聽“時(shí)鐘”的話

晚上吃太好可能會(huì)得糖尿病，深夜加班可能會(huì)致癌，心臟病常常在凌晨發(fā)作，人類歷史上最嚴(yán)重的工業(yè)事故大都發(fā)生在凌晨……這一切都是生物鐘在搗鬼。因此，諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)給我們的健康啟示就是—

一年一度的諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)又頒布了，美國科學(xué)家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚(yáng)因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了“控制晝夜節(jié)律的分子機(jī)制”而獲獎(jiǎng)。如果你不明白這是什么意思，那么可以通俗的說，這三位科學(xué)家其實(shí)是研究“時(shí)鐘”的，只不過他們所研究的并不是那些可以買得到、戴在手上或者掛在墻上的時(shí)鐘，而是在我們體內(nèi)滴答作響的生物鐘。

“時(shí)鐘”怎樣滴答走動(dòng)？

生物鐘是一種奇妙的生理機(jī)能。動(dòng)物的晝伏夜出、植物的春華秋實(shí)是早已被我們熟知的生物鐘現(xiàn)象，而跨時(shí)區(qū)旅行的疲倦以及值夜班時(shí)的困意則是生物鐘帶給我們的最直接的感受。雖然生物鐘現(xiàn)象很常見，但很長時(shí)間里，科學(xué)家并不明白藏在體內(nèi)的這個(gè)小小的時(shí)鐘，它究竟在哪，又是怎樣滴答走動(dòng)的。

為了尋找這個(gè)時(shí)鐘，科學(xué)家曾經(jīng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中剝離過動(dòng)物的腎上腺、腦垂體、甲狀腺、胰腺，或者施以電休克，甚至還用酒灌醉了這些動(dòng)物。手段用盡，動(dòng)物的生物節(jié)律仍未改變。直到20世紀(jì)70年代，科學(xué)家切除了位于老鼠下丘腦的視交叉上核，發(fā)現(xiàn)老鼠的生物節(jié)律終于消失。科學(xué)家這時(shí)才明白，人以及其他哺乳動(dòng)物的主生物鐘就是視交叉上核。以人為例，日常活動(dòng)中，雖然人體的內(nèi)臟、皮膚無法感光，但視交叉上核可以通過眼睛感受到外界光線的強(qiáng)弱，以此產(chǎn)生“時(shí)鐘定時(shí)”進(jìn)而調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律。

隨后，科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，生物鐘現(xiàn)象其實(shí)并不一定需要腦的參與，它是一種可以僅在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)就完成的生物節(jié)律現(xiàn)象。比如，地球上最簡單的原核生物藍(lán)藻也有自己的生物鐘。藍(lán)藻通過光合作用從陽光中獲取能量，并利用二氧化碳和水生產(chǎn)有機(jī)分子和氧氣。在生物鐘的作用下，藍(lán)藻在日出之前即可提前開啟光合作用，這一特性令其能在日光一出現(xiàn)的時(shí)候就可攝取能量，比那些純粹依靠光線啟動(dòng)光合作用的生物搶先了一步。日落之后，藍(lán)藻的光合作用亦會(huì)遵循生物鐘的指令而關(guān)閉，這避免了自身能量在夜間被白白浪費(fèi)，節(jié)約下來的能量可轉(zhuǎn)而用于修復(fù)白天被日光曬傷的DNA。

盡管人與藍(lán)藻調(diào)控自身生物鐘的機(jī)制有很大的不同，但我們的晝夜節(jié)律與藍(lán)藻卻有一些相似之處。這表明生物鐘現(xiàn)象是地球生命在進(jìn)化過程中形成的非常重要的基本生存技能，它必然受到生物遺傳物質(zhì)的調(diào)控。于是，科學(xué)家又開始從遺傳學(xué)尋找生物鐘的線索。迄今為止，從細(xì)菌到果蠅，再到人類自身，科學(xué)家已在大量物種中發(fā)現(xiàn)了生物鐘基因，其中不少基因的命名都使用了“Clock”（意為時(shí)鐘）、“Per”（Period的簡寫，意為周期）和“Tim”（Timeless的簡寫，意為永恒）等字眼。

三位諾貝爾獎(jiǎng)得主就從果蠅的角度，為我們解釋基因如何為生物建立起了一套時(shí)鐘系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚(yáng)在果蠅體內(nèi)找到了兩種蛋白質(zhì)，名為Per和Tim，而Per基因和Tim基因則分別是編碼Per、Tim這兩種蛋白的基因，后者還對光線敏感。夜晚的時(shí)候，Per基因會(huì)編碼Per蛋白，使Per蛋白的含量升高。當(dāng)Per蛋白在細(xì)胞內(nèi)越聚越多時(shí)，它會(huì)和Tim蛋白發(fā)生合體反應(yīng)，然后抑制Per基因的編碼活動(dòng)。在白天，Per蛋白被細(xì)胞降解，含量會(huì)越來越少，這時(shí)它和Tim蛋白對Per基因的抑制作用就會(huì)減弱，于是Per蛋白含量到了夜晚又會(huì)重新恢復(fù)。這樣，Per蛋白水平的振蕩周期恰好就是24小時(shí)，與晝夜節(jié)律同步。我們?nèi)祟愃鶎俚牟溉閯?dòng)物雖然更復(fù)雜些，但細(xì)胞內(nèi)生物鐘運(yùn)行的機(jī)制也與果蠅相似。兩種分別叫做Clock和Bmal1的蛋白質(zhì)相互作用，建立了人體細(xì)胞的周期性節(jié)律。由此可見，僅僅依靠基因與蛋白質(zhì)這樣的分子材料，大自然竟然搭建出了一套準(zhǔn)確的時(shí)鐘。

體內(nèi)生物鐘像一支樂隊(duì)

科學(xué)家已經(jīng)告訴我們，人腦中的視交叉上核存在一個(gè)主生物鐘，控制著人體的晝夜節(jié)律，而諾貝爾獎(jiǎng)得主又告訴我們，人體內(nèi)的單個(gè)細(xì)胞僅用基因和蛋白質(zhì)就可以組裝出一個(gè)最基本的生物鐘。這說明，人體內(nèi)部的生物鐘不止一個(gè)，而是有一群。

如果把這一群生物鐘比作一個(gè)樂隊(duì)，那么視交叉上核的主生物鐘就是樂隊(duì)的“總指揮”，而身體各部分的生物鐘是演奏不同樂器的“隊(duì)員”。這些“隊(duì)員”位于肝臟、腎臟、脾臟、胰臟、心臟、胃、食道、肌肉、皮膚，甚至很小的細(xì)胞組織中，具體控制著每個(gè)器官和組織的活動(dòng)。比如，肝臟里的生物鐘調(diào)控著肝臟中糖分子的生產(chǎn)以及糖分子釋放入血的時(shí)間；鈉、鉀以及氯化物的保留與釋放取決于腎臟生物鐘的命令；在黎明前，心臟的生物鐘基因就會(huì)給心臟發(fā)出信號(hào)，提醒它為身體的蘇醒做好準(zhǔn)備，所以心臟病常常在拂曉發(fā)作……

眾位“隊(duì)員”所處的“環(huán)境”不同，調(diào)控器官周期性節(jié)律的方式也不完全一樣，但都要通過“總指揮”來協(xié)調(diào)一致，才能使人體機(jī)能順利發(fā)揮?？茖W(xué)家就做過實(shí)驗(yàn)，如果把動(dòng)物的各個(gè)器官中的細(xì)胞組織放在體外培養(yǎng)，那么細(xì)胞組織即使存活也無法表現(xiàn)出生物鐘現(xiàn)象，然而，這些細(xì)胞組織中單個(gè)細(xì)胞的基本生物鐘（基因、蛋白質(zhì)含量的周期性振蕩）還在，只不過每一個(gè)細(xì)胞的生物鐘周期都不同，所以無法形成一個(gè)能夠表現(xiàn)生物節(jié)律的整體。隨后，科學(xué)家在培養(yǎng)環(huán)境中放入視交叉上核細(xì)胞，那么這些細(xì)胞組織又會(huì)出現(xiàn)生物鐘現(xiàn)象，這說明視交叉上核能夠使全身各個(gè)器官里的生物鐘相互協(xié)調(diào)。老鼠實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，在視交叉上核已經(jīng)損壞了的老鼠體內(nèi)，不同器官之間的生物鐘節(jié)律逐漸變得雜亂無章，但如果把視交叉上核再植回去，老鼠又可以讓一些器官的生物鐘周期變得同步。

那么在人體內(nèi)，“總指揮”又如何聯(lián)系身體各處的“隊(duì)員”，讓彼此能夠做到協(xié)調(diào)一致呢？科學(xué)家認(rèn)為，有兩條途徑。首先，視交叉上核是人腦的一部分，這里充滿了神經(jīng)細(xì)胞，它們可以通過與全身各處相聯(lián)系的神經(jīng)纖維向全身傳達(dá)時(shí)間信息。其次，視交叉上核也可以先把時(shí)間信息傳到人腦中的另一個(gè)叫作松果體的部位。松果體根據(jù)視交叉上核的節(jié)律，周期性地分泌一種叫作褪黑激素的物質(zhì)。這種激素進(jìn)入血液，再循環(huán)到全身，就像一個(gè)“報(bào)時(shí)員”，向各個(gè)器官甚至各個(gè)細(xì)胞報(bào)告現(xiàn)在是什么時(shí)間。不過，在我們的身體里面?zhèn)鬟f的時(shí)間信息，也只有我們的身體能夠讀懂。這些時(shí)間信息不能夠進(jìn)入我們的意識(shí)，我們也無法從生物鐘的周期知道一天之內(nèi)的時(shí)間。比如我們在黑暗中醒過來，如果不看表，是無法知道當(dāng)時(shí)是白天還是黑夜的，想知道是具體幾點(diǎn)就更不可能了。