光照耀下的我们

　　几十亿年来，太阳光作为一种原始且唯一的光源，它塑造了几乎所有生命形式的内源性昼夜节律。对哺乳动物来说，光照调控着包括睡眠-觉醒、核心体温、新陈代谢、基因表达的波动和激素产生等一系列的生理过程，对于维持生物体的生理稳态具有重要意义【1】。而进入现代社会后，照明设备被广泛应用。电灯的发明在方便人类工作、生活的同时，也改变了自古以来"日出而作,日落而息"的生活、生产规律，并对人类健康造成不良影响，而健康光照能提升我们的生活质量和健康水平。

人体是如何感知光信号的？

　　说到光信号感知，大多数人都会认为眼睛就是人体中唯一的感光器官，然而事实远非如此。哺乳动物的生物感光系统包含特异性和非特异性两部分【2】。其中，特异性的部分包括光色素分子，例如眼睛中的视杆蛋白、视锥蛋白以及黑视素。除此之外，机体中还存在一类非特异性感光组分，它同样也可以吸收光，并传递光信号，例如细胞色素c氧化酶。而细胞色素c氧化酶广泛分布于人体皮肤、肌肉和肝脏等部位，虽然它们不能像眼睛中的光色素分子那样加工光信号，但对于人体的光感知和代谢途径的调节都发挥了重要作用。

哺乳动物视觉通路示意图

不良光照与人类疾病

　　人造光源的发明使白天得以延长，从而使人类有更多的时间来提高生产力。然而，过多人造光源会对生态环境和人体健康产生危害。因此，在很久之前科学家就提出了光污染的概念，光污染主要指夜间人造光所造成的重大负面影响。越来越多的研究显示，长期暴露于光污染的环境下会极大地提高人体失眠、癌症、肥胖、激素分泌紊乱等疾病发病率【3-4】。统计显示，我国是世界上光污染最严重的国家之一，而光污染最严重的城市包括北京、上海、广州、深圳、东莞等[5]。因此，提高对不良光照的认知能减少光污染对我们的危害。

　　调查发现，在欧美发达国家频繁倒班的女工人中，患乳腺癌的概率比正常工人高50%~100%，这与夜间光照对褪黑素的影响息息相关【5】。研究发现，过多的夜间光照会引起人体的昼夜节律紊乱，导致褪黑素分泌减少，而褪黑素能够改变雌激素依赖性细胞信号，并且在机体中具有明显的神经免疫调节作用【6】。夜间人造光在近几十年里急剧增加，这对动物和人都产生了重要影响。动物实验已经证实，长时间暴露于夜晚人造光可引起肥胖、糖尿病、胰岛素抵抗、脂代谢紊乱等一系列疾病【7】。表明光照与代谢性疾病的发生发展有着密切的联系。

　　光对哺乳动物生理和行为的影响取决于波长、辐照度、持续时间和每天的光照时间。研究表明，长期暴露于蓝光中会严重改变健康成人的葡萄糖代谢，究其原因可能是由于长期蓝光照射引起交感神经活性增加和血浆褪黑激素水平变化【8】。

　　中国药科大学生命科学与技术学院刘畅课题组也开展了相关实验，就光色对哺乳动物代谢的影响进行了深入研究。他们选取7周龄的C57/B6小鼠作为研究对象，为了减少小鼠个体间不同生理周期中雌激素引起的代谢差异，选择雄性小鼠进行实验。实验开始时，先将小鼠随机分成4组，分别暴露于相同光照强度、不同颜色发光二极管的照射下，包括白光、红光(主要波长为625 nm)、绿光(主要波长为520 nm)或蓝光(主要波长为465 nm)，照射两个月。每个光色组又被分为两个亚组，分别进行正常饮食或高脂西式饮食(60%能量来自脂质)喂养。在实验过程中对动物的体重、食物摄入和饮水进行定期监测。

　　研究发现，长期暴露于绿光的小鼠会加速高脂饮食引起的小鼠肥胖进程，使其具有更差的葡萄糖耐受力和更高的血清及肝脏脂质含量。此外,绿光处理的肥胖小鼠肝组织中褪黑激素受体1-b和甲状腺激素受体β表达水平也明显降低,表明这些激素通路可能参与脂质代谢的调节。由此可以认为，光色对于代谢稳态有深远的影响，在治疗代谢紊乱疾病时应加以考虑【9】。

光照与人类健康的未来研究目标

　　近年来的研究发现，照明环境的选择在一定程度上决定了人们的生活质量。在LED技术盛行的今天，如何更好地根据我们的需求将研究结果融入到日常照明的设计概念中，是当今社会的一个关键挑战。而在今后的研究工作中，应当将研究重心放到以下几个方面：

　　a.光信号通过眼、皮肤等感光器官传导进入大脑中枢神经系统的具体途径研究。

　　b.中枢神经系统将信号传入下游效应器官，并最终发挥调控作用的通路研究。

　　c.筛选并发现一系列能有效地逆转或改善不当光照对人体造成危害的小分子药物。

　　随着光生物学效应研究的不断深入，光作为对生物生理活动分布最广、作用最强的影响因素之一，必将会在提高人类生活质量以及疾病辅助治疗中发挥更加重要的作用。（详情请点击下方阅读原文）

　　参考文献：

　　【1】Stevens R G, Zhu Y. Electric light, particularly at night, disrupts human circadian rhythmicity: is that a problem?. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2015, 370(1667): 20140120

　　【2】Nelson R J, Chbeir S. Dark matters: effects of light at night on metabolism. Proc Nutr Soc, 2018, 77: 223-229

　　【3】Xue X, Lin Y, Zheng Q, et al. Mapping the fine-scale spatial pattern of artificial light pollution at night in urban environments from the perspective of bird habitats. Sci Total Environ, 2020, 702: 134725

　　【4】Ayalon I, de Barros Marangoni L F, Benichou J I C, et al. Red sea corals under artificial light pollution at night (alan) undergo oxidative stress and photosynthetic impairment. Glob Chang Biol, 2019, 25(12): 4194-4207

　　【5】Falchi F, Furgoni R, Gallaway T A, et al. Light pollution in USA and europe: the good, the bad and the ugly. J Environ Manage, 2019, 248: 109227

　　【6】Kubatka P, Zubor P, Busselberg D, et al. Melatonin and breast cancer: evidences from preclinical and human studies. Crit Rev Oncol Hematol, 2018, 122: 133-143

　　【7】Peirson S N, Brown L A, Pothecary C A, et al. Light and the laboratory mouse. J Neurosci Methods, 2018, 300: 26-36

　　【8】Cheung I N, Zee P C, Shalman D, et al. Morning and evening blue-enriched light exposure alters metabolic function in normal weight adults. Plos One, 2016, 11(5): e0155601

　　【9】Zhang S, Zhang Y, Zhang W, et al. Chronic exposure to green light aggravates high-fat diet-induced obesity and metabolic disorders in male mice. Ecotoxicol Environ Saf, 2019, 178: 94-104

　　作者简介：

　　沈子悦：中国药科大学生命科学与技术学院生物学硕士研究生，现阶段从事光照对小鼠代谢综合征的影响及其机制研究。

（作者：沈子悦）

（本文来源于公众号： 生物化学与生物物理进展）