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若沒有日夜變化,生物時鐘還可以運作嗎?—《大腦簡史》

在我們生存的地球上,光線可以說是最重要的一種自然環境資訊。地球的自轉以及其繞著太陽公轉,形成了日夜與四季的規律變化。而生活在地球上的所有生物,也都因此面臨著一個迫切的挑戰:能不能把握光線的規律變化以為自己所用。

如果可以順利掌握光線的規律變化,那麼生物就可以適時的做出相對應的周期性生理變化。例如喜歡依靠視覺在白天獵食的生物,就可以在晚上進入休息狀態,然後在白天太陽出來後再全力獵食。相反的,如果無法成功掌握光線的規律變化,可能就會導致事倍功半而慘遭淘汰。也因此,在演化早期,感光能力除了可以用來驅動肌肉收縮以逃避危險,另一個重要的功能,就是根據日夜變化來調節生理機能。這就是所謂的「生物時鐘」

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環境光線的變化促使我們做出不同的生理反應。圖/Day & Night

還記得上一章最後提到的文昌魚嗎?文昌魚是一種簡單原始的脊索動物,其結構可能和最早期的脊索動物十分類似。在牠身上,其實就已經可以看到眼睛以及生物時鐘的原型。在文昌魚的前腦中,可以發現兩個感光器。從相對位置上來看,其中一個是松果眼(pineal eye),另一個則是前眼點,也就是一般脊椎動物雙眼的前身。透過這兩個感光器,早期的脊索動物就可以有效的利用光線,並發展出生物時鐘。

最開始的生物時鐘,隨時處於「上線」的狀態。也就是說,生物時鐘的作息完全和當下的光線狀態同步。對於日行性生物來說,光線明亮時,生理機能就處於活躍狀態,沒有光線時,就進入休息狀態。換言之,透過與外在光線同步的生物時鐘來調節生理機能,可以讓生物的生理表現更有效率。

但是隨時處於「上線」狀態,似乎不夠靈活。畢竟如果你的電腦一定要有網路才能作業,那離線時,就會變成鐵磚頭一塊。因此生物時鐘就演變成不必依賴光線也可以「離線作業」:即使一段時間都生活在黑暗之中,生物時鐘也可以在「離線」的狀態下展現出晝夜節律。這種可以進行「離線作業」的生物時鐘較為靈活,雖然有可能會「失準」,但是失準只是小問題,只要偶爾透過日光「校準」一下就可以恢復準確了!

的確有不少實驗都發現,許多生物的生物時鐘其實已經「內化」成可以離線作業的系統。例如,即使把實驗室中的生物長時間飼養在沒有日夜光照變化的環境中,牠們的生物時鐘現象也不會完全消失。內化的生理時鐘有一個好處,就是即使當下缺乏任何環境的訊息,也可以幫助生物對即將出現的日照改變提前做出反應,讓生物的適應能力大大的提升。

生物時鐘位於大腦何處?

在脊椎動物身上, 光線會透過眼睛的視網膜, 把資訊傳入位於下視丘(hypothalamus)的視交叉上核(suprachiasmatic nucleus)。視交叉上核可以說是生理時鐘的調節核心之一,它會利用眼睛傳入的光線來校正生理時鐘,即使一段時間都生活在沒有光線的地方,視交叉上核裡的神經元也仍然會展現出日夜的規律變化。視交叉上核會再連結到位於上視丘中的松果體(pineal gland),並在此調節褪黑激素的濃度,進而影響睡眠周期的變化。

松果體還有一個特點,就是在演化早期,它似乎可以直接對光線做出反應。這個「松果眼」不但出現在文昌魚身上,也可以在一些現存的爬蟲類身上觀察到。例如在某些蛙類和蜥蜴的身上,松果體竟然會直接延伸到頭頂、開出第三隻眼。生物學上稱之為「第三眼」或「頂眼」(parietal eye)。

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側邊斑點蜥蜴(Side-blotched Lizard )的頂眼。圖/Stonebird@Flickr

這隻眼有水晶體、視網膜,與一般的眼睛十分類似,也具備可以感光的功能。透過「頂眼」,這些生物可以利用光線來調控生理時鐘、荷爾蒙以及進行體熱調節。

最近的研究也發現,棱皮海龜之所以能夠精準的依照四季變化來遷徙,可能就是因為牠們頭頂有一小部分的皮膚沒有色素、且頭殼較薄,這樣的生理構造,可能有助於讓光線直接照入松果體來幫助牠們偵測出四季變化。

笛卡兒的松果體與奇特的第三眼

至於人腦中的松果體,則是一個綠豆般大小的結構,大概位於腦部正中央,長得像松果,故得此名。

 

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紅點位置即松果體所在。圖/wiki

說到松果體,就不得不提一下法國的哲學家笛卡兒,也就是說過「我思故我在」的那位知名哲學家。笛卡兒是一位「二元論」者,他認為心與腦在本質上是完全不同的,腦是物質的、心是非物質的,也就是說,心靈是一種類似靈魂的東西。而這兩種本質上截然不同的事物,是怎麼產生互動的呢?

笛卡兒認為,如果我們觀察大腦的結構,其中大部分的結構都是左右對稱的成對結構,例如兩個眼睛、兩個半腦、兩個杏仁核等等,而大腦中唯一一個不成對的結構,就是「松果體」,因此,心與腦應該就是透過松果體在互動。

換言之,笛卡兒認為大腦可以透過松果體和非物質的心靈互動交流,或者反過來說,心靈可以透過松果體操控大腦。有些神祕主義人士主張,人類的松果體在演化早期,也可以接收光線或其他能量來調節生理機制,雖然現代人類的松果體沒有在頭頂開出第三眼,但是人類的松果體仍然可以接收能量。

不過為什麼一般人都不覺得自己有接收到任何能量呢?神祕主義人士認為,那是因為現代人的松果體都鈣化了。的確,成人的松果體一般都會鈣化(原因不明,有人認為是現代人的飲食和飲水所致)。宗教和神祕主義人士常會說,只要透過某些方式來去除松果體的鈣化,松果體就可以發揮功能以接受各種可能的能量。只不過,此說法目前尚未被科學驗證。


大腦簡史

 

 

本文摘自《大腦簡史:生物經過四十億年的演化,大腦是否已經超脫自私基因的掌控?》貓頭鷹出版。

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關於作者

貓頭鷹出版社

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