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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    我們體內住著很多“生物鐘”

                    2018-05-04 22:23:00

                      宇宙中,地球圍繞太陽旋轉,依靠太陽給予的能量,繁衍出無數生命。與此同時,地球的自轉,也造就了晝夜更替、日出日落的精彩景象。地球上,人類日出而作,日落而息,其他動植物,甚至包括最古老的古細菌,也都需要適應和遵循這種自然規律。在年年歲歲的循環往復中,聰明的人類窺探到了這種宇宙奧秘,創造出各種計時的鐘表,來記錄分分秒秒,使得人類可以“駕馭”時間,掙脫晝夜更替帶來的自然束縛。但是這種“駕馭”也帶來了一系列健康問題,嚴重時甚至危及生命。

                      原來,我們身體里住著各種各樣的“生物鐘”,從古老祖先——藍藻開始,生命體就誕生了各司其職的“生物鐘”,控制著各種生命隨著晝夜更替進行各式各樣的生命活動,并逐步演化出更加復雜的生物鐘網絡,讓不同的生命體甚至生命體的不同細胞都知道什么時候該做什么事情。那它們到底是怎樣做到的呢?

                      有生命就有生物鐘

                      由于地球自轉而導致光照等環境因子以大約24小時為周期進行循環變化,而生物鐘便是生命體為適應地球光照以及溫度等環境因子周期變化而演化出來的內在自主計時機制,這種自主計時機制被用作協調體內的生命過程,如代謝、生理和行為等。因此,最主要的生物鐘被稱為“晝夜節律”。

                      早在18世紀,法國地球物理學家、天文學家和時間生物學家讓·雅克·德奧圖斯·德馬蘭(Jean Jacques d'Ortous de Mairan)在研究含羞草時,發現含羞草的葉子在白天向太陽開放,到傍晚則會閉合。之后,他又將含羞草置于完全黑暗的環境中,以觀察含羞草的葉子是否會一直閉合,但是含羞草葉子仍然隨著晝夜更替進行有規律地開放和閉合。于是,德馬蘭認為植物可能有自己的生物鐘,這是最早關于生物鐘的研究記錄。

                      從20世紀初開始,更多的科學家投身于生物鐘研究中,他們陸續發現,從最低等的原核生物,到多細胞真菌、動物和人類都有這種控制晝夜節律的生物鐘,并逐步形成一門嶄新的學科——時間生物學。

                      美國科學家西摩·本哲(Seymour Ben-zer)是研究動物晝夜節律的開創者。20世紀60年代末,本哲和他的研究生羅納德·科諾普卡(Ronald Konopka)發現,通過化學誘變的方法,如果擾亂果蠅的晝夜節律時鐘,即可將果蠅的生物鐘調快、調慢,甚至關閉,首次證明了動物體內的確有生物鐘的存在。

                      20世紀80年代開始,陸續有科學家現單細胞生物——藍藻是具有晝夜節律的最簡單生物,不論是在光暗周期還是在連續光照下,藍藻的光合作用、呼吸作用、固氮活性、細胞分裂和碳水化合物合成等許多生理過程都存在內在的晝夜節律。

                      生物鐘無處不在

                      當然,人體內的生物鐘是科學家研究的重點,通過對小鼠、大鼠等哺乳動物的研究,科學家發現動物和人體內的每個器官、組織和細胞,甚至細胞內的物質均表現出晝夜節律,這些生物鐘既遵循統一的指揮,又各具特色,各司其職。

                      20世紀70年代,科學家將大鼠的視交叉上核破壞,大鼠的睡眠、飲食、活動和體溫等就會出現晝夜節律失調癥狀。當科學家將完好的視交叉上核移植到這些大鼠的腦部后,它們的晝夜節律又恢復了正常。這一實驗直接證明了位于大鼠等哺乳動物下丘腦的視交叉上核是哺乳動物最重要的晝夜節律起搏器,它們負責產生和調節睡眠-覺醒、激素、代謝和生殖等眾多生物節律。

                      視交叉上核含有約2萬個神經元細胞,其中約一半的細胞承擔著晝夜節律起搏器的功能,這些神經細胞在24小時內表現出不同的節律特征。當夜幕降臨,人體視網膜感受到光線微弱時,即能將信號通過視網膜神經束傳遞給視交叉上核,視交叉上核則再將信號傳遞給松果體,松果體會增加褪黑素分泌,人體隨之逐漸產生睡意。清晨,光線刺激視網膜,視交叉上核收到信號后,促使松果體減少褪黑素分泌,人體逐漸清醒。睡眠-覺醒節律就是這樣產生的。視交叉上核也可以通過外周神經系統,將生物鐘信號傳送給身體內的其他組織器官,從而控制這些組織器官的晝夜節律。如果將視交叉上核破壞,由于缺乏統一的調動,不僅會產生睡眠異常,而且也會使各組織器官的生物鐘紊亂。如果將人體生物鐘系統比作一個交響樂團,視交叉上核就相當于樂團指揮。

                      除了受到視交叉上核的控制和調節之外,心臟、肝臟、腎臟、肺臟、肌肉和淋巴等各組織器官也都形成了自己的生物鐘,各自發揮獨特的功能,它們被稱為外周生物鐘。美國羅切斯特大學的研究人員在《科學》雜志上發表的論文中提到,他們發現動物在睡眠時腦細胞會收縮,收縮程度甚至高達60%,這使得腦部類淋巴系統擁有足夠的空間清除腦組織的垃圾。研究人員認為,腦部類淋巴系的工作效率在人體睡眠期間是平時的10倍。瑞士日內瓦大學的研究人員還發現,小鼠肝細胞的體積和它們的蛋白質含量每天都在有規律地波動,在夜間活躍期,小鼠肝臟的體積比白天增大40%。不過,小鼠肝臟體積變化的原因主要還是在胰島素的調控下,合成和分泌葡萄糖,以維持血糖平衡。

                      最近,《科學轉化醫學》雜志報道稱,英國劍橋大學等機構研究人員發現,夜間發生的皮膚損傷,其愈合速度要比白天受傷慢60%,這可能與皮膚細胞的晝夜節律有關。研究人員發現,皮膚包括表皮、真皮和皮下組織,一旦皮膚受傷,位于真皮組織的成纖維細胞會向上遷移至表皮層,合成和構建新的皮膚支撐結構,促進傷口愈合。而成纖維細胞中的一種肌動蛋白是影響這些細胞遷移速度的重要成分。白天時,肌動蛋白主要是長型纖維的形態,而到了晚上大多變成球狀,導致成纖維細胞變“胖”而遷移速度減緩。研究人員還查看了燒傷患者的醫療記錄,發現晚上燒傷的傷口愈合時間平均要比白天燒傷的多11天,這一結論與研究人員在小鼠身上得出的實驗結果相同。

                      生物鐘如何工作

                      現在我們知道,人體的每個器官、組織、細胞甚至是分子,都有自己的生物鐘,但是這些生物鐘又是如何協調一致,各司其職的呢?這就必須深入細胞內部尋求答案。很多科學家在這一研究領域作出了卓越的貢獻,其中美國遺傳學家杰弗里·霍爾(Jeffrey C. Hall)、邁克爾·羅斯巴什(Michael Rosbash)和邁克爾·楊(Michael W. Young),因為發現控制晝夜節律的分子機制,獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎并共同分享了900萬瑞典克朗(約合人民幣740萬元)的獎金。

                      雖然是西摩·本哲和納德·科諾普卡首次提出果蠅體內存在某些周期基因,能控制果蠅的生物鐘,從而開啟了生物鐘分子機制的研究。但當時人們還不知道如何從果蠅體內分離出這些生物鐘基因。

                      直到十多年后,來自美國布蘭迪斯大學的杰弗里·霍爾和邁克爾·羅斯巴什團隊,以及來自美國洛克菲勒大學的邁克爾·楊團隊各自獨立分離出本哲所提出的周期基因的DNA序列,同時發現這種周期基因所表達的周期蛋白在晚上積累,白天降解,周期蛋白濃度會隨著晝夜節律呈現規律性的24小時周期變化。后經進一步研究發現,當果蠅細胞內周期蛋白含量比較高時,周期蛋白會與其他蛋白合作,令周期基因休息,以減少周期蛋白的合成。白天周期蛋白逐漸被降解,周期基因又會加快工作,合成新的周期蛋白,如此循環往復。

                      又過了十多年,在美國西北大學工作的日裔科學家高橋成功地從小鼠體內分離出了第一個控制哺乳動物晝夜節律的生物鐘基因,當這個基因發生突變后,小鼠將完全失去晝夜節律。之后不久,第一個人類生物鐘基因也被分離出來,而且科學家們發現,人類體內控制生物鐘變化的分子機制與果蠅類似,許多基因被體內生物鐘所調控,它們會仔細調整校準體內的晝夜節律。

                      杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·楊這3位科學家利用果蠅開展了生物鐘的開創性研究,使得晝夜節律生物學成為一個廣闊而充滿活力的研究領域,為人類的健康和幸福帶來了深遠的影響。他們斬獲2017年諾貝爾生理學或醫學獎等眾多獎項,的確實至名歸。這也是喜歡在爛水果上飛舞的果蠅作為最佳的模式生物,第5次幫助科學家獲得諾貝爾獎了。

                      現在,越來越多的科學家加入到生物鐘分子機制的研究領域,分離出大量調控生物鐘的基因。他們逐漸發現,生物鐘實際上是一個非常復雜的調控網絡,不管是基因突變原因,還是環境變化原因,任何一個環節發生紊亂都會引發晝夜節律異常,嚴重時將引發一系列疾病。而科學家對生物鐘的深入研究,也將為這些疾病的預防和治療提供巨大的幫助。

                    本文來自《科學24小時》

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