徐璎（苏州大学特聘教授）｜撰文
叶水送｜访谈
什么是生物钟？
生物钟顾名思义，是一架设在生物体内的“钟”。它是由于地球的昼夜自转，导致生活在地球上的几乎所有生物，为了适应昼夜的节律改变，而演化出来的一个生物计时器，用来预知环境的改变，从而更好地适应环境。
所有的生物，包括植物、动物都有生物钟。它让植物可以在最合适的时候进行光合作用，也让动物能够在合适的时候，觅食、迁徙和繁殖等，所以它其实不仅是一个适应环境的计时器。同时也是我们不可或缺的一个生物系统。
与生物钟相关的有趣现象有哪些？
其实生物钟就是被一种有趣的现象吸引，才让科学家发现了生物钟。包括最初发现含羞草，它的这种昼夜律动，吸引了de Mairan（法国天文学家）这个科学家，他提出了这样的一个科学问题，就是昼夜的律动，是一种内在的机制驱动？还是受环境的改变？他为了回答这个问题，就把含羞草关在一个密闭的空间里，不受环境昼夜节律的牵引，然后他发现含羞草在没有任何的环境因素影响下，依然能够昼夜地律动，所以他认为这样的一种律动是一种内在的机制。
这开启了对生物钟的研究，其实从含羞草的生物钟发现以后，后面就有了非常著名的林奈。他制备的那个花钟，是根据花在不同的时间开花铸成的。在日内瓦有一个花钟公园，包括从早晨蒲公英的开花，还有牵牛花和夜来香的开花等，他按照不同的开花时间做成一个花钟，这是在植物里面。
然后在动物里面，蜜蜂的生物钟也非常有趣，它总是在花芯和花蕊最饱满的时候定点的去采蜜，来保证它能够采到足够的蜜来繁殖后代。
在我们哺乳动物里面，也是经过很长时间发现，确实是有这样的钟，包括生物节律研究的先驱者们，他们把自己关在洞穴、废弃的煤矿里面，来研究自己到底有没有这种生物钟，然后他们在完全跟环境隔离的情况下，记录他们的饮食，记录他们的活动，以及他们的体温，发现在他们体内也有一个生物钟，所以这些都是驱动我们去研究生物钟的一些故事。
人的生物钟为何不是24小时？
它说的就是一种内在的节律，生物钟内在的节律，是印记在我们基因组里的一种系统，它不受任何环境的信息影响，就算你没有表，没有信息，基本上到点就会饿了，到点就会想去吃饭等这种节律。
在人体或者所有的动物里面，它的节律，并不是准确的24小时。我认为这是一个非常巧妙的设计。虽然天文钟是24小时，但是我们的机体不是准确的24小时，所以我们每天都在调时差，就是要把差补到24小时，所以我们所有的生命就有了去调我们生物钟的能力，这个能力，就能够让我们去旅行，去调时差的时候运用这样的一种规律。
一般夜行动物，它的周期会比较短，短于24小时，然后白昼动物，像我们人一般在大于24.5小时，有的是25小时。
我们人体生理所有的节律，其实并不一定完全是同步化。每天体温的节律有的时候是25点几小时，然后心率可能又是23点几小时，它并不是完全同步在一起，这个也是要注意的，并不是所有的生理活动都是一样的节律。
大脑有一种视交叉上核（SCN），我们说它的起搏器，可以通过环境的光线，来同步化我们机体所有的周围组织，适应到这样的24小时节律里面去。
生物钟的分子调控机制？
生物钟的调控是从多个层面进行的，我们说基因组成就是DNA里面，它有一个分子反馈环，这个分子反馈环构成了近24小时的节律，那么这样一个分子反馈环基本上存在于机体所有的细胞内，然后一群细胞就构成了各种不同的组织，每个组织它有一个自主的周围组织节律，但这些节律其实不能直接跟外界连起来，比如我们哺乳动物。我们通过一个SCN ，叫视交叉神经上核，在我们哺乳动物当中，它叫做Pacemaker（起搏器），是一个中枢生物钟，它每天接受光线的输入，在SCN里进行一个偶联，然后输出来同步化所有的周围组织，包括我们的肾脏、肝脏、肺活动等。那么在它的统领下，所有的活动跟环境能够进行合拍，关于SCN是非常肯定的，它是维持我们生物节律一个充分必要的核团。
通过前人多次的实验，证明它是充分必要的，来维持同步化生物钟的一个核团。它通过几种非常经典的实验，通过损毁这个核团，然后再移植这个核团，包括移植长周期、短周期的核团，使得受体的宿主，呈现了短周期或者长周期，所以SCN是一个非常关键的Pacemaker（起搏器），就是我们说的中枢。
影响人的生物钟的因素有哪些？
其实影响生物钟的因素还是很多的，因为地球的昼夜自转驱动，所以光线是我们影响最大的。
生物钟在不同的季节对生物钟影响也很大，因为它的日长日短不一样。所以季节的变换对我们的生物钟影响很大，这是从光线的角度。
温度其实也会对生物钟有影响。
同时我们每天饮食的时间，对于我们生物钟影响也很大。如果我们饮食日夜颠倒，生物钟驱动的这些基因，就会和饮食驱动的基因不吻合，导致生物钟的紊乱，所以饮食的时间，对于我们生物节律也是一个非常重要的方面。一方面我们可以利用饮食的时间，在生物钟紊乱时，来帮助我们增强生活节律。
你看在飞机上跨时区旅行的用餐条件，其实他们就是希望能够帮助我们到目的地，能够更快地适应目的地的生物钟，因为他们的饮食其实是非常有规律的，来帮你调生物钟。在航空领域已经运用了生物钟的规律。
其实我们现在国内，也是想用一些叫做TRF ，就是时间限制性饮食，来增强你的生物节律的鲁棒性，我们就能够有一个更健康的节律。
疾病用药也与生物钟的关联？
其实现在生物钟影响的广泛性，越来越被医学界认可。因为在我们生物钟中，我们刚刚说的这种齿轮一样target（靶向）到的这些基因，很多都是一个时钟，有节律性的，所以如果这些药物target到了这个靶点的话，那么在什么时间用药就非常重要，你在高峰和低谷用药的有效性不一样。所以在药物上来看，我们特别希望能在药物的说明书上，告知我们药在什么合适的时间给更有效。
在医院里面，很多研究者也做了一些报告，手术也是会随着这个不同的时间影响手术的效果，包括心梗的这些实验，这个研究发在《柳叶刀》上，就是同样的手术，下午的手术和上午的手术相比，它的并发症率就会低很多。
另外像打疫苗，在早晨打疫苗，它的抗体滴度就会升高。这些实际上都是在利用生物钟，在最佳的时间做最佳的事情，在医学上这是好的。另外还有一个不好的方面，因为生物钟这样的周期波动变化，导致很多疾病的发生也有时间依赖的改变，比如说人在夜晚容易哮喘，很多心血管疾病会在凌晨到上午之间高发，包括很多生产可能也是在午夜生产的频率为高，很多的事故的发生也在凌晨，因为这个时候的警觉性会比较低，这些就是由于生物钟高和低的表达，带来的一些效果。
我觉得需要，包括我自己吃高血压药都不知道什么时间吃更好。因为高血压是一天24小时，随便什么时候都可以吃，我也特别渴望知道，到底我这个药应该早晨吃好，还是晚上吃好，我其实多次向这种药厂去提议，哪怕说明书上给我一个信息，特别是对这种慢性药，我觉得长期服用的更重要。
现在很多肿瘤治疗，也在推广时间用药，我觉得这个非常重要。因为cell cycle（细胞周期）虽然它有它自己分裂的周期，但是它的这个cell cycle的各个阶段的门控，也是受生物钟影响的。在我们生物钟研究者来看，很多的化疗药，你在什么合适的时间给予化疗药是很有讲究的。
所以我觉得生物钟，作为医学的一个“第四面”，这样被提出来，还是非常重要的，就是要引起全社会重视，包括我们医院。目前医院的用药，还是按照医生的工作节奏在进行，很少考虑生物节律的这些因素。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
团队/作者：深究科学
审核：彭志平 中国睡眠研究会科普部主任
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