时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?

2020-07-15    收藏879
点击次数:200

由于专研生理时钟的三位科学家荣获诺贝尔奖,提高这个领域的曝光率。台湾的许多科普网站也有撰写相关的文章做简介。可惜的是,这些文章多停于这三位科学家的研究,却没有提到他们是如何站在巨人的肩膀上的,对于他们的研究结果为什幺能作为领域的代表而获奖也非常模糊。

因此这篇文章,希望能以时间作为纵轴,跟大家说一个生理时钟研究领域的故事。听完之后,你也能对这个领域是如何诞生并发展成为一门学问,有更清楚的认识。

我想以一位作家的评论作为故事的开头。儘管过去的时代不如现在有着发达的网路,能做到「科普」,将科学传播给大众,然而生物节律的规律是如此显着,一般大众即使没有生物医学的教育背景,也能隐约猜测到我们对时间不仅有着依赖性,甚至能够预期。而日夜交替的阳光变化对于我们身体时钟系统的影响,也是如此显而易见,能让完全没受过生理时钟科学训练的作家Julio Cortázar归纳出「时间是从我们的眼睛进入到大脑」的结论。而且他是对的!

时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源
Argentinean writer Julio Cortázar(1914-1984):“time enters through the eyes, and everyone knows that”这位作家虽然没有学术上的训练,也能清楚感受到生理时钟的存在,且认知到双眼是时间的接受器。这句话取自其着作《The Winner 》(1965)。图片取自https://goo.gl/sfavRU。

但是呢,这个领域在以人类作为对象的研究是非常近期的发展。事实上,生物钟的研究的开始,起始于博物学家Jean Jacques d’Ortous de Mairan对于含羞草细緻而精微的观察:叶子会于白天的时间打开,但是到了傍晚则会关阖。

大多数人根本不会去在乎叶子的开与阖,即使有注意到,可能也就停止在这一步,写完观察报告就算了;但de Mairan可不是这样,他想进一步知道是不是光线的变化促使开与关的转变。

怎幺测试呢?如果他的猜想是对的,那含羞草在一天24小时全光亮的环境下,叶子应该要一直开着;而如果置于一天24小时全黑暗的环境下,叶子应该都要一直关闭着。全黑的环境移除了许多其他可能的变因,是比较容易达成的条件,也是非常聪明的抉择。当他将含羞草放在24小时全黑暗的环境时,他的观察纪录显示叶子不仅依旧有着开与关的变化,而且这个开与关的节奏有着週期性。

毕竟当时生物时钟的概念还没有成形,de Mairan当下并没有意识到他其实已经奠定生物时钟内在性(endogenous)的基础,他的结论是:「含羞草的叶子,能在没看到任何能阳光的条件下,感觉到太阳的变化。」(so the Sensitive feels the sun without in any way seeing it)。

即使de Mairan没有意识到,通常谈到生理时钟的领域起源时,我们还是会将第一个发现者的荣耀,归功于de Mairan于1729年的纪录。

时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源
De Mairan的研究,其实是因为他的朋友Marchant的发表而公诸于世。来源

在那之后,陆续有些文章透过植物的观察实验,隐隐约约指出生物时钟的可能。但要一直到100年之后的1832年,植物学家de Candolle才又带领着生物时钟研究达成另一个里程碑。de Candolle重複了de Mairan的实验,但不是将含羞草置于24小时全黑暗的环境,而是24小时全光亮的环境。

如果这就只是一个me too的实验,de Candolle不会因此留名;他观察到了一个非常重要的事情:含羞草即使处在没有亮与暗的变化的环境下,叶子也能够有开与关的转换,而且这个週期约是22.5小时。也就是说,叶子的变化每天会比前一天提早约1.5~2小时。他是这幺纪录的:

为什幺这个发现很重要呢?

第一点:当环境没有变化性时,含羞草的生物钟会继续「滴答滴答的计时」,而且依照自己的生物钟做开与关,所以每天叶子的变化时间都会不同,提前约2小时。第二点:环境的变化具有「调整」生物钟的能力,也就是说,在自然的环境下,含羞草的生物钟会与大自然环境的变化「同步」,因此每天叶子的变化会是固定的。如果说「生物时钟具有弹性能够被调整」的概念从de Candolle开始发展,可是一点也不为过的。

对于演化领域熟悉的读者可能马上意识到,自1832年的de Candolle关于生物钟的研究突破,与1859年达尔文的物种演化论的发表时间,并没有相差太远的时间。于是,生物因演化而发展出生物钟的想法也搭上这个主流的火车。甚至达尔文也有论文支持这个可能的假说(Darwin & Darwin 1880;https://goo.gl/1uHznu)。但对于其他的科学家而言,与达尔文对于鸟喙强而有力的观察(喙的大小与形状),生物钟的「性徵(trait)」是不是真的能帮助物种的生存,就不是这幺有说服力。这个领域还需要一剂强心针。

离1832年又约100年的时间,现代睡眠研究之父Nathaniel Kleitman在1938年时,和他的研究助手花了一个月的时间,待在地底下阳光照不进的洞穴里(Mammoth Cave),纪录以人为对象的睡眠/清醒周期,与体温日夜变化的周期。

这个洞穴实验是第一个以符合科学研究的方法,证明人也有着内在的生物钟,即使在恆定的环境下(洞穴中没有光亮与暗的变化),各生理指标依旧会依据体内的生物钟,有着周期性的高低起伏节奏,也开启了这个领域对人的生理时钟机制与应用研究,是生理时钟研究领域发展上的里程碑之一(详文请阅读「从一个洞穴实验开始的生理时钟故事」文章)。

之后,陆陆续续有研究报告在其他种哺乳类动物观察到这个内在钟的现象。1959年,多次被提名诺贝尔奖候选人的Franz Halberg教授,正式提出「circadian」这个词彙。「circa-」是大约、大概的意思,「dian」是一天,所以「circadian rhythms」就是大约一天的节律,也是生理时钟的学术名称。这个领域已经俨然成为一门学派。

隔年1960年,C. Pittendrigh和J. Ascoff在冷泉实验室举办了第一场关于生物钟的研讨会,让世界各地研究生物钟的科学家齐聚一堂,分享彼此的研究。生物钟其实不仅仅有约日节律(circadian rhythms),短至毫秒、长至月周期、季节周期、年周期等等,具有固定时间变化的各种节律,都可以说是在生物钟的大雨伞底下。据说,这场研讨会也是生物时钟社群(Society of Research on Biological Rhythms)成立的契机。

生理时钟领域的入门心法

让我多谈谈点C. Pittendrigh和J. Ascoff两位,因为他们两位是生理时钟领域非常重要的研究先驱,奠定了许多研究生理时钟的科学方法和观念。如果大学生或是新科研究生加入生理时钟研究室,有两个概念他们是必须马上认识的:Free running period和Entrainment。这两个专有名词是这门学派的入门心法,如果弄不清楚,就不用谈做甚幺研究了。

以前面说到的含羞草的叶子变化为例,在固定的环境时(如24小时全光亮的环境),含羞草的叶子依照自己的生物钟做开与关,所以每天叶子的变化时间都会不同,这个内在的周期(free running period)表示在DNA的层级上,基因能够透过某种方式,创造出这种周期。而三名美国科学家,Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash、Michael W. Young就是因为以果蝇作为探讨对象,找到了这个基因调控方式,而荣获诺贝尔生医奖(下段会详述)。

而如同前述,在自然的环境下(有着阳光的自然的日与夜的变化),含羞草的生物钟会与大自然的变化「同步」(entrainment),叶子的变化时间会是固定的。而能够让生物体与环境同步的刺激称为Zeitgeber,是「时间给予者(time giver)」的德文。C. Pittendrigh和J. Ascoff两位教授非常重要的贡献,在于能够将各种针对生物钟的行为观察,能以数学的方式公式化(所以研究能够预期并提出假说),并且以此为基础发展出许多行为学上的研究方法。生理时钟领域的研究也终于摆脱了每一百年才有突破的魔咒,迅速发展起来。

时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片修改自: https://goo.gl/PX8RiA
生理时钟发展史上的两位巨擎:J. Ascoff 和 C. Pittendrigh。不仅将行为学以数学的方式统整出来,并且将散落于世界各地的生物钟科学家齐聚一堂,让思想的火花绽放。图片修改自

1971年时,Seymour Benzer与Ronald Konopka在《美国国家科学院院刊》(PNAS)的研究发表,是第一篇以果蝇为对象、找到X染色体上的一段基因可能跟果蝇24小时的休息/活动周期有关的研究。透过点突变(EMS mutagenesis),他们观察了多达2,000只果蝇的行为。大多数果蝇保有正常的休息/活动周期,但是少部分果蝇表现出不一样的行为:有些果蝇有着比较短的周期(约19小时),有的比较长(约28小时),甚至有的果蝇的休息/活动转换完全没有了节律性。他们更进一步的调查发现,这三种结果很巧地都是当突变发生在相同的一段基因上;由于这段基因的突变影响着周期,他们将之命名为「周期基因」(period,文章将简称为per)。

这个发现是Jeffrey C. Hall(简称JC)、Michael Rosbash(简称MR)、Michael W. Young(简称MY)后续得到诺贝尔奖肯定的研究的基础:1984年JC和MR成功的将per基因定序,解码了这个时钟基因的DNA序列。1990年,MR证明了per基因的转录(作成mRNA)和转译(作成PER蛋白)的基因活动,有着24小时的规律变化,但是这样的变化不存在于没有休息/活动周期的突变果蝇之中。

1994年,MY在果蝇的第二对染色体上,找到另一个重要的时钟基因,当这个基因突变时,果蝇也失去了休息/活动周期。MY因此将这个基因命名为「Timeless」(失去时间的意思),简称为Tim。

两大时钟基因在果蝇上已经被找到了,就差基因如何运作产出周期的机制尚未人知。这个领域正如石猴子即将蹦出般,隐隐约约中,已经蓄势待发。

基因如何运作?周期如何产生?

1997年Joseph Takashi在老鼠中找到「时钟」(clock)基因,而且这个基因的蛋白质产物会去影响per基因的活动。类似的情况也在果蝇中被证实:也就是时钟基因的蛋白质产物,会去影响时钟基因的mRNA的转录。因此,基因如何运作而产出周期的理论就诞生了:

上段好似绕口令一样…..讲来讲去只看懂A和B吗?让我以图片的方法做个简介。我们大概可以把这个运转的齿轮周期拆成以下几个步骤:

时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源:作者提供
步骤1:新周期开始,A会促进B的生成。
时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源:作者提供
步骤2:B会反过头来抑制A的基因活动,而降低A的生成。
时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源:作者提供
步骤3:当B越来越多时,A被抑制的力道也越来越大,生成B的能力也随之下降。
时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源:作者提供
步骤4:由于A生成B的能力下降,B降解的速度快于製造,所以B的总量开始下降,结果A被抑制的力道因此就减少了。
时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源:作者提供
步骤5:开始另一个新的周期。

希望读者们对于生理时钟的齿轮是如何运作的,在看过图片的拆解步骤后,有比较清楚的体认。

让我把故事继续说下去,已经来到了近代史了呢!来到了2000年,随着大资料的趋势,这个领域也搭上了快车,开始以基因体(genome)的规模,来了解生理时钟对于我们的影响。比如说,灵长类的25,000基因中,约一半都有日与夜的变化,暗示着生理时钟对于我们的影响,可能比过去所怀疑的範围还更广泛。

而生理时钟类型的概念的发展,也让我们用更细緻的角度,去观察早鸟型与猫头鹰型的人在社交时差上的适应与适应不良的结果。此外,透过这些新资讯,我们能以时间生物学的角度去摄取营养(时间营养学,chrono-nutrition)或是进行药物治疗(时间药物学,chrono-pharmacology),目标是让我们不必绝食也能避免肥胖的问题,或是不需要提高药剂的浓度就能达到更好的效果。

2017年,JC、MR、MY因为找到生理时钟在基因层次上的运作的贡献,得到诺贝尔奖肯定;也让这个过去相对冷门的领域了较高的曝光率。

我想我可以简单的用一张图总结生理时钟领域的发展简史:

时间从我们的眼睛进入到大脑:人们如何发觉「生理时钟」的存在?图片来源:作者提供

生理时钟发展简史。蓝色纵轴为时间。生理时钟研究在J. Ascoff和C. Pittendrigh之前,几乎是每一百年才有一次的大跃进。

这个领域还正在发展中,而这领域的发展的下一个篇章会甚幺呢?就让我们一起看下去吧。

参考文献:

A. Klarsfeld(2013). At the dawn of chronobiology. Konopka,R. J.,& Benzer,S.(1971). Clock Mutants of Drosophila melanogaster. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,68(9),2112–2116.Sehgal et al.(1994). Loss of circadian behavioral rhythms and perRNA oscillations in the Drosophila mutant timeless. Science18 Mar 1994:Vol. 263,Issue 5153,pp. 1603-1606 DOI:10.1126/science.8128246Reddy et al.(1984). Molecular analysis of the period locus in Drosophila melanogaster and identification of a transcript involved in biological rhythms,Cell,Volume 38,Issue 3,Pages 701-710,ISSN 0092-8674,https://doi.org/10.1016/0092-8674(84)90265-4.Clock Classics: It all started with the plants

相关文章  RELEVANT ARTICLES