汪波
《时间之问30》时间旅行者的妻子 精选
2018-6-10 09:03
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《时间之问》 | 系列目录 


一周以后,老师和学生在餐厅又见面了。

“上次我们说到生物钟,所有的生物应该都存在一个内生的生物钟。”老师说道。

“嗯,对。”学生说道。

“不过光证明生物钟的存在还不够,还要在动植物体内找到生物钟才能证明它确实存在。”

“嗯,那科学家在生物体中找到了生物钟的位置了吗?如果找到了,是在什么位置呢?” 学生问道。

“你猜猜看。”

“我听说笛卡尔特别迷恋松果体,他曾经认为松果体是人类灵魂寄居的地方,生物钟会不会在那里?”

“嗯,松果体的分泌腺对于调节睡眠非常重要,科学家曾经尝试过,可惜真正的生物钟不在那里。”

“那在哪里呢?会不会就在人的心脏呢?”

“也不在那里。”

“我猜不到了,人体的生物钟究竟在哪里呢?”

“其实刚才你猜的已经非常接近了。不过我们先从一本小说谈起吧。不知你是否读过一本小说叫《时间旅行者的妻子》?”

《时间旅行者的妻子》

“没有,不过我听说过一部同名的电影,但还没有时间看。我觉得这小说的名字好奇怪呀!在时间中旅行?回到过去还是跑到未来呢?”

“嗯,让我想一想,应该两者都有。”老师神秘地笑了一下。

“哦,那这个人是怎么在时间里旅行的呢?”学生好奇地问道,“是驾驶这一台时间机器呢?还是乘坐一艘接近光速的飞船?”

“都不是,它甚至都不是一部科幻小说。”

“哦,是吗?真奇怪。听名字像是一部爱情小说,是吗?”

“嗯,这次你猜对了。”

“哈哈,那主人公为什么在时间里旅行呢?为了追寻远古的秘密吗?还是为了预测人类的未来?”

“都不是,他也不知道为什么。因为每一次他做时间旅行时都很不情愿,因为这要冒着生命危险,但又不得已,他甚至无法决定什么时候去时间里旅行!”

“真奇怪。那他是怎么做时间旅行的呢?就一个人吗?”

“对,有时候是在睡梦中、有时候是在清醒时,他会突然觉得头晕,这时他有一种预感要做时间旅行了,但是他既无法阻止,也不知道要去哪里。突然有一种力量把他甩了出去,他就从现实中消失得无影无踪。”

“哦,那他去了哪个时空了呢?”

“等到他醒过来后,他要么发现是在人家的后花园里,要么是在旷野、甚至高速公路上,或者地球上任何可能的地方。他不知道他到底去了哪个时间,有可能是几十年前,也有可能是未来。”

“有一次他在三十多岁时做时间旅行时,无意中来到了一座花园里,他遇到了一个十几岁的小女孩,她不是别人,正是他妻子小的时候。他们两虽然此时相差几十岁,但却一见钟情。”

“果然是一部爱情故事!后来呢?”

“后来的情况,我就不多剧透了。”

“他为什么会无缘无故地做时间旅行?而且自己都没法控制?”

“嗯,他也不清楚。他去看医生,医生一开始以为他是个疯子,不过亲眼见到后,终于答应去研究。经过数年探索,医生终于发现了他脑袋里的秘密。”

“什么秘密?”

“医生在他的下丘脑的前部一块区域发现了一些病变,而正是这块区域工作不正常,导致了他痛苦的来源。一旦光线等因素刺激这块区域,就会让他的时空扭曲。”

下丘脑

“哦,这是一块什么区域?”

“医生说这块区域叫视交叉上核。当然,这一块区域病变造成时空旅行,是小说里设置的情节。”

“那现实中,这块视交叉上核区域有什么用?”

“这其实正是科学家几十年来孜孜以求的生物钟,它位于大脑下部的下丘脑前端。”

“哦,是吗?是怎么找到的?”

“有一位研究生物节律的科学家叫里克特,他年轻时刚刚接触生物学的时候就喜欢上了实验室的老鼠。后来他喜欢上了生物的节律研究,他详想尽各种办法想找出老鼠的生物钟的位置。”

“他是如何寻找的呢?”

“他们做了无数实验,分别干扰和破坏小鼠的不同器官,看小鼠的昼夜节律是否还存在。终于当小鼠的下丘脑前部被破坏后,小鼠的昼夜节律消失了。这是1967年。”

“哦,下丘脑的前部就是小鼠的生物钟吗?”

“不,这只是开启了寻找小鼠生物钟的序幕。因为下丘脑前端仍是一块较大的区域,包括了不同功能的区域。”

“接下来需要进一步缩小包围圈?”

“对,5年之后,加州大学伯克利分校的Fredric Stephan进一步切除了下丘脑前部的 “视交叉上核(SCN)”之后,发现小鼠的节律消失了。”

视交叉上核(明亮部分)

“这是一块不可再细分的区域了吗?”

“对,视交叉上核位于下丘脑前端的两侧,一边一个,总共包含了仅仅2万个细胞。但如何证明这就是小鼠的生物钟却仍是一个困难的问题。”

“为什么这么说?”

“因为生物组织不仅结构非常复杂,而且功能相互交错,很难一下子定位到真正的根源。虽然实验室已经证明了这2万个细胞对于小鼠的昼夜节律必不可少,可是这些视交叉上核就是生物钟本身呢、还仅仅是生物钟信号传播中必不可少的一环而已?”

“哦,这确实是个问题。”

“嗯,1970年代 东京生命科学研究所 井上进一 川村宏旋转切除了视交叉上核,发现节律消失。他们把切除后的视交叉上核放到培养液里,发现它们可以继续振荡,周期24小时。”

“这下可以证明视交叉上核就是振荡器了吧?”

“可是仍有人怀疑:是否完全切除了视交叉上核,而且切得不多不少?是否视交叉上核本身不振荡而在切除时激活了生物节律振荡器?”

“我感觉这些质疑有点刁钻?”

“嗯,不过这正是学术研究的特点,人们必须排除所有的疑点,虽然有些怀疑有点有些吹毛求疵。”

“那最后证明了视交叉上核就是生物钟的是什么呢?”

“基因--一种无法肉眼看不到却又很难作弊的东西。”

“是怎么证明的?”

“用交叉证明的方法。既然你怀疑是否是视交叉上核切割干净,那么我就把视交叉上核单独起作用。最有效的方法就是用基因突变,让视交叉上核产生的生物钟周期发生变异,这样就能看出视交叉上核的作用了。”

“哦,具体怎么做到的呢?”

“科学家找到一种基因突变的小鼠,它的生物钟周期只有22小时,通过相互交配他们又得到了周期只有20小时的小鼠。然后他们小心地把他的视交叉上核移植到正常的小鼠身上,结果正常小鼠的生物钟周期也变成了20小时。”

“那反过来可以证明吗?”

“对,你说的没错,这正是交叉证明的意思。反过来,把正常小鼠的视交叉上核移植到生物钟周期为20小时的小鼠身上,这些基因突变的小鼠的生物钟周期又恢复了24小时。”

“哦,这下人们终于信服了吧?”

“对,科学家终于相信视交叉上核就是哺乳动物的生物钟,它控制着身体内的昼夜节律。”

“这个时钟就像火车站钟楼上的时钟吗?控制着所有列车的出发时刻?”学生问道。

“对,一开始科学家认为这个视交叉上核就是哺乳动物唯一的生物钟,但是没过多久他们发现事情没有那么简单。”

“科学家又发现了其它生物钟?”

“对,他们发现许多细胞都有自主的24小时节律。例如有一种纤维原细胞,从未和视交叉上核接触过,但是这些细胞被激活后却能够持续按照24小时的节律振荡一段时间,然后节律才消失。”

“哦,这意味着什么?”

“这意味着一个普通的细胞都存在着一个独立本地时钟,而人体内不只有一个生物钟,而是有几十亿个独立的生物钟,尽量去想象这个庞大的数字!”

“就算是一个把手表密密麻麻捆在身上、借此走私的人也带不了这么多手表。” 学生笑着说道。“这些数量庞大的本地时钟如何同视交叉上核的时钟协调呢?”

“如果说每一个本地时钟是我们每个人戴的手表,而视交叉上核则是一个标准时间。每天我们可以通过标准时间来校准我们的手表,人体的本地时钟也类似。”

“但是我有一个问题,如果生物钟不是刚好24小时,那么过了一段时间,生物钟和地球昼夜变化之间的差距越来越大,就像走时不准的钟表那样。生物是如何校准的呢?难道生物钟里也有一个类似拨动时针和分针的旋钮吗?如果有,又在哪里呢?”

“生物钟里确实有这样一个旋钮,而拨动这个旋钮的不是手指,而是光!”

“光?阳光吗?”

视交叉上核(SCN)

“对,阳光不仅仅提供能量和照明,光线里蕴含了时间的信息。比如晨曦之光和正午之光强度不同,光波长的分布也不同。光线进入视网膜后,通过下丘脑束传送到视交叉上核,调节它的生物钟周期。如果快了,就拨慢一些;反之亦然。”

“这也是为什么哺乳动物的生物钟位于视交叉上核的原因?”

“对,因为这里是光线进入大脑的必经之路。”

“那光线如何让生物钟拨快或者拨慢呢?”

“科学家发现,在一天当中的不同时刻的光照,对生物钟的影响很不同。在白天的日光对生物钟几乎没有影响。而夜晚的光照则会对生物钟有很大影响。”

“会有什么样的影响?”

“在全黑的环境里,前半夜用光脉冲刺激动物的眼球,会推迟生物钟,动物第二天的活动会推迟。反之,如果在后半夜用光脉冲刺激眼球,会使生物钟提前,或者说动物第二天的活动会提早。这说明生物钟虽然是独立自由运转的,但是也很容易受到外部光线的牵引而发生改变。”

相位相应曲线PRC显示:前半夜的光脉冲刺激会推迟生物钟;后半夜的光脉冲刺激会使生物钟提前

“我还有一个问题,如果一个人是丧失了视力,他的生物钟会不会受到光线牵引?”

“你为什么问这个问题呢?”

“毕竟全世界有千千万万盲人,如果盲人不能受到光线牵引,他的生物钟和24小时之间的差距越越积累越多,需要不停地倒时差,这应该是非常痛苦的,也是很严重的社会问题。”

“对,这是一个很重要的问题。但是答案却既不是是,也不是否。而是都有可能。”

“为什么呢?”

“人能够看到光线是由于人眼里有视锥细胞和视杆细胞,可以把光线转换为神经信号。这在许多年前已经是医学界的常识。但研究生物节律的科学家福斯特发现,去除掉绝大部分的视锥细胞和视杆细胞,小鼠仍然可以跟随昼夜变化的节奏。”

人类的视锥细胞和视杆细胞

“哦,这是为什么呢?是不是残余的视锥细胞和视杆细胞还在起作用呢?”

“福斯特认为有这种可能,但他坚信小鼠眼内一定存在另外一种感光元素。他宣布自己的观点之后,遭到了医学界研究人员的嘲笑:医学学界研究眼睛的结构已经超过150年了,从未发现眼睛里有其它的感光元素,你一个外行凭什么出此狂言?”

“哦,那福斯特如何证明自己的观点呢?”

“他设计了一种巧妙的方法,同样是用基因突变的方法。首先他让小鼠基因突变,失去视杆细胞。然后让另外一批小鼠发生基因突变,失去视锥细胞。二者交配产生的一部分小鼠完全失去了所有的视杆细胞和视锥细胞。”

“这样小鼠失去了视力、完全看不见东西?”

“对!但是他们却发现了一个令人振奋的结果:小鼠的昼夜节律并没有随着时间推移而推迟,而是刚好24小时!”

“哦,这说明小鼠仍然能够受到光线牵引?”

“对,即使完全失去了视杆细胞和视锥细胞,小鼠依然能够感受到光线中的时间信息。这说明小鼠眼中存在另外一种感光元素,帮助小鼠跟随昼夜光线变化。”

“那人眼中也有类似的结果吗?”

“嗯,福斯特和眼科医生合作,非常幸运地发现了一位老妇人,她失去视力已经50年了,眼睛里没有任何视锥细胞和视杆细胞,但是她仍然能够很好地跟随昼夜节律24小时的变化。”

“这是一种什么感光元素呢?”

“后来人们终于在眼睛里找到了一种光敏视神经节细胞(ipRGCs)。大约每一百个视神经节细胞里有一个可以感知光线,这些感光的神经节细胞相互连接,组成一个网络,从而能够抓取到光信号,并把它们发送到视交叉上核。”

光敏视神经节细胞

“哇!一个新的发现!这意味着,眼盲并不意味着人眼完全失去对光线的感知?”

“对,而在以往的眼科研究中,盲人的昼夜节律失常通常都被被忽视了。这些光敏视神经细胞能帮助动物重新调整生物钟到24小时。”

“这对失去光明的人至关重要吧?”

“对,如果一个盲人不仅失去了视杆细胞和视锥细胞,也失去了这种光敏视神经细胞,那么他的生活将非常糟糕。因为每天他的生物钟都比24小时的地球自转周期慢半个小时左右。”

“哦,那十几天过后二者的时差即非常明显了,20多天后几乎昼夜颠倒了。”

“对,需要再过20多天昼夜节律才回来。好像一个人不断地乘飞机穿越时区,要不停倒时差。”

“那如果一个盲人仅仅是视锥细胞和视杆细胞失去了作用了、而光敏视神经细胞正常呢?他就仍能跟随昼夜明暗周期的变化?”

“对,这些盲人是幸运的,他们的人体生物钟最终能锁定到24小时。”

“嗯。但是我还有个问题:盲人通常都戴墨镜,这样会不会阻挡光线进入眼睛从而无法让他跟随光线的昼夜变化?”

“对,这是一个很好的问题。眼科医生通常建议盲人戴墨镜,主要是从美观和防止感染的角度考虑的。但是根据福斯特的研究,这些盲人最好每天有一段时间摘下墨镜,充分接受阳光的照射,使得他们的生物钟能够与昼夜变化的节奏同步。”

“真的没有想到,身为盲人除了深陷黑暗的世界,还失去了正常的对时间的感知。全世界的盲人应该有上千万吧?”

“嗯,全世界全盲的人有3900万,除此之外还有近3亿人视力受损。昼夜节律失调的一个重要影响就是睡眠质量大打折扣,睡眠时间缩短。这些会影响健康,使得内分泌失调,反过来又会加强昼夜失调,形成一个恶性循环。”

“看来生物钟的作用真的非常重要。对了,既然找到了视交叉上核,也发现了几乎每一个细胞都有一个独立振荡的生物钟,那这些生物钟是如何工作的呢?像机械钟和石英钟那样也是有一个反馈吗?也有相反对立的两个元素互相制约、此消彼长吗?”

“这方面的研究是在更小的分子层面进行的,而且持续了几十年的时间,一直到今天仍是一个活跃的研究领域。2017年的诺贝尔生理学奖就是颁给了这种分子层面的生物钟的研究。”

“分子层面的生物钟在哪里?分子水平上的生物钟是怎么样的工作机制?不会又是基因吧?”

“你才对了,正是基因。不过他的源头,却要从两位物理学家开始讲起。”

“哦,是吗?那是如何开始的呢?”

“今天时间不多了,我们下次再聊吧。”

“好的,老师再见。”

“再见!”

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*****《时间之问》已由清华大学出版社2019.3出版 *****

《时间之问》出版了


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