时间生物学及其在社会诸领域的应用，本文主要内容关键词为：生物学论文,领域论文,时间论文,社会论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
【摘要】本文讨论了国内外时间生物学研究的历史和现状，评介了有关生物节律的几种理论假说，初步探讨了时间生物学在教育、医疗、生产、社会诸领域的实际应用。
【关键词】 时间生物学 社会
时间生物学是研究各类生物体的时间节律或时间结构及其机制与规律的一门新兴学科。虽然人类有关生物节律（或即“生物钟”）的探索，历史悠久，但是真正对生命现象的时间节律或时间结构开展科学研究，还是现代科学的事情。1937年在瑞典国际生物学会议上，成立了国际生物节律学会。1950年在美国著名生物学家F·哈尔贝格（Franz Halberg）等人的倡议下，开始将有关生物节律的研究第一次命名为时间生物学，标志现代时间生物学的正式诞生；与此同时，国际生物节律学会也更名为国际生物学会。从此时间生物学的科学研究和应用实践，便以极快的速度和相当的规模发展起来了。
1 生物节律研究的历史和现状
人类早已发现，所有的生物体，它们都有自己特定的生物节律。例如草履虫的生命中枢——细胞核，总是每天中午12点变得最小，深夜12点变成最大，这样周而复始，都以24小时为其生命的节律。一种伴随着潮汐的涨落活动的招潮蟹，每天总是在来潮前的10分钟安全入洞，它的颜色黎明变深，黑夜变浅，第二天又变深。而且，它每天颜色变深的时间，总要比前一天晚约50分钟，从而同退潮的时间严格地保持同步。这说明招潮蟹的生物钟是由影响它的海潮校准的。曾有人试验，把这种蟹从海滩移居到暗室以后，在其后的好几个星期里，其时间规律依然如故，足见招潮蟹生物钟之准确。
实验发现，果蝇的蛹孵化成虫是在破晓以后不久，如果将它置于连续光照或连续黑暗的条件下时，它孵化的时间节律也还是这样。尽人皆知，夜合树叶总是迎着朝阳而开，顺着夜幕而闭；豆苗的叶子，也是白天抬起，夜间下垂；公鸡黎明前定时啼叫；候鸟的来去；鱼类的回游与产卵；动物的寻偶与生殖等等，也都有其固定的时间节律。再如生活在我国西沙群岛的鲣鸟，白天飞向大海捕食飞鱼，傍晚返回岛上栖息，每天都准确地引导渔船出海与返航，所以它被渔民誉之为“导航鸟”。它们同其他的鸟类与动物一样，都是利用太阳或星座作为定向的罗盘，而凭自身的生物钟以校准时间。北美有一种燕子，从南美集体返回过冬的时间，每年都在3月19日前后。可见，一切生物的活动，都严格地受制于自身不同类型的生物节律。
早在两千多年前，我国最早的医学典籍《内经》，就对人体的四时、日月和超年度生理节律作了详细记载，并对其临床应用作了广泛而精辟的论述，从而成为祖国医学与世界生物节律医学或时间生物医学的宝贵遗产[1]。
法国学者德·梅伦1729年关于植物节律周期的记录，便是研究生物节律的早期文献。他当时观察到植物的叶片即使在暗室条件下，也仍然保持着昼开夜闭的特征。18世纪中叶，瑞典生物学家林奈发现植物开花也有时间节律，并第一次提出了“花钟”的概念。据此有人设计了一只时钟，钟面用了几种特殊的花朵图案代替惯用的数字，以便形象地标志时间的变化。后来又发现了鸟类也有时间节律，这时有人则用了几种鸟的图案来设计钟面。
二百多年来，不仅研究了原始的单细胞，而且研究了各种类型的植物和动物，积累了有关生物节律方面的大量资料，从而促进了时间生物学的诞生与发展。1937年在瑞典成立了国际生物节律研究会，后改为国际时间生物学会，标志生物节律的科学研究达到了现代的水平。
1960年全世界二百多名科学家云集美国长岛，举行了时间生物学的第一次国际学术讨论会。这次会议除交流50多篇学术论文以外，还汇编出版了共20卷8200页的生物节律研究资料。赴会的有各类生物学家、物理学家、化学家、数学家、内科学家、心理学家等等，有这么多学科门类齐全的学者参加研究生物节律，除了因为这门学科极其复杂以外，还在于生物节律与人类面临的各种问题密切相关。
深入探索各类生物节律的解剖结构与组织部位，这是一项困难而复杂的工作。经过多年努力，目前已经搞清了许多生物节律的解剖部位与组织结构：比如确认了丝蚕的生物钟在它的脑内；蟑螂的在脑的视叶；鸟类的在脑的松果体；哺乳动物的则在其视交叉上核；高级哺乳类如鼠、猴等的生物钟可能不止一个，已经确证的是下丘脑中两串细园形的神经细胞。生物节律解剖结构的深入探索，使时间生物学的研究进入了一个新的阶段。
1988年10月，在成都举行的“国际时间生物、医学学术讨论会”，这是在我国举行的这方面的第一次国际学术会议。30个国家和地区许多学科的130余名专家学者出席了这次讨论会。会议期间，经中国科学技术协会批准，正式成立了中国时间生物学时间医学学会，这标志我国的时间生物学和时间医学的研究进入到一个新的阶段[2]。现代时间生物学的创始人、国际时间生物学会名誉主席F·哈尔贝格教授出席了这次讨论会，并作了题为《时间生物学——一门有关生命节律的科学》的专题报告。他强调指出：“研究生物时间结构，探讨决定时间结构的机制以及在不同的条件下生物体内时间结构如何变化是时间生物学这门新学科的主要任务”[3]。
2 生物节律机制的几种假说
关于生物节律本质的探索一直在深入地进行中，当前并存着几种不尽相同的科学假说。
2.1 一是“内源节律”（自激节律）论
有些科学家认为，生物节律是生物体内固有的一种守时机制，它控制着有机体的组织、器官和细胞的一切时间过程，是长期在自然选择的作用下，只有那些能够适应自然界环境节律（如太阳日等）的个体才能生存下来，而那些不能适应的则被淘汰掉[4]。几百万年以来，宇宙的自然节律就这样在生物的遗传基因上打下了深深的烙印，从而演变为生物自身的时间节律器即生物钟。因此，生物的节律特征应该是一代一代遗传下来的，所以每种生物都有其特殊类型的节律，甚至就在同一物种之内，不同类型个体的时间节律也不相同。
人们曾经把夜行活动的老鼠，放在相同温度和连续光照条件下实验了几个星期。结果显示，当老鼠再也得不到日夜交替的信号时，它自身的时间节律依然存在，并继续对其活动与睡眠进行准确的控制。这种在实验条件下，生物仍然保持下来的时间节律称为“自激”内源节律。
生物节律似乎存在于生物体的各个部分，甚至存在于每个细胞之中。现代生物学的实验表明，细胞的机能具有一定的节律周期，即使把细胞核去掉，原生质剩下的部分也仍然保持着某些节律，这说明生物钟是所有生物的各种细胞结构的组成部分。我们知道，各种生物体的结构和功能，都有赖于细胞内合成的蛋白质。然而，每一种蛋白质的合成，又都是在特定的遗传物质控制与指导下完成的。实验证明，生物细胞中这些结构功能的变化，以及时间节律的变化，都取决于核酸大分子生理节律的控制。由此看来，每个细胞乃至整个生物体所表现出来的时间节律，很可能就是核酸大分子在一天中的不同时间，指导合成各种蛋白质所需要的时间及其所经历的过程[1]。
2.2 二是“外源节律”（环境节律）论
另一些科学家认为，生物节律是生物体的生理机能对来自外部环境信号的反应[4]。由于它受外力调节，所以是外源性的。置于实验室的招潮蟹，它的活动之所以还能与潮汐规律同步，很可能是由地球、月亮与太阳相对位置的变化，所引起的大气压力的轻微波动或潮汐造成的。他们认为，实验室里的老鼠虽然感知不到外界光暗交替了，但是宇宙线、地磁场、天体引力和电磁场等仍然在对它起着作用，所以老鼠仍然继续保持同太阳日同步的时间节律。有人把大西洋西岸的招潮蟹用暗箱装运到东岸以后，在一个短时间内它仍然保持同西岸日出时间一致的颜色变化节律，其后颜色的变化便同东岸的日出时间一致了。可见，招潮蟹的生物节律也是与太阳日同步的。最精彩的却要算马铃薯实验了，把它长期密封在恒温、恒压的暗箱里时，它虽然与调节其新陈代谢的外界信号隔绝了，但实验表明，它的新陈代谢率，竞然随着月球的运行和不断振荡着的地球大气压而发生变化，而且这种变化还同宇宙辐射，以及太阳与月亮运行的周期相关。据此还发现，密封容器里的马铃薯可以预报天气，准确地反映室外气温与气压的种种变化。此外，扁虫与蜗牛能够感知磁场和电场；蚂蚁、海龟、鱼类与鸟类可以根据太阳的方位确定自己的运动方向；沙蚤在白天用太阳作为定向罗盘，而在夜间则以月亮定向。所有这些观测事实，看来都在不同程度上支持着“外源节律论”[5]。
2.3 三是“综合节律”（现实节律）论
国内一些学者主张运用唯物辩证法进行分析研究，以便全面地解释生物节律的产生和发展。例如有人指出，自然环境即外力是影响生物节律周期变化的必要条件，而机体结构即内因则是形成生物节律的内在根据[6]。这种“综合论”虽有一定道理，但是尚需阐发与证明。可以认为，生物界普遍存在着的似昼夜节律（最短的18小时，最长的28小时），就是“综合节律”论最有力的证据。因为生物的似昼夜节律，正是综合了体内自激节律和体外环境节律的必然结果。实验表明，置于长期连续光照条件下的夜行动物的似昼夜周期，一般短于24小时；而始终放在黑暗条件下的昼行动物的似昼夜周期，一般长于24小时。剧烈的温度变化，可以推迟招潮蟹颜色变化的时间6小时，从而使它的节律也变成了似昼夜的。这就是说，外力的作用可以动摇或改变自激内源节律，从而演变为现实的似昼夜节律。同时许多实验还表明，生物的体内因素也可以改变或矫正自然环境节律。正因为如此，所以现实存在着的生物节律，似昼夜节律，都是经过生物体改造过的自然节律，而绝非原初状态下的自然环境下的自然环境节律了。由此可见，不仅体内因素可以将自然环境节律改造成为生物体内的似昼夜节律，而且环境因素也可以动摇生物体的内源节律，从而演变为似昼夜的现实节律。
由此看来，无论自激内源节律还是自然环境节律，都不是绝对不变的，它们在一定的条件下，通过似昼夜现实节律的中介与过渡而相互转化着。不言而喻，自激内源节律与自然环境节律，不过是似昼夜的现实节律向两极的延伸罢了。这样，“综合节律”论也就把“内源节律”论和“外源节律”论贯穿与联系在一起了（见图1）。
图1 生物节律演变示意图
正因为如此，所以学术界现在比较普遍地认为，生物节律是生物体适应与改造自然环境节律以后，所获得的一种复杂的生理过程的产物。机体内外的条件因素可以影响或调整它，但是却不能从根本上消亡或代替它。
3 时间生物学与人类教育
实践表明，人体的周日节律同学习能力与智力发展有着密切的关系，所以人体节律与教育这一课题正引起学者们和教育家的重视。夜班记录显示，许多人上夜班以后，因思维和判断力受到损害而常出事故。模拟实验也表明，学习效率与昼夜节律关系密切，夜行动物老鼠在黑夜里学人躲避电击要比在白天学习快十倍左右；而昼行动物黑猩猩有时夜里干脆拒绝了学习，如果强迫他学习的话，其效率也仅在10%还不到[7]。
昼行生活的人类，一般是上午头脑清醒，精力充沛；午后疲困迟钝，精力下降；黄昏以后则有短暂的回升，其后便开始进入抑制睡眠状态。据此，有人给出了递减的波浪式周日学习曲线。正是基于这种规律，现代教育的课程安排，一般总是上午上课或测验，下午复习与作业，晚自习辅导、复习与预习。否则，则被认为违反了教育规律，其实首先是不符合人体的生理节律。
现在一些学校出现了为“电视迷”伤脑筋的问题。午夜前后沈迷电视的学生，由于其生理节律被打乱，第二天他的思维能力和学习效率必然降低。如果强行上课，不仅学习效果极差，而且长此以往势必还会有害学生身心健康与发育。因此，遵循人体钟与教育的规律，应让他先去休息，待他的生理节律调整恢复正常以后再来上课。采取这种“关怀性惩罚”可以对其中的大多数学生起到惩前毖后的教育效果。
人体除了日节律以外，也存在着月节律。所以当学生处于月节律的“兴奋期”（据统计观察一般是上中旬前后）的时候，应该适当增加一些教学或自学的份量；而当处于“抑郁期”时，则相反。这样做，既符合教育心理学，也不违人体生理节律。对此，作者自己也有这样的感受。
人体的年节律于教育和学习的关系也极大。学校每年放寒暑假，一般只理解为这是一种适应冬冷夏热的习惯性措施。实际上寒暑假的实施，还有着更为深刻的人体钟年节律的科学依据。研究资料显示，人和动物肝细胞糖元的储备量，一年中有季节变化，而调节肝糖代谢的丙酮酸酶的活性夏季最低，秋季到冬季不断增高；而胰腺的外分泌功能也是夏季最低，冬季最高；此外，肝、脾、脑组织中的DNA和RNA的含量[1]等等，也都有着类似的年节律。可见，每年放一个月以上的暑假，完全是适应人体每年夏季生理活动降低的积极措施，而每年秋季作为新学年的开端，则符合了秋季以后人体生理功能逐步增强的年节律。如果违背了人体钟的生理年节律，不仅教学质量降低，而且也将损害师生的身心健康。
以上只是对于人体生理节律与教育关系的初步探讨，要揭示人体节律与教育的深刻规律，还必须做许多更深入的研究工作。
4 时间生物学与医疗保健
同各种生物具备生物钟一样，人体也有。国外有些献身科学的人们，曾经自愿居住在与世隔绝的山洞里好几个月，在失去一切关于时间的线索与记忆之后，他们记录了自己的体温、脉搏、血压、脑电以及生活作息情况，结果显示，虽然洞内的居民对于时间的记忆已经迷离混沌，但是他们身体的生理节律，却依然顽强地保持在大约24小时的昼夜周期之内，所有的测量数据都呈现出有规律地升降。可以说，人体中没有哪一种生理、生化和生物物理过程是没有节律周期的[8]。前几年有人在墨西哥国际讨论会上报告说，他们找到了人体的第一个生物钟——指示人体睡眠和觉醒的行为计时器，即人的下丘脑略呈细园形结构的两小串神经细胞，被称为上交叉细胞核SCN[9]。用猴和啮齿动物所作的模拟实验表明，如果这个时计受破坏，它们就丧失了在进食和其他行为方面的生理规律。据此有人提出了人体钟的量子生物学模型，它是由两组SCN组成，具有耗散结构，并服从量子力学规律的一种生物巨系统[10]。这种由内外相互作用所制约的量子激发态和有序结构的探讨，为研究脑生物钟的能量代谢和信息传递开辟了新的途程。美国哈佛医学院的最新资料也显示，人体的各种生理指数与代谢水平，都有着周期性的昼夜节律。因此医疗化验的时候，必须考虑人体生理节律因素，否则我们不是错诊就会漏诊，这就是现正兴起的时间诊断学研究的内容之一。
深入研究发现，人体节律要比生物节律复杂得多。比如人体的多数节律是以太阳日为基础的似昼夜节律，但是却也有另一些节律就不是如此，而是几小时，几星期，甚至若干年，变化的幅度更从一个太阳日，到几个或更多的太阳日。临床统计这种不寻常节律的出现，往往表明人的机体或精神很可能有了某种疾患。因此，关于异常生理节律的诊断，正发展成为现代医疗技术中的一种新方法。
现代生物医学惊异地发现，癌细胞也有生物节律。它的增生与抑制具有明显的节律性。当前，控制与消灭癌症是现代医学的重大课题，也许深入探索癌细胞的生物节律，将为解决这一难题另辟蹊径。
临床证录精神分裂症和狂郁精神病患者的激素分泌极其不平衡，由此引起狂郁精神病人和有比较严重的精神分裂症状者，通常都是以12小时为周期。可以说，我们每天甚至每小时的情绪，都有赖于激素的平衡，而激素平衡又依赖于人体生理节律的调控。
人们的健康状况，除了休息与营养条件以外，人体节律还必须保持相对正常的周期，此时人们将会感觉良好，头脑清醒，信心十足；而反之，人们就将感到懒散无力，大脑迟钝，心情抑郁[10]。可见人体节律不仅影响到我们的身体状况，而且也直接关系到人们的精神状态，就是说研究人体节律既是治疗身体与精神疾患的迫切需要，也是我们保持体质与精神健康的必要手段与条件。
人体节律的研究，已经成功地应用于人类的医疗保健事业之中。根据对药物的感受性因人而异的节律特征，选择病人的最佳受药时间，不但可以提高医疗效果，而且还能避免负作用。例如对心脏病人早晨4点钟使用洋地黄药，将会比其他时间提高药效40倍；糖尿病人也是早晨4时对胰岛素最敏感。据说人体患传染病最可能死亡的时间，大约在清晨5时半前后，这同人体对病菌毒素的敏感时间相一致[8]。为了研究人体对毒素和药物敏感的时间规律，时间毒理学和时间药理学已经应运而生。然而，“时间生物学最伟大的贡献，并不在于指导诊断和治疗疾病”。正如F·哈尔贝格所指出的那样，在于“使用时间生物学的方法来预防类似高血压方面易致残的疾病。内科医生将会提出一些预防性措施，如注意节食，以防成年人患高血压病”[3]。
5 时间生物学与生产技术
随着对生物节律的深入研究，时间生物学在人类的实际生活与社会生产中也发挥愈来愈大的作用。比如只要花工调节好开花植物的生物节律，就能做到在人们需要的任何时间（节日、宴会等等）供应美丽的鲜花。随着科学与生产的发展，人们已经发现了时间生物学在农、牧、水产事业，虫害防治，以及某些技术移植方面的广泛应用。例如运用植物遗传学的知识，如果调整农作物节律，就能使它一年两熟，而致生产量倍增；使用人造光源，缩短黑夜时间，不仅可使鸡蛋的产量保持在旺季的高水平上，而且能够延长牛羊等牲畜的发情期，增加仔畜头数，提高畜牧产量。
关于时间生物学的研究，也正用于对害虫与有害动物的消灭上，比如在它们对毒药极为敏感的时间施药，可以大大提高致死儿率：如用除虫菊灭蝇，下午3时毒力最大，而用以杀灭蟑螂，则在下午5时半最有效，象这样的研究与应用，已经诞生了新的生物节律毒理学[8]。此外，如果调整蚊子、苍蝇、老鼠等等的生物节律得当，让它们的子代在缺乏食物或温度严酷的季节成熟，同样可以达到灭害的目的。
总之，生物节律的研究具有极大的经济价值与现实意义。这不仅直接有利于农牧业的发展，而且对于设计制造自动控制或导航系统也会大有助益与启发[8]，从而对自控理论，航天与兵器技术作出大的贡献，并且还将在仿生学上写下新的一页。
6 时间生物学与社会生活
有关人体节律的研究，还与一些社会生活、政治和理论问题不无关系。从打乱动物的周日节律引起了该动物的心脏病和癌症等实验事实，到人类违反昼夜节律导致了人体健康的损害和疾病的发生，由此便出现了诸如不符合人体生理节律的生活方式与工作制度有碍经济发展的社会问题，从而促进了完善夜班工作的保健措施[4，10]，改进航空班机与火车轮船的运行时间，并且还导致了新的时间治疗学和时间保健学的诞生与发展。
跨时区长途飞机的乘客和机组人员以及航天飞行员，人体的生理节律在长途飞行中会受到影响，出现了失调，说明人的思维能力同周日节律密切相关。所以，美国政府规定，作东西向跨时区长途飞行的外交官员，必须至少休息一天以上，以便调整生理节律适应新的昼夜周期以后，才能去参加重要的政治外交谈判[5]。显然，人体节律与社会政治相关。
心脏活体移植的生物节律研究与哲学也不无关系。为心脏移植手术，这个现代医学的奇迹向人们提出了一个科学哲学问题：起搏这颗移植心脏的人体节律，究竟蕴藏在哪里？或者说，它的搏动频率和收缩强度，究竟是同接受者的人体节律调谐呢，还是继续受制于先前控制它的那个人体节律？如果是后者的话，那末他的人体节律安在？而且又是如何调控这颗已属他人的心脏的？这既给时间生物学提出了复杂的新课题，同时也涉足到了物质运动与信息转化等哲学问题。
有人设想，从某些动物利用冬眠节律抗寒避荒的事实出发，人类是否也可以调节自己的生理节律，以便必要时躲避严寒或饥荒呢！一旦我们最终揭开了人体节律的秘密之后，人类是否还可以实现延年益寿的夙愿呢？！然而，如果借助于人体节律的调节与研究轻而易举地完成了这些人类社会的重大课题，那末他们又会带来一些什么样的社会后果和影响呢！