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生理時鐘無所不在

Credit: Vic via Flickr

生理時鐘一直默默地影響我們的作息、行為和心情。Photo Credit: Vic via Flickr

我們都對「生理時鐘」(biological clock)這個名詞並不陌生,日常生活的常識,如規律的生活作息有益健康、人在中午10點左右會特別想睡覺、還有每天特定的時間專注力特別好……等等,都跟生理時鐘密不可分。但是,到底什麼是生理時鐘呢?我們又為什麼有生理時鐘?生理時鐘是只有大腦高度開發的靈長類才有的特權,還是就連最原始微小的細菌也都有生理時鐘在調控著他們?

事實上,生理時鐘是一種擬人化的說法,把固定周期性的變化跟人類時鐘上的時間做連結。在科學界中,通常以約日節律(circadian rhythm)來描述這樣的日周期變化。Circa在拉丁的字首中代表著大約、大概的意思;而diem在拉丁文的字義中則是一天,所以circadian rhythm的最簡單也直觀的定義就是周期大約一天(e.g. 22或23小時)的固定變化,而這也是「約日節律」的由來。最簡單的例子就是我們的睡眠-清醒周期(sleep-wake rhythm),在自然的條件下,我們傾向睡眠8-10小時,並清醒另外的14-16小時,符合約日節律的定義。

那為什麼會有約日節律出現在地球上的生物呢?仔細想想,地球的自轉周期不也是大約24小時嗎?所以在生命演化出來前,這些日夜變化就已經存在了呢!因此,生命的演化也自然地把這個約日節律帶入生命的起源-DNA中,從簡單的細菌到複雜的靈長類,都有約日節律在體內調控著一切的生理變化呢!事實上,雖然細胞分工越精細的生物,約日節律調控也越複雜,但他們的核心系統都是一致的:基因之間的互相調控。

簡單的說,有兩大群的基因彼此調控著對方,CLOCK-BMAL1能推動下游基因的表現,而Period-Cryptochrome(PER-CRY)則是抑制下游基因。有趣的是, CLCOK-BMAL1會促進PER-CRY的表現,而PER-CRY則會反過來抑制CLOCK-BMAL1。所以當PER-CRY表現得越來越多,就會完全抑制CLCOK-BMAL1的功能。由於蛋白質的代謝,不再被表現的PER-CRY會越來越少,而CLOCK-BMAL1也就漸漸恢復了原本的功能,繼續促進PER-CRY的表現。這樣的調控機制周期約是24小時,周而復始,也就成了我們約日節律的分子基礎。

簡化的約日週期分子機制。CLOCK-BMAL1和PER-CRY之間的動態平衡成立了約日週期

簡化的約日週期分子機制。CLOCK-BMAL1和PER-CRY之間的動態平衡成立了約日週期。

既然CLOCK-BMAL1和PER-CRY彼此調控著對方,那甚麼樣的訊號去推動他們呢?前面說過,約日節律原始於地球的自轉周期,所以「光」的變化很自然地成了非常重要的指示者(indicator)!對哺乳類而言,光的訊號會由眼睛的特殊細胞(melanopsin-containing retinal ganglion cell)接受,並把訊息送到視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)。SCN是我們的中央時鐘(master clock),負責協調和同步位於其他組織的小時鐘(peripheral clock)。

除了SCN的調控,後來的研究也發現,飲食和運動也能夠影響著這些小時鐘。所以如果晚上吃宵夜,食物的熱量影響了代謝器官的小時鐘,導致跟大腦中的中央時鐘不同步,時間久了,很多代謝疾病和心血管疾病也就找上身啦!而這也是為什麼要「早上吃得像皇帝,中午吃得像平民,晚上要吃得像乞丐」背後的基礎呢!另外的生活小例子,當你今天出國玩,比如說從台灣到美國,如果到了當地能給那裏的陽光曬一曬,就能夠減少時差的不適和需要調整的時間喔!這是因為光的訊號重設了腦內的中央時鐘,幫助了我們適應新的環境。現在也越來越多的研究證實,連我們每日的心情和免疫系統也都跟身體內的約日節律有關。這也是為什麼現在開始出現聲音,希望醫院到了晚上不要只是把光調暗,而是進一步的改成對約日節律影響比較小的紅光,讓病人們的體內生理時鐘能正常運作,進而達到生理與心理上的進步。

SCN接受光的訊息並負責同步和協調其他周邊組織的小時鐘。

SCN接受光的訊息並負責同步和協調其他周邊組織的小時鐘。

每日的光照變化和我們每天進食的時間與身體內的約日節律息息相關,也彼此影響。生理時鐘無所不在,平常上課上班時,停個腳步,看看四周,你會發現這個常常被忽略的時鐘其實一直滴答滴答的藏在每個角落。

參考文獻:

  1. Gebicke-Haerter PJ, Pildain LV, Matthaus F, Schmitt A, Falkai P: Circadian rhythms investigated on the cellular and molecular levels. Pharmacopsychiatry 2013, 46 Suppl 1:S22- 29.
  2. Saper CB: The central circadian timing system. Curr Opin Neurobiol 2013, 23:747-751.

關於作者

王輝斌

台灣大學動物科學技術學系畢業, 目前就讀於加州大學洛杉磯分校 (UCLA),攻讀生理學碩士, 研究領域是生理時鐘和神經科學, 希望能分享一些科普知識讓大家注意這好玩的時鐘。目標是透過這個身體內預設的時間系統, 加強個人的健康維護與藥物利用, 也希望能夠認識其他領域的朋友, 透過跨領域合作的方式, 讓生理時鐘這個領域在台灣受到重視。