晝夜節律如何控制我們身體的生物鐘

作者 | 博超、編輯 | Appreciate

睡眠是夜晚對大自然生物的饋贈。

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當清晨的第一縷陽光灑落在窗台上，我們的身體和大腦便從睡眠中緩緩蘇醒過來，一夜的睡眠過後身體和大腦會重新恢復精力，而疲勞則會一掃而光。神經科學將睡眠定義為：生物體在夜晚自然出現的可逆轉休息狀態，睡眠發生時機體會進入不活躍的休息狀態，對外界的信息傳入敏感性降低，同時大腦進入無意識狀態【1】。

丘腦視交叉上核SCN是睡眠/覺醒的控制中樞，它能通過神經投射和內分泌遞質擴散的方式調節身體的生物鐘節律。哺乳動物的睡眠由慢波睡眠和快速眼動睡眠兩種狀態構成，睡眠前期以慢波睡眠為主，進入深度休息狀態的身體會在免疫調節物質的作用下恢復能量、修補機體損傷，睡眠後期以快速眼動睡眠為主，身體能量會逐漸恢復至清醒水平，此時輕微的響動或光線便能喚醒睡眠【2】。

晝夜節律普遍存在於動植物體內。

晝夜節律是地球生物普遍存在的生物節律，它與地球自轉過程中的明暗交替緊密相關。丘腦視交叉上核SCN是生物體晝夜節律的起搏器，它精確控制著動物飲食/禁食、覺醒/睡眠的生物鐘，而植物的光合作用也受到晝夜節律的調節【3】。

褪黑素(melatonin)和皮質醇(cortisol)

在睡眠和覺醒中發揮重要作用【4】。

1723年，法國天體物理學家De Mairan最早在含羞草上發現了晝夜節律，他觀察到含羞草的葉片會隨著太陽運動的軌跡改變方位，而夜晚降臨後葉片又會自然下垂，葉片的運動引起了De Mairan極大的研究興趣。當他將含羞草放進密閉的空間後，含羞草葉片依然表現出同樣的運動規律【2】，於是他斷定含羞草存在著與天體運動同步的內在節律。人體內晝夜節律的發現大約在200多年後，1938年芝加哥大學的研究者Kleitman和Richardson在肯塔基州的地下實驗室進行了為期6周的實驗，在完全隔絕太陽光照的環境下，他們發現人體睡眠與覺醒、身體核心溫度的變化依然存在穩定的24小時節律【2】。

2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予了3位揭示晝夜節律分子調控機制的科學家【4】，他們在實驗中發現果蠅丘腦內存在一種表達Per蛋白的周期基因(period gene)和表達TIM蛋白的無時間基因(timeless gene)，在夜晚Per蛋白會與TIM蛋白結合從細胞質進入細胞核，並在細胞核中存儲堆積，而白天堆積在細胞核內的Per蛋白則會逐漸降解，Per蛋白堆積和降解的過程正好對應地球的黑夜和白天，而這個周期十分接近24小時。

晝夜節律，中樞與外周神經系統的對話。

生物體的神經系統由腦與植物性神經系統組成，下丘腦SCN作為晝夜節律的調節中樞，能通過直接的神經投射和間接的神經遞質擴散，以中樞帶動外周同步改變的方式來調節植物性神經系統發揮作用，使機體適應外部環境的變化。

身體核心溫度在一天中的動態變化

身體核心溫度（即直腸溫度）是晝夜節律的重要組成部分，它在一天中不同時刻呈現動態變化趨勢，下午最高，後半夜最低。核心溫度一般在我們入睡後兩小時將至最低點，但即便我們整夜不睡，核心溫度依舊會在夜裡降至最低點，並在早晨恢復到正常水平。

褪黑素分泌隨時間變化呈現動態變化

褪黑素在睡眠與覺醒發生過程中發揮重要作用，它由松果體(pineal gland)合成分泌，通過血液運輸擴散至大腦其他區域，促進睡眠的發生。褪黑素的分泌與環境中的光亮度變化緊密相關，它在日落後開始大量分泌，在午夜升至最大值，在日出後逐漸停止分泌。夜晚光照特別是藍光照射會抑制褪黑素的合成分泌，推遲睡眠的發生，並在一定程度上縮短睡眠時間，降低睡眠質量。

雖然日夜交替控制著晝夜節律的沉睡與蘇醒，但飲食/禁食的節律似乎更能準確地調節身體的代謝功能【6】。糖皮質激素與飲食/禁食、食物消化、能量代謝節律密切相關，下丘腦-垂體控制的促腎上腺皮質素釋放激素和促腎上腺皮質激素會提升體內的糖皮質激素水平，進而提升機體代謝水平。雖然光照可以通過激活SCN來調控身體的晝夜節律，但飲食能更好地促進身體從沉睡中蘇醒過來。睡眠後糖皮質激素分泌增多能提高肝臟糖異生水平，進而刺激肝糖原轉換成葡萄糖，進入血液為大腦和肌肉供能，更好地喚醒身體並維持覺醒。

此外，外周晝夜節律基因的表達還受到中樞生物鐘和階段性進食信號的調節。在夜晚對大鼠施以光照並限制飲食，大鼠身體核心溫度和糖皮質激素水平都會變紊亂，而肝臟、腎臟、心臟和胰腺的生物鐘基因表達也都會被逆轉。

總結一下

晝夜節律普遍存在於動物、植物體內，它與地球自轉導致的晝夜交替緊密相關。下丘腦視交叉上核SCN作為腦內晝夜節律的控制器，能通過神經投射和內分泌遞質的方式來與身體對話，使身體與腦的生物鐘彼此協調。此外，飲食也對身體生物鐘的運行有一定調節作用。

◆◆參考文獻

◆◆

【1】Bj?rn Rasch and Jan Born, About sleep』s role in memory, Physiological Review 93: 681–766, 2013 doi:10.1152/physrev.00032.2012

【2】Matthew Walke, Why We Sleep, 2017

【3】百度百科-晝夜節律

【4】Yvan Touitou, Alain Reinberg, David Touitou, Association between light at night, melatonin secretion, sleep deprivation, and the internal clock: Health impacts and mechanisms of circadian disruption, Life Sciences 173 (2017) 94–106

【5】Nobel Prize. 2017. The Nobel Prize in medicine 2017: popular information

【6】Santiago A. Plano, Leandro P. Casiraghi, Paula García Moro, Natalia Paladino, Diego A. Golombek and Juan J. Chiesa, Circadian and Metabolic effects of Light: implications in weight Homeostasis and Health, Frontiers in Neurology. 2017; 8: 558.

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