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我们的身体是如何“知道”时间的?——谈谈“生物钟” 精选

已有 14559 次阅读 2013-2-4 02:25 |系统分类:科普集锦| 生物钟, 负反馈, 昼夜节律

我们的身体是如何“知道”时间的?——谈谈“生物钟”

 

地球上绝大多数的生物都有以24小时为周期的生活节律。对于人和许多动物来讲,最明显的节律莫过于清醒和睡眠状态的交替。我们在清晨醒来,开始一天的生活和工作;在傍晚感到有倦意,想上床休息。除了作息规律,我们的身体内部也每天经历周期性的变化。血压、体温、激素分泌、肠胃蠕动等生理活动也按一定的顺序周期性地变化。

 

除了动物,植物也有每日的周期。光合作用和与其有关的化学反应在白天进行,晚上停止。含羞草、合欢等豆科植物的叶片就在晚上合闭,白天打开。每种开花植物都在每天某个固定的时段开花。比如牵牛花在凌晨4时左右开花,到八时左右闭合;而昙花则在晚上89点钟才开,而且开花时间很短(在干燥的地方只有一、两个小时),所以有“昙花一现”的说法。

 

就是最简单的单细胞生物如细菌,也表现出有昼夜节律。比如地球上最古老的生物之一,蓝绿藻(cyanobateria),在白天进行光合作用,放出氧气;而为获取氮元素而进行的固氮反应,由于对氧气敏感,只能在晚上进行。这就要求有某种机制把这两个过程在时间上分开。

 

生物活动有周期节律的根本原因,是地球的自转。地球每24小时左右自转一周,被太阳光照射的地方(处于白天)和照不着的地方(处于黑夜)不断变化,造成昼夜交替。为了适应这种情况,地球上的多数生物都具有以24小时为周期的生理节律。由于太阳光是光合作用的能源,对于进行光合作用的生物来讲,白天是进行这种活动的唯一时间。对于动物来讲,依赖于阳光(无论是直射光还是漫射光)的视觉信号能够提供周围世界瞬时而精确的三维信息,对于生存的重要性超过嗅觉和听觉,所以白天对于动物的行动是有利的。比如鹿有很灵敏的嗅觉和听觉,但是无法靠这两种感觉来判断什么地方有树木挡路,周围地形的详细情况如何,因而无法在眼睛看不见的情况下快速逃跑。老虎可以凭借嗅觉和听觉知道鹿大概在什么方向,但是无法知道鹿的确切位置,奔跑方向、以及眼前的地形。

 

由于至今还不完全清楚的原因,所有具备一定规模神经系统的动物都需要睡眠。睡眠时动物不再运动,视觉能力也大大减弱或消失。把睡眠时间选择在光照微弱的夜晚自然是更好的选择。为了减少被捕食的机会,有些动物选择晚上活动(如老鼠)。一些以这些动物为食的捕猎者(如猫头鹰)也必须在晚上活动。它们都为此发展出了良好的夜视力。但是在夜晚靠视力来活动毕竟不如白天,所以这样的动物只是少数。

 

对于这种现象,我们早已经知道而且习惯了。但是我们上面所谈的,只是生物的行为所表现出来的节律性,并不能证明生物自身就带有“钟表”,从而可以在没有外界刺激的情况下“知道”时间。比如我们可以把动物早上醒来解释为是由于光线的刺激;睡觉是由于光线暗了,使人发困。有阳光时,光合作用自然可以进行。天一黑,光合作用自然就停止了。含羞草的叶子晚上合闭,也许是某种化合物“感觉”到了光照的消失,从而发出信号使叶片合闭。

 

一句话,生物可以从光线的变化来判断时间。光线状况和太阳的位置就是生物的“钟表”,生物可以按照外部世界的光信号来决定自己的行为。这种解释看上去也挺有道理的。比如许多农民并不戴手表,却可以通过“看太阳”而知道什么时候该下地了,什么时候该回家吃饭,而且准确度相当高,常常是一个村子的人从不同的方向同时扛着锄头回家。

 

但是有些现象却难以用“阳光钟”来解释。比如进行过跨洋旅行的人都能感受到“倒时差”的难受。到了新地方,阳光指示的是上午,但是我们却困得不行,眼睛都睁不开。到了晚上,该睡觉了吧,我们却异常清醒,毫无睡意。要过好几天,这种“昼夜颠倒”的情况才能改正过来。

 

为了弄清这种情况的原因,科学家们把实验者保持在完全的黑暗中,断绝一切从外部来的光信号。在这种情况下,实验者仍然有发困和苏醒的周期,而且基本上还是24小时。用动物做实验,也得到了类似的结果。动物的睡眠和活动仍然以近于24小时的周期进行。这说明我们(以及地球上绝大多数的生物)的身体里可能“自带”有某种“钟表”,因而可以在没有外界信号的情况下仍然“知道”时间。不仅如此,把生物的一些细胞取出来,放在实验室里面培养,一些基因的活动仍然呈现大致24小时周期节律,说明细胞里面就可以“装”下一个“钟表”。

 

生物自身的这种“钟表”可以使生物“预测”昼夜的周期变化。由于生物自身的“钟表”是与外部世界的周期(主要是光照的变化)不断进行“对表”而进行调节的,生物自身的周期在大多数情况下也和外部的昼夜交替周期一致。这样,我们的身体就不用根据外界的信号来判断时间和被动地调节身体的活动和状况,而是使用自身的,和外部世界“对过表”的“钟表”来主动调节身体的状况,以适应外部环境的变化。这就比单纯按照外部刺激来改变身体状况和行为方式更为有利。动物的生理过程是极其复杂的,不能说变就变。如果没有自身“测定”时间的机制,外部刺激的突然变化(比如白天进入密林或者洞穴)就会造成生理上的混乱。虽然自身的“钟表”和大自然的周期有时会冲突(比如上夜班和倒时差),但是在大多数情况下,有自己的“钟表”还是有利得多,所以地球上(也许在其它也有昼夜变化的星球上)的绝大多数生物都有自己的“生物钟”。

 

我们的身体是“血肉之躯”,难以想象身体里面的“生命材料”如何能“做出”一个“钟表”来。所以问题是:这种“生物钟”是如何构成,又是如何“操作”的呢?

 

“生物钟”由反馈回路构成

 

细胞里面没有金属齿轮,没有发条,没有指针,当然不会有机械的“钟表”。细胞“知道”时间的方式,是发展出能够周期性“振荡”的生理过程。根据这种“振荡”进行到什么“相位”,细胞就能“知道”时间。“相位”就相当于钟表的指针。

 

振荡过程可以由负反馈来实现。如果一个过程的产物或者后果反过来抑制这个过程,这个作用就叫做负反馈。在我们的日常生活中,应用负反馈的例子很多,厕所的抽水马桶就是一个例子。放水以后水箱开始进水,上升的水面不断抬高连在一根杠杆上的浮球,而杠杆又和进水阀门相连。当水面上升到一定高度时,进水阀就被杠杆关闭。也就是说,水面上升的同时又为水面停止上升准备了条件。当水又被放掉,浮球带着杠杆下降,放水阀打开,水箱才能重新进水,重复前面的过程。如果水进满以后就开始放水,就会形成水面高低的周期性振荡。水箱上水的时间和放水需要的时间加起来,就是振荡的周期。

 

类似的过程也可以在细胞里实现。细胞里面有数以万计的基因,但不是每个基因都是“活动”的,即处于“打开”的状态。要打开基因,需要蛋白质结合到基因的“开关”(学术名称叫“启动子”,英文为promoter)上。开关一打开,储存在DNA中的“密码”(为蛋白质分子里面的氨基酸顺序“编码”的DNA序列)就被“抄录”(学术名称叫“转录”)到“信使核糖核酸”RNA的分子中。这个结合于基因“启动子”上面的蛋白质分子因为能使“转录”过程开始,所以叫做“转录因子”。

 

细胞里面还有专门的用氨基酸“装配”成蛋白质的“装配车间”,它们按照RNA中的信息(相当于“产品订单”)把20种氨基酸按一定的顺序连接起来,成为蛋白质。这个过程叫做“翻译”,即把密码中的信息变成蛋白质分子的实际序列。

 

在多数情况下,这些新生成的蛋白质分子都和自己基因的“开关”没有关系,打开为自己编码的基因的“任务”由其它基因编码的蛋白质分子来执行。但是如果一种蛋白质能够反过来作用于为自己编码的基因的“开关”,抑制自身的生成,就是一个负反馈机制。如果细胞里生成的这种蛋白质足够多,就可以把“自己的”基因的“开关”完全“关掉”。这相当于水箱里面的水面上升,最后关掉进水阀。

 

如果这种蛋白质又能随后被细胞除掉(这相当于水箱的“放水”,专业术语是蛋白质的“降解”),蛋白质对基因的抑制就可以解除,基因又开始“表达”,合成新的RNA和蛋白质。通过这种方式,这种蛋白质在细胞里面的浓度就可以呈现周期性的变化。蛋白质浓度的周期性变化本身就带有时间的信息,比如什么时候到达最高值,什么时候到达最低值。如果细胞能够“感知”这个浓度变化的“相位”,细胞就可以“知道”时间。

 

无论是水箱里面水面高低的振荡,还是细胞里面蛋白质浓度的振荡,都需要物质和能量不断的“投入”,或者说“流过”。水箱需要具有一定势能(高水位)的水不断的供应,后者需要消耗建造RNA和蛋白质的材料(核苷酸和氨基酸)和能量(ATP)。就像钟表要“上弦”或使用电池一样,“生物钟”也是要靠能量来推动的。

 

说到这里,“生物钟”运行的基本原理似乎很“简单”。但是在实际上,“生物钟”却是非常复杂的。要担当人体如此复杂的肌体的“节律控制器”,“生物钟”必须要满足以下条件:

 

一是能够在没有外界刺激信号(比如昼夜的周期性光照变化)的条件下“独立”工作。即“生物钟”有自己产生并保持基本节律的能力。

 

二是周期必须在24小时左右。过长或过短都不能满足要求。很多化学振荡系统的周期都很短,必须有延长它们的办法。

 

三是产生“生物钟”节律的细胞群中的各个细胞之间,振荡周期必须同步,否则细胞之间的不同节律会互相抵消。

 

四是必须与身体的各种活动相连,这样振荡周期的信息才能传递给身体的各个部分,控制它们活动的节律。

 

五是周期的“相位”(比如高峰出现的时间)必须可调。人脑中“生物钟”的周期接近24小时,但不是正好24小时。所以这个“生物钟”必须按照外部环境的24小时周期来“对表”(与外界的昼夜周期相符)和“矫正”(调整快慢),否则人体的“生物钟”的“相位”就会逐渐漂移,与外界的24小时节律脱节。

 

六是“生物钟”的周期必须对温度变化不敏感。一般化学反应的速度都随着温度升高而加快。除了恒温动物以外,大多数生物的体温是变化的。如果“生物钟”的周期随温度变化,这个“生物钟”就会像一块走时不准,而且时快时慢的手表一样,对生物不但没有用处,还会造成混乱。要把主要是通过化学反应形成的“生物钟”的周期长度变得对温度变化不敏感,是一个难题。

 

所以真的“生物钟”决不会只有前面说的反馈回路那么简单,而是有各种复杂的“支路”和多层次的调节系统。数学模拟常常要用到复杂的微分方程,即使是这样,“生物钟”是如何做到上面六点的,现在也还不完全清楚,这篇文章的规模也不容许对所有这些问题做详细的讨论。但是“生物钟”核心部分的运作原理,还是前面说过的反馈机制,可以用形象的语言来描述。下面我们就以人脑中的“生物钟”为例,具体说明真实的“生物钟”的基本构造和运作方式。

 

人脑中的生物钟

 

哺乳动物(包括人)脑中的“生物钟”位于“下丘脑视交叉上核”( suprachiasmatic  nucleus,简称SCN),即位于视神经交叉处上方的一对细胞团。虽然人的SCN只有大米粒大小,却控制着人体的昼夜节律。动物试验表明,破坏SCN,昼夜节律就完全消失,说明SCN是哺乳动物身体节律的“中心控制器”。

 

我们在前面谈到,要组成细胞里面最基本的“生物钟”,需要一个基因,需要使基因的“开关”被“打开”的“转录因子”,需要把基因里面的“密码”实现为蛋白质序列的“转录”和“翻译”过程,并且要求生成的蛋白质能够反过来把“自己的”基因“关掉”,还需要一个机制,把这个具有抑制作用的蛋白质分子“降解”掉,以便解除抑制,使周期重新开始。

 

SCN的细胞中,起反馈抑制作用的不是一个蛋白,而是由两个蛋白质分子彼此结合组成的“二聚体”。这两个蛋白质的名称分别为PERCRY。为这两个蛋白质编码的基因分别叫做percry。在这里,我们用斜体小写字母来表示基因的名称,而用大写的同样字母来表示基因的蛋白质产物。

 

percry两个基因“打开”的“转录因子”也不是一个蛋白,而是由BMAL1CLOCK两个蛋白质分子组成的“二聚体”。它们与这两个基因的“启动子”相作用,使它们开始“转录”和“翻译”的过程,产生蛋白质PERCRY

 

看到这里,你也许会问:这些基因的名字怎么这么奇怪啊?原来这些名称来自基因英文名称前三个字母(如果名称只有一个词),或者是由多个词组成的英文名称中,这些词汇的头一个字母所组成。比如per就是period的头三个字母;cry不是“哭泣”的意思,而是cryptochrome的头三个字母。clock虽然自己也是一个词,还是“时钟”的意思,其实是由Circadian Locomotor Output Cycles Kaput 中每个词的第一个字母组成的。bmal1的名称最奇怪,实际上是由Brain and Muscle Arnt-like 1中每个词的第一个字母所组成,其中Arnt又来自其全名Aryl hydrocarbon Receptor Nuclear Translocator所以要用有限的几个字母来表示一个基因的名称,必须用各种简化的办法。

 

对于“真核生物”(其细胞具有“细胞核”的生物。细菌没有“细胞核”,是“原核生物”)来讲,“转录”和“翻译”这两个过程是在细胞里面不同的地方分开进行的。“转录”发生在细胞核中,而“翻译”则在细胞质中进行。由“转录”生成的RNA必须先离开细胞核,进入细胞质中,才能够用它携带的信息指导蛋白质的合成。反过来,在细胞质中合成的蛋白质,如果要和位于细胞核中的基因相作用,首先必须进入细胞核。这一进一出,就会产生“时间差”。真核生物的细胞巧妙地利用了这个时间差,实现了由负反馈过程造成的蛋白质浓度“振荡”。

 

我们从percry基因被“打开”开始。BMAL1/CLOCK“二聚体”结合在这两个基因的“启动子”上,把“开关”打开,基因开始RNA的合成。这样生成的RNA离开细胞核,进入细胞质,在那里分别指导蛋白质PERCRY的合成。合成的PERCRY蛋白质彼此结合,形成“二聚体”PER/CRY,再进入细胞核,在那里阻止BMAL1/CLOCK“二聚体”的作用,也就是“关闭”这两个基因,实现负反馈。

 

由于RNA从细胞核转移到细胞质需要时间,蛋白质PER/CRY“二聚体”从合成地点转移到细胞核里的percry基因也需要时间,在PER/CRY“二聚体”到达它们的基因之前,per基因和cry基因继续“工作”,在细胞里积累越来越多它们的RNA及其蛋白质产物PERCRY。也就是说,基因的产物反过来抑制基因活性的过程是“滞后”的。这相当于抽水马桶的水箱中的进水阀是开启的,水箱一直在进水,水面(RNAPERCRY蛋白质的数量)在不断升高。

 

等到PER/CRY“二聚体”终于到达percry基因的“启动子”,抑制作用就开始了。这相当于水箱的进水阀被关闭,不再有RNAPERCRY蛋白质的生成。

 

要使percry基因重新启动(把进水阀重新打开),需要把抑制这个过程的蛋白质PERCRY去掉(相当于水箱“放水”)。这是由细胞“降解”蛋白质的活性来完成的。当PERCRY结合形成“二聚体”时,它们也同时和一种“激酶”(在分子上加上“磷酸根”的蛋白质)叫做“酪蛋白激酶”(Casein kinase

)的结合,在它们的分子上面加上磷酸根。这个磷酸根就相当于给这两种蛋白质贴上了“标签”,告诉细胞:“消灭它们”!细胞“看到”这个信号后就开始用“蛋白水解酶”把这两种蛋白质“降解”掉。

 

由于这时percry基因已经不再生产RNA,现存的PERCRY蛋白质被“降解”一个少一个,而无法被补充。等到PERCRY被“降解”得差不多时,它们的抑制作用也被解除了,per基因和cry基因又被BMAL1/CLOCK二聚体“打开”,开始下一个循环。通过这种机制,蛋白质PER CRY在细胞中的浓度就能够周期性地变化,实现“振荡”,“生物钟”的核心部分就“建成”了。

 

可以看出,人的生物钟中的“转录因子”和“抑制物”都是“二聚体”,而不是单一蛋白质(“单体”)。两个蛋白质结合成一个单位,可以产生新的功能和新的调节这些功能的机制,比如结合于DNA、调节蛋白质的生物活性、控制蛋白质进出细胞核、影响蛋白质的稳定性、以及结合第三个蛋白质分子等等。

 

“二聚体”相对于“单体”的优越性使得所有真核生物的生物钟都使用“二聚体”。在昆虫(比如果蝇)的生物钟中,“转录因子”是CLK/CYC“二聚体”,“抑制物”是PER/TIM“二聚体”(TIM的作用相当于哺乳动物的CRY)。在植物“拟南芥”(Arabidopsis thaliana,又叫“阿拉伯草”,由于其小的基因组和短的生长周期而被用作模型研究植物)的生物钟中,“转录因子”是LHY/CCA1“二聚体”,“抑制物”是PRR9/PPR7的“二聚体”。脉孢菌(Neurospora,一种真菌)的生物钟中,“转录因子”是WC1/WC2“二聚体”,“抑制物”是FRQ/FRQ“二聚体”。

 

除了这个反馈回路,人脑中的“生物钟”还有其它的回路与反馈回路交联。比如“转录因子”BMAL1/CLOCK“二聚体”还可以“打开”为另外两个蛋白质“编码”的基因,rorarev-erbarora基因的产物RORa促进BMAL1的生成(正反馈),而rev-erba基因的产物REV-ERBa抑制BMAL1的生成(负反馈)。这些作用相反的反馈回路可以控制和调节BMAL1蛋白质的浓度,影响核心回路的运作情形。

 

不仅如此,PER蛋白质实际上有三种(PER1PER2 PER3),CRY蛋白质也有两种(CRY1CRY2)。它们的基因都受“转录因子”BMAL1/CLOCK“二聚体”控制,但是这些蛋白质的性质彼此有差异。不同的PER蛋白质和CRY蛋白质可以形成各种“二聚体”,以不同的方式影响生物钟的运行。比如PER1蛋白质与周期的“调长”有关,而PER2蛋白质与周期的“调短”有关,而PER3蛋白质与睡—醒周期的调节有关(见下面“为什么会有‘夜猫子’?”部分)。

 

这里叙述的,只是人脑中“生物钟”的主要成分和核心回路。要符合上面说的对生物钟的六个要求,我们身体里面的“生物钟”还有更为复杂的调节回路和控制机制。

 

我们的身体如何“看表”?

 

“生物钟”有了,接下来的问题就是身体怎样“读取”“生物钟”的时间信息,即“看表”。第一个层次的“看”,是含有“生物钟”的细胞(比如SCN里面的细胞)“读取”“生物钟”里面的节律,并且按照这个节律来周期性的变化细胞里面的各种活动。

 

细胞又没有“眼睛”,怎么来“看”“生物钟”呢?在这里,SCN里面的细胞采取了一个非常聪明的办法,就是让许多基因的活动周期与percry基因同步。既然这两个基因的蛋白质产物PERCRY的浓度以24小时为周期上下“振荡”,如果能让其它基因的蛋白质产物也与这两个蛋白质一起振荡,不就相当于“看表”了吗?

 

怎样才能做到这一点呢?那就让BMAL1/CLOCK“二聚体”也结合于其它基因的“启动子”上,让这些基因受到的调控方式与percry基因一样。既然PER/CRY“二聚体”可以抑制由BMAL1/CLOCK“启动”的per基因和cry基因,其它被BMAL1/CLOCK“启动”的基因也可以受PER/CRY“二聚体”的抑制。通过这种方式,细胞里的一些其它基因的活性也可用随着“生物钟”的节律一起振荡了。这些与“生物钟”的基因“同步振荡”的基因就叫做“生物钟控制的基因”。

 

有些“生物钟控制的基因”本来就是为“转录因子”编码的。这些“转录因子”又可以“打开”其它基因,使它们间接受到“生物钟”的控制。由于这些“转录因子”的浓度是周期性变化的,被它控制的基因的活性也会呈现周期性的振荡。

 

SCN里面的细胞“看”“生物钟”时间的问题解决了,这些细胞又如何“告诉”身体里面的其它细胞现在是什么时间,让身体各处的细胞也按这个节律活动呢?这里面有两条主要途径。

 

第一条途径:SCN是大脑的一部分,里面的细胞本来就是神经细胞。它们可以通过与全身各处联系的“神经纤维”来传达信息。另一个途径是通过激素。SCN把“生物钟”的信息先经过神经联系传到大脑的另一个结构叫“松果体”(pineal gland)的。松果体根据SCN的节律,周期性地分泌一种物质叫“褪黑激素”(melatonin)。这种激素进入血液,再循环到全身,就像一个“报时员”,向各种细胞报告“现在是几点钟啦!”。松果体在大约晚上9点时开始分泌褪黑激素,使人产生倦意,在早上大约7点半时停止分泌,让人清醒。

 

不过我们的身体里面的“生物钟”,也只有我们的身体能够“读”。里面的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,更不要说想知道是“几点钟”了。所以对于现代社会中必须按时工作的人来讲,“生物钟”是靠不上的,只能靠人造的各种报时器(比如手表和手机)。

 

我们的身体如何“对表”和“校表”?

 

“看表”的问题解决了,下一个问题就是我们的身体如何“对表”和“校表”。“生物钟”是靠细胞里面的反馈回路构成的。这些由生物“器件”组成的“生物钟表”相当“精确”,与自然界中24小时的节律相差一般不到百分之一。比如小鼠(mice)的“误差”是0.7%,希拉毒蜥(gila monster)的“误差”为0.54%,仓鼠(hamster)的“误差”是0.3%,而澳洲长鼻袋鼠(kangaroo rat)的“误差”只有0.08%

 

在没有外界自然光照的情况下,人自身“生物钟”的节律平均为24.2小时,即大约有0.8%的误差,也就是每天“慢”大约12分钟。对于用“生物器件”构成的“生物钟”来讲,这已经是很了不起的成就了。但是每天12分钟的“误差”还是必须“校正”的,不然日积月累,我们在大约两个月(约60天)后就会“昼夜颠倒”。我们的身体是如何根据地球自转24小时的节律来对自己的“生物钟”进行“对表”和“校正”的呢?

 

地球自转24小时的节律,最明显的有光照变化和温度变化。早上太阳“出来”,傍晚太阳“落山”。清晨温度最低,下午温度最高,都有节律性。我们的身体应该根据哪一个“表”来“对时”呢?

 

温度虽然也有昼夜的变化,但是受各种因素的影响太大。比如晴天和阴天、大范围的气候变化(热风和寒潮),都会影响一天中温度变化的方式以及每天的平均温度。动物的位置是变化的,在阳光下和树阴处温度就很不一样。动物的运动本身也会产生热量,影响对外界温度的测量。由于这些原因,把温度作为时间的指标很不可靠。光照虽然也有晴天和阴天的区别,但是那只是光线强弱的区别,光线变化的时间周期还是很“准”的。由于这个原因,地球上所有带有“生物钟”的生物都按照光照变化这个外界的“钟表”来“对时”和调节自己的“生物钟”,也就是每天不停地“校表”,使得我们里面的“生物钟”能与地球的自转同步。

 

对于哺乳动物来讲,感知光线的器官就是眼睛。失去眼球的老鼠和人都会丧失这个“对表”和“校表”的能力,表现为自身的节律和外界的节律逐渐脱节而无法“校正”。这个结果说明,哺乳动物只能用眼睛来接受外界的光学信息,身体的其它部位(比如皮肤,尽管它的面积很大,并且有相当部分可以接触到外界的光线)是没有这个功能的。

 

人们对眼睛的构造和工作原理已经进行了非常详细的研究。是视网膜上的“感光细胞”(包括“杆细胞”rods 和“锥细胞”cones)接受光信号,通过“双极细胞”(bipolar cells)对光信号进行处理,再经过“节细胞”(ganglion cells)输送至大脑。这些从视网膜来的光信号除了给我们以视觉信息外,估计还给我们光线“明”和“暗”的信息,让我们的大脑用来“对表”和调节“生物钟”。

 

但是在上个世纪20年代,就有人发现了一个奇怪的现象,就是盲眼的老鼠仍然能够对外界的光线起反应;当眼睛遇到光线时,瞳孔还会收缩。这个发现与我们的传统思想相抵触:既然这些老鼠看不见东西,它们就接受不到光学信号,它们怎么会对外界的光线起反应呢?

 

多年以后,科学家们对这种现象进行了进一步的研究,用生物工程的手段使老鼠视网膜里面没有“杆细胞”和“锥细胞”这两种感光细胞。研究发现,虽然这些老鼠看不见东西,它们却能根据外界光线的信息调节自己的“生物钟”。

 

由于不能在人身上做试验,要证明在人身上也有类似的现象,就只能去找天然就没有“杆细胞”和“锥细胞”的盲人。这样的盲人极为稀少,但是在2007年,两个这样的盲人还真的被找到了。这些盲人能够在光线刺激下产生“褪黑激素”,也就是可以根据外界的光线调整自己的“生物钟”。而且当他们的眼睛遇到光线时,瞳孔也会收缩。

 

这些现象表明,眼球里面也许有另外的感光细胞。它们的功能与形成视觉信号无关,而只负责监测光线的昼夜节律。这样的感光细胞还真的被找到了,这就是“节细胞”层中的少数(只有百分之几)细胞,叫做“感光节细胞”(photosensitive retina ganglion cells, 简称pRGC)。在没有“杆细胞”和“锥细胞”的情况下,这些细胞仍然能接收外部光线的信号,并且传输给大脑。

 

进一步的研究发现,这些“感光节细胞”和大脑的联系方式与其它“节细胞”不同。多数“节细胞”把从“杆细胞”和“锥细胞”来的信号送到大脑中的“初级视觉中枢”(位于大脑后部)去,而“感光节细胞”却和管生物节律的SCN相连。这说明“感光节细胞”负责感受外界光线的变化,并且用通往SCN的神经信号对“生物钟”进行“对表”和“调表”。

 

像感光的“杆细胞”和“锥细胞”一样,这些“感光节细胞”也含有“感光蛋白质”。但是“感光节细胞”所含的“感光蛋白质”却和“杆细胞”和“锥细胞”不同。“杆细胞”和“锥细胞”含的是“视蛋白”(opsin),而这些“感光节细胞”含的是另一种“感光蛋白”,叫做“黑视素”(melanopsin,和“褪黑激素”melatonin没有关系,尽管它们的英文名称看上去相似)。和“视蛋白”能感受大范围的(400~700毫微米)的光线不同,“黑视素”只吸收460480毫微米的光线,所以只对蓝光敏感。实验表明,波长大于530毫微米的光线对调整人的“生物钟”没有作用。

 

因此,我们的眼睛实际上包含有两个器官,一个产生视觉图像,另一个负责对光线的非视觉反应,包括收缩瞳孔和调节“生物钟”。蝌蚪的尾巴上有一些细胞,遇到光线时会变黑,里面的感光蛋白质就是“黑视素”。这说明“黑视素”比“视蛋白”要古老,并且与对光线的非视觉反应有关。

 

有趣的是,一些鸟类(如麻雀),在没有眼球(当然也不会有视网膜的“感光节细胞”)的情况下仍然可以调节它们的“生物钟”。原来它们的脑中就有含“黑视素”的细胞,光线可以穿过羽毛和头骨到达这些细胞。

 

为什么“倒时差”那么难?

 

既然我们的身体可以根据外界光线变化的周期来自动“对表”和“调表”,我们到了不同的时区以后,应该很快根据新的光线周期“拨快”或“拨慢”我们的“生物钟”,就像我们到了另一个时区在机场“拨”表一样,立即就完成了。但是在实际上,“生物钟”的调节是很慢的,常常需要一周甚至更长的时间,这又是什么缘故呢?

 

原因也许就在地球上的生物不能像现代社会的人这样,在一天之内就可以横跨若干时区。绝大多数动物一生都在同一个时区中生活。即使是长途迁徙的飞鸟,飞行方向也主要是南北方向的,而且每天只能飞行100200公里。即使飞行是东西方向的,这个距离所带来的时间上的变化还不到一个时区的十分之一。

 

所以地球上的生物,包括飞机发明以前的人,根本没有“倒时差”的问题,也就没有进化出快速和大幅度“较表”的机制。由于多数生物的“生物钟”与地球的24小时节律只差不到1%,每天也就调整十几分钟左右。这种调整对于“生物钟”来说已经富富有余了。

 

但是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。从我们“倒时差”的速度来看,人的“生物钟”每天可以调整一、两个小时。这已经是很了不起的成就了。

 

“生物钟”的“反应慢”,其实有好处。这样生物只对以24小时为周期的时间变化起反应,而对更短时间段的光线变化不敏感。如果走到一个黑暗的山洞里,“生物钟”立即调节为“晚上”,那岂不乱套?

 

这里说的“倒时差”,不过是从一个时区的24小时节律“调”成另一个时区的24小时节律。周期没有变,变的只是“相位”,所以我们的身体里面的“生物钟”还能“调”得过来。现在地球人已经有移民火星的计划。火星的自传周期与地球非常相似,是24.6小时,所以火星上的一天和地球上的一天差不多长。前面说过,人体“生物钟”的周期本来就比24小时稍长,所以地球人到了火星以后,估计能够很快适应那里的昼夜节律。

 

要是到了一个明暗周期远离24小时的地方,麻烦就大了,比如到月球上去建立基地。月球的自转周期是277小时43分,也就是月亮上的一天差不多等于地球上的一个月。我们身体里面的“生物钟”是经过亿万年的进化过程形成的,它的周期长度已经固定为复杂的回路,并且已经组入我们的DNA中,是不可能被“调”为27天的周期的。所以在月球上生活的人必须在自己的居住环境中人为地建立24小时的明暗周期。绕地球旋转的太空站,每90分钟左右就会经历一次“白天”。这么短的节律也是我们身体里面的“生物钟”无法去“调”的,所以也必须在太空站中人工设立24小时的明暗周期。

 

为什么会有“夜猫子”?

 

大多数的人都是按每天昼夜的时间变化来安排生活的。天亮前后(六、七点钟)起床,晚上十点左右上床睡觉。可是有少数人却喜欢“晚睡晚起”,午夜后两、三点钟甚至更晚才上床,上午九点、十点以后才起床,也就是平常我们说的“夜猫子”。

 

与失眠症不同,“夜猫子”也有规律的24小时周期。到了他们睡觉的时间,他们会发困,第二天上午也会规律地按他们的“起床时间”醒来。他们的睡眠一般很好,第二天起来以后也没有睡眠不足的情形。所以“夜猫子”并不是“生物钟”的节律出了毛病,只是他们的生活节律和自然界的昼夜节律“错位”了。也许是在SCN向大脑中控制“睡—醒”的中心传递信息时,差了一个“相位”。

 

对于“夜猫子”的成因有各种假说,比如对天然光线的调节作用不敏感,或者对夜晚的灯光过度敏感。傍晚时强光照射对“褪黑激素”的分泌有抑制作用,“夜猫子”对强光的反应就比睡眠周期正常的人要强。

 

近年来的研究发现,“夜猫子”现象的出现也许还和基因有关。前面在介绍人体“生物钟”的基因时,就谈到了有三种PER蛋白质。其中PER3SCN生物钟的运行并不是必要的,“敲除”(knock outper3基因对SCN“生物钟”的运行没有影响。反过来,“敲除”per1per2基因后,“生物钟”节律就完全失去,虽然还有per3基因在。这说明PER3蛋白质也不能维持“生物钟”的工作。

 

PER3 的作用,也许与在SCN和“睡—醒”控制中心之间传递节律信息有关,它能影响两个中心之间的“相位”是否“同步”。与per1基因和per2基因不同,per3基因的变异性是比较大的,也就是人与人之间有比较大的差异。研究表明,有些per3基因的变化与“夜猫子”现象有关。

 

比如PER3蛋白质中第647位的氨基酸“残基”(即结构单位)从缬氨酸(Valine)变成甘氨酸(Glycine),就与“夜猫子”的形成有关联。PER3蛋白质中还有一个18个氨基酸“残基”的重复序列。序列重复的次数随人而不同,其中重复4次的就与“夜猫子”现象有关。研究还表明,如果per3基因的启动子序列有变化,影响PER3蛋白质生成的数量,也会造成睡眠周期与SCN的周期“错位”。

 

所以有些(不是所有的)“夜猫子”也许有其生理基础,他们对“晚睡晚起”更加适应。反过来,也有“生物钟”特别“顽固”,难以调节的人。这些人对上夜班就很不适应。这两种人最好都找适合自己睡—醒周期的工作(比如为计算机编程序的人可以选择在家工作),以达到最大的工作效率。

 

身体的各个器官有自己的“生物钟”吗?

 

大脑中SCN里面的“生物钟”是全身节律的“总管”。但是除了SCN以外,我们的身体里还有“外周”的“生物钟”,分别管理各个器官的昼夜活动。这些“外周生物钟”的基因构成和SCN中的“生物钟”基本相同(比如也用BMAL1/CLOCK“二聚体”作为percry基因的“开关”),但是它们所在的环境不同,调控方式也不完全一样。

 

这些“生物钟”可以在许多动物器官和组织中发现,包括肝脏、肾脏、脾脏、胰脏、心脏、胃、食道、骨骼肌、角膜、甲状腺、肾上腺、皮肤、甚至细胞系。这些位于身体各个部分的“生物钟”叫做“外周生物钟”(peripheral clocks),它们具体控制每个器官的活动,比如肝脏中的糖代谢和解毒,肾脏的排尿,胰腺分泌胰岛素、毛囊生出毛发,等等。

 

如果把动物的各个器官中的组织放在体外培养(因此得不到从SCN来的调节信号),多数器官的组织都有基因“表达”的周期性变化。不过与体内不同,这些组织在“振荡”几天以后,节律性就逐渐变弱,最后消失。

 

对单个细胞的监测表明,细胞里面的基因“表达”程度仍然在振荡,只是不同细胞之间的振荡周期不再同步,所以在总体上互相抵消。在培养环境中放入SCN细胞,这些组织中细胞的振荡周期又变得同步,说明SCN能够使全身各个器官里的细胞振荡同步。除了SCN,一些化学物质(比如和“糖皮质激素”有类似作用的dexamethasone),或者新鲜的血清,也可以使细胞之间的振荡周期同步,说明器官中细胞的同步可以由多种外部信号来实现。

 

SCN被破坏了的老鼠中,器官之间的振荡周期逐渐“脱步”。把SCN再植回去可以恢复一些器官的周期同步。

 

这些结果说明,人体中的“生物钟”不只一个,而是一群。如果把这些“外周生物钟”比作一个乐队的成员,SCN就是“总指挥”。SCN通过各种途径来“指挥”各个“外周生物钟”,包括激素(比如“褪黑激素”和“糖皮质激素”glucocorticoid)和神经系统连接。

 

如果这些控制环节出了毛病,就会造成各器官的生理节律“脱步”,带来不好的后果,比如失眠,肥胖,心血管疾病,甚至癌症(因为影响细胞分裂周期的“生物钟”节律混乱)。养成良好的生活习惯,包括有规律的生活(按时睡觉,按时起床,按时就餐等等),使全身的“生物钟”系统同步协调地运行,对我们的健康是有好处的。

 

 

主要参考文献:

 

Ilmin Kwon, Han Kyoung Choe, Gi Hoon Son and Kyungjin Kim Mammalian Molecular Clocks Experimental Neurobiology 2011 201828

 

Czeisler ACDuffy JFShanahan TLBrown EN,Mitchell JF,Rimmer DW,Ronda JM,Silva EJAllan JSEmens JSDijk D-JKronauer RE  Stability, precision and near-24.hour period of human circadian pacemaker. Science 1999; 284: 2177-2181

 

Ignacio Provencio The Hidden Organ in Our Eyes. Scientific American, 2011 may, 55-59.

 

Archer SNCarpen JDGibson MLim GHJohnston JDD J. Skene DJ von Schantz MPolymorphism in the PER3 Promoter Associates with Diurnal Preference and Delayed Sleep Phase DisorderSLEEP, 2010 335):695-701

 

 

初稿完成于201321,洛杉矶

 

 

 

 



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