我们体内住着很多“生物钟”

锐一段汇聚精彩的追踪

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汤波04

科学24小时Science in24hours2018年第1期

宇宙中，地球围绕太阳旋转，依靠

太阳给予的能量，繁衍出无数生

命。与此同时，地球的自转，也造就了昼夜更替、日出日落的精彩景象。

地球上，人类日出而作，日落而息，其他动植物，甚至包括最古老的古细菌，也都需要适应和遵循这种自然规律。在年年岁岁的循环往复中，聪明的人类窥探到了这种宇宙奥秘，创造出各种计时的钟表，来记录分分秒秒，使得人类可以“驾驭”时间，挣脱昼夜更替带来的自然束缚。但是这种“驾驭”也带来了一系列健康问题，严重时甚至危及生命。

原来，我们身体里住着各种各样的“生物钟”，从古老祖先——蓝藻开始，生命体就诞生了各司其职的“生物钟”，控制着各种生命随着昼夜更替进行各式各样的生命活动，并逐步演化出更加复杂的生物钟网络，让不同的生命体甚至生命体的不同细胞都知道什么时候该做什么事情。那它们到底是怎样做到的呢？

有生命就有生物钟

由于地球自转而导致光照等环境因子以大约24小时为周期进行循环变化，而生物钟便是生命体为适应地球光照以及温度等环境因子周期变化而演化出来的内在自主计时机制，这种自主计时机制被用作协调体内的生命过程，如代谢、生理和行为等。因此，最主要的生物钟被称为“昼夜节律”。

早在18世纪，法国地球物理学家、天文学家和时间生物学家让·雅克·德奥图斯·德马兰（Jean Jacques d'Ortous de Mairan）在研究含羞草时，发现含羞草的叶子在白天向太阳开放，到傍晚则会闭合。之后，他又将含羞草置于完全黑暗的环境中，以观察含羞草的叶子是否会一直闭合，但是含羞草叶子仍然随着昼夜更替进行有规律地开放和闭合。于是，德马兰认为植物可能有自己的生物钟，这是最早关于生物钟的研究记录。

从20世纪初开始，更多的科学家投身于生物钟研究中，他们陆续发现，从最低等的原核生物，到多细胞真菌、动物和人类都有这种控制昼夜节律的生物钟，并逐步形成一门崭新的学科——时间生物学。

美国科学家西摩·本哲（Seymour Ben-zer）是研究动物昼夜节律的开创者。20世纪60年代末，本哲和他的研究生罗纳德·科诺普卡（Ronald Konopka）发现，通过化学诱变的方法，如果扰乱果蝇的昼夜节律时钟，即可将果蝇的生物钟调快、调慢，甚至关闭，首次证明了动物体内的确有生物钟的存在。

20世纪80年代开始，陆续有科学家发现单细胞生物——蓝藻是具有昼夜节律的最简单生物，不论是在光暗周期还是在连续光照下，蓝藻的光合作用、呼吸作用、固氮活性、细胞分裂和碳水化合物合成等许多生理过程都存在内在的昼夜节律。

生物钟无处不在

当然，人体内的生物钟是科学家研究的重点，通过对小鼠、大鼠等哺乳动物的研究，科学家发现动物和人体内的每个器官、组织和细胞，甚至细胞内的物质均表现出昼夜节律，这些生物钟既遵循统一的指挥，又各具特色，各司其职。

20世纪70年代，科学家将大鼠的视交叉上核破坏，大鼠的睡眠、饮食、活动和体温等就会出现昼夜节律失调症状。当科学家将完好的视交叉上核移植到这些大鼠的脑部后，它们的昼夜节律又恢复了正常。这一实验直接证明了位于大鼠等哺乳动物下丘脑的视交叉上核是哺乳动物最重要的昼夜节律起搏器，它们负责产生和调节睡眠-觉

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Rui Jujiao

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醒、激素、代谢和生殖等众多生物节律。

视交叉上核含有约2万个神经元细胞，其中约一半的细胞承担着昼夜节律起搏器的功能，这些神经细胞在24小时内表现出不同的节律特征。当夜幕降临，人体视网膜感受到光线微弱时，即能将信号通过视网膜神经束传递给视交叉上核，视交叉上

核则再将信号传递给松果体，松果体会增加褪黑素分泌，人体随之逐渐产生睡意。清晨，光线刺激视网膜，视交叉上核收到信号后，促使松果体减少褪黑素分泌，人体逐渐清醒。睡眠-觉醒节律就是这样产生的。视交叉上核也可以通过外周神经系统，将生物钟信号传送给身体内的其他组织器官，从而控制这些组织器官的昼夜节律。如果将视交叉上核破坏，由于缺乏统一的调动，不仅会产生睡眠异常，而且也会使各组织器官的生物钟紊乱。如果将人体生物钟系统比作一个交响乐团，视交叉上核就相当于乐团指挥。

除了受到视交叉上核的控制和调节之外，心脏、肝脏、肾脏、肺脏、肌肉和淋巴等各组织器官也都形成了自己的生物钟，各自发挥独特的功

能，它们被称为外周生物钟。美国罗

切斯特大学的研究人员在《科学》杂

志上发表的论文中提到，他们发现动

物在睡眠时脑细胞会收缩，收缩程度

甚至高达60%，这使得脑部类淋巴系

统拥有足够的空间清除脑组织的垃

圾。研究人员认为，脑部类淋巴系统

的工作效率在人体睡眠期间是平时

的10倍。瑞士日内瓦大学的研究人

员还发现，小鼠肝细胞的体积和它们

的蛋白质含量每天都在有规律地波

动，在夜间活跃期，小鼠肝脏的体积

比白天增大40%。不过，小鼠肝脏体

积变化的原因主要还是在胰岛素的

调控下，合成和分泌葡萄糖，以维持

血糖平衡。

最近，《科学转化医学》杂志报道

称，英国剑桥大学等机构研究人员发

现，夜间发生的皮肤损伤，其愈合速

度要比白天受伤慢60%，这可能与皮

肤细胞的昼夜节律有关。研究人员

发现，皮肤包括表皮、真皮和皮下组

织，一旦皮肤受伤，位于真皮组织的

成纤维细胞会向上迁移至表皮层，合

成和构建新的皮肤支撑结构，促进伤

口愈合。而成纤维细胞中的一种肌

动蛋白是影响这些细胞迁移速度的

重要成分。白天时，肌动蛋白主要是

长型纤维的形态，而到了晚上大多变

成球状，导致成纤维细胞变“胖”而迁

移速度减缓。研究人员还查看了烧

伤患者的医疗记录，发现晚上烧伤的

伤口愈合时间平均要比白天烧伤的

多11天，这一结论与研究人员在小

鼠身上得出的实验结果相同。

视交叉上核是哺乳动物及人类的主要生物钟，各组织器官的外周生物钟受大脑的主生物钟控制，但它们也有自己的特点。

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