身體裡的日晷

幸運的是，體內有個更強健的計時器，每24小時會調整一回，稱為「日變時鐘」（circadian clock），該字源自拉丁文，circa是「約略」之意，diem則是「一天」。這個時鐘把我們的身體與地球自轉所造成的白日與黑夜週期配合一致，幫著建立每天日出而作、日入而息的生活習慣。不過，其影響還不只如此：我們的體溫每天在傍晚時分達到最高，在清晨起床前降至最低；血壓一般在早晨6~7點開始上升；壓力激素皮質醇（cortisol）的分泌量，在早晨是晚上的10~20倍高；排尿及腸道蠕動在夜裡通常受到抑制，到了早晨又恢復。

日變計時器比較像個時鐘，而非馬錶，因為它毋須外界環境的刺激就可運作。由自願生活在洞穴的人士或其他類似情況的受試者所做的研究顯示，就算沒有日照、工作上的要求及咖啡因的影響，日變週期的型態仍然存在。同時，這樣的週期變化存在於體內每一個細胞；就算是養在培養皿裡受到持續照明的人類細胞，仍然遵守以24小時為週期的基因活動、激素分泌以及能量的生成。這些週期的機制天生就長在細胞當中，變化的幅度小至1%，一天下來只差個幾分鐘。

就算日變週期的建立不需要光線，但這個天生內在時鐘的相位，仍舊需要自然界日夜週期的校準；就好比每天可能慢上或快上幾分鐘的普通時鐘一樣，內在的日變時鐘也需要不斷調整，以維持準確。有關日光如何調整身體內在的時鐘，神經學家已有相當的了解。長久以來，已知大腦的下視丘有一對稱為「視叉上核」（SCN）的神經核，擁有為數一萬左右的神經細胞，公認是生物時鐘的所在。幾十年來的動物實驗顯示，這對神經核推動了一天當中血壓、體溫、活動量以及警覺度的上下變動，同時也告知腦中的松果腺何時分泌褪黑激素（melatonin）；褪黑激素只在夜間分泌，可促進人類的睡眠。

今年（2002）稍早，分別有兩個團隊報告，眼睛的視網膜上有專門的細胞，負責將光照強弱的訊息傳給SCN。這些細胞當中有些稱為「節細胞」（ganglion cell），運作方式與負責視覺的桿細胞與錐細胞完全獨立；它們對於光線瞬間變化的敏感度低得多。這種反應遲緩的特性，對於日變週期系統很合適；如果說，觀賞煙火施放或是看場日場電影就會攪亂週期控制機制，那可不算什麼好事。

日變時鐘扮演什麼角色？

由於一些其他的發現，SCN在日變韻律所扮演的角色目前正進行新的評估。直到不久以前，科學家認定，SCN負責了全身器官及組織個別細胞計時器的協調控制。到1990年代中期，研究人員發現四種重要的基因，控制了果蠅、小鼠以及人類的日變週期。後續的研究發現，這四種基因不只在SCN有所表現，而是全身到處都有。美國西北大學的高橋說：「這些計時基因在全身上下都有所表現，那可是出乎我們意料之外的發現。」

今年，美國哈佛大學的研究人員報告，在小鼠的心臟及肝臟組織中，有超過1000個基因的表現，具有以24小時為週期的規律變化。不過，表現日變週期的基因在這兩種組織中有所差異，它們在心臟表現最多的時刻，與肝臟不同。美國維吉尼亞大學的曼內克說：「它們的分布占滿了時間地圖，有的在夜間最多，有的是在清晨，有的則在大白天。」

最近曼內克發現，在特定的時刻餵食動物，能使肝臟的日變週期產生相位移動，而掩蓋了SCN所遵守的光暗週期。他們將原本隨意進食的老鼠改成一天只餵食一回，結果某個計時基因在肝臟表現最多的時刻，位移了12個小時；同樣的基因在SCN的表現，則仍然與光照週期維持同步，沒有跟著改變。只要想到肝臟對於消化所扮演的角色，那麼每日進食的韻律會影響到肝臟，其實是相當合理的。研究人員認為，其他器官及組織的日變時鐘，也可能對每24小時規律出現的外界訊息產生反應，譬如說壓力、運動以及溫度變化等。目前還沒有人要SCN遜位：SCN對於體溫、血壓及其他核心韻律的權威性控制地位，仍然穩當，但這個腦部中樞對周邊時鐘的控制，已不再被認為是以鐵腕方式進行。高橋說：「我們身體器官內的節拍器，可以獨立於腦中的節拍器而運行。」

由於周邊生物時鐘具有自主性的發現，使得「時差」這種現象變得更容易理解。雖然體內的間距計時器就像馬錶一樣，可以在瞬間進行調整，但日變週期對於白晝長短或時區的急遽變化，則需要好些天甚至幾週的時間才能適應。新的光週期會逐漸重新設定SCN時鐘，但體內其他的時鐘則未必能亦步亦趨，於是，我們的身體不只是單純地落後而已，而是同時間有十來個各不相同的落後步調。

時差不會一直持續下去；理論上，所有不同的計時器終究都會調整成一致的步伐。但是對輪班的工作者、夜生活愛好者、大學生以及其他夜貓子來說，則面臨更糟的時間困境；他們可以說是「生理上的兩面人」。就算他們在白天有充分的時間闔眼，但其內在韻律仍然受到SCN的管轄；因此，身體內在的功能仍然在夜裡「睡著」。美國俄勒崗健康科學大學的陸伊說：「你可以隨自己的意思早一點或晚一點上床睡覺，但你可不能隨意就讓褪黑激素早一點或晚一點分泌；皮質醇及體溫的變化也一樣。」

在此同時，這些人的飲食及運動習慣，也可能將他們身體周邊的時鐘給重新設定，其相位與睡–醒週期或光暗週期完全不同。由於同時間內身體裡有那麼多不同的時區並存，也難怪從事輪班制工作的人較常出現心臟病、抱怨胃腸道不適，還有想當然耳，睡眠障礙的病例。

四時皆宜的時鐘

飛越時區造成時差及從事輪班制工作，是在短時間把內在日變時鐘與外界光暗週期或睡–醒週期的相位攪亂的特殊情況；但同樣的情事可能在每年季節變換時都會發生，只不過沒那麼突然罷了。研究顯示，雖然人們就寢的時間會有所變動，但早晨起床的時間一年到頭卻相當固定；通常是受到他們的狗、小孩、父母或是事業所逼。許多生活在緯度較高地區的人，到了冬季會在天亮前2~3小時起床。因此，他們的睡–醒週期與他們從太陽光得來的訊號，就差了好幾個時區。

白晝的長度與日常生活的不協調，可能造成一種稱為「季節性情緒失常」（SAD）的症候群。單是美國一地，每年從10月到3月之間，每20位成年人當中就可能有一位罹患SAD，出現體重增加、冷漠及疲倦等抑鬱的症狀。住在北方的人出現這種情況，要比住南方的人常見10倍。雖然SAD是季節性出現的毛病，但某些專家懷疑，這其實是日變週期出了問題。陸伊的實驗顯示，SAD病人在冬天如果能睡到天亮才起身，將可脫離抑鬱之苦。以他的觀點，SAD不盡然是種病症，而是睡–醒週期隨著季節韻律而產生的適應。陸伊說：「如果我們能隨著季節改變每日的作息時間，可能就不會出現季節性抑鬱了。要是我們不能做到日出而作、日入而息，問題也隨之出現。」

現代社會之所以不怎麼重視季節韻律的變化，部分原因是人類屬於對季節最不敏感的生物之一。比起其他動物所經驗的年度週期變化，好比冬眠、遷徙、蛻毛及交配等，SAD根本不算什麼。交配尤其是動物主要的節拍器，所有其他的季節性週期都跟著它走。這些季節性週期可能也受到日變時鐘的調節，該時鐘具有偵測白天及夜晚長度變化的能力；譬如說，冬季的漫漫長夜經由SCN及松果腺的感知及轉換，會延長了褪黑激素的分泌，反之到了夏季，褪黑激素的分泌也就縮短。曼內克說：「倉鼠可以分辨白晝長度為12小時及12小時15分鐘的差別，牠們的睪丸只有在白晝稍長一點的時候才生長，否則萎縮。」

如果說季節性週期變化在其他動物身上如此鮮明，而人類也擁有表現這項韻律的裝備，那我們又是如何失掉了這份能力？曼內克問：「為什麼就認定我們曾經擁有過這種能力呢？人類可是從熱帶地區開始演化的。」他的論點是說，許多熱帶動物並不表現明顯的季節性行為，是因為當地季節變化不大，所以牠們無此需要。多數熱帶動物沒有特定的交配季節，因為該地區沒有所謂「最好的生產季節」。人類也是一樣，隨時都性趣高昂。成千上萬年來，隨著我們祖先對環境有更多的掌控，季節更迭對於演化的推動之功，也變得愈來愈不重要。

不過人類的生殖生理當中，有個面向卻具有週期性的變化，即女性及其他雌性靈長動物每月一次的排卵。控制排卵及月經的時鐘已研究得相當清楚，是由化學迴饋路徑所調控，並可受到激素治療、運動，甚至有另一位經期中婦女的存在而影響。雖然如此，為什麼月經週期具有目前的特定長度，原因並不清楚；為什麼月經週期長度與月球週期相同的這個問題，也沒有多少科學家費神研究，更不用說解釋清楚了。至於月球光照或月球引力與女性生殖激素間的關聯，並沒有可信的證據。就這點來說，每月一回的月經時鐘仍然是一個謎，大概只有死亡這項終極之謎能夠凌駕其上。

腦內生物時鐘的運作機制

科學家發現了兩種「神經計時器」的運作方式：一種是間距計時器，計量的間距最長以小時為單位；另一種是日變時鐘，造成某些身體功能以24小時為週期而有高低變化。

間距計時器

根據模型之一，某事件開始並持續了一段熟悉的時間（好比交通號誌的黃燈亮起四秒鐘），會引發兩種大腦反應，活化了間距計時器的「啟動按鈕」。首先，一組具有不同放電頻率的特定皮質神經細胞（a）短暫地同時活化（b以及腦中的綠色箭頭）；同時促使黑質的神經細胞釋放出一陣傳訊化學分子多巴胺（紫色箭頭）。這兩種訊號同時作用在紋狀體的棘神經上（c），使紋狀體得以監視來自皮質細胞的整體脈衝形式，直到這些神經元回復原本各自的放電頻率為止。由於這些皮質細胞在間距開始時有同步的放電，並且每次也都以相同的順序進行後續的過程，最後等這段熟悉的間距告一段落時，也會出現特殊的形式（d）。在結束的那一刻，紋狀體送出「時間到」的訊息（紅色箭頭），經由腦中其他部位傳給負責決策的大腦皮質。

日變時鐘

每日的光暗週期，影響了體內許多以24小時為升降週期的生理活動。多虧視網膜上的節細胞幫忙，大腦得以追蹤光線的變化。某些節細胞擁有可能感光的黑視蛋白（melanopsin），讓節細胞能將光線明暗、長短的訊息送給腦中的視叉上核（SCN）。SCN再將訊息轉給腦中及身體其他控制日變活性的部位。研究人員了解得最清楚的，是造成松果腺分泌褪黑激素（又稱睡眠激素）的過程（見右圖）。SCN收到光照訊息後，傳送給腦中另一區稱為室旁核（見紅色箭頭）的構造，以阻止造成褪黑激素分泌的訊息傳遞。但是到了夜裡，SCN的煞車就放開了，室旁核將「分泌褪黑激素」的訊息（綠色箭頭）傳至胸椎部位的脊髓，經由頸部的神經節再到松果腺。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2002年第9期11月號】