第一章
生物鐘

在得知自己獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎的那天，邁克爾·楊在洛克菲勒大學教師俱樂部里的即興慶祝活動中分享了一個有趣的事：想當初，人們對生物分子鐘掌控我們的睡眠及其他行為的看法嗤之以鼻。“基因調節行為？沒人會相信。”然而，超過35年的研究表明，我們的清醒/睡眠周期（以及大多數其他生理功能和行為）確實受到這個分子鐘的調節，這一成果最初是楊和其他一些研究者在果蠅身上發現的。這個時鐘就是本書的基礎。在這一章中，我將闡述它背后的科學原理，包括它的組成部分，它存在于何處，以及影響它的因素。

我們每個人身體里都有一個時鐘。正如第005頁的“生物鐘”插圖所示，這個鐘幫助我們通過調節行為和身體機能來安排日常活動——它告訴我們晚上睡覺、早上起床；它告訴我們要吃早餐、午餐和晚餐；它讓我們的身體在這些時間里做好吸收和消化食物的最佳準備（比如在吃飯時間感到饑餓并做好消化準備）；它調節我們的體溫和免疫系統。我們的各種精神狀態，包括情緒、警覺度和干勁，都在一天中不斷變化，并受到內部生物鐘的調節。但生物鐘究竟是何方神圣？它又是由什么控制的呢？

生物鐘的自然節律中，不僅有最佳睡眠時間（晚上），還有最佳運動時間（下午）和最佳排便時間（早上）。這種日常生活規律的學名是晝夜節律（circadian rhythm），源自拉丁語circa（大約）和diem（一天），加在一起，意思是“大約一天”，因為我們一個循環周期的總時長就是“大約一天”。我們體內幾乎所有的生理過程都受晝夜節律的支配。

所有動物，甚至植物，都有一個生物鐘，它幫助地球上的所有生命為白天的陽光和熱量、夜晚的黑暗和寒冷做好準備。植物需要調整葉子的方向，以便在被第一縷陽光照射到時就能開始光合作用。食肉動物利用生物鐘來判斷什么時候獵食，在哪里獵食，例如，如果羚羊總是在黃昏時出現在河邊，獅子就應該提前來到水源地，以免錯過獵物。在緯度較高的地區，動物需要在日落前找到藏身處，避免夜晚受凍。這僅僅是動物界的幾個例子，它們說明了生物鐘的功能之一：預測周遭環境的變化。

如果你把一盆植物關在一個永遠照射不到陽光、伸手不見五指的黑屋子里，會發生什么？它仍然會將葉子轉向其預測的光源方向，在“白天”，葉子會隨著虛擬的太陽從房間的一邊轉向另一邊；在“夜晚”，植物收起葉子以保持濕度。所有的這一切都發生在完全的黑暗中。最令人驚訝的是，植物只要活著就會持續這樣做，只不過，在一片漆黑之中，它的生命不會很長。

你可能會說，這很有趣，但這跟我和我的寶寶有什么關系呢？

生物鐘的力量

假設你通常晚上11點睡覺，早上7點起床。現在有這樣一個公寓，沒有窗戶，沒有陽光，沒有電視機，沒有手表，沒有互聯網，沒有其他任何能告訴你時間的物品，但是有電燈和足夠的食品，有書籍和看不完的電影，由你自己決定什么時候關燈睡覺。要是讓你在這里生活，會怎樣？

事實上，這個實驗已經有人做過了，并且在多個國家的不同人群中反復做了多次。事實證明，你將完全遵循你原來的生活節奏。不管你在公寓里住多久，每天你依然會在以往的就寢時間上床睡覺，在以往的晨起時間醒來，這就是生物鐘的力量。如果我們的小寶寶也是每天晚上11點睡覺、早上7點起床，這該是一件多么美好的事情啊。

生物鐘是如何工作的

生物鐘是如何工作的？我們又該如何利用生物鐘的工作原理讓嬰兒一覺睡到天亮？由于地球自轉一圈需要24小時，我們體內的生物鐘已經進化形成了一個大約24小時的晝夜節律。一個循環的時長是24小時，稱為一個周期。如果地球自轉慢一點，一天的時間就會長一點，我們的周期就可能會超過24小時。

是什么驅動我們的生物鐘，又是什么告訴我們時間的呢？大約50年前，科學家們發現生物鐘是由我們體內的一組基因控制的，即生物鐘基因。20世紀70年代早期，遺傳學家羅恩·科諾普卡和西摩·本澤在美國加州理工學院工作時，提出了這樣一個問題：一天當中某個特定時間發生的某些特定行為是否需要基因來調節？他們以一種名叫“黑腹果蠅”的小型果蠅為模型來進行研究，并找到了答案。

在正常的發育過程中，蠅卵會變成幼蟲，幼蟲吃得很多并長大。7天后，在蛻變過程中，每只幼蟲都會為自己結一個外殼，稱為蛹殼。在蛹殼里，幼蟲會變成成蟲。在產卵10天后，成年果蠅就會破殼而出，這一過程被稱為羽化。有趣的是，羽化通常只發生在一天中的一個特定時間——清晨——這可能是為了讓新生的果蠅在溫暖的白天得以舒展翅膀，以使它們在光線充足、天氣暖和的時候適應它們的新身體。

為了弄清楚果蠅有規律的清晨羽化時間是否和基因有關，科諾普卡和本澤將果蠅暴露在一種會損傷DNA（脫氧核糖核酸）的誘變劑中，從而隨機干擾單個基因的功能，然后觀察這種基因擾動是否會改變果蠅的羽化時間點。果然，有一種基因突變使得果蠅羽化時間規律全無：突變果蠅會隨機在白天或晚上羽化，而非像以前一樣只在清晨羽化。此外，研究人員還發現了另外兩種基因突變，它們并沒有擾亂果蠅羽化時間，而是分別將果蠅24小時的羽化周期縮短到19小時和延長至28小時。

在對果蠅的研究中，傳統做法是根據基因缺失引起的問題來命名該基因。由于科諾普卡和本澤發現的三種突變會引起行為周期性的改變，科學家們將第一種命名為周期基因，另外兩種分別命名為短周期基因和長周期基因。多年后，我的導師邁克爾·楊成為第一個克隆周期基因的人，并據此描述了它的遺傳特性。正是這一發現——克隆第一個生物鐘基因——讓他和兩名同事獲得了2017年的諾貝爾生理學或醫學獎。周期基因的發現為認知晝夜節律的遺傳基礎打開了大門。

在這項開創性工作的基礎上，我們實驗室以及其他許多實驗室都發現了一個負責在我們身體中計時的生物鐘基因網絡。生物鐘基因存在于我們身體內大多數細胞中。每個細胞都有自己的生物鐘。這些生物鐘是如何同步到一個特定的時間的呢？我們大腦中有一個叫作視交叉上核的結構，被認為是我們身體的主生物鐘。視交叉上核神經元的放電頻率在晝夜之間波動，白天最高，晚上最低。這一頻率會將時間信息傳達給大腦的其他部分以及我們所有的器官和組織。