曹玲

2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)遺傳學(xué)家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什、邁克爾·楊，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了晝夜節(jié)律的分子機(jī)制。所謂晝夜節(jié)律，也就是人們平常所說(shuō)的生物鐘。

復(fù)雜的生物鐘網(wǎng)絡(luò)

事實(shí)上，生物鐘是一門(mén)古老的學(xué)問(wèn)。1792年的一個(gè)傍晚，法國(guó)天文學(xué)家讓·雅克·德奧圖·德梅朗發(fā)現(xiàn)含羞草已經(jīng)“睡覺(jué)”了——它的葉子合上了，而白天時(shí)它的葉子是張開(kāi)的。他好奇如果含羞草持續(xù)處于黑暗環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生什么變化，之后他發(fā)現(xiàn)，盡管沒(méi)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(yáng)的位置，知道什么時(shí)候是白天，什么時(shí)候是黑夜。德梅朗是發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律的第一人。

后來(lái)，其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)不只植物，動(dòng)物也通過(guò)生物鐘幫助自身適應(yīng)環(huán)境的日常變化。

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

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家找到了哺乳動(dòng)物生物鐘的位置所在。動(dòng)物眼睛后面的小丘腦有兩個(gè)很小的區(qū)域，現(xiàn)在被稱(chēng)為視交叉上核，這個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元連接視網(wǎng)膜，負(fù)責(zé)對(duì)光明和黑暗的周期性反應(yīng)。視交叉上核只有1/4顆米粒大小，由大約2萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞組成。這兩個(gè)區(qū)域向大腦和身體發(fā)出信號(hào)，控制激素釋放，調(diào)節(jié)體溫和食欲，被稱(chēng)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(xué)的科學(xué)家約翰·霍格尼斯發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物近一半的基因活性隨時(shí)間變化而變化。他繪制了小鼠12個(gè)不同器官中成千上萬(wàn)基因的24小時(shí)表達(dá)模式，包括心臟、肺、肝臟、胰腺、皮膚和脂肪細(xì)胞，制作出哺乳動(dòng)物基因蕩振“圖譜”。

令人驚訝的是，控制基因活性隨時(shí)間變化的信號(hào)并不一定來(lái)自大腦。如果把肝臟細(xì)胞養(yǎng)在培養(yǎng)皿中，它也會(huì)很快進(jìn)入24小時(shí)節(jié)律?！叭梭w只有一個(gè)生物鐘”的概念已經(jīng)成為過(guò)去時(shí)。目前的研究認(rèn)為，人體中數(shù)以千計(jì)甚至百萬(wàn)計(jì)的生物鐘，組成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它們獨(dú)立運(yùn)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(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)，其中最經(jīng)典的例子是藍(lán)藻實(shí)驗(yàn)。1998年，美國(guó)范德堡大學(xué)的卡爾·約翰遜用一種叫藍(lán)藻的單細(xì)胞生物進(jìn)行研究。正常藍(lán)藻的生物節(jié)律是24小時(shí)，基因突變的藍(lán)藻生物節(jié)律可以縮短，也可以延長(zhǎng)，比如22小時(shí)或者26小時(shí)。卡爾·約翰遜將這些基因突變的藍(lán)藻和正常藍(lán)藻等比例混合培養(yǎng)在12小時(shí)光照、12小時(shí)黑暗的條件下，之后約翰遜發(fā)現(xiàn)突變藍(lán)藻因無(wú)法適應(yīng)光照更替環(huán)境，生存競(jìng)爭(zhēng)力下降，基本消失了。

在生物鐘的作用下，藍(lán)藻在日出之前即可提前動(dòng)員光合作用系統(tǒng)，在陽(yáng)光一出現(xiàn)的時(shí)候就可以攝取能量，比那些純粹依靠光線啟動(dòng)光合系統(tǒng)的生物領(lǐng)先一步。與之類(lèi)似，日落之后，藍(lán)藻的光合系統(tǒng)會(huì)遵循生物鐘的指令而關(guān)閉，避免那些夜間無(wú)須調(diào)動(dòng)的能量被無(wú)謂浪費(fèi)。這一實(shí)驗(yàn)清楚地顯示：內(nèi)部的代謝節(jié)律與環(huán)境周期相匹配會(huì)增強(qiáng)物種的競(jìng)爭(zhēng)力。

生物鐘和健康

對(duì)于人類(lèi)而言，生物鐘紊亂也會(huì)引發(fā)很多問(wèn)題，最常見(jiàn)的就是倒時(shí)差。得過(guò)時(shí)差綜合征的人都知道想使生物鐘與頭腦達(dá)成一致有多痛苦。時(shí)差綜合征的一個(gè)癥狀是盡管非常疲憊，但晚上還是會(huì)失眠，此外還會(huì)導(dǎo)致注意力減退、協(xié)調(diào)能力變差、認(rèn)知能力降低、情緒波動(dòng)、胃口變差等問(wèn)題。

19世紀(jì)以前，人類(lèi)的社會(huì)生活時(shí)間與當(dāng)?shù)氐奶?yáng)時(shí)間是一致的：中午是太陽(yáng)到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間。這一時(shí)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(gè)小時(shí)之內(nèi)走很長(zhǎng)的路程，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐奶?yáng)時(shí)間完全不能用了。因此1884年很多國(guó)家共同實(shí)行了一套體系：把世界分成24個(gè)時(shí)區(qū)，把穿過(guò)倫敦附近的格林尼治天文臺(tái)的經(jīng)線設(shè)定為本初子午線。

地球上所有的生物，包括飛機(jī)發(fā)明以前的人類(lèi)，根本沒(méi)有倒時(shí)差的問(wèn)題，也就沒(méi)有進(jìn)化出快速和大幅度校表的機(jī)制。而大型噴氣式客機(jī)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(gè)小時(shí)左右，時(shí)間“后退”16個(gè)小時(shí)。這樣在一天之內(nèi)造成的時(shí)差不是任何生物鐘可以立即適應(yīng)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(huì)中，對(duì)人體生物鐘產(chǎn)生最嚴(yán)重負(fù)面影響的就是倒班工作。倒班工作意味著：人們工作的時(shí)候，正是身體需要休息的時(shí)候；在大腦和眼睛希望處于黑暗的時(shí)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(lèi)的東西來(lái)暫時(shí)緩解疲憊感。

持續(xù)幾十年的流行病學(xué)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(fù)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(lèi)疾病。

此外，另有研究表明，如果人們?cè)谒X(jué)前服用降壓藥纈沙坦，比醒來(lái)時(shí)服用效果提高60%，還能降低糖尿病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

時(shí)間是影響藥物效率的一個(gè)重要但被低估的因素，目前有一個(gè)新興的研究領(lǐng)域叫“時(shí)間治療學(xué)”。我們的細(xì)胞中存在著一種時(shí)鐘，調(diào)控著人體對(duì)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(shí)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(guó)際空間站里的光照強(qiáng)度比白天地表的光照強(qiáng)度低很多，而光照強(qiáng)度對(duì)生物鐘會(huì)起到重要的調(diào)節(jié)作用。此外，重力的改變也會(huì)對(duì)生物鐘和睡眠產(chǎn)生影響。航天員還要執(zhí)行一些臨時(shí)性的突發(fā)任務(wù)，也會(huì)影響睡眠。這些都會(huì)使宇航員的反應(yīng)能力和操作能力嚴(yán)重下降，從而降低工作效率，增加事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。所以要實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的飛天夢(mèng)，深入研究生物鐘的變化規(guī)律和調(diào)節(jié)機(jī)制具有重要的意義。

（莊鴻儒摘自《三聯(lián)生活周刊》2017年第42期，王 青圖）