生物時鐘:誰的手筆?(潘柏滔)2017.10.17

潘柏滔

本文原刊於《舉目》官網2017.10.17

 

2017年諾貝爾生理學或醫學獎(Nobel Prize in Physiology or Medicine),授予了霍爾(Jeffrey C. Hall)、羅斯巴(Michael Rosbash)和揚(Michael W. Young)3位科學家,獎勵他們發現了生物體中的“調控晝夜節律的分子機制”。

這項獲獎的研究課題,與聖經中的創造神學有不謀而合之處,值得我們思考。

奇妙的同步

我們早就知道,生物,包括人類,有內在的生物鐘(circadian rhythm),用以幫助生物預測和適應外界節奏規律。不過,這個生物鐘具體是如何工作的呢?

這次獲獎的3位科學家,經過多年的研究,利用果蠅作為模式生物,找出了一種能控制其日常生物節律的基因。而且,他們把這種“週期基因”分離了出來。接著,他們發現了週期基因編碼的蛋白PER。這種蛋白在夜間不斷累積,在白天分解,而且是以24小時為週期,正好與地球的晝夜一致。也就是說,地球生物的自有節律,奇妙地與地球自轉保持了同步。

問題是,PER是怎麼做到這樣一點的呢?他們發現了時鐘基因Timeless,它編碼晝夜節律所需的TIM蛋白,以及另一種時鐘基因Doubletime,它編碼DBT蛋白,能夠延遲PER蛋白的聚集。TIM與PER結合,雙雙進入細胞核並停止PER和TIM生產。

這些基因,加上其他控制生物鐘過程的基因(例如Joseph Takahashi及同事在1997年發現的Clock),猶如生物鐘的發條彈簧,通過正負調控等方式,調節著生物的晝夜節律。

生物鐘例子

三文魚

三文魚(Salmon)會從大海游回自己的出生地(河溪的上游),繁殖下一代。

8月份是三文魚回游的高峰。三文魚成年以後,會利用太陽和地球磁場的引導,從大海回游到自己的出生地,繁殖下一代,然後力竭而死。回游的過程十分艱辛,不但要從海水進入淡水,還要逆流而上,在湍急的水流中奮力前遊,在有落差之處要不懈地跳躍而過。它們的身體變得越來越紅,彷彿流血,也有許多損傷,然而它們服膺大自然的神秘召命,義無反顧。

三文魚目的,既是生,也是死——它們在繁殖下一代後,隨即就死去。這艱苦的旅程,既為了生命而拼搏,也是自投死亡。對人類而言,為生存、為下一代拼搏至盡,是理解的。可是為了奔赴死亡而竭盡全力,就費解了。

大多魚類都不會這樣回游,為何三文魚要走這一趟既生且死的旅程﹖在它們的遺傳因數中,包含了一個深邃的指令,到了時候,它們就會聽令,千里迢迢地回游。科學家正在採用如基因轉錄譜(comparative transcription profiles),在野生和飼養的三文魚中比較,力圖找到它們回游的基因機制。

 

 

帝王蝶

帝王蝶(Monarch Butterfly,學名Danaus plexippus),通過4代的接力,飛越上萬里,從北美到達墨西哥越冬地。

千千萬萬隻處在半冬眠狀態的帝王蝶合抱著杉樹,覆蓋著山坡。它們正在養精蓄銳,準備開春後重返北美的原野。望著這漫山遍野的帝王蝶,觀賞的人可能不知道,帝王蝶春天裡向北遷徙,秋天南返,要通過4代的接力才能完成此項壯舉。也就是說,飛越上萬里到達墨西哥越冬地的帝王蝶,生前從未到過該地。它們究竟是依靠什麼機制,萬里翩飛不迷路?帝王蝶體內一定有一種編碼,指引著帝王蝶。

研究東北美國帝王蝶的科學家,發現帝王蝶體內有一套基因,可能參與驅使蝴蝶遷移。他們研究了與帝王蝶的遷徙迴圈相關聯的40個基因。帝王蝶通過內部“太陽羅盤”來為自己定位,並向南開始4000公里的飛翔路程。

最新的研究證實,帝王蝶越冬遷徙的導航,依靠的是經生物時鐘訊號校正過的太陽方位。帝王蝶一路西南行,早上沿著太陽右邊向前飛,下午靠著太陽左邊飛。其導航機制甚為複雜——太陽光線通過帝王蝶複眼的處理,經由大腦中央複合體中的複雜電路,並結合時間信息(帝王斑蝶的內部時鐘集中在觸鬚部位),最後判斷出應該朝向哪個方向飛行。

植物

植物中也有生物時鐘,調節每天的日常生理。

植物中的光合作用,以及與之相關的運動,是由遍佈植物體的多個時鐘共同控制的。例如在實驗中可以觀察到,光照對基因表達產生的影響,引起了光合作用組織的新陳代謝。葉綠體內的類囊體膜上的光收集器(Lhc),每天都會進行光合作用。光會影響細胞核基因的轉錄和翻譯。到目前為止,番茄上已發現19個光收集器基因。

植物中還有早上時鐘和晚上時鐘。這兩個時鐘由NPR1基因連接,而且週期基因若產生變異,可以改變其節律的波動。科學家的這個發現,為控制生理時鐘的基本機制提供了第一個線索:週期基因(“早晨基因”和“夜晚基因”)的蛋白產物,可以按著24小時的週期循環,抑制自身生產的反饋路線。植物擬南芥(Arabidopsis,又名阿拉伯芥),可按著病菌對它的早上攻擊,在早上增強自身的防禦功能,抵抗病菌感染。

 

 

時鐘與壽命

人體內的生物鐘,幫助調整我們的生理功能,包括行為、激素水準、睡眠、體溫和代謝等關鍵功能,直接影響我們的健康。當外部環境和內部生物鐘不匹配,當人的生活方式和身體內的生物鐘出現長期慢性失調時,我們疾病的風險會增加許多。

例如,科學家以小鼠模型研究人類的生物鐘,發現若缺乏一種Bmal1(核心時鐘基因),會導致小鼠晝夜節律喪失,心率和血壓的正常的晝夜變化消失。生物鐘如此失調的結果是,小鼠老化加速,壽命縮短。

又如,老人通常都有睡眠的問題。如果科學家能消除人腦中的β-amyloid澱粉樣蛋白(Aβ)沉積,使老人的生物鐘正常化,很可能改善老人的癡呆病(老年癡呆症發作前的幾年,人腦中會開始沉積Aβ)。

膳食與睡眠障礙也有關係。在食物中加上支鏈氨基酸(Branched chain amino acids),通過調節食欲的腦神經細胞的運作,可以改善小鼠因損傷而誘發的睡眠障礙,並可能促進腦損傷後的認知康復。

我們都知道咖啡因(caffeine)影響睡眠。科學家發現,睡前3小時內,若喝了與兩杯黑咖啡相當的咖啡因劑量,會導人的晝夜節律褪黑素(melatonin,助長睡眠的荷爾蒙)節律延遲約40分鐘。這種延遲的幅度,幾乎等於面對3小時強光所引起褪黑素效應延遲的幅度的一半。

科學家們發現,咖啡因增加迴圈AMP(cyclic AMP,一種促進細胞活動的化合物)的水準,表明咖啡因影響細胞晝夜節律鐘的核心成分。這種研究結果顯示出世界上消費最廣泛的咖啡因如何影響人類生理。

創造的節奏

生物鐘並非無目的進化而來,而是反映了上帝創造生命節奏的奇妙。“日頭出來,日頭落下。”(《傳》1:5)在《創世記》第一章,不斷出現“有晚上,有早晨”,有始有終。上帝造光體,分日夜,定年歲,週而復始,成為地球和生命的節奏。

創造主無始無終,創造物有始有終。在上帝的計劃中,凡事都有定時!

上帝造生物各從其類,在各種生物中設定生物鐘,包括人類,使被造物按照上帝的設計,與地球節奏協調。造物主如此創造我們,我們就當按造物主的意思過我們的一生,否則會有不良的後果。

“上帝說”(參《創》1:3、6、9、11、14、20、24、26、28、29),“各從其類”(參《創》1:11、12、20-25),在《創世記》中,各出現了10次。“10”在希伯來文中,有圓滿、完美的涵義,寓指上帝所造完美。宇宙萬物不是自我存在或是毫無目的,而是一位有位格的創造者,按照祂的意願,憑藉祂的偉大和權能,說有就有,命立而立。

生物鐘再次让我們體驗到上帝在受造物中設立的自然秩序。上帝從無創造了有,從混亂中創造了次序。自然秩序是科學研究的大前提,也是人生活的依據。

生物鐘再次表達出上帝創造生命節奏的奇妙。日月和生命的節奏提醒我們,凡事都有定時(參《傳》3:1-8)。主耶穌也吩咐我們,一天的難處一天當就夠了(參《太》6:34)。因為萬事都是按照上帝的定時進行,我們只需謹慎自守,警醒禱告,等候上帝的旨意成就(參《彼前》4:7、17)。

 

參考書目:

Science 06 Oct 2017:Vol. 358, Issue 6359, pp. 18, DOI: 10.1126/Science. 358.6359.18

https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2164-15-884

http://www.npafc.org/new/publications/Technical%20Report/TR9/Nakamichi%20et%20al.pdf

http://www.wenxuecity.com/blog/201607/64367/1129592.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2009/03/090330200615.htm

http://repPERtlab.org/media/files/publications/are2015.pdf

https://zh.wikipedia.org/wiki/時間生物學

http://www.ebiotrade.com/newsf/2015-6/2015623173306517.htm

 

作者來自香港,生物學博士及神學碩士。在美國惠頓大學(Wheaton College)任教41年,現為該校生物學名譽教授。

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