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听“时钟”的话

晚上吃太好可能会得糖尿病,深夜加班可能会致癌,心脏病常常在凌晨发作,人类历史上最严重的工业事故大都发生在凌晨……这一切都是生物钟在捣鬼。因此,诺贝尔生理学奖给我们的健康启示就是....

一年一度的诺贝尔生理学奖又颁布了,美国科学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬因为发现了“控制昼夜节律的分子机制”而获奖。如果你不明白这是什么意思,那么可以通俗的说,这三位科学家其实是研究“时钟”的,只不过他们所研究的并不是那些可以买得到、戴在手上或者挂在墙上的时钟,而是在我们体内滴答作响的生物钟。

“时钟”怎样滴答走动?

生物钟是一种奇妙的生理机能。动物的昼伏夜出、植物的春华秋实是早已被我们熟知的生物钟现象,而跨时区旅行的疲倦以及值夜班时的困意则是生物钟带给我们的最直接的感受。虽然生物钟现象很常见,但很长时间里,科学家并不明白藏在体内的这个小小的时钟,它究竟在哪,又是怎样滴答走动的。

为了寻找这个时钟,科学家曾经在动物实验中剥离过动物的肾上腺、脑垂体、甲状腺、胰腺,或者施以电休克,甚至还用酒灌醉了这些动物。手段用尽,动物的生物节律仍未改变。直到20世纪70年代,科学家切除了位于老鼠下丘脑的视交叉上核,发现老鼠的生物节律终于消失。科学家这时才明白,人以及其他哺乳动物的主生物钟就是视交叉上核。以人为例,日常活动中,虽然人体的内脏、皮肤无法感光,但视交叉上核可以通过眼睛感受到外界光线的强弱,以此产生“时钟定时”进而调节昼夜节律。

随后,科学家进一步发现,生物钟现象其实并不一定需要脑的参与,它是一种可以仅在单个细胞内就完成的生物节律现象。比如,地球上最简单的原核生物蓝藻也有自己的生物钟。蓝藻通过光合作用从阳光中获取能量,并利用二氧化碳和水生产有机分子和氧气。在生物钟的作用下,蓝藻在日出之前即可提前开启光合作用,这一特性令其能在日光一出现的时候就可摄取能量,比那些纯粹依靠光线启动光合作用的生物抢先了一步。日落之后,蓝藻的光合作用亦会遵循生物钟的指令而关闭,这避免了自身能量在夜间被白白浪费,节约下来的能量可转而用于修复白天被日光晒伤的DNA。

尽管人与蓝藻调控自身生物钟的机制有很大的不同,但我们的昼夜节律与蓝藻却有一些相似之处。这表明生物钟现象是地球生命在进化过程中形成的非常重要的基本生存技能,它必然受到生物遗传物质的调控。于是,科学家又开始从遗传学寻找生物钟的线索。迄今为止,从细菌到果蝇,再到人类自身,科学家已在大量物种中发现了生物钟基因,其中不少基因的命名都使用了“Clock”(意为时钟)、“Per”(Period的简写,意为周期)和“Tim”(Timeless的简写,意为永恒)等字眼。

三位诺贝尔奖得主就从果蝇的角度,为我们解释基因如何为生物建立起了一套时钟系统。20世纪80年代,杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬在果蝇体内找到了两种蛋白质,名为Per和Tim,而Per基因和Tim基因则分别是编码Per、Tim这两种蛋白的基因,后者还对光线敏感。夜晚的时候,Per基因会编码Per蛋白,使Per蛋白的含量升高。当Per蛋白在细胞内越聚越多时,它会和Tim蛋白发生合体反应,然后抑制Per基因的编码活动。在白天,Per蛋白被细胞降解,含量会越来越少,这时它和Tim蛋白对Per基因的抑制作用就会减弱,于是Per蛋白含量到了夜晚又会重新恢复。这样,Per蛋白水平的振荡周期恰好就是24小时,与昼夜节律同步。我们人类所属的哺乳动物虽然更复杂些,但细胞内生物钟运行的机制也与果蝇相似。两种分别叫做Clock和Bmal1的蛋白质相互作用,建立了人体细胞的周期性节律。由此可见,仅仅依靠基因与蛋白质这样的分子材料,大自然竟然搭建出了一套准确的时钟。正是三位美国科学家为我们揭示了这一套秘密,所以他们获得诺贝尔奖是当之无愧的。

体内生物钟像一支乐队

科学家已经告诉我们,人脑中的视交叉上核存在一个主生物钟,控制着人体的昼夜节律,而诺贝尔奖得主又告诉我们,人体内的单个细胞仅用基因和蛋白质就可以组装出一个最基本的生物钟。这说明,人体内部的生物钟不止一个,而是有一群。

如果把这一群生物钟比作一个乐队,那么视交叉上核的主生物钟就是乐队的“总指挥”,而身体各部分的生物钟是演奏不同乐器的“队员”。这些“队员”位于肝脏、肾脏、脾脏、胰脏、心脏、胃、食道、肌肉、皮肤,甚至很小的细胞组织中,具体控制着每个器官和组织的活动。比如,肝脏里的生物钟调控着肝脏中糖分子的生产以及糖分子释放入血的时间;钠、钾以及氯化物的保留与释放取决于肾脏生物钟的命令;在黎明前,心脏的生物钟基因就会给心脏发出信号,提醒它为身体的苏醒做好准备,所以心脏病常常在拂晓发作……

众位“队员”所处的“环境”不同,调控器官周期性节律的方式也不完全一样,但都要通过“总指挥”来协调一致,才能使人体机能顺利发挥。科学家就做过实验,如果把动物的各个器官中的细胞组织放在体外培养,那么细胞组织即使存活也无法表现出生物钟现象,然而,这些细胞组织中单个细胞的基本生物钟(基因、蛋白质含量的周期性振荡)还在,只不过每一个细胞的生物钟周期都不同,所以无法形成一个能够表现生物节律的整体。随后,科学家在培养环境中放入视交叉上核细胞,那么这些细胞组织又会出现生物钟现象,这说明视交叉上核能够使全身各个器官里的生物钟相互协调。老鼠实验也证实了这一点,在视交叉上核已经损坏了的老鼠体内,不同器官之间的生物钟节律逐渐变得杂乱无章,但如果把视交叉上核再植回去,老鼠又可以让一些器官的生物钟周期变得同步。

那么在人体内,“总指挥”又如何联系身体各处的“队员”,让彼此能够做到协调一致呢?科学家认为,有两条途径。首先,视交叉上核是人脑的一部分,这里充满了神经细胞,它们可以通过与全身各处相联系的神经纤维向全身传达时间信息。其次,视交叉上核也可以先把时间信息传到人脑中的另一个叫作松果体的部位。松果体根据视交叉上核的节律,周期性地分泌一种叫作褪黑激素的物质。这种激素进入血液,再循环到全身,就像一个“报时员”,向各个器官甚至各个细胞报告现在是什么时间。不过,在我们的身体里面传递的时间信息,也只有我们的身体能够读懂。这些时间信息不能够进入我们的意识,我们也无法从生物钟的周期知道一天之内的时间。比如我们在黑暗中醒过来,如果不看表,是无法知道当时是白天还是黑夜的,想知道是具体几点就更不可能了。

不要拨乱“时钟”

生物钟是无形的“时钟”,它告诉身体应该如何度过每一天的每一个小时。不过,既然人体不止拥有一个生物钟,那么我们最好能够全面维护好这些“时钟”,不要顾此失彼。

日常生活中,我们首先需要维护的就是主生物钟。它是身体所有器官组织定位时间的标准,主要受到昼夜光线的影响。如果主生物钟被拨乱,那么人体整套生理节律会发生紊乱,产生麻烦。比如,科学家就曾注意到,美国三里岛核电厂事故发生在凌晨4点,苏联切尔诺贝利核事故发生在凌晨1点23分,印度博帕尔毒气泄漏事故发生在午夜……人类历史上最严重的工业事故大都发生在凌晨,这绝非偶然。原因就在于夜班的灯光拨乱了人体的主生物钟,这正是大脑本应休息的时间,所以值班人员有较大概率出现工作失误。此外,科学家还发现,经常值夜班的人更加容易患上抑郁症、肥胖病、糖尿病甚至癌症。原因也在于,灯光抑制了褪黑激素的分泌,该激素水平过低时会增加肿瘤突发的风险,同时,身体免疫系统和各个器官的正常节律也被干扰,导致人体的免疫力和代谢能力下降。所以,2010年,世界卫生组织将“深夜加班”列为致癌因素,以作警示。

想要保持良好的主生物钟,尽量不熬夜并且作息规律就可以了。但如果要长久保持健康,我们还要“迁就”一下各个器官组织中的小生物钟。也就是说,我们最好合理地安排日常活动,让身体的器官和组织在各自小生物钟的“黄金时段”发挥作用。

科学家给出了一些建议,我们可以参考一下。比如,凌晨4点是所有器官的生物钟周期的最低点,应该休息;上午7点到9点期间,是血压比较高的时候,这时候应避免剧烈运动,以防出现血管疾病;上午10点到12点期间,身体能量供给充足,大脑反应最快,这是学生和上班族效率最高的时段,不要错过;而晚上8点以后,各器官的生物钟又开始进入“倦怠期”,整体代谢能力大不如白天,此时喝酒,容易醉酒,此时吃得过于丰盛,就会增加患糖尿病的风险……类似的建议还有许多,但每个人的生物钟难免略有差异,生活条件以及职业、习惯也不可能完全一样,所以这些建议权作参考罢了。遵循生物钟的变化规律,就能事半功倍,获得健康;利用身体对抗自然规律,率性而为,则会付出代价—这才是科学研究带给我们的最重要的启示。

本文源自大科技〈百科新说〉 2017年第12期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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