聽“時鐘”的話

晚上吃太好可能會得糖尿病，深夜加班可能會致癌，心臟病常常在凌晨發作，人類歷史上最嚴重的工業事故大都發生在凌晨……這一切都是生物鐘在搗鬼。因此，諾貝爾生理學獎給我們的健康啟示就是—

一年一度的諾貝爾生理學獎又頒布了，美國科學家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚因為發現了“控制晝夜節律的分子機制”而獲獎。如果你不明白這是什么意思，那么可以通俗的說，這三位科學家其實是研究“時鐘”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鐘，而是在我們體內滴答作響的生物鐘。

“時鐘”怎樣滴答走動？

生物鐘是一種奇妙的生理機能。動物的晝伏夜出、植物的春華秋實是早已被我們熟知的生物鐘現象，而跨時區旅行的疲倦以及值夜班時的困意則是生物鐘帶給我們的最直接的感受。雖然生物鐘現象很常見，但很長時間里，科學家并不明白藏在體內的這個小小的時鐘，它究竟在哪，又是怎樣滴答走動的。

為了尋找這個時鐘，科學家曾經在動物實驗中剝離過動物的腎上腺、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物。手段用盡，動物的生物節律仍未改變。直到20世紀70年代，科學家切除了位于老鼠下丘腦的視交叉上核，發現老鼠的生物節律終于消失。科學家這時才明白，人以及其他哺乳動物的主生物鐘就是視交叉上核。以人為例，日常活動中，雖然人體的內臟、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弱，以此產生“時鐘定時”進而調節晝夜節律。

隨后，科學家進一步發現，生物鐘現象其實并不一定需要腦的參與，它是一種可以僅在單個細胞內就完成的生物節律現象。比如，地球上最簡單的原核生物藍藻也有自己的生物鐘。藍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有機分子和氧氣。在生物鐘的作用下，藍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的時候就可攝取能量，比那些純粹依靠光線啟動光合作用的生物搶先了一步。日落之后，藍藻的光合作用亦會遵循生物鐘的指令而關閉，這避免了自身能量在夜間被白白浪費，節約下來的能量可轉而用于修復白天被日光曬傷的DNA。

盡管人與藍藻調控自身生物鐘的機制有很大的不同，但我們的晝夜節律與藍藻卻有一些相似之處。這表明生物鐘現象是地球生命在進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的調控。于是，科學家又開始從遺傳學尋找生物鐘的線索。迄今為止，從細菌到果蠅，再到人類自身，科學家已在大量物種中發現了生物鐘基因，其中不少基因的命名都使用了“Clock”（意為時鐘）、“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鐘系統。20世紀80年代，杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚在果蠅體內找到了兩種蛋白質，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。夜晚的時候，Per基因會編碼Per蛋白，使Per蛋白的含量升高。當Per蛋白在細胞內越聚越多時，它會和Tim蛋白發生合體反應，然后抑制Per基因的編碼活動。在白天，Per蛋白被細胞降解，含量會越來越少，這時它和Tim蛋白對Per基因的抑制作用就會減弱，于是Per蛋白含量到了夜晚又會重新恢復。這樣，Per蛋白水平的振蕩周期恰好就是24小時，與晝夜節律同步。我們人類所屬的哺乳動物雖然更復雜些，但細胞內生物鐘運行的機制也與果蠅相似。兩種分別叫做Clock和Bmal1的蛋白質相互作用，建立了人體細胞的周期性節律。由此可見，僅僅依靠基因與蛋白質這樣的分子材料，大自然竟然搭建出了一套準確的時鐘。

體內生物鐘像一支樂隊

科學家已經告訴我們，人腦中的視交叉上核存在一個主生物鐘，控制著人體的晝夜節律，而諾貝爾獎得主又告訴我們，人體內的單個細胞僅用基因和蛋白質就可以組裝出一個最基本的生物鐘。這說明，人體內部的生物鐘不止一個，而是有一群。

如果把這一群生物鐘比作一個樂隊，那么視交叉上核的主生物鐘就是樂隊的“總指揮”，而身體各部分的生物鐘是演奏不同樂器的“隊員”。這些“隊員”位于肝臟、腎臟、脾臟、胰臟、心臟、胃、食道、肌肉、皮膚，甚至很小的細胞組織中，具體控制著每個器官和組織的活動。比如，肝臟里的生物鐘調控著肝臟中糖分子的生產以及糖分子釋放入血的時間；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給心臟發出信號，提醒它為身體的蘇醒做好準備，所以心臟病常常在拂曉發作……

眾位“隊員”所處的“環境”不同，調控器官周期性節律的方式也不完全一樣，但都要通過“總指揮”來協調一致，才能使人體機能順利發揮。科學家就做過實驗，如果把動物的各個器官中的細胞組織放在體外培養，那么細胞組織即使存活也無法表現出生物鐘現象，然而，這些細胞組織中單個細胞的基本生物鐘（基因、蛋白質含量的周期性振蕩）還在，只不過每一個細胞的生物鐘周期都不同，所以無法形成一個能夠表現生物節律的整體。隨后，科學家在培養環境中放入視交叉上核細胞，那么這些細胞組織又會出現生物鐘現象，這說明視交叉上核能夠使全身各個器官里的生物鐘相互協調。老鼠實驗也證實了這一點，在視交叉上核已經損壞了的老鼠體內，不同器官之間的生物鐘節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，“總指揮”又如何聯系身體各處的“隊員”，讓彼此能夠做到協調一致呢？科學家認為，有兩條途徑。首先，視交叉上核是人腦的一部分，這里充滿了神經細胞，它們可以通過與全身各處相聯系的神經纖維向全身傳達時間信息。其次，視交叉上核也可以先把時間信息傳到人腦中的另一個叫作松果體的部位。松果體根據視交叉上核的節律，周期性地分泌一種叫作褪黑激素的物質。這種激素進入血液，再循環到全身，就像一個“報時員”，向各個器官甚至各個細胞報告現在是什么時間。不過，在我們的身體里面傳遞的時間信息，也只有我們的身體能夠讀懂。這些時間信息不能夠進入我們的意識，我們也無法從生物鐘的周期知道一天之內的時間。比如我們在黑暗中醒過來，如果不看表，是無法知道當時是白天還是黑夜的，想知道是具體幾點就更不可能了。