章 生物钟
在得知自己获得 2017 年诺贝尔生理学或医学奖的那天，迈克尔·杨在洛克菲勒大学教师俱乐部里的即兴庆祝活动中分享了一个有趣的事：想当初，人们对生物分子钟掌控我们的睡眠及其他行为的看法嗤之以鼻。“基因调节行为？没人会相信。”然而，超过 35 年的研究表明，我们的清醒 / 睡眠周期（以及大多数其他生理功能和行为）确实受到这个分子钟的调节，这一成果初是杨和其他一些研究者在果蝇身上发现的。这个时钟就是本书的基础。在这一章中，我将阐述它背后的科学原理，包括它的组成部分，它存在于何处，以及影响它的因素。
我们每个人身体里都有一个时钟。正如第 005 页的“生物钟”插图所示，这个钟帮助我们通过调节行为和身体机能来安排日常活动——它告诉我们晚上睡觉、早上起床；它告诉我们要吃早餐、午餐和晚餐；它让我们的身体在这些时间里做好吸收和消化食物的准备（比如在吃饭时间感到饥饿并做好消化准备）；它调节我们的体温和免疫系统。我们的各种精神状态，包括情绪、警觉度和干劲，都在一天中不断变化，并受到内部生物钟的调节。但生物钟究竟是何方神圣？它又是由什么控制的呢？
生物钟的自然节律中，不仅有睡眠时间（晚上），还有运动时间（下午）和排便时间（早上）。这种日常生活规律的学名是昼夜节律（circadian rhythm），源自拉丁语 circa（大约）和 diem（一天），加在一起，意思是“大约一天”，因为我们一个循环周期的总时长就是“大约一天”。
我们体内几乎所有的生理过程都受昼夜节律的支配。所有动物，甚至植物，都有一个生物钟，它帮助地球上的所有生命为白天的阳光和热量、夜晚的黑暗和寒冷做好准备。植物需要调整叶子的方向，以便在被缕阳光照射到时就能开始光合作用。食肉动物利用生物钟来判断什么时候猎食，在哪里猎食，例如，如果羚羊总是在黄昏时出现在河边，狮子就应该提前来到水源地，以免错过猎物。在纬度较高的地区，动物需要在日落前找到藏身处，避免夜晚受冻。这仅仅是动物界的几个例子，它们说明了生物钟的功能之一：预测周遭环境的变化。
如果你把一盆植物关在一个永远照射不到阳光、伸手不见五指的黑屋子里，会发生什么？它仍然会将叶子转向其预测的光源方向，在“白天”，叶子会随着虚拟的太阳从房间的一边转向另一边；在“夜晚”，植物收起叶子以保持湿度。
所有的这一切都发生在完全的黑暗中。令人惊讶的是，植物只要活着就会持续这样做，只不过，在一片漆黑之中，它的生命不会很长。
你可能会说，这很有趣，但这跟我和我的宝宝有什么关系呢？
生物钟的力量
假设你通常晚上 11 点睡觉，早上 7 点起床。现在有这样一个公寓，没有窗户，没有阳光，没有电视机，没有手表，没有互联网，没有其他任何能告诉你时间的物品，但是有电灯和足够的食品，有书籍和看不完的电影，由你自己决定什么时候关灯睡觉。要是让你在这里生活，会怎样？
事实上，这个实验已经有人做过了，并且在多个国家的不同人群中反复做了多次。事实证明，你将完全遵循你原来的生活节奏。不管你在公寓里住多久，每天你依然会在以往的就寝时间上床睡觉，在以往的晨起时间醒来，这就是生物钟的力量。如果我们的小宝宝也是每天晚上 11 点睡觉、早上7 点起床，这该是一件多么美好的事情啊。
生物钟是如何工作的
生物钟是如何工作的？我们又该如何利用生物钟的工作原理让婴儿一觉睡到天亮？由于地球自转一圈需要 24 小时，我们体内的生物钟已经进化形成了一个大约 24 小时的昼夜节律。一个循环的时长是 24 小时，称为一个周期。如果地球自转慢一点，一天的时间就会长一点，我们的周期就可能会超过 24 小时。
是什么驱动我们的生物钟，又是什么告诉我们时间的呢？
大约 50 年前，科学家们发现生物钟是由我们体内的一组基因控制的，即生物钟基因。20 世纪 70 年代早期，遗传学家罗恩·科诺普卡和西摩·本泽在美国加州理工学院工作时，提出了这样一个问题：一天当中某个特定时间发生的某些特定行为是否需要基因来调节？他们以一种名叫“黑腹果蝇”的小型果蝇为模型来进行研究，并找到了答案。
在正常的发育过程中，蝇卵会变成幼虫，幼虫吃得很多并长大。7 天后，在蜕变过程中，每只幼虫都会为自己结一个外壳，称为蛹壳。在蛹壳里，幼虫会变成成虫。在产卵10天后，成年果蝇就会破壳而出，这一过程被称为羽化。有趣的是，羽化通常只发生在一天中的一个特定时间——清晨——这可能是为了让新生的果蝇在温暖的白天得以舒展翅膀，以使它们在光线充足、天气暖和的时候适应它们的新身体。
为了弄清楚果蝇有规律的清晨羽化时间是否和基因有关，科诺普卡和本泽将果蝇暴露在一种会损伤 DNA（脱氧核糖核酸）的诱变剂中，从而随机干扰单个基因的功能，然后观察这种基因扰动是否会改变果蝇的羽化时间点。果然，有一种基因突变使得果蝇羽化时间规律全无：突变果蝇会随机在白天或晚上羽化，而非像以前一样只在清晨羽化。此外，研究人员还发现了另外两种基因突变，它们并没有扰乱果蝇羽化时间，而是分别将果蝇 24 小时的羽化周期缩短到 19 小时和延长至 28 小时。
在对果蝇的研究中，传统做法是根据基因缺失引起的问题来命名该基因。由于科诺普卡和本泽发现的三种突变会引起行为周期性的改变，科学家们将种命名为周期基因，另外两种分别命名为短周期基因和长周期基因。多年后，我的导师迈克尔·杨成为个克隆周期基因的人，并据此描述了它的遗传特性。正是这一发现——克隆个生物钟基因——让他和两名同事获得了 2017 年的诺贝尔生理学或医学奖。周期基因的发现为认知昼夜节律的遗传基础打开了大门。
在这项开创性工作的基础上，我们实验室以及其他许多实验室都发现了一个负责在我们身体中计时的生物钟基因网络。生物钟基因存在于我们身体内大多数细胞中。每个细胞都有自己的生物钟。这些生物钟是如何同步到一个特定的时间的呢？我们大脑中有一个叫作视交叉上核的结构，被认为是我们身体的主生物钟。视交叉上核神经元的放电频率在昼夜之间波动，白天，晚上。这一频率会将时间信息传达给大脑的其他部分以及我们所有的器官和组织。
洞穴和掩体实验
美国人纳撒尼尔·克莱特曼是个测试人类在缺乏24 小时社会活动周期的情况下如何行动的研究员。1938年 6 月至 7 月期间，克莱特曼与学生在美国肯塔基州的猛犸洞穴中居住了一个月，以此来研究人类的昼夜节律。在这里，他给自己和学生强加了一种虚构的生活规律：一天不是 24 小时，而是 21 或 28 小时。通过监测他们的体温和心率，他希望揭示人类是否会轻易将他们的内源节律，也就是身体内在的节律改变成 21 或 28 小时，还是锁定在24 小时。他发现，即使外部环境不支持，人类仍能保持他们的24 小时节律——这是内源性昼夜节律存在的明确证据。
20 世纪 60 年代，尤金·阿绍夫博士（德国生理学家）和德国研究人员一起，在德国巴伐利亚州安德希斯镇的一个“二战”地下掩体中建立了一个公寓实验室。受试者可以根据自己的喜好开灯和关灯，并继续他们日常的昼夜活动。许多学生受试者利用他们在掩体里的时间来背书，准备考试。到 20 世纪 80 年代初这个项目停止时，已有 300多名志愿者参加了“掩体实验”。结论很明确：即使在没
有日光的情况下，人类仍保持接近 24 小时的节律，这进一步证明了人体内部生物钟的存在。