时间累积”效应、学习的长期性及高负荷性，以及视疲劳、脑疲劳、心理活动等多方面因素的综合影响来选择最合适的照明方案。

笔者从各研究数据中综合发现，照度为500～750 lx，色温在4 000 K左右的中色温光且采用半直接型照明方式（45%的上照光+55%的下照光，或将房间顶部亮度与作业面亮度形成此比例关系）的光照是最适合儿童学习和发展认知能力的光环境，可促进儿童取得理想的学习成绩。并且可以在儿童及青少年进行学习和活动的空间，通过控制系统，按照其注意力规律进行色温和明暗的调节，从而帮助使用者在放松状态（低照度、低色温）和学习状态（高照度、中高色温）之间进行相互调节，这将更有利于提高儿童及青少年的学习效率。

7 结论

健康的光环境不仅在视觉效应方面对儿童及青少年预防近视发生，延缓近视加深和预防色觉发育异常、色觉损伤等方面有着非常重要的意义，还对其正常的生长发育和肿瘤的预防起到非常重要的积极作用，同时，适当的紫外线照射对儿童及青少年骨骼的发育至关重要，但过量的紫外线照射则会增加其皮肤肿瘤的患病率。除此以外，光环境还能对儿童及青少年的情绪及学习效率产生较大影响。

因此，健康合理的光环境对儿童及青少年的健康生长发育有着十分重要的影响。现有的采光设计标准是根据工作环境的视觉需要，以满足基本工作视觉清晰度为主要评价方式的，在光与健康方面的关联还不够紧密，文章旨在推进儿童及青少年使用空间中基于健康的光环境设计方法的发展。儿童及青少年使用空间的光环境除满足基本视看要求外，还应该考虑该年龄段人群的特殊需要，强调光健康概念在光环境设计中的作用能使其使用空间的光环境设计方法更有利于儿童及青少年健康生长发育。