了解你的生物钟

曹玲

2017年诺贝尔生理学或医学奖授予了美国遗传学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什、迈克尔·杨，因为他们发现了昼夜节律的分子机制。所谓昼夜节律，也就是人们平常所说的生物钟。

复杂的生物钟网络

事实上，生物钟是一门古老的学问。1792年的一个傍晚，法国天文学家让·雅克·德奥图·德梅朗发现含羞草已经“睡觉”了——它的叶子合上了，而白天时它的叶子是张开的。他好奇如果含羞草持续处于黑暗环境中会产生什么变化，之后他发现，尽管没有日光照射，含羞草的叶子每天仍然保持其正常的规律性变化。显然植物“知道”太阳的位置，知道什么时候是白天，什么时候是黑夜。德梅朗是发现昼夜节律的第一人。

后来，其他科学家发现不只植物，动物也通过生物钟帮助自身适应环境的日常变化。

一天24小时并不是地球上唯一的时间结构，除它之外还有潮汐时间、月亮周期和以年为单位的周期。生活在海里的动物受潮汐影响较大，以年为周期出现的现象有候鸟迁徙、鲑鱼洄游、爬行动物冬眠等等。还有一些生物的生活周期令人费解，比如珊瑚虫会在繁殖季节满月的午夜一起产卵。后来，科学家发现珊瑚虫体内有一种光传感器，能感知满月时的光线。从新月到满月，在月光逐渐增强的过程中，它们体内的传感器基因随之渐渐活跃，充当了满月之夜产卵的触发器。

20世纪70年代，科学家找到了哺乳动物生物钟的位置所在。动物眼睛后面的小丘脑有两个很小的区域，现在被称为视交叉上核，这个区域的神经元连接视网膜，负责对光明和黑暗的周期性反应。视交叉上核只有1/4颗米粒大小，由大约2万个神经细胞组成。这两个区域向大脑和身体发出信号，控制激素释放，调节体温和食欲，被称为中央生物钟。

除中央生物钟外，人体还有很多外周生物钟。2014年，宾夕法尼亚大学的科学家约翰·霍格尼斯发现，哺乳动物近一半的基因活性随时间变化而变化。他绘制了小鼠12个不同器官中成千上万基因的24小时表达模式，包括心脏、肺、肝脏、胰腺、皮肤和脂肪细胞，制作出哺乳动物基因荡振“图谱”。

令人惊讶的是，控制基因活性随时间变化的信号并不一定来自大脑。如果把肝脏细胞养在培养皿中，它也会很快进入24小时节律。“人体只有一个生物钟”的概念已经成为过去时。目前的研究认为，人体中数以千计甚至百万计的生物钟，组成了一个复杂的网络，它们独立运行，但又相互通话、相互协调。

生物钟的出现给生物的生存带来了巨大的优势，其中最经典的例子是蓝藻实验。1998年，美国范德堡大学的卡尔·约翰逊用一种叫蓝藻的单细胞生物进行研究。正常蓝藻的生物节律是24小时，基因突变的蓝藻生物节律可以缩短，也可以延长，比如22小时或者26小时。卡尔·约翰逊将这些基因突变的蓝藻和正常蓝藻等比例混合培养在12小时光照、12小时黑暗的条件下，之后约翰逊发现突变蓝藻因无法适应光照更替环境，生存竞争力下降，基本消失了。

在生物钟的作用下，蓝藻在日出之前即可提前动员光合作用系统，在阳光一出现的时候就可以摄取能量，比那些纯粹依靠光线启动光合系统的生物领先一步。与之类似，日落之后，蓝藻的光合系统会遵循生物钟的指令而关闭，避免那些夜间无须调动的能量被无谓浪费。这一实验清楚地显示：内部的代谢节律与环境周期相匹配会增强物种的竞争力。

生物钟和健康

对于人类而言，生物钟紊乱也会引发很多问题，最常见的就是倒时差。得过时差综合征的人都知道想使生物钟与头脑达成一致有多痛苦。时差综合征的一个症状是尽管非常疲惫，但晚上还是会失眠，此外还会导致注意力减退、协调能力变差、认知能力降低、情绪波动、胃口变差等问题。

19世纪以前，人类的社会生活时间与当地的太阳时间是一致的：中午是太阳到达最高点的时间。这一时间划分规则在铁路被发明之后受到了冲击，突然间人们可以在短短几个小时之内走很长的路程，导致当地的太阳时间完全不能用了。因此1884年很多国家共同实行了一套体系：把世界分成24个时区，把穿过伦敦附近的格林尼治天文台的经线设定为本初子午线。

地球上所有的生物，包括飞机发明以前的人类，根本没有倒时差的问题，也就没有进化出快速和大幅度校表的机制。而大型喷气式客机的出现，使得人们从太平洋西岸的上海飞到东岸的洛杉矶，只需要12个小时左右，时间“后退”16个小时。这样在一天之内造成的时差不是任何生物钟可以立即适应的。

现代生活方式很少能与我们的生物钟保持一致。如今的社会中，对人体生物钟产生最严重负面影响的就是倒班工作。倒班工作意味著：人们工作的时候，正是身体需要休息的时候;在大脑和眼睛希望处于黑暗的时候，它们却被暴露在光线中;身体和大脑持续存在压力，因此不得不依靠诸如咖啡之类的东西来暂时缓解疲惫感。

持续几十年的流行病学研究表明，从事倒班工作的人比从事传统工作的人患病的概率更高，其他负面影响还包括睡眠障碍、抑郁、心脏病、消化系统疾病、糖尿病以及其他代谢类疾病。

此外，另有研究表明，如果人们在睡觉前服用降压药缬沙坦，比醒来时服用效果提高60%，还能降低糖尿病的发病风险。

时间是影响药物效率的一个重要但被低估的因素，目前有一个新兴的研究领域叫“时间治疗学”。我们的细胞中存在着一种时钟，调控着人体对药物的新陈代谢，因此一些药物适合在夜间给药，一些适合在白天给药。时间疗法遵循患者的生理节律，从而减弱了治疗的副作用，提高了患者的生活质量。

生物节律研究还包括太空里人体生物钟的变化规律研究。比如国际空间站里的光照强度比白天地表的光照强度低很多，而光照强度对生物钟会起到重要的调节作用。此外，重力的改变也会对生物钟和睡眠产生影响。宇航员还要执行一些临时性的突发任务，也会影响睡眠。这些都会使宇航员的反应能力和操作能力严重下降，从而降低工作效率，增加事故发生的风险。所以要实现人类的飞天梦，深入研究生物钟的变化规律和调节机制具有重要的意义。

（新芳摘自《三联生活周刊》2017年第42期）