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北京时间10月2日17时30分许,2017年度诺贝尔生理学与医学奖在斯德哥尔摩宣布,杰弗里·霍尔(Jeffrey C.Hall),迈克尔·拉斯巴什(Michael Rosbash)和麦克·杨(Michael W. Young),以表彰他们在“生物节律的分子机制方面的发现”。


杰弗理·霍尔,1945年于美国纽约布鲁克林出生,美国国家科学院院士及美国人文与科学学院院士,现为美国沃尔瑟姆布兰戴斯大学荣休教授。

迈克尔·拉斯巴什,1944 年3 月7 日生于密苏里州堪萨斯,美国遗传学家,是布兰代斯大学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员。2003 年当选为美国国家科学院院士。

迈克尔·杨,1949 年生于佛罗里达州迈阿密,美国遗传学家、美国国家科学院院士。1975 年获得克萨斯大学奥斯汀分校博士学位,1978 年起任洛克菲勒大学教员,后成为该校副校长。

我们更加通俗的表述是因为这三名科学家用三十多年的时间探究生物钟的奥秘,并且找到了操控昼夜节律的分子机制,实现了人类科学的重大突破。

生物钟又称生理钟。它是生物体内的一种无形的"时钟",我们每天晚上睡觉,白天工作学习,就是由人体内部的生物钟控制。那么我们为什么会有生物钟,我们人体中的生物钟在分子层面是怎么运动的呢?这是个未解之谜。
霍尔和拉斯巴什的团队随后发现per基因的表达产物是一种转录抑制因子,通过抑制自身的表达而产生周期约24小时的表达节律。 这两位科学家揭示了per蛋白质夜间会在细胞核内积聚,但是这种蛋白质是如何到达细胞核的呢?这时另一位科学家的出现让他们看到了曙光,杨的实验室则对7000多个果蝇突变株进行分析,在1994年发现了另一个核心生物钟基因Timeless(tim)。 这个基因的表达产物TIM蛋白,与PER蛋白之间有着重要的相互作用。三位科学家又通力合作,揭示了果蝇生物钟关键组分的运作机制: 在转录因子激活下,per与tim两个基因不断表达。而随着它们的表达产物PER和TIM蛋白的增多,这两种蛋白结合成异二聚体,在夜间进入细胞核,抑制转录因子转录活性,从而抑制per与tim自身的转录。而随着per和tim的降解,转录因子的激活功能在黎明时得以恢复,激活per和tim进入新的表达周期。这两个基因在人体内部形成了一种自发的起起伏伏的平衡,而这就是为什么我们晚上会睡觉,白天会醒来的根本原因。

但是事实上,今天科学家们已经发现十多种与生物钟有关的基因。比如中国温州医学院基因组医学研究院院长孙中生教授就发现了哺乳动物关键的生物钟基因—mPer1和mPer2,该发现揭示了哺乳动物生物钟的分子生物学基础,曾经被《Science》评为1997年度十大科学突破。

那么这项成果会对我们的生活产生什么样的影响呢?

我们知道人体是非常神奇的一个存在物,科学家发现,人体拥有自己的生理时钟。我们来看一下人体一天中的生理波动。

人体一天中的各种生理波动如下:

1点钟:处于深夜,大多数人已经睡了3-5小时,由入睡期--浅睡期---中等程度睡眠期--深睡期,此时进入有梦睡眠期。此时易醒/有梦,对痛特别敏感,有些疾病此时易加剧。

2点钟:肝脏仍继续工作,利用这段人体安静的时间,加紧产生人体所需要的各种物质,并把一些有害物质清除体外。此时人体大部分器官工作节律均放慢或停止工作,处于休整状态。

3点钟:全身休息,肌肉完全放松,此时血压低,脉搏和呼吸次数少。

4点钟:血压更低,脑部的供血量最少,肌肉处于最微弱的循环状态,呼吸仍然很弱,此时人容易死亡。此时全身器官节律仍放慢,但听力很敏锐易被微小的动静所惊醒。

5点钟:肾脏分泌少,人体已经历了3-4个“睡眠周期”(无梦睡眠与有梦睡眠构成睡眠周期),此时觉醒起床,很快就能进入精神饱满状态。

6点钟:血压升高,心跳加快,体温上升,肾上腺皮质激素分泌开始增加,此时机体已经苏醒,想睡也睡不安稳了,此时为第一次最佳记忆时期。

7点钟:肾上腺皮质激素的分泌进入高潮,体温上升,血液加速流动,免疫功能加强。

8点钟:机体休息完毕而进入兴奋状态,肝脏已将身体内的毒素全部排尽。大脑记忆力强,为第二次最佳记忆时期。

9点钟:神经兴奋性提高,记忆仍保持最佳状态,疾病感染率降低,对痛觉最不敏感。此时心脏开足马力工作,精力旺盛。

10点钟:积极性上升,热情将持续到午饭,人体处于第一次最佳状态,苦痛易消。此时为内向性格者创造力最旺盛时刻,任何工作都能胜任,此时虚度实在可惜。

11点钟:心脏照样有节奏地继续工作,并与心理处于积极状态保持一致,人体不易感到疲劳,几乎感觉不到大的工作压力。

12点钟:人体的全部精力都已调动起来。全身总动员,需进餐。此时对酒精仍敏感。午餐时一桌酒席后,下半天的工作会受到重大影响。

13点钟:午饭后,精神困倦,白天第一阶段的兴奋期已过,此时感到有些疲劳,宜适当休息,最好午睡半到1小时。

14点钟:精力消退,此时是24小时周期中的第二个低潮阶段,此时反应迟缓。

15点钟:身体重新改善,感觉器官此时尤其敏感,人体重新走入正轨。工作能力逐渐恢复是外向型性格者分析和创造最旺盛的时刻,可持续数小时。

16点钟:血液中糖分增加,但很快又会下降,医生把这一过程称为“饭后糖尿病”。

17点钟:工作效果更高,嗅觉、味觉处于最敏感时期,听觉处于一天中的第二高潮。此时开始锻炼比早晨效果好。

18点钟:体力活动的体力和耐力达一天中最高峰,想多运动的愿望上升。此时痛感重新下降,运动员此时应更加努力训练,可取得好的运动和训练成绩。

19点钟:血压上升,心理稳定性降到最低点,精神最不稳定,容易激动,小事可引起口角。

20点钟:当天的食物、水分都已充分贮备,体重最重。反应异常迅速、敏捷、司机处于最佳状态,不易出事故。

21点钟:记忆力特别好,直到临睡前为一天中最佳的记忆时间(第四次,也是最高效时)。

22点钟:体温开始下降,睡意降临,免疫功能增强,血液内的白细胞增多。呼吸减慢,脉搏和心跳降低,激素分泌水平下降。体内大部分功能趋于低潮。

23点钟:人体准备休息,细胞修复工作开始。

0点钟:身体开始其最繁重的工作,要换已死亡的细胞,建立新的细胞,为下一天作好准备。

人体为什么会如此表现?科学家过去根本无从知晓,而DNA的发现,基因科学的不断破解,让我们人类第一次窥视到了人体生物钟背后的一个最普通的现象背后的秘密,为什么我们白天工作,晚上睡觉,是上述三位科学家发现,这是因为我们的昼夜节律被两个基因在无形中操控着,他们第一次向我们展现出了一副瑰丽的科学动图。

个人感觉这种机制的发现从应用角度看可以治疗一些遗传性失眠的疾病,可以让人体的睡眠得到保障。孙中生博士在接受一些记者采访时,曾经表示,开展生物钟的基础科研并非要取得什么立竿见影的实用价值,但生物钟的确与人类健康密切相关。生物钟紊乱可以引起疲倦、精神无法集中,胃肠消化道紊乱等很多身体不良反映和疾病。长期失眠的人更会因生物钟紊乱带来精神或躯体的疾病。如果能了解生物钟的工作原理,找到生物钟在体温、血液中的标志,就能以此了解体内各种代谢情况从而控制生理行为。这样不但可以认识和避免很多相关疾病,还可以指导设计最佳治疗方案和服药时间。

但是此外,生物钟并不狭义地被表示为24小时中人体会产生的行为。甚至包括每周、每月、每年、甚至是终身。我们人体内的那些很奇特的规律也很值得玩味,比如为什么怀孕是怀胎40周,而不是30周和50周?为什么女性月经的周期是28天~30天左右,为什么我们大多数人18岁以后基本停止或者放缓了身高的增长呢?这些都由人体内部的基因调控,未来我们行为背后的真正原因将被逐一揭开,每一个生物现象背后都隐藏着大量物理和化学的反应,信号的不断传递,以及数以亿计由各种氨基酸组成的各类蛋白质的不断拼接。


作者:吴苡婷

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