關於此次諾貝爾生理學或醫學獎那些值得深思的事兒

最新 10-09

導讀

Event brif

北京時間10月2日下午5點半，瑞典卡羅琳斯卡學院在斯德哥爾摩宣布，將2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予：傑弗理·霍爾(Jeffrey C Hall)、邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）和邁克爾·楊(Michael W Young)三位美國科學家，以表彰他們在發現控制晝夜節律的分子機理方面的貢獻。

官方聲明稱，這3位科學家的發現將幫助解釋為什麼植物、動物和人類可以調整其生物節律，從而與地球的變化保持同步。

ThinkX研究所

我們發現其遠不止大量媒體所說的「諾獎和你媽說不要熬夜」這麼簡單。接下來就一起看看該研究究竟發現了哪些有趣又令人深思的問題。

果蠅或成最大贏家

The biggest winner Drosophila

算上這一屆諾獎，果蠅這個小傢伙已經成功「培養」出10位諾貝爾獎得主。就拿本屆的授獎領域——生物鐘來說，全世界最著名的6位科學家中，就有5位是研究果蠅的。

那麼，為什麼科學家們如此鍾愛果蠅呢？有以下兩個原因:

簡單好養活

果蠅只有4對染色體，而且這4對染色體的大小，形態等均易於區別。同時呢，因為進化的原因，不管是簡單生物體還是複雜生物體，大家的很多基因都是同源的。在神經和基因等生物學領域，對簡單生物體的研究成果是可以轉化到人類身上的。

而且果蠅很好養，隨便給點蘋果泥就能還你萬千子孫，這傢伙每10天就能繁殖一代，還附帶贈送超強的變異性。遺傳學家們簡直不要太開心。

一種臨界生物

在地球上，簡單又好養活的物種多了去了。為什麼單單是果蠅這麼重要呢？

這是因為雖然果蠅簡單，大腦神經細胞數量少（僅為人類的百萬分之一），但是依然具備很多感知能力並能調控複雜行為。其大腦結構複雜度和功能複雜度達到了實驗室級最佳平衡，是一個理想的臨界點。

而且，已經存在的研究表明，果蠅的各個感覺系統無論是結構還是功能都與人類的感知系統十分相似，比如聽覺信號的感知和傳遞，認知和識別。其複雜行為也與人類採用了類似或者相同的細胞分子機制。

而更令人驚訝的是，在2000年，科學家們完成對果蠅13600 基因測序後發現，這小傢伙的基因和人類基因高度同源，比如獲獎的三位大佬在果蠅身上發現的第一個生物鐘基因period, 就在我們人類的身上也能找到，並且發揮著同樣重要的節律調控作用。

所以說，果蠅這小傢伙簡直就是為諾貝爾獎而生的。

神奇的節律現象

Magical rhythm phenomenon

根據已有的記載，生物鐘被定義為一項科學研究可以追溯到16世紀。1792年夏天的一個傍晚，法國天文學家讓·雅克·德奧圖·德梅朗突然有了一個喪心病狂的想法。他好奇如果含羞草持續處於黑暗環境中，葉子是否還會在夜晚閉合在白天舒展呢。

結果我們應該知道了，儘管完全處於黑暗的封閉環境，沒有陽光照射，含羞草的葉子每天仍然保持其正常的規律性變化。顯然植物能夠「知道」太陽的位置，知道什麼時候是白天，什麼時候是黑夜。德梅朗是發現生物節律的第一人，他的報告只有7句話，350個單詞。卻刊登在當時及其重要的科學期刊上。

無論是複雜生物還是簡單生物，所有地球上的生命都受晝夜節律的控制，以適應24小時的地球自轉變化。甚至最早出現的生命——藍藻（單細胞的藍綠色藻類）也有生物鐘存在的跡象。藍藻通過光合作用從陽光中獲取能量，並利用二氧化碳和水生產有機分子和氧氣。

在內部生物鐘的作用下，藍藻在日出之前即可提前動員光合系統。使其能在太陽一出現的時候就可以攝取能量，比那些純粹依靠光線啟動光合系統的生物先走一步。與之類似，日落之後，藍藻的光合系統亦會遵循生物鐘的指令而關閉。這避免了夜間能量被無謂的浪費。節約下來的資源可轉而用於更適合在夜間進行的工作，比如DNA的複製和修復。

我們都知道，基因會產生突變，生物鐘基因也不例外，有些藍藻的節律周期由24小時變成了20或22個小時，甚至30小時。

1998年，美國范德比爾特大學的Carl Johnson教授發現，在自然條件下，符合環境光周期的藍藻比周期異常的同類更有優勢。比如在24小時的晝夜周期中，正常的藍藻較22小時周期的同類生長得更快，分裂也更成功。不過當研究人員將晝夜周期人工調節至22小時後，情況就完全顛倒過來，突變藍藻變得更具優勢。這些實驗第一次清楚地顯示，內部的代謝節律與環境周期相匹配會增強物種的適應性。

後來，科學家們發現不只是植物，動物和人類也有生物鐘幫助自身生理狀態適應環境的日常變化。地球每24小時繞地軸自轉一周，或沐浴於陽光中，或湮沒於黑暗裡。對生物體而言，一切皆有定時。自然選擇是殘酷的，在錯誤的時間做錯誤的事是要滅絕的。

科學家們的發現

Scientists discoveries

上文我們已經聊了一些生物鐘的表象，但他背後的機理是什麼樣的呢？這就是獲獎的三位大佬研究的事兒。

如果把我們人類比做一台智能機器的話，「日出而做，日落而息」是這台機器的工作周期。那麼這個周期究竟是人為規定的規章制度，還是出廠時就附帶的功能，關鍵就要看機器里有沒有這項源代碼，如果沒有，就說明我們的作息習慣真的就只是一種習慣而已。可要是有的話，源代碼又是什麼呢？

我們都知道，基因是DNA鏈上的片段，會通過mRNA的轉錄翻譯，指導合成蛋白質，從而體現出一定的能力或性狀，如果把蛋白質比作這台機器的功能模塊，那麼基因就是對應模塊的源代碼。

傑弗理·霍爾和邁克爾·羅斯巴什於1984年第一個發現並成功克隆出了果蠅體內的Period（周期）基因，隨後，邁克爾·楊在1994年發現了Timeless基因和Doubletime基因。這三種基因分別控制合成PER蛋白、TIM蛋白以及DBT蛋白，從而協調構造「機器生物鐘」的「閉環負反饋迴路」。簡化過程大概是這樣的：

Period基因指導合成的PER蛋白在細胞質內積累，從而使我們感覺到困意來襲。，同時TIM蛋白又會結合到PER蛋白上，帶著它進入細胞核。在細胞核中的period基因由於PER蛋白濃度的增加，其活性被逐漸抑制。而與此同時，Doubletime基因的活性又會不斷增強，合成DBT蛋白來延緩PER蛋白的積累。

就好比我們這些懶癌患者，在房間里不斷的製造著垃圾，隨著垃圾的積累，你能霍霍的空間越來越小，而打掃房屋的意願會越來越強。當然，房屋的整潔凌亂周期取決於你懶的程度。但PER蛋白濃度變化的周期則穩定在24小時（正常情況下）。

上世紀七十年代，科學家們找到了我們生物鐘的位置所在。位於眼睛後面的小丘腦有兩個很小的區域，被稱為視交叉上核，這個區域的神經元連接視網膜，負責對光明和黑暗的周期性反應，視交叉上核只有四分之一顆米粒大小，由大約20000個神經細胞組成，這兩個區域向大腦和身體發出信號，控制激素釋放、調節體溫和食慾。

再後來，科學家們又發現除了視交叉上核的主生物鐘外，我們的身體里還分布著大量的副生物鐘，比如肝臟的副生物鐘周期性的指導葡萄糖的供給，而胰腺的副生物種則周期性的調節葡萄糖濃度的閾值。這倆兄弟一正一反調控著一天內我們身體的血糖水平。如果倆鍾時間對不上的話，則要麼誘發糖尿病，要麼引起低血糖（糖尿病的危害自然不必多說，而低血糖也遠比我們想像的危險的多，大腦在葡萄糖供應不足的情況下，幾分鐘內便會停止運轉）。

我們的身體，這個高度自動化運轉的精密機器就是這樣在主副生物鐘與地球自轉周期的匹配下，進行著能量的精確轉化，從而在如此複雜的自然系統中得以生存，得以延續。

深遠影響

Profound influence

隨著生物鐘工作機理研究的不斷深入與完善，一門相應而生的學科——節律醫學（circadian medicine）也扮演著越來越重要的角色。

研究發現，節律紊亂與心臟病、胃病、多種癌症、神經疾病、神經退行性病變以及精神疾病存在著關聯。另外，多項小規模研究表明，在已有抑鬱傾向的人群中，睡眠周期的紊亂很有可能是嚴重抑鬱的病因而非僅僅是癥狀。與此類似的是，研究者過去5年在小鼠身上的實驗顯示，長期節律紊亂的病症會削弱動物的學習和記憶能力（倒時差傻三年）。