生物钟和昼夜节律

有没有人曾经让自己的想象力失控?例如，我们最近遇到了一个蛾子在我们的房子里的问题，之后的一段时间，我确信我可以看到到处都是蛾子。幸运的是，我并没有发疯，因为美国范德比尔特大学的研究人员已经证明，你用“心灵之眼”看到的东西可能会直接影响你在现实中看到的东西。这是第一个研究表明，想象某件事会在想象时和想象后改变你的视力。

为了测试想象力如何影响对现实的感知，科学家们要求人们想象垂直或水平条纹的简单图案。然后他们给志愿者一只眼睛看绿色的水平条纹图案，另一只眼睛看红色的垂直条纹图案。这种情况对大脑来说很难处理，所以一个人会倾向于看到每个图像来回切换。

但在这种情况下，科学家们发现，一直在想垂直条纹的人更有可能看到垂直条纹的图案，而那些想到水平条纹的人更有可能专注于这些图案。研究小组还发现，在实验前向志愿者展示水平或垂直条纹的模糊图片也会影响他们在测试中看到的图案。

虽然这些都是非常简单的实验，但它们表明，想象以前的经历或期望，实际上可能会影响你所看到的东西。研究小组发现，在合适的条件下，一个想法就可以产生影响，而不需要多次想象。

这项研究的结果为科学家们提供了一种新的方法，可以客观地衡量一个人的心理意象可能有多强，以及它对他们对现实的感知有多大影响。因此，它可能是研究想象力的一个有用工具——这是一个研究人员很难研究的话题。

对大多数动物来说，出生前的生活是一段黑暗的经历。例如，人类被困在子宫里9个月，甚至从蛋中孵化出来的动物和鸟类也没有太多的光线到达它们。但现在新的研究表明，墨鱼可能不会以同样的方式被置于黑暗中。

墨鱼下蛋时，会被墨水染成黑色。但随着胚胎的发育和生长，卵子变得透明。有趣的是，在这一点上，小墨鱼的眼睛发育得很好。那么它们能从舒适的蛋里看到外面的世界吗?法国的Anne-Sophie Darmaillacq和她的团队的新研究结果表明，它们可以，这可能对墨鱼在恶劣的海洋环境中生存至关重要。

研究人员对墨鱼卵进行了研究，这些卵被放置在一个水箱里，在孵化前可以看到另一个单独的水箱。然后，研究小组把螃蟹放进另一个水箱，或者把它空着。这种设置意味着墨鱼不会接触到螃蟹发出的任何化学信号，而只会接触到视觉。

一旦墨鱼孵化，它们就会沉到水箱底部，看不到隔壁的螃蟹。然后，研究人员抓住了墨鱼宝宝，让它们选择吃螃蟹或墨鱼。他们发现，如果墨鱼还在卵里的时候就“见过”螃蟹，那么它们显然更喜欢吃螃蟹。

这是研究人员首次发现胚胎在出生前就能使用视觉信息的证据。但为什么它对墨鱼如此重要呢?这些动物非常依赖视觉——例如，当它们改变颜色、形状和图案以进行防御或交流时。

但它们是独自孵化的，没有父母的帮助来告诉它们如何寻找食物。所以，也许墨鱼宝宝在出生前就已经了解了它们可能的菜单选择，这样它们就能尽快开始进食了。

凯特-我认为证据表明你可能可以。很明显，它并不是生来就能听到的那种声音，因为那完全与气压有关。我认为有很多证据表明婴儿真的能感觉到他们耳朵周围液体的振动。

克里斯:美国海军在五年前做了一项研究，他们把一只在母羊体内发育的羊羔放在耳朵里，把一个微型麦克风放在羊羔周围的液体里，然后在羊外面放一个麦克风。他们使用扬声器播放声音，并从这三个地点进行录音。他们把录制的声音回放给一组志愿者听，并问他们能从刚刚听到的录音中理解多少。他们能100%理解绵羊体外麦克风所说的话，他们能听懂大约75%的声音，他们把麦克风放在羊体内婴儿周围的液体里，他们能听懂30-40%的声音，从羊宝宝耳朵里的录音中。这告诉你，当你和孕妇说话时要非常小心，因为宝宝很可能在偷听。凯特-不许说脏话!

来自北安普顿的朱迪思说:“我怀孕的时候，我的朋友们都拉小提琴，最喜欢的是维瓦尔第和巴赫。婴儿一出生，只要听到维瓦尔第或巴赫的音乐，他就会立即入睡，而其他音乐则没有效果，甚至可能会让他哭泣。婴儿一定是在子宫里就认识了这种音乐。”

凯特-我们现在请到了罗素·福斯特教授。我们所说的生物钟是什么意思?这里到底发生了什么?

罗素——我们每个人对一天都有一个内在的表述，我们用它来调整我们的生理和行为，以适应不同的活动和休息需求。大脑底部有一个非常重要的结构叫做视交叉上核(SCN)。如果大脑内的这种结构由于肿瘤或其他可怕的事故而被破坏，那么我们通常经历的24小时节律，如睡眠、醒来和其他所有事情都将失去。反过来，这个时钟是通过暴露在光暗循环中来设定的。当我们从伦敦飞往纽约时，我们最终会适应纽约时间，因为我们在那里经历了当地的昼夜循环。这会与SCN对话，并将我们的生物钟调整为当地时间。

克里斯:拉塞尔，这些细胞到底是怎么工作来计时的?

拉塞尔-你是说时钟细胞，还是光细胞?

克里斯-时钟细胞。

拉塞尔:嗯，这是一个令人难以置信的令人兴奋的领域或研究在过去的十年左右。它的核心是一个反馈循环。一个基因会产生一个信息。这个信息被翻译成一种蛋白质，然后这种蛋白质会进入细胞核，关闭自己的基因。就像开关一样。基因开启的速度或者蛋白质产生的速度，蛋白质形成其他蛋白质复合物然后进入细胞核的速度，这些都是至关重要的在一个开关变成24小时振荡的过程中。

克里斯:这有点像基因多米诺骨牌效应，一个基因启动，另一个基因启动，自己启动，整个过程以24小时为周期进行。

拉塞尔:当然。我们知道这些SCN神经元有这些基因。目前已知的有12到14种。最近才出现的发现是，人体中几乎每个细胞都有昼夜节律——一个24小时的振荡。这并不是说SCN在驱动身体其他部位的节律，它更像是一种导体——产生一个信号，身体的其他部位接受这个信号，并根据大脑中的主时钟调整自己的活动。

克里斯:24小时的重要性，大概是因为地球上的一天大约是24小时。

拉塞尔-没错。完全正确。

克里斯:时钟一开始是怎么设定的?

拉塞尔:这是我们花了很多时间研究的问题。这是一个非同寻常的故事。我们从90年代早期开始，我们基本上认为眼睛中的视觉细胞(它们是杆状细胞和锥状细胞)是用来探测光线然后设置时钟到当地时间的?我们开始研究患有遗传性视网膜疾病的老鼠，这些视杆细胞和视锥细胞已经损坏。真正不同寻常的是，尽管这些老鼠是视觉失明的，但它们仍然有能力利用光暗循环来调节自己的生物钟。我们知道它在眼睛里，因为如果你遮住眼睛，把动物与光-暗循环隔离开来，这种反应就会消失。大约十年后，从最初的观察我们现在知道，在眼睛里有第三类光传感器。它是一组光敏神经节细胞，它们直接感知光，将这些信息发送到大脑，并将SCN，即主时钟锁定在光-暗周期上。

克里斯:它们对什么样的光有反应?有旧光吗，还是一定要有一定的频率?

拉塞尔:嗯，它们对光谱中蓝色部分的光最敏感:大约480纳米。这就是你在晴朗的日子里在美丽的蓝天上看到的那种光。

为什么他们会选择那个特定的波长?我们知道吗?

这真是一个有趣的问题。如果有人要设计一个系统来探测环境亮度，那么你会把它设置在480度，因为这是环境中主要的光波长:尤其是在黄昏的时候。当然，在黄昏、黎明和黄昏的时候，时钟需要感应光线，才能锁定当地时间。

克里斯:让我们来谈谈这样的人，我想我也有这种情况，当冬天来临的时候，我觉得有点痛苦。很明显，有一种季节性情感障碍，人们在一年中的某些时候几乎会感觉到冬眠的冲动。这大概是某种时钟现象吧?

罗素-它似乎与时钟有关。关于SAD或季节性情感障碍的一些背景知识:正如你所说的，克里斯，它往往在冬季更为明显，英国约有2-3%的人经常被诊断为SAD。如果再往北，比如多伦多，那里的太阳在11月20日落在地平线上然后在1月20日再次升起大约20%的人被诊断为SAD。SAD不仅仅是你我可能会经历的冬季忧郁。这是一种非常严重的衰弱状态，对碳水化合物的渴望会大大增加。对睡眠的需求急剧增加。许多人只是没有精力起床，只能去冰箱里吃大量的碳水化合物。

克里斯:我们知道这些人有什么特别之处吗?为什么他们会这样?

拉塞尔-我们不知道。有一些特定的基因，实际上是一些生物钟基因开始与这种特殊情况联系在一起。现在还为时尚早。我认为对我们来说真正令人兴奋的是，我们现在知道光线在缓解SAD的一些症状方面确实有作用，这比安慰剂要好。正如你所知，大多数药物都有安慰剂效应，可能高达20-30%。光照治疗，尤其是晨光治疗比安慰剂要好。这看起来是一种由光调节的真实现象。

罗林·肯特，墨西哥——盲人是否也会因为光线不足而患上抑郁症?

拉塞尔:我认为这是一个非常有趣的想法，因为我们去年发表了一篇论文，研究的是一个没有视杆细胞和视锥细胞的人，但仍然可以利用这些新的受体来调节他们的生物钟。只有发现了这些细胞，我们才能提出这样的问题。假设是，你抑郁是因为你看不见。我们开始研究那些有这些细胞但没有视觉能力的人的抑郁症。

Colin Donnelly -全光谱灯泡如何预防季节性情感失调?

罗素——如果光足够亮，那么它的波长其实并不重要。当我们说这些感受器对蓝光最敏感的时候就是蓝光的波长如果你降低光的强度那么蓝光就会有效。如果你用的是足够亮的全光谱灯，效果就会很好。

克里斯-所以这就是人们早上在明亮的灯前休息的地方?

拉塞尔-没错，是的。

克里斯-这有用吗?

拉塞尔-很明显，它有效。现在我们开始了解其背后的机制。

Nassar Husari -我曾经听说，为了避免旅行时的时差反应，你应该在膝盖后面亮一个红灯。这是真的吗?

拉塞尔-我们杀了这家伙!1998年，康奈尔大学的一组研究人员提出，膝盖后面的红灯会训练生物钟。这得到了大量的宣传。当时我们很多人都认为这是无稽之谈。顺便说一句，它发表在《科学》杂志上。世界上有五项研究试图复制这些发现，但都彻底失败了。看起来在原始论文的实验设计中有一些人工制品从根本上是有缺陷的，他们犯了严重的错误。它确实引起了巨大的骚动。我向你保证，这是无稽之谈。

为什么有些人早上效率更高?生物钟研究得出的一个结论是，几乎肯定有不同种类的人。

罗素:我们讲过生物钟基因我们认为有12-14个生物钟基因。这些基因的微小变化现在与早晨偏好有关——早起的人与晚上偏好的人不同——那些我们称之为猫头鹰的人。你说得完全正确。有一些人，大约10%的人喜欢早起，我们说的是早上5点，但他们很早就上床睡觉，大约在晚上7点。

克里斯-我们有基因可以映射出这些不同的行为?

拉塞尔:事实上，有一项非同寻常的研究，叫做家族性睡眠前期综合征，已经追踪了五代人。它是一个微小的氨基酸，是其中一个蛋白质的变化。构成生物钟的14种蛋白质中的一种。这是一项非凡的研究。我们开始在这些偏好早晚的基因中发现越来越多的细微变化。我应该说，早晚的偏好确实会随着时间的推移而改变。当一个人从10岁到青春期再到20岁出头时，就会有一种想要晚睡、晚起、晚起的倾向。这似乎是一种真实的生物现象。我认为在我们的教育系统中有一些非常重要的后果我们可能需要讨论一下。

凯特:也许以后再上课?

拉塞尔:多伦多大学的证据表明。他们在上午中段或下午中段对学生进行测试，他们的分数在下午中段上升了10%。令人着迷的是，在同一时期，年长教师的分数下降了。

Ben P -我上下班都要花40分钟。我想睡觉，因为火车的运动使我昏昏欲睡。在这段时间里，我只睡过一次。大多数情况下，我在到站前醒来。这与我的生物钟有关，还是我的生物钟很好?

拉塞尔:他说的是，我想我们很多人都有过这样的经历:你在闹钟响前几分钟醒来。这背后的机制已经被讨论了很多。如果我们从我们的物种跳到蜜蜂。蜜蜂的生物钟几乎就像每天的日程表一样。他们会参考这个内部时钟来决定他们在一天中的不同时间什么时候会看到一种特定类型的花。例如，它们会在中午12点拜访一个物种，12小时后再拜访另一个物种。他们用自己的生物钟来安排特定的日常活动。人们认为我们或许也能做到这一点。这还不完全清楚，可能还有其他机制，但证据很充分，我们可以像小蜜蜂一样行动。

我们向罗素·福斯特教授提出了这个问题:

罗素——如果光足够亮，那么它的波长其实并不重要。当我们说这些感受器对蓝光最敏感的时候就是蓝光的波长如果你降低光的强度那么蓝光就会有效。如果你用的是足够亮的全光谱灯，效果就会很好。克里斯-所以这就是人们早上在明亮的灯前休息的地方?

拉塞尔-没错，是的。

克里斯-这有用吗?

拉塞尔-很明显，它有效。现在我们开始了解其背后的机制。

我们向罗素·福斯特教授提出了这个问题:

我们谈到了生物钟基因(参见罗素的访谈)，我们认为有12-14个生物钟基因。这些基因的微小变化现在与早晨偏好有关——早起的人与晚上偏好的人不同——那些我们称之为猫头鹰的人。你说得完全正确。有一些人，大约10%的人很早起床，我们说的是早上5点，但他们很早就上床睡觉，大约在晚上7点。

克里斯-我们有基因可以映射出这些不同的行为?

拉塞尔:事实上，有一项非同寻常的研究，叫做家族性睡眠前期综合征，已经追踪了五代人。它是一个微小的氨基酸，是其中一个蛋白质的变化。构成生物钟的14种蛋白质中的一种。这是一项非凡的研究。我们开始在这些偏好早晚的基因中发现越来越多的细微变化。我应该说，早晚的偏好确实会随着时间的推移而改变。当一个人从10岁到青春期再到20岁出头时，就会有一种想要晚睡、晚起、晚起的倾向。这似乎是一种真实的生物现象。我认为在我们的教育系统中有一些非常重要的后果我们可能需要讨论一下。凯特:也许以后再上课? Russell - Well, the evidence suggests from the University of Toronto. They tested pupils mid morning or mid afternoon and their scores went up by ten percent in the mid-afternoon. What was fascinating was that the older teachers' went down over the same time period.

Chris -现在和我们在一起的是Harriet McWatters博士，她来自牛津大学植物科学系。植物也有生物钟，这可能会让很多人感到惊讶。

哈丽特:是的，植物也有生物钟，在某些方面和你我的生物钟很像，因为它们和你我有同样的问题。他们生活在一个一天24小时有白天和黑夜的星球上。他们需要知道现在是什么时间，这样他们就可以协调他们日常生活的各个方面，比如花瓣开放与世界其他地方。罗素已经提到了蜜蜂。蜜蜂给花施肥，所以当蜜蜂来访时花瓣关闭的花不会授粉。它不会繁殖。

克里斯:植物的生物钟和罗素说的脑细胞一样吗?还是它们使用的是完全不同的生物钟?

哈丽特-答案是两者都有。每个植物细胞都含有时钟的机制，与罗素描述的动物时钟的机制非常相似。有一个反馈循环，蛋白质最终导致关闭自己的生产。植物体内实际的基因和蛋白质与动物体内的生物钟完全不同。

克里斯:我们最终都是从一个共同的祖先进化而来的:我们和植物。我们有很多共同的基因。我和香蕉有60%的DNA是相同的，我也没那么特别。为什么植物有自己的基因，而我们有不同的基因?

哈丽特-简单的回答是我们不知道。我们确实知道，时钟似乎非常重要，因为我们所研究的几乎所有多细胞生物都有时钟。在我们最了解的四个系统中分别是植物，动物，真菌时钟和蓝藻。实际的机制是完全不同的，这意味着时钟非常重要，在不同的谱系中进化了四次。

克里斯-这肯定会给你带来巨大的优势。

哈丽特:是的，因为它可以让你预测接下来会发生什么。每次太阳升起的时候，你都不会感到惊讶。如果你是白天活动的动物，你可以在天亮之前醒来开始狩猎。如果你是将要被出来的东西吃掉的东西，你可以回到你的藏身之处。你可以预见这些事件，而不是总是不得不对它们做出反应。

克里斯:植物也有一个季节，因为它们必须在一年的时间里做所有它们需要做的事情，那就是长叶子，生长，开花，结果，实际上是通过交配来结果，繁殖。一个工厂如何协调整个工厂的时间?

哈丽特:还有，叶子里的时钟似乎在探测和测量光周期。一些信号从叶子传递到植物将要开花的部分，告诉它坚持下去，它将停止产生这些，并开始产生生殖组织，比如花。这发生在单个植物上，也发生在植物群上。植物叶片中的时钟探测到外界的光周期，然后将信息通过植物传递给生殖轴。

克里斯:这是否意味着如果我们了解了它是如何工作的，我们就可以利用它，让植物认为它们的生长时间比它们实际的要少?然后我们投入更多的精力来更快地生长，这样我们就能从一种作物中获得更多的产量，例如?

哈丽特-是的，有可能。农业的一大目标是减少能源消耗。从植物生长中去除光周期实际上是非常重要的。例如，菊花对光周期非常敏感，也需要在一年中的特定时间生产:11月，然后在圣诞节期间再次生产。你需要使用大量的能源来生产植物。如果你能减少响应的光周期成分，它们就会生长，不管日光如何，只要你给它们合适的条件。

克里斯:如果我选择一种植物，这种植物很适合在世界上的某个地方生长，它习惯了一定长度的白天，比如赤道，因为那里的冬天和夏天的时间是不会变化的，我把它放在苏格兰，那里的夏天很长，很亮，冬天很暗，这会有什么不同吗?

哈丽特-这就不一样了。这可能比你从苏格兰走到赤道要少得多。热带植物习惯于以非常均匀的日长生长。苏格兰植物在夏季需要更多的光照。在我家里的花园里，我有一棵七叶树的幼苗，它是从我在苏格兰婆婆的花园里收集来的一棵松果上长出来的。这棵可怜的树比牛津当地的七叶树晚几周长叶，在这个季节早掉叶。

克里斯:它不能适应?罗素说的一件事是，我们的大脑可以调整我们的生物钟。你已经完成了相当于一个松果的跨大西洋飞行，但从苏格兰向南。圆锥不能复位，为什么?

哈丽特:它似乎无法重置，所以在它的小细胞里，它知道一天中长叶或落叶的关键时长。它不可能在一代人的时间里解决这个问题。长叶的时间是由基因决定的，对特定的种群来说是局部的。

科学家们已经证明，如果你给一株植物一段时间的艰苦生活，那么它的后代会表达出与你给它一个美好生活不同的基因。这几乎就像它在模仿性地告诉它的后代，看，你的生活将会很艰难——你需要在一个恶劣的环境中优化生长。你认为这是父母写在基因里的吗?

哈丽特-我想是家长写的。我们不知道一个单独的例子，是母亲的印记，如你所说的，还是基因指令的简单改变，如你需要16个小时的夜晚或14个小时的光照来产生你的种子。两者都有可能。

布什总统表示，他希望看到人类在未来50年内殖民火星。我们知道植物是从太阳获得能量并将其转化为我们可以使用的化学能的最好方式。这意味着我们需要在太空任务中携带植物。考虑到你刚才所说的——把植物从地球上带到太空，然后再带到更远的地方，这意味着什么?

哈丽特-有两件事要考虑。一个是你在火星上得到的波长的不同排列。地球上的植物适应了我们这里的波长范围，与火星大气非常不同。这就是火星看起来是红色的原因之一。此外，火星上的白天长度也不同，所以你需要研究一下种植植物对白天长度的影响。

我们向哈里特·麦克沃特斯提出了这个问题:

它们其实是一样的。它们是为了躲避恶劣环境而冬眠的时期。冬眠通常是动物为了躲避冬天。夏至是在炎热的国家，它试图避开夏天。它避开了一年中最糟糕的季节。

我们向哈里特·麦克沃特斯博士提出了这个问题:你在肠道中发现的普通细菌可能不会。有一类蓝绿藻通常被称为蓝藻，它们有很强的昼夜节律。