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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,科学家找到了哺乳動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。倒班工作意味着: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。航天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。
  (庄鸿儒摘自《三联生活周刊》2017年第42期,王 青图)

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