Nature – Licht gesünder machen

Künstliche Beleuchtung kann den Schlaf rauben und krank machen.
Wir brauchen neue Strategien und Technologien, argumentiert Karolina M. Zielinska-Dabkowska in einem Kommentar in Nature (engl.).

Völlige Dunkelheit ist in der Nacht notwendig, um Prozesse der Zellerneuerung in Gang zu setzen.

Dark-Sky Switzerland: Nachfolgend unsere deutsche Übersetzung.

Das Leben auf der Erde entwickelte sich in Tag-und-Nacht-Zyklen. Pflanzen und Tiere, darunter auch Insekten wie die Fruchtfliege, haben eine biologische Uhr, die ihren circadianen Rhythmus steuert – wie die Nobelpreisträger 2017 in Physiologie oder Medizin gezeigt haben. Die zunehmende Abhängigkeit der Menschen von künstlicher Beleuchtung verändert diese Rhythmen¹.

Mehr als ein Jahrhundert lang haben uns Glühlampen gute Dienste geleistet. Diese Lampen waren billig zu produzieren und zu entsorgen und einfach zu dimmen. Ihr Spektrum ist ununterbrochen und umfasst die meisten Farben des Regenbogens, ähnlich wie bei einem Sonnenuntergang (siehe Lichtquellen-Spektren). Sie hatten ihre Probleme. In den 90er Jahren warfen einige Forscher der elektrischen Beleuchtung vor, dass sie unsere Schlafgewohnheiten von dem natürlichen Rhythmus zweier vierstündiger Phasen, die von einer Stunde Wachheit unterbrochen wurden, auf eine einzige achtstündige Phase pro Nacht umgestellt haben. Glühlampen sind energiehungrig und politische Entscheidungsträger sorgen sich um ihren Beitrag zur globalen Erwärmung. Im Jahr 2005 verbrauchte die Beleuchtung rund ein Fünftel der Weltenergie.

Im Jahr 2009 hat die Europäische Kommission damit begonnen, Glühlampen vom europäischen Markt zu nehmen. Es folgten weitere Länder, von der Schweiz und Australien über Russland bis hin zu den USA und China. Energiesparlampen – zunächst vor allem Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) und später Leuchtdioden (LEDs) – wurden als Ersatz gefördert. Die gesundheitlichen Risiken, die diese Politik für Menschen, Tiere und Pflanzen mit sich bringt, müssen noch gründlich geprüft werden.

Als Lichtforscher und -designer bin ich überzeugt, dass die Kosten dieses Übergangs die Vorteile für die menschliche Gesundheit und die Umwelt bei weitem überwiegen. Da die urbane Weltbevölkerung mehr Zeit in Innenräumen unter künstlicher Beleuchtung verbringt als bei Tageslicht, sind die Auswirkungen auf die Gesundheit bereits sichtbar. Rund eine Milliarde Menschen weltweit leiden an Vitamin D oder haben nicht genug². Die saisonale affektive Störung, eine Art von Winterdepression, die auftreten kann, wenn weniger natürliches Tageslicht vorhanden ist, ist auf dem Vormarsch. Schichtarbeiter sehen sich einem erhöhten Krebsrisiko³, Fettleibigkeit⁴ und Schlafproblemen⁵ gegenüber.

Biologisch unbedenkliche Formen energieeffizienter Beleuchtung sind gefragt. Ich fordere Physiker, Ingenieure, Mediziner, Biologen und Designer auf, sie zu entwickeln. Politiker, Planer und Regulatoren sollten Standards überdenken, die Nutzung von natürlichem Licht fördern und die negativen Auswirkungen von künstlichem Licht in der Nacht, drinnen und draußen minimieren.

Stachlige Spektren

Meiner Ansicht nach gibt es jetzt genügend Beweise, um zu dem Schluss zu kommen, dass die erste Welle von Niedrigenergie-Lichtquellen schädlich ist. CFLs sind am gefährlichsten. Sie enthalten Quecksilber, ein Neurotoxin. Es gibt keine Protokolle für das Recycling oder die Entsorgung – 80% werden auf die Deponie geworfen. Ultraviolettes Licht kann aus defekten Röhrenbeschichtungen entweichen, um die Haut zu verbrennen oder die Netzhaut aus nächster Nähe zu schädigen; die US-amerikanische Food and Drug Administration empfiehlt, einer CFL nicht näher als 30 Zentimeter für mehr als eine Stunde pro Tag zu kommen.

CFLs haben eher „stachlige“ als glatte Spektren: Sie emittieren nur bestimmte blaue, grüne und orangerote Frequenzen (siehe „Lichtquellen-Spektren“). Ihr Flackern bei 100-120 Hertz kann Kopfschmerzen und Augenermüdung verursachen⁶. Die Energieeinsparungen können überschätzt werden – CFLs brauchen Minuten, um sich aufzuwärmen, so dass sie wahrscheinlich länger eingeschaltet bleiben. Wenn sie mehrmals ein- und ausgeschaltet werden, fallen sie schneller aus.

Vielversprechender ist die Festkörperbeleuchtung in Form von LEDs. LEDs enthalten kein Quecksilber und erzeugen nur eine geringe Menge an UV-Strahlung (im Vergleich zu CFLs oder sogar Glühlampen). Sie sind energieeffizienter, heller und langlebiger als CFLs. Im Gegensatz zu CFLs können sie gedimmt oder getunt werden und die Farben gut wiedergeben. Aber LEDs haben auch Nachteile⁷. Einige enthalten Schwermetalle wie Nickel, Blei und Kupfer und Gifte wie Arsen. Auch hier gibt es keine speziellen Programme für das Recycling oder die Entsorgung. Schlechte LEDs können auch flackern und Stroboskopeffekte erzeugen, wie z.B. Lichtspuren, die Fussgänger, Radfahrer oder Autofahrer verwirren können.

Die Beleuchtungsindustrie beginnt, sich mit dem Mangel an Tageslicht in Innenräumen zu befassen. In den letzten Jahren hat sie künstliche, biologisch wirksame Beleuchtung in Büro- und Wohnumgebungen gefördert, die als human-centric oder circadiane Beleuchtung bekannt ist. Dies verspricht, den Tagesrhythmus der Menschen in Innenräumen anzupassen, indem LED-Farbwechselleuchten eingesetzt werden, die das Tageslicht je nach Tageszeit imitieren. Die Deutsche Kommission für Arbeitsschutz und Normung (KAN) hat Bedenken gegen diese Praktiken geäussert. Die Risiken von Nebenwirkungen bleiben bestehen, da der Zusammenhang zwischen Lichtreizen und nicht-visuellen Reaktionen noch zu wenig verstanden wird. Es bedarf der Forschung, um mehr herauszufinden und die Standards entsprechend zu festigen.

Blaues Problem

In der Zwischenzeit wird künstliches Licht aus meiner Sicht zu einer Gefahr für die öffentliche Gesundheit. CFLs und LEDs emittieren mehr blaues Licht mit kurzen Wellenlängen als ein Sonnenuntergang oder eine Glühlampe (siehe Lichtquellen-Spektren). Die meisten weissen LED-Lampen werden hergestellt, indem blaue oder manchmal violette LEDs mit gelbem Pigment, meist Phosphor, beschichtet werden.

Das zirkadiane System des Menschen ist ausserordentlich empfindlich auf das Spektrum des für das Auge sichtbaren Lichts, insbesondere auf blaue Wellenlängen, sowie auf seine Menge und Intensität (siehe ‚Licht und die innere Uhr‘). Neben Stäbchen- und Zapfenrezeptoren, die für das Sehen verwendet werden, enthält das Auge Zellen, die als intrinsisch lichtempfindliche retinale Ganglienzellen (ipRGCs) bezeichnet werden. Diese senden Signale an das Gehirn, die den Körper dazu veranlassen, Neurotransmitter und Hormone während des ganzen Tages zu produzieren oder zu hemmen⁸. Die spektrale Empfindlichkeit von Melanopsin, dem Photopigment von ipRGCs, erreicht die maximale Absorption bei etwa 480 Nanometern und entspricht damit der Farbe eines klaren blauen Himmels am Mittag.

Am Morgen wird das Aufwachen durch blaue Wellenlängen des Tageslichts unterstützt, die Freisetzungen der Neurotransmitter Serotonin und Dopamin sowie des Hormons Cortisol auslösen. Am Abend, wenn das natürliche Niveau des blauen Lichts sinkt und durch dunkles rotes Licht ersetzt wird, wird das Melatoninhormon produziert und hilft uns beim Einschlafen. Völlige Dunkelheit ist in der Nacht notwendig, um Prozesse der Zellerneuerung in Gang zu setzen.

Wenn Menschen nachts künstlichem, blau-reichem, weissem Licht ausgesetzt werden, von Bildschirmen und elektronischen Geräten sowie künstlicher Beleuchtung, signalisieren die lichtempfindlichen Ganglienzellen in der Netzhaut dem Gehirn, die Produktion von Melatonin einzustellen. Solche Störungen können weitreichende Auswirkungen haben: auf Schlaf- und Wachzyklen, Essgewohnheiten, Stoffwechsel, Fortpflanzung, geistige Wachsamkeit, Blutdruck und Herzfrequenz, Hormonproduktion, Temperatur, Stimmungsmuster und das Immunsystem.

Künstliches Licht in der Nacht wirkt sich auch auf andere Arten aus. Bestäuber wie Motten, Fliegen und Käfer werden vom Licht angezogen, anstatt sich auf Fütterung, Paarung oder Zucht zu konzentrieren⁹. Fledermäuse verändern ihr Fressverhalten, Vögel, Fische und Schildkröten ändern ihre Zugrouten, und das Wachstum von Bäumen und Pflanzen wird beeinträchtigt.

Stadtgrenzen

Das Ausmass unserer Exposition gegenüber künstlicher Beleuchtung nimmt zu, da Städte Natrium-Strassenlampen auf LEDs umstellen. In den Vereinigten Staaten wurden 10 % aller Strassenbeleuchtungen umgebaut. New York City ändert alle 250’000 seiner Strassenlaternen. Mailand in Italien war die erste Stadt in Europa, die dies in dieser Grössenordnung tat – und das Ergebnis ist aus dem Weltraum zu sehen. Ab 2015 war die Beleuchtung des Stadtzentrums heller und blauer als die der Vororte.

Gutes Lichtdesign kann einige Probleme mildern. Der „Lichteinfall“ in den Wohnbereich, einschließlich der Schlafzimmer, kann reduziert werden, indem man Aussenleuchten entwirft, die nach unten strahlen oder Schilde verwenden, um Streustrahlen zu blockieren. Strassenleuchten können mit intelligenten Steuerungssystemen und drahtlosen Netzwerken von Bewegungsmeldern gedimmt werden. Das Dorf Van Gogh in der Gemeinde Nuenen in den Niederlanden beispielsweise senkt seine Straßenlaternen um 80 %, wenn es keine Aktivität gibt, und dreht sie auf, wenn sich ein Fussgänger, Radfahrer oder Auto nähert, und umgibt sie mit einem sicheren Lichtkreis. Intelligente Beleuchtung ist teuer in der Installation, aber die Investition zahlt sich schnell aus: Das Nuenen-System senkte die Energie- und Wartungskosten um 62%.

Mit der zunehmenden Verbreitung von LEDs treten neue Probleme auf, die einer Regulierung bedürfen. Beispielsweise können elektromagnetische Strahlung von drahtlosen Lichtsteuerungen, LED-Signalisationen im Freien und digitalen Werbetafeln Handys, Flugzeugtürme und medizinische Geräte wie Hörgeräte oder implantierbare Herz-Kreislauf-Geräte stören¹⁰.

Verschärfte Standards

Bis gesündere Beleuchtungsoptionen zur Verfügung stehen, müssen die folgenden Schritte unternommen werden, um mögliche negative Auswirkungen auf die innere Uhr zu reduzieren. Meiner Meinung nach sollten CFLs wegen der Knappheit von Entsorgungs- und Recyclingprotokollen aus dem Verkauf genommen werden. LED-Quellen sollten stärker reguliert werden. Im Innenbereich empfehle ich die Verwendung von warmweissen LEDs am frühen Abend (mit Farbtemperaturen unter 3.000 Kelvin und mit möglichst wenig blauem Licht im Spektrum), und es sollte nachts keine oder nur Licht mit einem Spektrum von mehr als 600 nm (bernsteinfarben, rote Farbe) verwendet werden. Die Beleuchtung sollte indirekt, flimmerfrei und dimmbar sein.

Unabhängige Forschung – über die Beleuchtungsindustrie hinaus – ist notwendig, um die Gesundheits- und Umweltauswirkungen von LED-Quellen zu untersuchen, einschliesslich solcher mit einstellbaren spektralen Eigenschaften, Intensitäten, Zeiten und Dauer, basierend auf der Tages-, Abend- oder Nachtzeit. Emissionen außerhalb des sichtbaren Bereiches sind zu berücksichtigen, wie z.B. Nahinfrarotstrahlung (750-950 nm), die im Tageslicht vorhanden ist, und Glühlampen, nicht aber in LEDs. Die Forschung zeigt, dass es ein Gleichgewicht geben muss – die Nutzung dieser Lichtfrequenzen kann geschädigte Netzhautzellen reparieren¹¹ und ist notwendig. Der Einsatz von Schwermetallen in LEDs muss reduziert und ein Verfahren zur Abfallwirtschaft etabliert werden. Die Auswirkungen der Steuerungstechnik im Aussen- und Innenbereich müssen untersucht werden.

Staatliche und medizinische Stellen müssen strengere Vorschriften und Standards für die Nutzung von kurzwelligem Licht in der Nacht erarbeiten. Im Juni 2016 veröffentlichte die American Medical Association eine Grundsatzerklärung (Guidance to Reduce Harm from High Intensity Street Lights), um Gemeinden bei der Auswahl der verschiedenen LED-Beleuchtungsoptionen zu unterstützen. Empfehlungen für Lichtintensitätsschwellenwerte, Timing und Dauer für Innen- und Aussenbereiche bei Nacht sind ebenfalls erforderlich. Ebenso wichtig ist es, die genauen spektralen Eigenschaften der empfohlenen Lichtquellen in Nanometern zu definieren und nicht nur die korrelierten Farbtemperaturen (CCT) in Kelvin. Letzteres ist ein Näherungswert und kann das Lichtspektrum nicht genau beschreiben.

Die Politik sollte sich für eine bessere Nutzung des natürlichen Lichts in Innenräumen während des Tages einsetzen. Kunstlicht sollte nur dann eingesetzt werden, wenn nicht genügend Tageslicht zur Verfügung steht, insbesondere in Fabriken, Krankenhäusern, Pflegeheimen und Büros, in denen die Menschen viel Zeit verbringen. Bauvorschriften sollten Praktiken und Technologien belohnen, die natürliches Licht nutzen.

Gemeinden sollten nachhaltige nächtliche Beleuchtungsstrategien und -richtlinien in ihre Masterpläne für die Stadtbeleuchtung aufnehmen. Strassen- und Sicherheitsbeleuchtung sollte nach unten gerichtet und abgeschirmt sein. Die Lichtwerte für Fußgänger, Radfahrer und Autofahrer sollten das Minimum sein, das akzeptabel ist. Passive Technologien sollten erforscht werden. So könnten zum Beispiel leuchtende Flächen, die tagsüber Energie von der Sonne aufnehmen und nachts wieder abgeben, auf Strassen und Radwegen genutzt werden (aus diesem niedrigen Winkel fällt das Licht auf die Netzhautzone, in der blaues Licht keinen biologischen Einfluss hat). Lichter in Parks und in der Nähe von Wäldern sollten am späten Abend ausgeschaltet oder gedimmt werden.

Die elektromagnetische Feldemission von LED-Aussenwerbung muss kontrolliert werden. Digitale Displays an Fassaden sollten nicht heller sein als die Beleuchtung von Strassen, Gebäuden und Plätzen in der Nähe. Anlagen sollten am späten Abend abgeschaltet werden, um den Lichteinfall in Wohngebäude zu reduzieren.

Schliesslich muss das Bewusstsein der Öffentlichkeit für die Problematik der Beleuchtung geschärft werden. Forscher und Lichtpraktiker müssen die Herausforderungen kommunizieren. Gesundes Lichtdesign wird zu einem wichtigen ethischen Thema, das nicht ignoriert werden darf. Immer mehr Gemeinden, wie z.B. Monterey in Kalifornien, gewinnen Klagen gegen Behörden wegen unangemessener LED-Stadtbeleuchtung.

Aus all diesen Gründen benutze ich immer noch die alten Glühlampen in meinem Haus, schlafe in völliger Dunkelheit und verbringe jeden Morgen mindestens eine Stunde bei hellem Tageslicht, um meine circadiane Uhr zu aktivieren – so wie viele Lichtdesigner, Ärzte und Chronobiologen. Es ist zwingend erforderlich, dass wir zu dem hellen Tag- und Dunkelnacht-Zyklus zurückkehren, den die Evolution in uns eingraviert hat.

Nature 553, 274-276 (2018)

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