潘柏滔

本文原刊于《举目》官网2017.10.17

 

2017年诺贝尔生理学或医学奖（Nobel Prize in Physiology or Medicine），授予了霍尔（Jeffrey C. Hall）、罗斯巴（Michael Rosbash）和扬（Michael W. Young）3位科学家，奖励他们发现了生物体中的“调控昼夜节律的分子机制”。

这项获奖的研究课题，与圣经中的创造神学有不谋而合之处，值得我们思考。

奇妙的同步

我们早就知道，生物，包括人类，有内在的生物钟（circadian rhythm），用以帮助生物预测和适应外界节奏规律。不过，这个生物钟具体是如何工作的呢？

这次获奖的3位科学家，经过多年的研究，利用果蝇作为模式生物，找出了一种能控制其日常生物节律的基因。而且，他们把这种“周期基因”分离了出来。接着，他们发现了周期基因编码的蛋白PER。这种蛋白在夜间不断累积，在白天分解，而且是以24小时为周期，正好与地球的昼夜一致。也就是说，地球生物的自有节律，奇妙地与地球自转保持了同步。

问题是，PER是怎么做到这样一点的呢？他们发现了时钟基因Timeless，它编码昼夜节律所需的TIM蛋白，以及另一种时钟基因Doubletime，它编码DBT蛋白，能够延迟PER蛋白的聚集。TIM与PER结合，双双进入细胞核并停止PER和TIM生产。

这些基因，加上其他控制生物钟过程的基因（例如Joseph Takahashi及同事在1997年发现的Clock），犹如生物钟的发条弹簧，通过正负调控等方式，调节着生物的昼夜节律。

生物钟例子

三文鱼

三文鱼（Salmon）会从大海游回自己的出生地（河溪的上游），繁殖下一代。

8月份是三文鱼回游的高峰。三文鱼成年以后，会利用太阳和地球磁场的引导，从大海回游到自己的出生地，繁殖下一代，然后力竭而死。回游的过程十分艰辛，不但要从海水进入淡水，还要逆流而上，在湍急的水流中奋力前游，在有落差之处要不懈地跳跃而过。它们的身体变得越来越红，仿佛流血，也有许多损伤，然而它们服膺大自然的神秘召命，义无反顾。

三文鱼目的，既是生，也是死——它们在繁殖下一代后，随即就死去。这艰苦的旅程，既为了生命而拼搏，也是自投死亡。对人类而言，为生存、为下一代拼搏至尽，是理解的。可是为了奔赴死亡而竭尽全力，就费解了。

大多鱼类都不会这样回游，为何三文鱼要走这一趟既生且死的旅程﹖在它们的遗传因子中，包含了一个深邃的指令，到了时候，它们就会听令，千里迢迢地回游。科学家正在采用如基因转录谱（comparative transcription profiles），在野生和饲养的三文鱼中比较，力图找到它们回游的基因机制。

 

 

帝王蝶

帝王蝶（Monarch Butterfly，学名Danaus plexippus），通过4代的接力，飞越上万里，从北美到达墨西哥越冬地。

千千万万只处在半冬眠状态的帝王蝶合抱着杉树，覆蓋著山坡。它们正在养精蓄锐，准备开春后重返北美的原野。望着这漫山遍野的帝王蝶，观赏的人可能不知道，帝王蝶春天里向北迁徙，秋天南返，要通过4代的接力才能完成此项壮举。也就是说，飞越上万里到达墨西哥越冬地的帝王蝶，生前从未到过该地。它们究竟是依靠什么机制，万里翩飞不迷路？帝王蝶体内一定有一种编码，指引著帝王蝶。

研究东北美国帝王蝶的科学家，发现帝王蝶体内有一套基因，可能参与驱使蝴蝶迁移。他们研究了与帝王蝶的迁徙循环相关联的40个基因。帝王蝶通过内部“太阳罗盘”来为自己定位，并向南开始4000公里的飞翔路程。

最新的研究证实，帝王蝶越冬迁徙的导航，依靠的是经生物时钟讯号校正过的太阳方位。帝王蝶一路西南行，早上沿着太阳右边向前飞，下午靠着太阳左边飞。其导航机制甚为复杂——太阳光线通过帝王蝶复眼的处理，经由大脑中央复合体中的复杂电路，并结合时间信息（帝王斑蝶的内部时钟集中在触须部位），最后判断出应该朝向哪个方向飞行。

植物

植物中也有生物时钟，调节每天的日常生理。

植物中的光合作用，以及与之相关的运动，是由遍布植物体的多个时钟共同控制的。例如在实验中可以观察到，光照对基因表达产生的影响，引起了光合作用组织的新陈代谢。叶绿体内的类囊体膜上的光收集器（Lhc），每天都会进行光合作用。光会影响细胞核基因的转录和翻译。到目前为止，番茄上已发现19个光收集器基因。

植物中还有早上时钟和晚上时钟。这两个时钟由NPR1基因连接，而且周期基因若产生变异，可以改变其节律的波动。科学家的这个发现，为控制生理时钟的基本机制提供了第一个线索：周期基因（“早晨基因”和“夜晚基因”）的蛋白产物，可以按著24小时的周期循环，抑制自身生产的反馈路线。植物拟南芥（Arabidopsis，又名阿拉伯芥），可按著病菌对它的早上攻击，在早上增强自身的防御功能，抵抗病菌感染。

 

 

时钟与寿命

人体内的生物钟，帮助调整我们的生理功能，包括行为、激素水准、睡眠、体温和代谢等关键功能，直接影响我们的健康。当外部环境和内部生物钟不匹配，当人的生活方式和身体内的生物钟出现长期慢性失调时，我们疾病的风险会增加许多。

例如，科学家以小鼠模型研究人类的生物钟，发现若缺乏一种Bmal1（核心时钟基因），会导致小鼠昼夜节律丧失，心率和血压的正常的昼夜变化消失。生物钟如此失调的结果是，小鼠老化加速，寿命缩短。

又如，老人通常都有睡眠的问题。如果科学家能消除人脑中的β-amyloid淀粉样蛋白(Aβ)沉积，使老人的生物钟正常化，很可能改善老人的痴呆病（老年痴呆症发作前的几年，人脑中会开始沉积Aβ）。

膳食与睡眠障碍也有关系。在食物中加上支链氨基酸（Branched chain amino acids），通过调节食欲的脑神经细胞的运作，可以改善小鼠因损伤而诱发的睡眠障碍，并可能促进脑损伤后的认知康复。

我们都知道咖啡因（caffeine）影响睡眠。科学家发现，睡前3小时内，若喝了与两杯黑咖啡相当的咖啡因剂量，会导人的昼夜节律褪黑素（melatonin，助长睡眠的荷尔蒙）节律延迟约40分钟。这种延迟的幅度，几乎等于面对3小时强光所引起褪黑素效应延迟的幅度的一半。

科学家们发现，咖啡因增加循环AMP（cyclic AMP，一种促进细胞活动的化合物）的水准，表明咖啡因影响细胞昼夜节律钟的核心成分。这种研究结果显示出世界上消费最广泛的咖啡因如何影响人类生理。

创造的节奏

生物钟并非无目的进化而来，而是反映了上帝创造生命节奏的奇妙。“日头出来，日头落下。”（《传》1：5）在《创世记》第一章，不断出现“有晚上，有早晨”，有始有终。上帝造光体，分日夜，定年岁，周而复始，成为地球和生命的节奏。

创造主无始无终，创造物有始有终。在上帝的计划中，凡事都有定时！

上帝造生物各从其类，在各种生物中设定生物钟，包括人类，使被造物按照上帝的设计，与地球节奏协调。造物主如此创造我们，我们就当按造物主的意思过我们的一生，否则会有不良的后果。

“上帝说”（参《创》1：3、6、9、11、14、20、24、26、28、29），“各从其类”（参《创》1：11、12、20-25），在《创世记》中，各出现了10次。“10”在希伯来文中，有圆满、完美的涵义，寓指上帝所造完美。宇宙万物不是自我存在或是毫无目的，而是一位有位格的创造者，按照祂的意愿，凭借祂的伟大和权能，说有就有，命立而立。

生物钟再次让我们体验到上帝在受造物中设立的自然秩序。上帝从无创造了有，从混乱中创造了次序。自然秩序是科学研究的大前提，也是人生活的依据。

生物钟再次表达出上帝创造生命节奏的奇妙。日月和生命的节奏提醒我们，凡事都有定时（参《传》3：1-8）。主耶稣也吩咐我们，一天的难处一天当就够了（参《太》6：34）。因为万事都是按照上帝的定时进行，我们只需谨慎自守，警醒祷告，等候上帝的旨意成就（参《彼前》4：7、17）。

 

参考书目：

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/时间生物学

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

 

作者来自香港，生物学博士及神学硕士。在美国惠顿大学（Wheaton College）任教41年，现为该校生物学名誉教授。