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2017年诺贝尔医学生理学奖:身体内的“嘀嗒”声

文/跃如 2017-10-06 来源:三联生活周刊
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今年的诺贝尔生理学或医学奖获奖领域就和生物钟有关,因为他们发现了昼夜节律的分子机制。

国庆期间,很多人放飞自我,上网、打游戏、追剧、聚餐、大牌、唱K,半夜才睡,日上三竿才起。还有些人,出国旅游时差刚刚倒过来便又回国了。等到假期结束,一个个得了节后综合征,无精打采、萎靡不振。

这是因为快乐的长假生活打乱了你的生物钟,工作时间表要求我们上班,但是身体却不想。人们在工作日早晨六点起床,节假日九、十点钟甚至更晚才起床,身体需要付出的代价和跨三、四个时区旅行一样。你需要一段时间把它调整回来,适应有规律的工作生活。

今年的诺贝尔生理学或医学奖获奖领域就和生物钟有关,3位美国遗传学家,杰弗理·霍尔(Jeffrey C Hall)、迈克尔·罗斯巴希(Michael Rosbash)、迈克尔·杨(Michael W Young)得奖,因为他们发现了昼夜节律的分子机制。所谓昼夜节律,也就是平常所说的生物钟。

我们知道,包括人类在内的很多有机生命都拥有一种特殊的内部时钟,这种时钟能够帮助他们预料并且适应每天的节律,但这种特殊的内部时钟既无齿轮,也无指针,它究竟是什么?又是怎样工作的呢?

获奖者分离出一种控制正常生物节律的特殊基因period,该基因能编码一种蛋白质PER,夜晚时该蛋白在细胞中集聚,到了白天开始降解。随后获奖者发现了额外的蛋白质组分,揭示了细胞内自我维持的时钟机制,对生物钟研究做出了重要突破。

生物钟是一门古老的学科。1792年夏天的一个傍晚,法国天文学家让·雅克·德奥图·德梅朗发现含羞草已经“睡觉”了,它的叶子合上了,而白天时它的叶子是张开的。他好奇如果含羞草持续处于黑暗环境中会产生什么变化,之后他发现,尽管没有日光照射,含羞草的叶子每天仍然保持其正常的规律性变化。显然植物能够“知道”太阳的位置,知道什么时候是白天,什么时候是黑夜。德梅朗是发现昼节律的第一人,他的报告出现在一篇重要的科学论文中,只有350个单词,组成7个很长的句子。

后来,其他科学家发现不只植物,动物和人类也有生物钟帮助自身生理状态适应环境的日常变化。地球每24小时绕地轴自转一周,或沐浴于阳光中,或湮没于黑暗里。对生物体而言,“吃喝拉撒睡”皆有定时,随着地球日夜更替的节拍发生适时地演变。

上世纪七十年代,科学家找到了哺乳动物生物钟的位置所在。动物眼睛后面的小丘脑有两个很小的区域,现在被称为视交叉上核,这个区域的神经元连接视网膜,负责对光明和黑暗的周期性反应,让肌体随着白天和夜晚的时间活动或休息。视交叉上核只有四分之一颗米粒大小,由大约20000个神经细胞组成,这两个区域向大脑和身体发出信号,控制激素释放、调节体温和食欲。

华中科技大学对生物钟进行研究的张珞颖教授说:“此次得奖内容研究的是生物钟的核心机制:钟是什么,有哪些成员。除此之外关于生物钟的研究还有很多,比如哪些因素可以调控生物钟,生物钟是如何调控生物的行为和生理过程的;几乎每个细胞都有一套生物钟,不同的组织和细胞是如何协同来调控行为和生理过程的。”

张珞颖的研究主要针对生物钟是如何调控生物的行为和生理过程的,有一部分关于生物钟对情绪的影响。她在美国做博士后的时候,实验室发现一个奇怪的家族,他们每天晚上七八点就睡觉,凌晨三四点起床,生物钟显著提前,被称为家族性睡眠相位提前综合征。这个家族还患有季节性情感障碍,每年的12~2月抑郁症发病率最高,到了第二年5月疾病会自发好转。医生认为冬季抑郁可能是由于冬季日照较短导致的,通过每天给患者清晨半个到一个小时的光照可以缓解抑郁症,而傍晚光照是没有效果的。研究人员怀疑发病和生物钟有关,结果发现此家族携带Per3基因突变。Period(per)基因家族是生物钟调节基因的主要成员,哺乳动物有Per1、Per2、Per3三个基因。

他们对携带Per3基因突变的转基因小鼠进行研究,发现携带了这个突变的小鼠昼夜节律改变,出现抑郁行为,可以用来研究生物钟和情绪之间的关系。“研究人员用幸福指数来衡量情绪指数,发现情绪的昼夜节律和人体体温的节律类似,傍晚时达到最高点,凌晨时达到最低点。”张珞颖说。但是目前,生物钟是如何调节情绪的还不清楚。

生物钟的出现给生物的生存带来了巨大的优势,其中最经典的一个是蓝藻实验。科学家用一种叫做蓝藻的单细胞生物进行研究,正常蓝藻的生物节律是24小时,基因突变的蓝藻生物节律可以缩短也可以延长,比如22小时或者26小时。这些基因突变的蓝藻和正常蓝藻等比例混合培养,处于12小时光照,12小时黑暗的条件下,之后发现突变蓝藻基本消失了。

如果把他们放在11小时光照,11小时黑暗的情况下,生物钟是22小时的突变蓝藻生长较快;在13小时光照和13小时黑暗的情况下,26小时生物钟的蓝藻生长较快。无法适应光照更替环境的蓝藻,生存竞争力显著降低了。

也有人做过动物实验。正常的松鼠夜间视力不好,一般白天出来活动。研究人员把松鼠体内调节生物钟的视交叉上核破坏掉之后,松鼠的生物钟消失了,白天晚上都会出来活动。把这样的松鼠放归自然界,一个月后,它们被天敌捕食的数量远远超过正常松鼠。

长期研究生物钟的中山大学生命科学学院郭金虎教授说,在正常的自然界,对于多数动物来说,如果没有或者不按照生物钟规律活动,根本无法生存。比如美洲的黑脉金斑蝶,生物钟对长途迁徙的方向定位具有重要意义。如果破坏了生物钟,它们将无法正确判断迁飞的方向。

对于人类而言,生物钟紊乱也会引发很多问题,最常见的就是倒时差。得过时差综合征的人们充分理解若想使生物钟与头脑达成一致该有多痛苦。时差综合征的一个症状是尽管非常疲惫,但晚上还是会失眠,此外还会导致注意力减退、协调能力变差、认知能力降低、情绪波动、胃口变差等问题。研究发现,生物钟失调甚至会导致生殖周期紊乱,以及多种生殖系统相关的疾病,在跨时区飞行的女乘务员中超过30%的人出现月经失调。

地球上所有的生物,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校表的机制。由于多数生物的生物钟与地球的24小时节律相差无几,每天也就调整十几分钟左右。“这就像以前的手表走的不太准,每天晚上对着收音机对对表,并不妨碍使用。”郭金虎说。

现代生活方式很少能与我们的生物钟保持一致。电灯给我们带来了“永远的光明”,也给生物钟造成了明显的影响。

在如今社会中,对人体生物钟产生最严重负面影响的工作就是倒班工作。持续几十年的流行病学研究表明,从事倒班工作的人比从事传统工作的人患病的几率更高,其他负面影响还包括睡眠障碍、抑郁、心脏病、消化系统疾病、糖尿病以及其他代谢类疾病。数据显示,在倒班工人中,乳腺癌的发生率高达36%~60%,夜间过度照明可抑制褪黑素的分泌,这可能是引起肿瘤高发病率的原因。

目前,研究人员试图利用生物钟来做一些事情,比如瞄准生物钟开发药物。拿肺来说,肺在夜间活性降低,哮喘病在夜间更易发作。几年前,爱尔兰一家制药公司研制了一种能缓解哮喘症状的类固醇药物,强的松缓释配方,可以在夜间释放药效。还有研究表明,如果人们在睡觉前服用降压药缬沙坦,比醒来时服用效果提高60%,还能降低糖尿病的发病风险。所以有研究者认为,夜间给药是促进大众健康经济有效的方式。

张珞颖说,时间是影响药物效率的一个重要但却被低估的因素,目前有一个新兴的领域叫做“时间治疗学”。我们的细胞中存在着一种时钟,调控着药物的新陈代谢,因此一些药物适合在夜间给药,一些适合在白天给药。时间疗法遵循患者的生理节律,从而减弱了治疗的毒性,并提高了患者的生活质量。

时间治疗学已经被用于癌症治疗领域。一旦细胞癌变,癌细胞的生物钟要么昼夜颠倒,要么完全紊乱。科学家们在一项针对老鼠的实验中发现,清晨接受癌症药物治疗的老鼠,没有下午接受治疗的老鼠存活率高。在针对人类的研究中也发现,许多治疗癌症的常用药物随着给药时间的不同以及患者生物钟的不同,药效也不一样。在合适的时间服药,药物对肿瘤的杀伤力会大一些,而对身体的伤害会小一些。

或许,我们可以更加关注身体的“滴答”声,帮助自己活得更健康、更长寿。

郭金虎特别提醒,关注生物钟请注意不要被某些伪科学骗了。有一种很流行的三曲线“理论”,号称也是研究人体生物钟的。该理论称,人一出生,智力体力和情绪就存在固定不变的周期,体力周期为23天,情绪周期为28天,智力周期为33天。这种三曲线“理论”可以预测一个人任意时间的状态,包括是否适合考试,是否会生病,是否会碰到灾难等等。在美国,电脑刚发明的时候,一个重要用途就是通过三曲线“理论”来算命。该理论还“成功”预测了电影《乱世佳人》中男主人公克拉克·盖博以及美国总统肯尼迪的死亡。

“这种三曲线‘理论’是彻头彻尾的伪科学,一是人体的生理,心理和行为确实受生物钟调节,但并不是这三个臆造出来的周期;二是三曲线‘理论’认为三个曲线周期永远不变,而且每个人都是一样的,这非常荒谬。真正的生物节律都是会受到环境和自身影响的,并且不同人之间也存在差异。如果节律不可变,那么我们去美国,岂不是永远也倒不过来时差?”郭金虎说。

“真正的生物钟研究在去过的一个世纪里取得了长足进展,但并不具备给每个人精确算命的能力。科学与历史一样,不能成为任人打扮的小姑娘。”郭金虎说。

(原标题:2017年诺贝尔医学生理学奖:身体内的“嘀嗒”声)

本文转载自其他网站,不代表健康界观点。
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