生命科學

生物時鐘滴.答.滴

一切的生命韻律,都由一個個不同的生物時鐘負責。
有的生物時鐘準確死板,有的則可受意識調節、修正。

撰文/萊特(Karen Wright)
翻譯/潘震澤

生命科學

生物時鐘滴.答.滴

一切的生命韻律,都由一個個不同的生物時鐘負責。
有的生物時鐘準確死板,有的則可受意識調節、修正。

撰文/萊特(Karen Wright)
翻譯/潘震澤

身體裡的日晷


幸運的是,體內有個更強健的計時器,每24小時會調整一回,稱為「日變時鐘」(circadian clock),該字源自拉丁文,circa是「約略」之意,diem則是「一天」。這個時鐘把我們的身體與地球自轉所造成的白日與黑夜週期配合一致,幫著建立每天日出而作、日入而息的生活習慣。不過,其影響還不只如此:我們的體溫每天在傍晚時分達到最高,在清晨起床前降至最低;血壓一般在早晨6~7點開始上升;壓力激素皮質醇(cortisol)的分泌量,在早晨是晚上的10~20倍高;排尿及腸道蠕動在夜裡通常受到抑制,到了早晨又恢復。


日變計時器比較像個時鐘,而非馬錶,因為它毋須外界環境的刺激就可運作。由自願生活在洞穴的人士或其他類似情況的受試者所做的研究顯示,就算沒有日照、工作上的要求及咖啡因的影響,日變週期的型態仍然存在。同時,這樣的週期變化存在於體內每一個細胞;就算是養在培養皿裡受到持續照明的人類細胞,仍然遵守以24小時為週期的基因活動、激素分泌以及能量的生成。這些週期的機制天生就長在細胞當中,變化的幅度小至1%,一天下來只差個幾分鐘。


就算日變週期的建立不需要光線,但這個天生內在時鐘的相位,仍舊需要自然界日夜週期的校準;就好比每天可能慢上或快上幾分鐘的普通時鐘一樣,內在的日變時鐘也需要不斷調整,以維持準確。有關日光如何調整身體內在的時鐘,神經學家已有相當的了解。長久以來,已知大腦的下視丘有一對稱為「視叉上核」(SCN)的神經核,擁有為數一萬左右的神經細胞,公認是生物時鐘的所在。幾十年來的動物實驗顯示,這對神經核推動了一天當中血壓、體溫、活動量以及警覺度的上下變動,同時也告知腦中的松果腺何時分泌褪黑激素(melatonin);褪黑激素只在夜間分泌,可促進人類的睡眠。


今年(2002)稍早,分別有兩個團隊報告,眼睛的視網膜上有專門的細胞,負責將光照強弱的訊息傳給SCN。這些細胞當中有些稱為「節細胞」(ganglion cell),運作方式與負責視覺的桿細胞與錐細胞完全獨立;它們對於光線瞬間變化的敏感度低得多。這種反應遲緩的特性,對於日變週期系統很合適;如果說,觀賞煙火施放或是看場日場電影就會攪亂週期控制機制,那可不算什麼好事。


日變時鐘扮演什麼角色?


由於一些其他的發現,SCN在日變韻律所扮演的角色目前正進行新的評估。直到不久以前,科學家認定,SCN負責了全身器官及組織個別細胞計時器的協調控制。到1990年代中期,研究人員發現四種重要的基因,控制了果蠅、小鼠以及人類的日變週期。後續的研究發現,這四種基因不只在SCN有所表現,而是全身到處都有。美國西北大學的高橋說:「這些計時基因在全身上下都有所表現,那可是出乎我們意料之外的發現。」


今年,美國哈佛大學的研究人員報告,在小鼠的心臟及肝臟組織中,有超過1000個基因的表現,具有以24小時為週期的規律變化。不過,表現日變週期的基因在這兩種組織中有所差異,它們在心臟表現最多的時刻,與肝臟不同。美國維吉尼亞大學的曼內克說:「它們的分布占滿了時間地圖,有的在夜間最多,有的是在清晨,有的則在大白天。」


最近曼內克發現,在特定的時刻餵食動物,能使肝臟的日變週期產生相位移動,而掩蓋了SCN所遵守的光暗週期。他們將原本隨意進食的老鼠改成一天只餵食一回,結果某個計時基因在肝臟表現最多的時刻,位移了12個小時;同樣的基因在SCN的表現,則仍然與光照週期維持同步,沒有跟著改變。只要想到肝臟對於消化所扮演的角色,那麼每日進食的韻律會影響到肝臟,其實是相當合理的。研究人員認為,其他器官及組織的日變時鐘,也可能對每24小時規律出現的外界訊息產生反應,譬如說壓力、運動以及溫度變化等。目前還沒有人要SCN遜位:SCN對於體溫、血壓及其他核心韻律的權威性控制地位,仍然穩當,但這個腦部中樞對周邊時鐘的控制,已不再被認為是以鐵腕方式進行。高橋說:「我們身體器官內的節拍器,可以獨立於腦中的節拍器而運行。」