徐瓔（蘇州大學特聘教授）｜撰文

葉水送｜訪談

什么是生物鐘？

生物鐘顧名思義，是一架設在生物體內的“鐘”。它是由于地球的晝夜自轉，導致生活在地球上的幾乎所有生物，為了適應晝夜的節(jié)律改變，而演化出來的一個生物計時器，用來預知環(huán)境的改變，從而更好地適應環(huán)境。

所有的生物，包括植物、動物都有生物鐘。它讓植物可以在最合適的時候進行光合作用，也讓動物能夠在合適的時候，覓食、遷徙和繁殖等，所以它其實不僅是一個適應環(huán)境的計時器。同時也是我們不可或缺的一個生物系統(tǒng)。

與生物鐘相關的有趣現(xiàn)象有哪些？

其實生物鐘就是被一種有趣的現(xiàn)象吸引，才讓科學家發(fā)現(xiàn)了生物鐘。包括最初發(fā)現(xiàn)含羞草，它的這種晝夜律動，吸引了de Mairan（法國天文學家）這個科學家，他提出了這樣的一個科學問題，就是晝夜的律動，是一種內在的機制驅動？還是受環(huán)境的改變？他為了回答這個問題，就把含羞草關在一個密閉的空間里，不受環(huán)境晝夜節(jié)律的牽引，然后他發(fā)現(xiàn)含羞草在沒有任何的環(huán)境因素影響下，依然能夠晝夜地律動，所以他認為這樣的一種律動是一種內在的機制。

這開啟了對生物鐘的研究，其實從含羞草的生物鐘發(fā)現(xiàn)以后，后面就有了非常著名的林奈。他制備的那個花鐘，是根據(jù)花在不同的時間開花鑄成的。在日內瓦有一個花鐘公園，包括從早晨蒲公英的開花，還有牽牛花和夜來香的開花等，他按照不同的開花時間做成一個花鐘，這是在植物里面。

然后在動物里面，蜜蜂的生物鐘也非常有趣，它總是在花芯和花蕊最飽滿的時候定點的去采蜜，來保證它能夠采到足夠的蜜來繁殖后代。

在我們哺乳動物里面，也是經過很長時間發(fā)現(xiàn)，確實是有這樣的鐘，包括生物節(jié)律研究的先驅者們，他們把自己關在洞穴、廢棄的煤礦里面，來研究自己到底有沒有這種生物鐘，然后他們在完全跟環(huán)境隔離的情況下，記錄他們的飲食，記錄他們的活動，以及他們的體溫，發(fā)現(xiàn)在他們體內也有一個生物鐘，所以這些都是驅動我們去研究生物鐘的一些故事。

人的生物鐘為何不是24小時？

它說的就是一種內在的節(jié)律，生物鐘內在的節(jié)律，是印記在我們基因組里的一種系統(tǒng)，它不受任何環(huán)境的信息影響，就算你沒有表，沒有信息，基本上到點就會餓了，到點就會想去吃飯等這種節(jié)律。

在人體或者所有的動物里面，它的節(jié)律，并不是準確的24小時。我認為這是一個非常巧妙的設計。雖然天文鐘是24小時，但是我們的機體不是準確的24小時，所以我們每天都在調時差，就是要把差補到24小時，所以我們所有的生命就有了去調我們生物鐘的能力，這個能力，就能夠讓我們去旅行，去調時差的時候運用這樣的一種規(guī)律。

一般夜行動物，它的周期會比較短，短于24小時，然后白晝動物，像我們人一般在大于24.5小時，有的是25小時。

我們人體生理所有的節(jié)律，其實并不一定完全是同步化。每天體溫的節(jié)律有的時候是25點幾小時，然后心率可能又是23點幾小時，它并不是完全同步在一起，這個也是要注意的，并不是所有的生理活動都是一樣的節(jié)律。

大腦有一種視交叉上核（SCN），我們說它的起搏器，可以通過環(huán)境的光線，來同步化我們機體所有的周圍組織，適應到這樣的24小時節(jié)律里面去。

生物鐘的分子調控機制？

生物鐘的調控是從多個層面進行的，我們說基因組成就是DNA里面，它有一個分子反饋環(huán)，這個分子反饋環(huán)構成了近24小時的節(jié)律，那么這樣一個分子反饋環(huán)基本上存在于機體所有的細胞內，然后一群細胞就構成了各種不同的組織，每個組織它有一個自主的周圍組織節(jié)律，但這些節(jié)律其實不能直接跟外界連起來，比如我們哺乳動物。我們通過一個SCN ，叫視交叉神經上核，在我們哺乳動物當中，它叫做Pacemaker（起搏器），是一個中樞生物鐘，它每天接受光線的輸入，在SCN里進行一個偶聯(lián)，然后輸出來同步化所有的周圍組織，包括我們的腎臟、肝臟、肺活動等。那么在它的統(tǒng)領下，所有的活動跟環(huán)境能夠進行合拍，關于SCN是非常肯定的，它是維持我們生物節(jié)律一個充分必要的核團。

通過前人多次的實驗，證明它是充分必要的，來維持同步化生物鐘的一個核團。它通過幾種非常經典的實驗，通過損毀這個核團，然后再移植這個核團，包括移植長周期、短周期的核團，使得受體的宿主，呈現(xiàn)了短周期或者長周期，所以SCN是一個非常關鍵的Pacemaker（起搏器），就是我們說的中樞。

影響人的生物鐘的因素有哪些？

其實影響生物鐘的因素還是很多的，因為地球的晝夜自轉驅動，所以光線是我們影響最大的。

生物鐘在不同的季節(jié)對生物鐘影響也很大，因為它的日長日短不一樣。所以季節(jié)的變換對我們的生物鐘影響很大，這是從光線的角度。

溫度其實也會對生物鐘有影響。

同時我們每天飲食的時間，對于我們生物鐘影響也很大。如果我們飲食日夜顛倒，生物鐘驅動的這些基因，就會和飲食驅動的基因不吻合，導致生物鐘的紊亂，所以飲食的時間，對于我們生物節(jié)律也是一個非常重要的方面。一方面我們可以利用飲食的時間，在生物鐘紊亂時，來幫助我們增強生活節(jié)律。

你看在飛機上跨時區(qū)旅行的用餐條件，其實他們就是希望能夠幫助我們到目的地，能夠更快地適應目的地的生物鐘，因為他們的飲食其實是非常有規(guī)律的，來幫你調生物鐘。在航空領域已經運用了生物鐘的規(guī)律。

其實我們現(xiàn)在國內，也是想用一些叫做TRF ，就是時間限制性飲食，來增強你的生物節(jié)律的魯棒性，我們就能夠有一個更健康的節(jié)律。

疾病用藥也與生物鐘的關聯(lián)？

其實現(xiàn)在生物鐘影響的廣泛性，越來越被醫(yī)學界認可。因為在我們生物鐘中，我們剛剛說的這種齒輪一樣target（靶向）到的這些基因，很多都是一個時鐘，有節(jié)律性的，所以如果這些藥物target到了這個靶點的話，那么在什么時間用藥就非常重要，你在高峰和低谷用藥的有效性不一樣。所以在藥物上來看，我們特別希望能在藥物的說明書上，告知我們藥在什么合適的時間給更有效。

在醫(yī)院里面，很多研究者也做了一些報告，手術也是會隨著這個不同的時間影響手術的效果，包括心梗的這些實驗，這個研究發(fā)在《柳葉刀》上，就是同樣的手術，下午的手術和上午的手術相比，它的并發(fā)癥率就會低很多。

另外像打疫苗，在早晨打疫苗，它的抗體滴度就會升高。這些實際上都是在利用生物鐘，在最佳的時間做最佳的事情，在醫(yī)學上這是好的。另外還有一個不好的方面，因為生物鐘這樣的周期波動變化，導致很多疾病的發(fā)生也有時間依賴的改變，比如說人在夜晚容易哮喘，很多心血管疾病會在凌晨到上午之間高發(fā)，包括很多生產可能也是在午夜生產的頻率為高，很多的事故的發(fā)生也在凌晨，因為這個時候的警覺性會比較低，這些就是由于生物鐘高和低的表達，帶來的一些效果。

我覺得需要，包括我自己吃高血壓藥都不知道什么時間吃更好。因為高血壓是一天24小時，隨便什么時候都可以吃，我也特別渴望知道，到底我這個藥應該早晨吃好，還是晚上吃好，我其實多次向這種藥廠去提議，哪怕說明書上給我一個信息，特別是對這種慢性藥，我覺得長期服用的更重要。

現(xiàn)在很多腫瘤治療，也在推廣時間用藥，我覺得這個非常重要。因為cell cycle（細胞周期）雖然它有它自己分裂的周期，但是它的這個cell cycle的各個階段的門控，也是受生物鐘影響的。在我們生物鐘研究者來看，很多的化療藥，你在什么合適的時間給予化療藥是很有講究的。

所以我覺得生物鐘，作為醫(yī)學的一個“第四面”，這樣被提出來，還是非常重要的，就是要引起全社會重視，包括我們醫(yī)院。目前醫(yī)院的用藥，還是按照醫(yī)生的工作節(jié)奏在進行，很少考慮生物節(jié)律的這些因素。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

團隊/作者：深究科學

審核：彭志平 中國睡眠研究會科普部主任

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 深究科學