現在幾點鐘？

前言　計時，生物細胞令人驚異的功能

屋爾柏特

時間就在我們的基因裡。細胞是真正的演化「奇蹟」，因為它們是生命的基礎，而計時就是細胞令人驚奇的其中一個能力。生物時鐘（biological clock）無所不在，從簡單的細菌到昆蟲、鳥兒，當然還有我們人類。時鐘之所以無所不在的原因很清楚：地球每天自轉一周，並且繞著太陽公轉，因此，在地球上演化與生存的所有生物，終其一生都會暴露在晝、夜與明、暗的遞嬗更迭中。人類的生命約有三分之一的時間在睡覺；因此，對一般人而言，這等於是花上二十三年的歲月平躺在床上，沒有任何其他的人類活動會用掉這麼大部分的生命。

睡眠並不是唯一受到生物時鐘調控的過程。人體內的生理生化作用大都有節律性，且表現著強烈的日夜差異。心跳與血壓、肝功能（包括代謝酒精的重要功能）、新細胞的產生、體溫與許多賀爾蒙的製造等，都有著二十四小時的起伏現象。但只有過著「現代化」生活，像是飛到不同國家所引起的飛行時差（jet-lag）或必須輪班工作時，我們才會注意到這類事情。事實上，飛越不同時區與輪班工作雖然已經愈來愈常見，但其後果仍未受到重視。車諾比核能意外、海難或是火車相撞等人類重大災難，多數在夜半時分發生，這絕不是某種巧合。

生物時鐘有著深遠的醫療意義。因為如果我們的生理狀況有著日夜差異，就用不著訝異為什麼同樣的藥物會隨打針或服藥時間的不同，而有不同的作用。雖然這種醫療方法正逐漸成型，但努力還是不夠。只要找到最佳給藥時機而稍微增加癌症的治癒機率，就可以多拯救好幾千條的人命。我們甚至可以不必發展新藥，只要更有效的利用原有的藥物就好。同理可以應用到心臟疾病、糖尿病與其他的疾病；某些種類的抑鬱症，甚至還可能與冬季短且弱的日照所造成的生物時鐘障礙有關。

想了解人類生物時鐘的運作並不容易。但就像其他生物學的問題一樣，我們需要模型系統（也就是動植物）來提示其運作機制。從果蠅、小鼠與魚，以及許多在其他不常見生物身上所做的研究，已經提供了我們洞見，讓我們了解到，大自然如何讓時鐘運轉，並試著將時鐘調成當地時間。

這本書將為讀者介紹目前已知的生物時鐘。從人類時鐘的故事，到最近其他動物的生物時鐘如何運作的科學發現，我們都會看到特定基因及其產物如何引領我們及我們的器官來計時。遺傳學與分子生物的進展，在短短幾年內已經帶領我們走了一段很長的路，而我們對生物時鐘分子機制的了解，也正在快速進展當中。

傾聽生物時鐘的滴答聲響

佛斯特、克萊茲曼

當我們肚子餓了，我們就吃，累了我們就睡，渴了我們就喝。起碼我們是這麼想的；但這只是拜文明與鬧鐘之賜，讓我們有自由選擇的假象。倘若只能使用我們的天然裝置，那麼告訴我們何時該飲食、何時該睡覺、以及何時該進行何種生物功能的，可就不是我們的自由意志，而是我們體內的生物時鐘了。

不只我們的身體行為受到這個專制計時器的支配，我們的心境與情緒也都隨著每天的節律與時擺盪。甚至連我們最親密的時刻也受這個計時器的影響：晚上十點鐘，是作愛的最佳時刻。

人類已經切斷了許多與大自然的聯繫。我們的食物是事先包裝好的，飲用水是瓶裝的，我們不再咀嚼葉片而是吞服藥丸；電力把黑夜變成了白天，中央暖氣把寒冬變成了春日。但如果不帶手錶深入黑暗地穴，只消幾天不見天日，我們就會回歸原始的生物模式。沒有了時間的提示，我們的節律就會慢慢漂移開來，不再與外在世界同步。

大自然充滿了各種日節律、月節律、年節律。早起的鳥兒有蟲吃、榛睡鼠冬眠以避寒、植物每天定時花開花閉、蜂兒尋覓饒富蜜汁的花朵好似事先約定、帕洛洛蟲跟隨月亮週期每年群聚一次、銀漢魚另外還多了潮汐計時器。如同人類是時間的動物，其他生物也已經運用各種計時裝置來協調其行動，就好像我們現在利用時鐘與月曆來告訴我們什麼時候該做什麼事的情形一樣。

我們與其他生物最大的不同，是我們的認知可以超越這些自古遺傳下來的節律。我們可以不必聽從身體的指令而上床睡覺，我們可以再續一杯咖啡，提高收音機的音量，搖下車窗，然後欺騙自己我們可以打敗數十億年來的演化。

但這是不可能的。我們和地球上幾乎所有的生命（動物、植物、藻類、細菌）一樣，有著一個從三十億年以前就開始計時的生物時鐘。

烙印在生物體內的各種節律

氣候在改變，山脈在形成，而陸塊也在重組。但自從地球與月球固定在它們的運行軌道之後，這個永變環境中唯一不變的，是地球每24小時會順著地軸自轉一次，每次的時間相差不會超過一兩分鐘；每365.25天，天狼星會隨著太陽升起；每29.5天，月亮會圓缺變換一次；而每一天，海水會有兩次的潮起潮落。我們不必太訝異，這些基本節律已經烙印到生物體內；我們也不用太訝異，能預測並善用這些變化的生物，會有演化上的優勢。對生活在旋轉星球上的生物而言，這些節律是必然的結果，它們可以用來計時；而透過這些內在的計時機制，生物學會在一個每天有著規律變化的環境中，為自己爭取最佳的繁殖機會。

這些節律是由人體自行產生的，而生物體的計時機制也控制著許多不同的行為。「超日節律」（infradian rhythm；比一天還長的節律）安排以數月或一年為週期的事件，像是遷移、生殖與冬眠；有些節律甚至還要更長，像蟬兒的生殖週期就是每13年或17年，會有兩個星期的繁殖高潮。

我們的中樞時鐘編排每天的「約日節律」（circadian rhythm；約24小時的節律），以維持身體機能的和諧運作。這個內在時鐘如果受到干擾，我們的身體就會出現問題，從比較輕微的時差，一直到嚴重、甚至可能致命的症狀，像是抑鬱與睡眠障礙，都可能被引發。

生物時鐘：身體管弦樂團的指揮

這個時鐘就像管弦樂團的指揮，指揮人體各部隨著共同節奏起舞，以確保所有事情不會同時發生，身體的生化功能可以準時循序發揮作用。生物時鐘協調晝行性（diurnal）或夜行性（nocturnal）或晨昏性（crepuscular）生物的活動與休息時間，以確保其活動高峰正是可以取得食物、陽光、或獵物的時候。生物時鐘讓人類與其他生物，可以針對環境可預料的規律性變化（光線、溫度、溼度、紫外線輻射等），未雨綢繆。

生物時鐘所擔負的責任，是這個構造必須要能根據日、月、年的不同時間，而改變生物體的行為優先順序。生物時鐘每天會在日升日落之時重設（reset），讓天體時間連上生物的體內時間，就像是收音機的報時聲響，可以讓我們依原子鐘不變的振盪來校準我們的手錶一樣。
人們研究這些節律是有許多理由的，它們的生物機制本身就很有趣。田野生物學者對動植物如何適應其生存環境產生興趣，生物節律也撩起他們的好奇心。生理學者與分子生物學者則一直都在拆解生物時鐘，尋找它們的運作機制。此外，生物時鐘對行為的遺傳機制也提出了重要見解。目前研究最清楚的行為模式，是約日節律所控制的行為。研究人員已經找到了基因、蛋白質與神經傳遞素，可以共同解釋像睡眠時間這麼複雜的行為，而且也確定了參與控制的神經構造。

臨床醫師對生物節律的興趣更大。許多證據指出，如果我們能更了解疾病24小時的發展情形，也能更了解給藥時機的重要性，那麼我們就可以改善癌症與許多其他疾病的治療方法。

邀您共享生物研究「美好的片刻」

我們希望用心與隨意的讀者都能在讀完這本書後，起碼對生物時鐘有個基本認識，也對生物研究的本質有些了解。羅西尼在談到華格納的歌劇時說：「華格納先生有著美好的片刻，但整個小時都很糟糕。」生物研究就像這樣，數週、數月、甚至數年的冗長單調，夾雜著發現某些新東西的濃烈快感。雖然目前我們的生物知識還無法完全解釋這種情緒狀態，但趨動許多研究人員的正是這「美好的片刻」。

這本書中會談到許多研究生物時鐘的科學家，但還有更多的人沒被提到。時至今日可能有遠超過一千位科學家在從事生物時鐘的基礎科學研究，另一方面則起碼有十倍於這些科學家的人，把這些資訊應用到醫療、農業、園藝、載人太空船、與戰爭上頭。

二十四小時馬不停蹄的工作，是現今所有行業的常態。受僱於公用事業、加工業、運輸業、製造業、金融業、休閒業、零售業、緊急部門、媒體與教育機構的人們，都是隨著人工節律的腳步在度日。我們這些已開發國家的人，現在生活在一個「24/7」（每星期七天，每天二十四小時）的社會。然而強加於我們身上的這種生活型態，與我們的基本生物需求是相抵觸的，其所造成的衝擊，可以從我們在日常生活的壓力，與維持身心健康間努力取得平衡看得出來。如今我們已經知道，我們想要的生活方式以及我們身體被設計來生活的方式，兩者之間的根本緊張關係。希望我們對此基本生物學的逐漸了解，可以為現代生活的這種根本困境，提出一個解決之道。

這是本引人入勝的書，訴說的不只是從分子生物學到精神病學的最新發現，還有從生態層面到輪班工作的生活、社會影響；這些深入淺出的內容，在在給我們無限的啟發！

——樓恩勒柏格（T. Roenneberg）教授

從這本書中，我們可以清楚的一覽日復一日驅動著我們，以及所有生物的時鐘，如何從遠古代代遺傳了下來、如何運作，以及對我們的重要性。

——羅絲（S. Rose）教授

佛斯特與克萊茲曼運用了全新的觀點，闡述生物節律對醫療的重要性。書的內容不僅寓意深遠，也令人愛不釋卷！

——黑斯汀斯（J. W. Hastings）教授

全球首屈一指的時間生物學家，現於倫敦大學帝國學院（Imperial College）教授分子生物與神經科學。 曾榮獲英國動物學會科學獎章（Zoological Society’s Scientific Medal），並且以他在時間生物學領域卓越的研究成果，獲頒Honma Prize。佛斯特不僅熱中於生物節律研究，也是優秀的教學者，曾獲帝國學院頒發傑出教師獎。

市場行銷、市場調查專家，曾任職於廣告公司，並且在英國Henley Centre擔任行銷顧問經理長達十年。 克萊茲曼熱中於社會觀察，長期關注人類對健康議題的態度，並曾主持英國一項大型的政府計畫，目的在推動工作場所的勞工健康觀念。另著有《The 24 Hour Society》一書。

台大動物系畢業，美國伊利諾大學生理及生物物理學博士。曾於美國約翰霍普金斯醫學院暨霍華休斯醫學院擔任博士後研究員。 現任長庚大學醫學系生理暨藥理科副教授、神經生理實驗室主持人，專研哺乳動物生物時鐘細胞與離子通道表現。 著有《生理學》（與樓迎統等人合著，2005年出版），並長期擔任《科學人》雜誌編譯委員。