曹玲

2017年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了美國遺傳學家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什、邁克爾·楊，因為他們發(fā)現(xiàn)了晝夜節(jié)律的分子機制。所謂晝夜節(jié)律，也就是人們平常所說的生物鐘。

復雜的生物鐘網(wǎng)絡

事實上，生物鐘是一門古老的學問。1792年的一個傍晚，法國天文學家讓·雅克·德奧圖·德梅朗發(fā)現(xiàn)含羞草已經(jīng)“睡覺”了——它的葉子合上了，而白天時它的葉子是張開的。他好奇如果含羞草持續(xù)處于黑暗環(huán)境中會產(chǎn)生什么變化，之后他發(fā)現(xiàn)，盡管沒有日光照射，含羞草的葉子每天仍然保持其正常的規(guī)律性變化。顯然植物“知道”太陽的位置，知道什么時候是白天，什么時候是黑夜。德梅朗是發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律的第一人。

后來，其他科學家發(fā)現(xiàn)不只植物，動物也通過生物鐘幫助自身適應環(huán)境的日常變化。

一天24小時并不是地球上唯一的時間結構，除它之外還有潮汐時間、月亮周期和以年為單位的周期。生活在海里的動物受潮汐影響較大，以年為周期出現(xiàn)的現(xiàn)象有候鳥遷徙、鮭魚洄游、爬行動物冬眠等等。還有一些生物的生活周期令人費解，比如珊瑚蟲會在繁殖季節(jié)滿月的午夜一起產(chǎn)卵。后來，科學家發(fā)現(xiàn)珊瑚蟲體內(nèi)有一種光傳感器，能感知滿月時的光線。從新月到滿月，在月光逐漸增強的過程中，它們體內(nèi)的傳感器基因隨之漸漸活躍，充當了滿月之夜產(chǎn)卵的觸發(fā)器。

20世紀70年代，科學家找到了哺乳動物生物鐘的位置所在。動物眼睛后面的小丘腦有兩個很小的區(qū)域，現(xiàn)在被稱為視交叉上核，這個區(qū)域的神經(jīng)元連接視網(wǎng)膜，負責對光明和黑暗的周期性反應。視交叉上核只有1/4顆米粒大小，由大約2萬個神經(jīng)細胞組成。這兩個區(qū)域向大腦和身體發(fā)出信號，控制激素釋放，調(diào)節(jié)體溫和食欲，被稱為中央生物鐘。

除中央生物鐘外，人體還有很多外周生物鐘。2014年，賓夕法尼亞大學的科學家約翰·霍格尼斯發(fā)現(xiàn)，哺乳動物近一半的基因活性隨時間變化而變化。他繪制了小鼠12個不同器官中成千上萬基因的24小時表達模式，包括心臟、肺、肝臟、胰腺、皮膚和脂肪細胞，制作出哺乳動物基因蕩振“圖譜”。

令人驚訝的是，控制基因活性隨時間變化的信號并不一定來自大腦。如果把肝臟細胞養(yǎng)在培養(yǎng)皿中，它也會很快進入24小時節(jié)律?！叭梭w只有一個生物鐘”的概念已經(jīng)成為過去時。目前的研究認為，人體中數(shù)以千計甚至百萬計的生物鐘，組成了一個復雜的網(wǎng)絡，它們獨立運行，但又相互通話、相互協(xié)調(diào)。

生物鐘的出現(xiàn)給生物的生存帶來了巨大的優(yōu)勢，其中最經(jīng)典的例子是藍藻實驗。1998年，美國范德堡大學的卡爾·約翰遜用一種叫藍藻的單細胞生物進行研究。正常藍藻的生物節(jié)律是24小時，基因突變的藍藻生物節(jié)律可以縮短，也可以延長，比如22小時或者26小時。卡爾·約翰遜將這些基因突變的藍藻和正常藍藻等比例混合培養(yǎng)在12小時光照、12小時黑暗的條件下，之后約翰遜發(fā)現(xiàn)突變藍藻因無法適應光照更替環(huán)境，生存競爭力下降，基本消失了。

在生物鐘的作用下，藍藻在日出之前即可提前動員光合作用系統(tǒng)，在陽光一出現(xiàn)的時候就可以攝取能量，比那些純粹依靠光線啟動光合系統(tǒng)的生物領先一步。與之類似，日落之后，藍藻的光合系統(tǒng)會遵循生物鐘的指令而關閉，避免那些夜間無須調(diào)動的能量被無謂浪費。這一實驗清楚地顯示：內(nèi)部的代謝節(jié)律與環(huán)境周期相匹配會增強物種的競爭力。

生物鐘和健康

對于人類而言，生物鐘紊亂也會引發(fā)很多問題，最常見的就是倒時差。得過時差綜合征的人都知道想使生物鐘與頭腦達成一致有多痛苦。時差綜合征的一個癥狀是盡管非常疲憊，但晚上還是會失眠，此外還會導致注意力減退、協(xié)調(diào)能力變差、認知能力降低、情緒波動、胃口變差等問題。

19世紀以前，人類的社會生活時間與當?shù)氐奶枙r間是一致的：中午是太陽到達最高點的時間。這一時間劃分規(guī)則在鐵路被發(fā)明之后受到了沖擊，突然間人們可以在短短幾個小時之內(nèi)走很長的路程，導致當?shù)氐奶枙r間完全不能用了。因此1884年很多國家共同實行了一套體系：把世界分成24個時區(qū)，把穿過倫敦附近的格林尼治天文臺的經(jīng)線設定為本初子午線。

地球上所有的生物，包括飛機發(fā)明以前的人類，根本沒有倒時差的問題，也就沒有進化出快速和大幅度校表的機制。而大型噴氣式客機的出現(xiàn)，使得人們從太平洋西岸的上海飛到東岸的洛杉磯，只需要12個小時左右，時間“后退”16個小時。這樣在一天之內(nèi)造成的時差不是任何生物鐘可以立即適應的。

現(xiàn)代生活方式很少能與我們的生物鐘保持一致。如今的社會中，對人體生物鐘產(chǎn)生最嚴重負面影響的就是倒班工作。倒班工作意味著：人們工作的時候，正是身體需要休息的時候;在大腦和眼睛希望處于黑暗的時候，它們卻被暴露在光線中;身體和大腦持續(xù)存在壓力，因此不得不依靠諸如咖啡之類的東西來暫時緩解疲憊感。

持續(xù)幾十年的流行病學研究表明，從事倒班工作的人比從事傳統(tǒng)工作的人患病的概率更高，其他負面影響還包括睡眠障礙、抑郁、心臟病、消化系統(tǒng)疾病、糖尿病以及其他代謝類疾病。

此外，另有研究表明，如果人們在睡覺前服用降壓藥纈沙坦，比醒來時服用效果提高60%，還能降低糖尿病的發(fā)病風險。

時間是影響藥物效率的一個重要但被低估的因素，目前有一個新興的研究領域叫“時間治療學”。我們的細胞中存在著一種時鐘，調(diào)控著人體對藥物的新陳代謝，因此一些藥物適合在夜間給藥，一些適合在白天給藥。時間療法遵循患者的生理節(jié)律，從而減弱了治療的副作用，提高了患者的生活質(zhì)量。

生物節(jié)律研究還包括太空里人體生物鐘的變化規(guī)律研究。比如國際空間站里的光照強度比白天地表的光照強度低很多，而光照強度對生物鐘會起到重要的調(diào)節(jié)作用。此外，重力的改變也會對生物鐘和睡眠產(chǎn)生影響。宇航員還要執(zhí)行一些臨時性的突發(fā)任務，也會影響睡眠。這些都會使宇航員的反應能力和操作能力嚴重下降，從而降低工作效率，增加事故發(fā)生的風險。所以要實現(xiàn)人類的飛天夢，深入研究生物鐘的變化規(guī)律和調(diào)節(jié)機制具有重要的意義。

（新芳摘自《三聯(lián)生活周刊》2017年第42期）