2017若贝尔奖成果科普：每个器官里都有生物钟(东西是时间南北是空间).docx

2017  若贝尔奖成果科普：每个器官里，都有生物钟！ 是时间南北是空间）  （东西 不管是谁，只要曾以 500 节（约 272m/s）速度向东或向 西飞上几小时，就会亲身经历体内生物钟与身体感知时间不符的感觉。调整时差有时需要一个星期——取决于大脑深部的主生物钟是否需要根据外部天黑的时间，协调身体或大脑想要睡觉的时间。然而，在过去几年中，科学家相当惊讶地发现，身体除了需要大脑中的主生物钟外，还需要存在于肝脏、胰脏等器官和脂肪组织中的局部生物钟。如果任何一个 外周生物钟和主生物钟不同步， 就有可能导致肥胖、 糖尿病、抑郁症和其他复杂疾病。 24 小时生物钟 我们（本文 作者基思· C·苏马与弗雷德· W·图雷克）一直致力于研究这些外周生物钟的运行细节，以及到底有哪些基因在调控其活性。 1984 年，科学家在果蝇中分离并克隆到了第一个生 物钟基因。1997 年，图雷克所在的研究小组发现了另一个 （同时也是第一个哺乳动物的）生物钟基因。根据目前的汇总，全世界的研究者已经发现了数十个与生物钟有关的基因，有 趣的是，其中有不少基因的命名都用了“ Clock ”（意为生物 钟）、“Per”（Period 的简写，意为周期）和“ Tim ”（ timeless 的简写，意为不受时间影响）等字眼。 我们实验室主要 以小鼠为研究对象。不过，从细菌到果蝇，再到人类，科学 家已在大量物种中发现了生物钟基因。其中不少基因在很多 物种中非常类似，这意味着生物钟基因在进化历程中，对物 种生存起到了至关重要的作用。 如今，研究者已经阐明 了生物钟在代谢失调过程中扮演的角色。这是生物钟领域迄 今为止最重大的进展。所谓代谢，是指机体将食物转化为能 量加以利用，或是转变为脂肪储存起来以备后用的一系列过 程（在这一领域，人们有过很多惊人的发现，比如就对体重 的影响而言，何时用餐与摄入何种食物可能同等重要） 。当 然，单用昼夜节律理论并不能对复杂疾病的所有方面都加以 解释，不过如果我们忽视了多个身体内的生物钟，就会处于 危险之中。关于生物钟的知识在快速积累，这将改变未来诊 断和治疗疾病的方式，同时也会让人们更好地维系自己的健 康。 大脑中的主生物钟 无论是复杂生物还是简单生 物，所有地球上的生命都受昼夜节律的控制，以适应 24 小 时的昼夜周期。甚至最早出现在地球上的生命蓝藻（单细胞 的蓝绿色藻类，广泛分布于不同的栖息地中）也有生物钟存 在的迹象。蓝藻通过光合作用从阳光中获取能量，并利用二 氧化碳和水生产有机分子和氧气。 在内部生物钟的作用 下，蓝藻在日出之前即可提前动员光合系统。这一特性令其能在日光一出现的时候就可以摄取能量，比那些纯粹依靠光线启动光合系统的生物先走一步。与之类似，日落之后，蓝藻的光合系统亦会遵循生物钟的指令而关闭。这避免了夜间 无用的能量等资源被无谓浪费。节约下来的能量和资源可转 而用于更适合在夜间进行的工作， 比如 DNA 的复制和修复， DNA 可能在白天因阳光中的电离辐射而受损。 有些菌株 的生物钟基因发生了突变，这些细菌的节律周期（又叫周期 长度）因此由常见的 24 小时变成了 20 或 22 个小时，甚至 30 小时。1998 年，美国范德比尔特大学的卡尔· 约翰逊（ Carl Johnson）和同事发现，在自然条件下，符合环境光周期的蓝 藻比周期异常的同类更有优势。比如在 24 小时的昼夜周期 中，正常的蓝藻较 22 小时周期的同类生长得更快，分裂也 更成功。不过当研究人员将昼夜周期人工调节至 22 小时后， 情况就完全颠倒过来，突变组蓝藻变得更具优势。这些实验 第一次清楚地显示，内部的代谢节律与环境周期相匹配会增 强物种的适应性。 尽管调控人类生物钟的基因与蓝藻并 不相同，但我们的昼夜节律与这些蓝藻却有很多相似之处。这表明二者的生物钟是为了满足同样的生理需求与功能，各 自独立进化而来的。 外周生物钟 起初，研究者假设， 机体内只有一个生物钟扮演着节拍器的角色，可以调节无数生理过程。在 1970 年代，科学家找到了这个假想中的生物 钟，发现它位于大脑的视交叉上核 （ suprachiasmatic nucleus），即视神经交叉点的上方。然而大约 15 年前，研究者在其他 器官、组织和单个细胞中，发现了次要生物钟调控的迹象。研究人员开始发现，有证据表明，活跃在大脑中的生物钟基 因在肝脏、肾脏、胰腺、心脏等组织的细胞中也会周期性地表达和关闭。我们现在知道，这些细胞生物钟在多个组织中调控着 3%~10% 的基因的活性——某些时候，这一比例可能 达到 50%。 几乎与此同时，许多科学家开始研究昼夜节 律与衰老的关系。 图雷克曾要求埃米· 伊斯顿（ Amy Easton ，当时是美国西北大学的研究生）在生物钟基因发生突变的小 鼠身上进