2017年11月27日

2017諾貝爾生醫獎——晝夜節律

陳示國/國立臺灣大學生命科學系副教授。實驗室主要利用分子生物學之方式,研究小鼠感光細胞如何調控生理時鐘代謝等生理功能。



傑佛瑞·霍爾(Jeffrey C. Hall, 1945~)
國籍|美國
現任|布蘭戴斯大學生物學榮譽教授
研究領域|遺傳學、週期基因

麥可·羅斯巴希(Michael Rosbash, 1944~)
國籍|美國
現任|布蘭戴斯大學生物學教授
         霍華德‧休斯醫學研究所研究
研究領域|遺傳學、時間生物學

麥可·楊恩(Michael W. Young, 1949~)
國籍|美國
現任|洛克菲勒大學教授與副校長
研究領域|時間生物學、生物學

 為什麼大部分人早上起床總是艱辛困難?為什麼出國工作或是旅遊還要面對讓人全身上下哪裡都不對勁的時差?又為什麼許多急性心臟疾病好發於傍晚?

時間,是一個對人類非常有趣而又難以捉摸的概念。許多歷史文明都在早期發展出記錄時間流逝的方法。然而,直到近60~70 年內我們才慢慢發現,幾乎每一個生活在地球的物種,原來在體內都有一個調控一切生理功能的時鐘。在午夜時期,我們的體溫會降至最低,然而凌晨太陽出來前,就算還沒有起床,身體就會先慢慢開始加溫,預備起床後需要較高的體溫進行活動。在太陽下山後數小時,體內的松果體開始釋放褪黑激素,幫助我們身體準備入睡。在晚上的時間,體內的血液幹細胞數量為最大數,並在我們休息時製造出最多的血球,而在此之前的下午時分,血液幹細胞就準備從骨髓中被釋放出來。由此可知,生理時鐘能讓各個生物在一天中不同時間,預先準備相對應的生理功能,用最有效率的方式應付一天下來日夜溫差等環境劇烈的變化。





生物體內的生理週期
在歷史文獻中,很早就有記載動植物每一天會有一些規律的生理現象。在西元前400 年,亞歷山大大帝的將軍安德羅斯提尼(Androsthenes of Thasos)與艦隊航行時,在日誌中記載了酸豆樹(羅望子)的葉片會在白天展開,在晚上關閉。而中醫中的《子午流注》(由黃帝內經整理而成)也記載了人體氣血的運行隨著一日中的時間而變化,原文一開始即寫到「子午流注者,謂剛柔相配,陰陽相合,氣血循環,時穴開闔也」。然而,這些記載並沒有明確指出這些現象是因為外在環境所調控或是生物體內有內生性節律,直到過了千年後,在18 世紀,才有一位天文學家麥蘭(Jean Jacques d'Ortous de Mairan),利用實驗方式,來探討生物時鐘的問題。他發現含羞草在白天時葉子會打開朝向太陽,而在晚上會合起。為了證明此現象是由
外在日夜週期所誘導或是體內真的有一個生理時鐘,他將含羞草放在暗盒中,發現就算沒有環境日夜週期,在暗盒中含羞草依舊保持每日週而復始的葉片開合循環,證實在生物中有個生理時鐘在控制一天中相對應的生理週期。

在1900 年代,許多科學家投入生理週期的研究,奠定了這個學門的基礎知識以及定義。晝夜節律(circadian rhythm)這個英文單字,是由希臘文中circa(大約)以及dian(天)所組成,原始的意思是接近24 小時的週期性生理現象。而晝夜節律這個單字,也準確的點出生理時鐘所代表的生理意義。我們體內的生物時鐘,並不是準確的以每日24 小時作為一個循環,大部分的日行性動物,在沒有接受外界日夜訊息時,以每一個週期稍微大於24小時進行循環,而大部分夜行性動物則以小於24小時為一天作為循環。科學家定義當沒有任何環境因子存在時,依舊能保持接近24 小時的週期性生理現象才能稱作晝夜節律,而這樣的情況稱之為自主生理時鐘(free running)。

平均而言,人類的週期一天大約是24.3 小時,因此,(photo credit The Rockefeller University.) 若沒有任何環境訊息,我們每天會越來越晚睡,也越來越晚起床,所以早上爬不起床、晚上睡不著,是體內生理時鐘作祟的其中一個因子。除了自主生理時鐘之外,晝夜節律第二個重要的定義在於環境同步(entrainment),......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】












沒有留言: