時間從我們的眼睛進入到大腦:人們如何發覺「生理時鐘」的存在?

時間從我們的眼睛進入到大腦:人們如何發覺「生理時鐘」的存在?
圖片來源:https://goo.gl/sfavRU

我們想讓你知道的是

這篇文章,希望能以時間作為縱軸,跟大家說一個生理時鐘研究領域的故事。聽完之後,你也能對這個領域是如何誕生並發展成為一門學問,有更清楚的認識。

由於專研生理時鐘的三位科學家榮獲諾貝爾獎,提高這個領域的曝光率。台灣的許多科普網站也有撰寫相關的文章做簡介。可惜的是,這些文章多停於這三位科學家的研究,卻沒有提到他們是如何站在巨人的肩膀上的,對於他們的研究結果為什麼能作為領域的代表而獲獎也非常模糊。

因此這篇文章,希望能以時間作為縱軸,跟大家說一個生理時鐘研究領域的故事。聽完之後,你也能對這個領域是如何誕生並發展成為一門學問,有更清楚的認識。

我想以一位作家的評論作為故事的開頭。儘管過去的時代不如現在有著發達的網路,能做到「科普」,將科學傳播給大眾,然而生物節律的規律是如此顯著,一般大眾即使沒有生物醫學的教育背景,也能隱約猜測到我們對時間不僅有著依賴性,甚至能夠預期。而日夜交替的陽光變化對於我們身體時鐘系統的影響,也是如此顯而易見,能讓完全沒受過生理時鐘科學訓練的作家Julio Cortázar歸納出「時間是從我們的眼睛進入到大腦」的結論。而且他是對的!

未命名
圖片來源:https://goo.gl/sfavRU
Argentinean writer Julio Cortázar(1914-1984):“time enters through the eyes, and everyone knows that”這位作家雖然沒有學術上的訓練,也能清楚感受到生理時鐘的存在,且認知到雙眼是時間的接受器。這句話取自其著作《The Winner 》(1965)。圖片取自https://goo.gl/sfavRU

但是呢,這個領域在以人類作為對象的研究是非常近期的發展。事實上,生物鐘的研究的開始,起始於博物學家Jean Jacques d’Ortous de Mairan對於含羞草細緻而精微的觀察:葉子會於白天的時間打開,但是到了傍晚則會關闔。

大多數人根本不會去在乎葉子的開與闔,即使有注意到,可能也就停止在這一步,寫完觀察報告就算了;但de Mairan可不是這樣,他想進一步知道是不是光線的變化促使開與關的轉變。

怎麼測試呢?如果他的猜想是對的,那含羞草在一天24小時全光亮的環境下,葉子應該要一直開著;而如果置於一天24小時全黑暗的環境下,葉子應該都要一直關閉著。全黑的環境移除了許多其他可能的變因,是比較容易達成的條件,也是非常聰明的抉擇。當他將含羞草放在24小時全黑暗的環境時,他的觀察紀錄顯示葉子不僅依舊有著開與關的變化,而且這個開與關的節奏有著週期性。

畢竟當時生物時鐘的概念還沒有成形,de Mairan當下並沒有意識到他其實已經奠定生物時鐘內在性(endogenous)的基礎,他的結論是:「含羞草的葉子,能在沒看到任何能陽光的條件下,感覺到太陽的變化。」(so the Sensitive feels the sun without in any way seeing it)。

即使de Mairan沒有意識到,通常談到生理時鐘的領域起源時,我們還是會將第一個發現者的榮耀,歸功於de Mairan於1729年的紀錄。

未命名
圖片來源:http://scienceblogs.com/clock/2008/05/29/clock-classics-it-all-started/
De Mairan的研究,其實是因為他的朋友Marchant的發表而公諸於世。來源:http://scienceblogs.com/clock/2008/05/29/clock-classics-it-all-started/

在那之後,陸續有些文章透過植物的觀察實驗,隱隱約約指出生物時鐘的可能。但要一直到100年之後的1832年,植物學家de Candolle才又帶領著生物時鐘研究達成另一個里程碑。de Candolle重複了de Mairan的實驗,但不是將含羞草置於24小時全黑暗的環境,而是24小時全光亮的環境。

如果這就只是一個me too的實驗,de Candolle不會因此留名;他觀察到了一個非常重要的事情:含羞草即使處在沒有亮與暗的變化的環境下,葉子也能夠有開與關的轉換,而且這個週期約是22.5小時。也就是說,葉子的變化每天會比前一天提早約1.5~2小時。他是這麼紀錄的:

When I exposed the sensitives to continuous light,they had,as in the ordinary state of things,alternative sleep and waking [of their leaves];but each of the periods was a little shorter than usual,the acceleration was on various stalks an hour and a half or two hours daily.

──de Candolle1832,Vol II,pp.860-61

為什麼這個發現很重要呢?

  • 第一點:當環境沒有變化性時,含羞草的生物鐘會繼續「滴答滴答的計時」,而且依照自己的生物鐘做開與關,所以每天葉子的變化時間都會不同,提前約2小時。
  • 第二點:環境的變化具有「調整」生物鐘的能力,也就是說,在自然的環境下,含羞草的生物鐘會與大自然環境的變化「同步」,因此每天葉子的變化會是固定的。如果說「生物時鐘具有彈性能夠被調整」的概念從de Candolle開始發展,可是一點也不為過的。

對於演化領域熟悉的讀者可能馬上意識到,自1832年的de Candolle關於生物鐘的研究突破,與1859年達爾文的物種演化論的發表時間,並沒有相差太遠的時間。於是,生物因演化而發展出生物鐘的想法也搭上這個主流的火車。甚至達爾文也有論文支持這個可能的假說(Darwin & Darwin 1880;https://goo.gl/1uHznu)。但對於其他的科學家而言,與達爾文對於鳥喙強而有力的觀察(喙的大小與形狀),生物鐘的「性徵(trait)」是不是真的能幫助物種的生存,就不是這麼有說服力。這個領域還需要一劑強心針。

離1832年又約100年的時間,現代睡眠研究之父Nathaniel Kleitman在1938年時,和他的研究助手花了一個月的時間,待在地底下陽光照不進的洞穴裡(Mammoth Cave),紀錄以人為對象的睡眠/清醒周期,與體溫日夜變化的周期。

這個洞穴實驗是第一個以符合科學研究的方法,證明人也有著內在的生物鐘,即使在恆定的環境下(洞穴中沒有光亮與暗的變化),各生理指標依舊會依據體內的生物鐘,有著周期性的高低起伏節奏,也開啟了這個領域對人的生理時鐘機制與應用研究,是生理時鐘研究領域發展上的里程碑之一(詳文請閱讀「從一個洞穴實驗開始的生理時鐘故事」文章)。

之後,陸陸續續有研究報告在其他種哺乳類動物觀察到這個內在鐘的現象。1959年,多次被提名諾貝爾獎候選人的Franz Halberg教授,正式提出「circadian」這個詞彙。「circa-」是大約、大概的意思,「dian」是一天,所以「circadian rhythms」就是大約一天的節律,也是生理時鐘的學術名稱。這個領域已經儼然成為一門學派。

隔年1960年,C. Pittendrigh和J. Ascoff在冷泉實驗室舉辦了第一場關於生物鐘的研討會,讓世界各地研究生物鐘的科學家齊聚一堂,分享彼此的研究。生物鐘其實不僅僅有約日節律(circadian rhythms),短至毫秒、長至月周期、季節周期、年周期等等,具有固定時間變化的各種節律,都可以說是在生物鐘的大雨傘底下。據說,這場研討會也是生物時鐘社群(Society of Research on Biological Rhythms)成立的契機。

生理時鐘領域的入門心法

讓我多談談點C. Pittendrigh和J. Ascoff兩位,因為他們兩位是生理時鐘領域非常重要的研究先驅,奠定了許多研究生理時鐘的科學方法和觀念。如果大學生或是新科研究生加入生理時鐘研究室,有兩個概念他們是必須馬上認識的:Free running period和Entrainment。這兩個專有名詞是這門學派的入門心法,如果弄不清楚,就不用談做甚麼研究了。

以前面說到的含羞草的葉子變化為例,在固定的環境時(如24小時全光亮的環境),含羞草的葉子依照自己的生物鐘做開與關,所以每天葉子的變化時間都會不同,這個內在的周期(free running period)表示在DNA的層級上,基因能夠透過某種方式,創造出這種周期。而三名美國科學家,Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash、Michael W. Young就是因為以果蠅作為探討對象,找到了這個基因調控方式,而榮獲諾貝爾生醫獎(下段會詳述)。

而如同前述,在自然的環境下(有著陽光的自然的日與夜的變化),含羞草的生物鐘會與大自然的變化「同步」(entrainment),葉子的變化時間會是固定的。而能夠讓生物體與環境同步的刺激稱為Zeitgeber,是「時間給予者(time giver)」的德文。C. Pittendrigh和J. Ascoff兩位教授非常重要的貢獻,在於能夠將各種針對生物鐘的行為觀察,能以數學的方式公式化(所以研究能夠預期並提出假說),並且以此為基礎發展出許多行為學上的研究方法。生理時鐘領域的研究也終於擺脫了每一百年才有突破的魔咒,迅速發展起來。

未命名
圖片修改自: https://goo.gl/PX8RiA
生理時鐘發展史上的兩位巨擎:J. Ascoff 和 C. Pittendrigh。不僅將行為學以數學的方式統整出來,並且將散落於世界各地的生物鐘科學家齊聚一堂,讓思想的火花綻放。圖片修改自:https://goo.gl/PX8RiA

1971年時,Seymour Benzer與Ronald Konopka在《美國國家科學院院刊》(PNAS)的研究發表,是第一篇以果蠅為對象、找到X染色體上的一段基因可能跟果蠅24小時的休息/活動周期有關的研究。透過點突變(EMS mutagenesis),他們觀察了多達2,000隻果蠅的行為。大多數果蠅保有正常的休息/活動周期,但是少部分果蠅表現出不一樣的行為:有些果蠅有著比較短的周期(約19小時),有的比較長(約28小時),甚至有的果蠅的休息/活動轉換完全沒有了節律性。他們更進一步的調查發現,這三種結果很巧地都是當突變發生在相同的一段基因上;由於這段基因的突變影響著周期,他們將之命名為「周期基因」(period,文章將簡稱為per)。

這個發現是Jeffrey C. Hall(簡稱JC)、Michael Rosbash(簡稱MR)、Michael W. Young(簡稱MY)後續得到諾貝爾獎肯定的研究的基礎:1984年JC和MR成功的將per基因定序,解碼了這個時鐘基因的DNA序列。1990年,MR證明了per基因的轉錄(作成mRNA)和轉譯(作成PER蛋白)的基因活動,有著24小時的規律變化,但是這樣的變化不存在於沒有休息/活動周期的突變果蠅之中。

1994年,MY在果蠅的第二對染色體上,找到另一個重要的時鐘基因,當這個基因突變時,果蠅也失去了休息/活動周期。MY因此將這個基因命名為「Timeless」(失去時間的意思),簡稱為Tim

兩大時鐘基因在果蠅上已經被找到了,就差基因如何運作產出周期的機制尚未人知。這個領域正如石猴子即將蹦出般,隱隱約約中,已經蓄勢待發。

基因如何運作?周期如何產生?

1997年Joseph Takashi在老鼠中找到「時鐘」(clock)基因,而且這個基因的蛋白質產物會去影響per基因的活動。類似的情況也在果蠅中被證實:也就是時鐘基因的蛋白質產物,會去影響時鐘基因的mRNA的轉錄。因此,基因如何運作而產出周期的理論就誕生了:

簡單的說,有兩組時鐘基因(簡稱A和B),A會促進B的生成,但是B會抑制A的基因活動,所以當B越生越多時,A被抑制的力道也越來越大,生成B的能力也隨之下降。

而由於A生成B的能力下降,B降解的速度快於生成,B的總量開始下降,因此A被抑制的力道就減少了,也開始了另一周期。

上段好似繞口令一樣…..講來講去只看懂A和B嗎?讓我以圖片的方法做個簡介。我們大概可以把這個運轉的齒輪周期拆成以下幾個步驟:

未命名
圖片來源:作者提供
步驟1:新周期開始,A會促進B的生成。
未命名
圖片來源:作者提供
步驟2:B會反過頭來抑制A的基因活動,而降低A的生成。
未命名
圖片來源:作者提供
步驟3:當B越來越多時,A被抑制的力道也越來越大,生成B的能力也隨之下降。
未命名
圖片來源:作者提供
步驟4:由於A生成B的能力下降,B降解的速度快於製造,所以B的總量開始下降,結果A被抑制的力道因此就減少了。
未命名
圖片來源:作者提供
步驟5:開始另一個新的周期。

希望讀者們對於生理時鐘的齒輪是如何運作的,在看過圖片的拆解步驟後,有比較清楚的體認。

讓我把故事繼續說下去,已經來到了近代史了呢!來到了2000年,隨著大資料的趨勢,這個領域也搭上了快車,開始以基因體(genome)的規模,來了解生理時鐘對於我們的影響。比如說,靈長類的25,000基因中,約一半都有日與夜的變化,暗示著生理時鐘對於我們的影響,可能比過去所懷疑的範圍還更廣泛。

生理時鐘類型的概念的發展,也讓我們用更細緻的角度,去觀察早鳥型與貓頭鷹型的人在社交時差上的適應與適應不良的結果。此外,透過這些新資訊,我們能以時間生物學的角度去攝取營養(時間營養學,chrono-nutrition)或是進行藥物治療(時間藥物學,chrono-pharmacology),目標是讓我們不必絕食也能避免肥胖的問題,或是不需要提高藥劑的濃度就能達到更好的效果。

2017年,JC、MR、MY因為找到生理時鐘在基因層次上的運作的貢獻,得到諾貝爾獎肯定;也讓這個過去相對冷門的領域了較高的曝光率。

我想我可以簡單的用一張圖總結生理時鐘領域的發展簡史:

未命名
圖片來源:作者提供

生理時鐘發展簡史。藍色縱軸為時間。生理時鐘研究在J. Ascoff和C. Pittendrigh之前,幾乎是每一百年才有一次的大躍進。

這個領域還正在發展中,而這領域的發展的下一個篇章會甚麼呢?就讓我們一起看下去吧。

參考文獻:

本文經王輝斌授權刊登

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航