專題︰晝出夜伏——人體生物鐘大揭秘

張春曉

 

 

2017年諾貝爾獎於十月初頒佈了。生理學和醫學獲獎者是三位美國生物學家:遺傳學家杰弗裡•霍爾 (Jeffrey C. Hall) 、分子生物學家邁克爾•羅斯巴什 (Michael Rosbash) 以及邁克爾•楊 (Michael
W. Young) ,他們因對生物鐘(又稱生理時鐘)基因研究的突破性成果,共享諾獎獎金九百萬瑞士法朗(相當於82萬5千英鎊)。對此,媒體對人體生物鐘的科普報道沸沸揚揚。生物鐘基因控制人體的晝夜節律,與每個人的生活起居、健康壽命息息相關,自然引起大眾的濃厚興趣。

 

 

 

 

 

 

 

人體的生物節律 古人早有研究

 

 

其實,講起生物鐘,華人一點也不感陌生。傳統中醫就是主張陰陽平衡、天人合一的養生理論,認為人是大自然的組成部分,所以生活習慣應該符合自然節律。華夏祖先對人體的生物鐘現象早有描述——「日出而作,日入而息」,主張順天時養生。

 

 

突破性發展︰生物鐘基因的發現和克隆

 

 

雖然動植物的晝夜節律是普遍存在的生命現象,人類對生物鐘的觀察和利用也源遠流長,但怎樣證明生物鐘的確存在?存在於生物體的什麼部位?控制生物鐘的根源又是什麼?過去科學家遲遲未找到答案,直到二十世紀70年代,美國生物學家本哲 (Seymour Benzer) 和他的學生克洛普克 (Ronald Konopka) ,通過對果蠅生物鐘突變種的研究揭示,生物鐘行為是由基因調控的。他們將所發現的生物鐘基因命名為「周期基因 (Period/PER) 」,並在果蠅的基因染色體上確定了 PER 基因的位置。在這一基礎上,今年獲獎的其中兩位科學家羅斯巴什和霍爾於1984年從果蠅中克隆到了第一個生物鐘基因—— PER 基因。隨後,一系列相關的生物鐘基因相繼被克隆。經過30年來的研究,科學家現在對動植物生物鐘的構成和機理都已經有了基本了解。

 

 

 

 

 

 

生物鐘怎樣被調控?研究成果意義深遠

 

 

此次三位科學家獲獎,是因為他們發現並揭示了生物鐘的晝夜節律如何被分子機制調控。聯手合作研究的霍爾教授和羅斯巴什教授發現,生物體內存在大量的「節律基因」,他們此消彼長,相互轄制,調控全身器官有節律地工作。控制節律的基因如有突變或紊亂,就導致肥胖、糖尿、高血壓等各種疾病。另一位獲獎者楊教授發現,長期熬夜缺乏睡眠,會導致調節節律的關鍵基因「失靈」,神經突觸部分被星形膠質細胞大量吞噬,促使腫瘤產生,也可導致退智症等腦部疾病。

 

 

他們的研究不僅對人類探索生命原理作出重大的理論貢獻,而且在醫療等諸多領域中都有深遠的應用價值。例如,癌症細胞的生長也隨生物鐘有周期性的變化,根據節律變化調節治療、用藥時間,抗癌效果就更明顯。人一天的情緒也有節律變化,破解調控節律的分子機制,無疑對憂鬱症的治療和預防有重大意義。在農業上,害蟲的抵抗力受到生物鐘影響,選在害蟲抵抗力差的時候殺蟲會事半功倍。很多職業需要跨晝夜值班或跨時區出差,人體生物鐘的晝夜節律需要重新設定,如何避免和治療因生物節律失常引起的各種疾病,儘量減少現代生活方式對身體的不利影響,都有賴於生命節律學研究領域的進一步探索。

 

 

實際運用:尊重你的生物鐘

 

 

人體內的生物鐘,晝夜對我們的生理功能進行著非常精準的調節,包括行為、激素水平、睡眠、體溫,以及新陳代謝等。生物鐘的紊亂會導致一系列疾病,如肥胖、糖尿病和代謝綜合症、失眠、憂鬱甚至癌症。而現代人的生活方式如通宵工作熬夜、三餐無定時、過刺激夜生活、做「空中飛人」周遊世界……這些行為習慣都不斷發出干擾因素,挑戰人體節律的正常運作。諾貝爾獎歸屬晝夜節律學的研究,可謂用「生物鐘」給現代人敲響了「警鐘」:儘管時代先進發達,人永遠不是超人,違背自然的生活方式必令人身心勞損。