生物鐘如何校準時間?

2020-11-28 中國科學技術館

　　我們都曾問過自己, 「我們的覺醒/睡眠怎樣和白天/夜晚保持一致?」 2005年Science提出125個科學前沿問題, 其中之一便是「有機體的生物鐘如何同步?」。

　　《科學通報》特邀安徽大學秦曦明教授等撰寫「哺乳動物生物鐘同步化的研究進展」一文，從生物鐘同步化研究的歷史開始, 對哺乳動物生物鐘的同步化做了系統論述。

　　從古至今，伴隨著科技的進步，各種計時裝置始終與人類的生活緊密相連。在我們的身體裡，也存在調節機體的生理和行為節律的生物鐘。我們對生活中各種計時設備習以為常，但恐怕很少人知道身體內部的生物鐘是如何工作的。小時候，每晚7點《新聞聯播》整點報時的時候，家人總會把大大小小的鐘表進行對時，確保第二天一家人工作學習能夠準時。到了21世紀的今天，手機、平板、電腦和電視等各種電子設備通常都會自動對時，不需要我們再花時間去調整。

　　那麼，我們體內的這些看不見、摸不著的鐘表是如何悄悄地進行「對時」、實現同步化的呢?通過我們對生物鐘的同步化做的一些梳理，希望有助於增加人們對這些問題的認識，從而理解生物鐘對工作、學習和生活的影響。

　　概念篇

　　1 生物鐘的定義及內涵

　　廣義的生物鐘涵蓋一切與生命活動相關的周期變化背後的基本規律，而我們通常所說的生物鐘則是指近日節律(其周期接近地球自轉的周期)的內在運行機制。生物鐘是生物機體內源自主產生的，以約24小時為周期，可以自我維持的振蕩。不同物種的生物鐘周期存在物種特異性，介於20~28小時。生物鐘能夠促進機體的生存優勢，提高機體適應環境的能力，其中生物鐘的同步化起到了重要作用。

　　2 生物鐘同步化的定義

　　生物鐘的同步化是指外界環境對機體生物鐘進行重置的過程，類似於人們每天對鐘錶的對時。同步化不僅是指機體生物鐘的周期與地球的自轉周期保持一致，例如人類從自身24.5小時左右的周期變為24小時;更重要的是，機體生物鐘的時相與外界時間信號的時相間存在穩定的相位關係，例如人們通常會在太陽升起的一小時內起床。這裡，我們簡單地以人類起床時間作為例子來理解「時相」這個概念。

　　歷史篇

　　3 同步化的基礎模型

　　研究生物鐘及其與環境的適應性的學科稱之為時間生物學。學科奠基人之一，Pittendrigh，提出生物鐘的重要特徵之一是「生物鐘可以被周期性的環境信號牽引」，並提出了光照對生物鐘同步化的基礎模型，即用相位反應曲線(PRC)來描述授時因子引起生物鐘相位的改變。對節律具有牽引作用且可以使節律與環境同步化的環境信號因子稱之為授時因子。

　　4 視黑蛋白的發現

　　臨床上很早就觀察到盲人存在一定的睡眠障礙，但是很快又注意到，部分視錐、視杆細胞缺乏的盲人卻可以和外界的光照周期保持良好的同步關係。從那時起，人們開始推測視網膜上存在和成像系統不同的光受體，並且在之後的研究中發現哺乳動物的視網膜上有新的感光色素和細胞。這種新的感光色素被命名為視黑蛋白，表達這種蛋白的細胞稱為內在光敏視網膜神經節細胞(ipRGCs)。視黑蛋白的發現，對理解眼睛如何感知光照並介導光照對機體生物鐘的同步化產生深刻的影響。

　　現在篇

　　5 哺乳動物生物鐘的分子基礎

　　當前的研究發現，哺乳動物包括人類的生物鐘的分子組分主要是Clock、Bmal1、Per、Cry等多個基因和它們轉錄翻譯的產物。這些生物分子相互作用，組成一個分子調控網絡，傳導信號到生物鐘控制的基因，然後進行轉錄和翻譯後調控，完成一個生物鐘振蕩周期。正反饋調控和負反饋調控都可以在這個調控網絡中看到，且每一個主要的組分都發揮關鍵作用。

　　哺乳動物中，生物鐘計時系統是由幾乎全身所有細胞的細胞時鐘構成的。這樣，生物鐘同步化的重要的問題便從整個機體與外界的同步化轉變為機體不同組織間的時鐘相互間如何同步，以及是否存在一個控制多層時鐘的首要調節時鐘。一系列的切除和移植手術的試驗揭示在下丘腦中存在這樣的一個首要調節時鐘，它存在的核團正好位於視神經交叉的上部，因此被命名為視交叉上核(SCN)。

　　6 光是最有效的授時因子

　　人們發現並證實光照信號是影響最大的授時因子。光照信號主要是在視網膜上被ipRGCs所感知，然後直接將光信號傳到SCN。這個過程導致了多種信號通路的激活，這些信號通路能夠激起染色質重塑和促進生物鐘基因如Per的表達。因此，SCN中的生物鐘的時間被重新設置，並且這種改變很容易被觀察到，例如動物行為在相位上發生改變。這是因為，光照的時間信息被SCN間接地傳送到外周器官，使外周生物鐘同步化。

　　7 進食對機體生物鐘同步的影響

　　在正常的生理條件下，動物機體的進食相位與活動的時相保持一致，進食行為受到SCN核心生物鐘的調節。外周組織產生的一些激素和代謝物，如葡萄糖、飢餓激素、糖皮質激素、皮質醇激素等，可以作為體內因子反過來調節和影響SCN的節律。因此，SCN雖然是整個系統的主要牽引者，但食物的攝取可以將外周生物鐘從SCN的控制中解偶聯。例如，限制在大鼠的休息時間(大鼠白天休息)餵食，會迅速改變肝臟組織的生物鐘節律，出現與正常進食大鼠相位顛倒的現象，但是SCN的節律並不受明顯影響，這些事實說明限時進食是外周組織生物鐘的授時因子。

　　8 去同步化對個體的影響

　　機體的節律和代謝系統及生理系統有緊密的聯繫，正是這種緊密的聯繫使得機體在一天24小時中保持優化的狀態。同時，機體的不同組織之間保持良好的時間相位，維護各組織處於良好的穩態。輪班工作的人群往往會發生生物鐘去同步化，常常伴有心血管疾病、代謝疾病和胃腸道疾病高發的風險和神經系統紊亂疾病的發生。其他導致機體組織不同步的行為和環境變化，包括睡眠的紊亂、不規律的飲食、跨越時區的飛行和季節的變化。研究發現，機體對食物攝取的節律紊亂是導致肥胖的重要原因之一。

　　未來篇

　　9 生物鐘同步化研究面臨的挑戰

　　人們對生物鐘同步化的理解取得了長足的進步，但是中樞神經系統內部，以及與外周組織間生物鐘的交互作用還並未完全認識清楚，生物鐘的同步化在睡眠的穩態調節中起到什麼樣的具體作用還並不知道，對於我們的研究仍然存在挑戰。利用整合生物學的研究方法，在動物機體複雜的整體水平徹底理解生物鐘的同步化，包括生物鐘系統和神經系統、代謝系統、免疫系統之間的相互通訊和作用，才能真正理解現代社會中不規律的生活對人類造成的影響。

　　10 新時代的到來

　　以通過生物鐘的調整為靶標，達到增強機體的穩態平衡是非常有趣且有意義的研究方向，並具有潛在的臨床應用價值。此外，對於我們每個個體，生物鐘的同步化或許存在個性化差異，有可能伴隨個體基因組測序的到來和時間生物學科的發展進入一個嶄新的時代。

文/秦曦明, 郭金虎

本文來自《科學通報》

相關焦點

  • 如何確定校準時間間隔?
    為便於確定校準間隔，實驗室可繪製測量儀器隨時間變化的曲線圖。 在確定校準周期時，可以根據測量設備的特性和使用情況、測量設備的可靠性指標（R）（一般取R(t)≧90%），結合實驗室工作特點，本著科學、經濟和量值準確的原則，逐臺確定。校準間隔不是固定不變的，應根據歷次校準合格情況，參考JJF1139《計量器具檢定周 期確定原則和方式》進行適當調整（延長或縮短）。
  • 時差難倒、熬夜有害:生物鐘是如何影響人體健康?
    原標題：時差難倒、熬夜有害：生物鐘是如何影響人體健康？ 　　據外媒報導，歐盟議會3月26日投票決定，從2021年起廢除冬令時和夏令時制度。這意味著，歐盟國家將告別冬夏一個小時的時間轉換。對於一些人來說，這是一個好消息，再不用每年兩次調整睡眠了，但另一些人則表示從未體會到這一小時差異的影響。
  • 如何快速調整生物鐘?恢復正常生物鐘的辦法
    如何快速調整生物鐘?恢復正常生物鐘的辦法生物鐘是指我們每個人的作息習慣，當我們長時間按照一定的規律去休息工作時，在某一時間就會不自覺的去完成，不論我們的生活習慣的好壞。如很多學生凌晨三四點鐘才會睡覺，那麼他在其他時間就很少會感覺到困意。
  • 人體生物鐘與最佳用藥時間
    人類對生物鐘的研究真正取得進展是近二三十年的事。科學研究表明，人體內存在有「生物鐘」：每個人從其誕生之日起直到生命的終結都存在著年節律、月節律和日節律。德國和奧地利的科學家經過長期的臨床觀察和大量的調研，基本弄清了人體體力、情緒和智力的節律周期，其分別為23天、28天和33天。
  • 電腦時間不準?來看看如何設置電腦自動校準時間
    有時候因為各種原因，我們電腦的時間與真實時間對不上了。當我們電腦出現這種時間不準情況時，該如何設置讓電腦能自動校準時間呢？設置方法很簡單！今天就給大家分享下設置電腦自動校準時間的設置方法吧！1.電腦時間自動校準方法:首先，單擊桌面右下角的時間，選擇右上角的設置按鈕。在彈出的窗口中單擊「修改日期和時間」選項在新彈出的「日期和時間」設置頁中，切換至internet時間設置頁，單擊下方的更改設置。勾選「internet時間伺服器同步」，最後單擊「確定」按鈕即可。
  • 生物鐘調整需要多少天?如何調節人體生物鐘
    生物鐘調整需要多少天?如何調節人體生物鐘生物鐘又稱生理鍾。它是生物體內的一種無形的「時鐘」，實際上是生物體生命活動的內在節律性，它是由生物體內的時間結構序所決定。通過研究生物鐘，目前已產生了時辰生物學、時辰藥理學和時辰治療學等新學科。
  • 細菌也有生物鐘?研究發現:細菌可以辨別時間
    美媒稱，人類有生物鐘，其他動物和植物也有生物鐘。現在有研究顯示，細菌也有與地球上24小時生命周期一致的生物鐘。據美國《科學日報》網站1月8日報導，這項研究回答了一個長期存在的生物學問題，並可能對給藥的時間、生物技術以及如何制定適時的作物保育方案產生影響。
  • Science:吃飯時間真的很重要,它影響生物鐘與代謝健康
    人體內幾乎每個細胞都有自己的生物鐘
  • 學生如何快速的調整生物鐘?這些方法十分管用
    學生如何快速的調整生物鐘?這些方法十分管用每個人都有自己的生物鐘，很多人覺得每天都是差不多同一個時間點醒很神奇，但這都是生物鐘在發揮著作用，但是如果你的生物鐘突然混亂了，又該如何的快速調整回來呢?下面是小編的一些方法。學生快速調整生物鐘方法一1、飲食要清淡，不吃辛辣刺激食物。
  • 如何在短時間內調整生物鐘?生物鐘亂了怎麼恢復?
    如何在短時間內調整生物鐘?生物鐘亂了怎麼恢復?很多時候由於各種事情的壓力，我們的生物鐘會越來越紊亂，有的人可能通常熬到了半夜才睡，甚至有的熬到了凌晨，大家也都知道這樣的做法是不對的。下面小編就為各位介紹一些短時間內調整生物鐘的方法，希望對大家有幫助。
  • 酸度計校準的方法有哪些?PH計校準液如何校準?
    如何使用緩衝液進行PH校準？取三個標準緩衝溶液：pH6.86、pH4.001、pH9.18(最好是新鮮配製並且溫度相同)，以pH6.86進行定位校準，以pH4.001進行斜率校準，然後測試pH9.18,pH計是否準確，是否合格立見分曉。
  • 《科學》證實:吃飯時間真的很重要,它影響生物鐘與代謝健康
    人體內幾乎每個細胞都有自己的生物鐘，它們的相互作用對人體代謝健康發揮著至關重要的作用。眾所周知，睡眠與飲食時間不規律容易患肥胖症和糖尿病等代謝疾病。然而，關於生物鐘和飲食時間之間的相互作用科學家們仍知之甚少，尤其是它對整體健康的影響。
  • 生物鐘起源
    生物鐘，也稱「生理鍾」，是生物體一切生命活動的內在節律。人類大腦中有個主時鐘，可根據光線亮暗同步睡眠和覺醒。類似這樣的時鐘真不少。人體每一個細胞內都有一掛鍾嘀嗒作響。「不僅肝裡有鍾，脂肪組織裡有鍾，就連脾臟裡也有鍾。」蘇格蘭格拉斯哥大學的時間生物學家芭芭拉·海爾姆說道。這些時鐘指定睡覺模式和用餐時間，控制荷爾蒙分泌，調節人體的糖反應以及其他許多其他重要的生物反應。
  • 生物鐘,與心理健康...
    這些信息表明，遺傳變異可以將一個人自然清醒的時間延長多達25分鐘，例如，某些人自然醒的時間從8點改為8點25分。研究人員發現，這些遺傳區域會影響睡眠時間，但不會影響睡眠質量或睡眠持續時間。研究人員鑑定的基因組區域包括生物鐘的核心區域，也稱為晝夜節律，以及在大腦和視網膜組織中表達的基因。生物鐘周期比24小時的每日周期稍長。
  • 文章解讀：Plant Cell | 光信號如何激活植物的生物鐘
    該研究闡明了感光信號通路中的成員是如何協同調節生物鐘相關基因的表達，從而調控植物在光變化過程中的反應。在植物擬南芥中，生物鐘的核心振蕩器是由多個轉錄因子的反饋迴路來組成的，其中晨相表達的轉錄因子CAA1和LHY是這個核心振蕩器的關鍵成員。這些轉錄因子通過調控其他生物鐘相關基因的表達從而來激活和決定下遊許多生物鐘所調節的活動。光是一種非常關鍵的環境信號，它能激活生物鐘。
  • 高考前學生應如何做好生物鐘的調整
    除了沒有注意好休息外，很多人其實是生物鐘紊亂，如何讓調整生物鐘，我給大家給出如下建議，但願能對參加高考的孩子們有所幫助。高考前一定要注意科學休息，本來高三學生晚睡早起已經整整熬了一年多，疲憊是一定的，但切不可無節制的貪睡，在高考前還是要合理安排休息時間，早睡早起。
  • Zebra斑馬條碼印表機如何校準
    Zebra斑馬條碼印表機如何校準？印表機使用前，或者列印效果不好的時候，需要校準，那麼，應該如何校準呢？下面小編來給大家介紹一下。Zebra斑馬條碼印表機如何校準1、自動校準當MEDIA POWER UP(介質加電)或HEAD CLOSE(列印頭關閉)的控制面板設置為CALIBRATION(校準)時，Zebra斑馬條碼印表機將在加電或關閉列印頭時自動執行校準
  • 盤點:探索生物鐘與人類健康的方方面面
    但褪黑素的減少究竟是如何增加癌症易感性的，科學家們尚未找到肯定的答案。本文中，小編就對近年來關於生物鐘與人類健康的相關研究進行了匯總，以幫助讀者更加深入地了解機體的生物鐘及其同疾病發生的密切關係。【5】Genes Dev：研究人員發現控制生物鐘和脂肪代謝的分子24小時的內部生物鐘控制人類行為和生理包括睡眠、血壓和代謝等諸多方面。晝夜節律混亂會導致許多疾病包括代謝性疾病和癌症的發病率增加。身體的每個細胞都有其自身內部的時間機制，這一時間機制是由蛋白質保持在一個檢查控制。
  • 生物鐘被打亂,小心患癌症
    晝夜顛倒的夜貓子們注意了，長期在生物鐘被打亂的狀態裡，患癌症的機率會大大增加。生物節律（Circadian）來源於拉丁文，意思是「about a day」（大約一天）。經過在地球上億萬年的進化，人的內源性日節律——也就是生物鐘——和地球自轉周期同步，大約為24小時。生物鐘能夠追蹤時間變化並對環境產生「預知性」反應。
  • 影響夜班工人效率的生物鐘該如何調整
    國外曾對夜班工人的工作做過一項研究，發現工作效率最好的是那些生物鐘已調整為輪作式的人。舉個例子，比如說一個工人工作時間從半夜11點到凌晨8點，經過調整的生物鐘在她到家時已認識到這是睡眠的開始，而夜裡的時間則是清醒階段的開始。而那些工作效率比較低的工人的生物鐘則能夠及時調整過來，而這種情況也是全世界的夜班工人所遇到的問題。