2017 年诺贝尔生理学或医学奖授予杰弗理·霍尔（Jeffrey C Hall）、迈克尔·罗斯巴希（Michael Rosbash）、迈克尔·杨（Michael W Young）。三位科学家的获奖理由是：因发现控制昼夜节律的分子机制。相信作为医学生，大家对生物钟这个词是不陌生的，中医学也有很多关于时间医学的描述，小编将带领大家回顾生物钟的机制研究简史和中医学的时间医学观点。
一、生物钟的研究简史
昼夜节律
生物钟是生物体内周而复始的节律，如人们熟知的：动物的昼行夜伏、植物的春华秋实。近 24 小时昼夜节律（circadian rhythm）是典型的生物钟之一。
对自然界生物钟的观察有记载的可以上溯至公元 4 世纪，Androsthnenes 观察到罗望子树树叶的运动有昼夜差别。意大利的 Santorio Santorio（1561-1636）前后 30 年记录自己从早到晚的摄食量、排泄量和体重变化，发现有昼夜规律。但他们未能区分外界影响的节律与生物自主的节律。
1729 年，法国天文学家 Jacques Ortous de Mairan（1678-1771）用含羞草做材料，观察其叶片和花的变化，将它放置在全暗处一段时间，叶片仍然有张有合，不依赖阳光，但他当时没有提出植物的昼夜节律是内在的。
达尔文也研究过植物的节律，并提出昼夜节律的可遗传性。常见的向日葵好像围绕阳光的方向转向，但通过红外照相机可以看到向日葵朝向东方的行为早于日出，所以这也是内在节律所驱动。
Aschoff 和 Wever （1976）总结人的昼夜节律，让德国大学生待在二战留下的堡垒中，灯光恒定、食物恒定、温度恒定、声音控制。在外界环境线索缺乏的情况下，人们仍然保持昼夜节律，只是在十几天后相位滞后。
昼夜节律的生物学意义目前仍不清楚。当然在进化过程中，生物活动与地球自转相匹配，也许可以节省能量、或提高效率。但如果没节律又会怎么样呢？蓝绿藻有昼夜节律，把正常的蓝绿藻与生物钟周期异常的细菌在一起长期培养，发现最后生物钟正常的细菌占了绝大多数，由此可见生物钟对生物体是有利的。
遗传学研究
在对生物钟机制的研究历程中，早期科学家用电生理研究生物钟，插电极到细胞观察电活动，曾观察到脑内特定部位 SCN（视交叉上核，suprachiasmatic nucleus）的电活动有昼夜周期。
如果用遗传学研究生物现象，特别是用前馈遗传学（forward genetics）——随机筛选影响特定生物现象的突变——无需假设机理；这有别于通常采用的转特定基因、敲除特定基因的反向遗传学（reverse genetics）。这是遗传筛选的优点，但当时和现在都有人认为遗传筛选有很大的缺点：很多行为恐怕不是单个或几个基因所决定的，复杂的行为需要有很多基因参与，用遗传筛选对单个和少数基因有效，对更多基因参与的行为可能效果很差。
对于果蝇的行为，Jerry Hirsch 认为不能用单基因解释，也就不能通过遗传筛选的方法研究行为，只能同时改变很多基因进行代间选择来推断。而本哲（Seymour Benzer，1921-2007）则认为果蝇的行为可以用突变单个基因的前馈遗传学来进行研究。
遗传筛选的实验设计是：建立检测表型的方法，用致变剂诱导特定生物的不同基因发生突变，检测不同突变种的表型。具体到果蝇的生物钟，就应该是建立检测生物钟的方法，用化学诱变剂诱导不同基因突变，然后一只一只检测果蝇，以便发现改变了昼夜节律的突变种。
检测果蝇昼夜节律的标准方法，是将单只果蝇放到透明的管中，管子只容一只果蝇来回走动。一束光射过小管的中央，凡是果蝇走过管中央，计算机就记录果蝇运动了一次。以此检测果蝇活动的变化，发现确实有昼夜规律。如检测很多果蝇，工作量比较大。
Konopka 和 Benzer 用了两个方法来加快速度。其一是果蝇遗传学特有的 attached X，可以快速检测 X 染色体的突变。其二是他们决定不筛选昼夜节律，而筛另一节律：果蝇羽化。果蝇受精卵成为胚胎，发育成为幼虫，三次蜕皮后成为蛹，蛹经过羽化成为成虫。
Konopka 只筛选了不到两百种品系的果蝇就得到第一个突变品系，继续筛选不到两千种品系的果蝇再得到两个突变品系。
他们用羽化筛到突变品系后，更重要的是用标准检测运动的昼夜节律之方法看个体的昼夜活动是否变化，结果发现确实突变果蝇的运动昼夜节律异常。有趣的是，他们发现的三种品系的突变果蝇在表型上并不相同：一种没有节律，一种节律周期长短加快到 19 小时，一种节律变慢到 28 小时。他们进一步将突变种与已有的其他突变交配，确立三种突变在染色体图谱的大概位置，结果发现很近，他们进一步把三种突变相互交配，进行本哲发明的顺反检测，试图确立它们是否同一基因，他们根据得到的结果推测三种突变可能是同一个基因的不同突变。他们把这个基因命名为period（简写per），无节律的为per0（per zero）、节律短的为pers（per short）、节律长的为perl（per long）。
基因的克隆和功能探索
找到了基因之后，有两个团队竞争克隆果蝇的 per 基因：洛克菲勒大学的 Michael Young（杨迈克）；Brandeis 大学的 Jeffrey Hall（霍尔）与 Michael Rosbash（罗斯巴希）。杨迈克是研究果蝇出身，博士后的老师为克隆果蝇 DNA 的先驱 David Hogness。
两组科学家都确定了 per 基因在最初三种突变株的 DNA 变化：per0、pers、perl分别是提前终止、和两个不同部位的碱基变化之后，两个研究团队分别提出了per基因表达的是蛋白多糖、细胞交流的缝隙蛋白等假设，但后来都被证明是错误的。
1988 年，霍尔—罗斯巴希组提出 per 表达的蛋白质有昼夜变化（Siwicki et al., 1988），并通过实验证实了果蝇头部per基因表达的昼夜节律，并提出了 per 蛋白质是基因的转录调节因子的假说。以后有更多证据表明，per 参与转录调节，而且与多个基因有关。
更多的生物钟基因
影响生物钟不可能只有一个基因。
1971 年发现第一个影响果蝇生物钟的基因per。
1990 年，霍尔—罗斯巴希组发表“新”的果蝇昼夜节律基因“钟”（Clock），不过他们于 1992 年发现这不是新的基因而仅为 per 基因的另一突变而已。
1991 年 Konopka 等发表第二个影响果蝇生物钟的基因Andante。
1994 年，杨迈克实验室报道他们发现了timeless基因（“无时间”，简称Tim）。他们用了转座子插入诱导突变，以利克隆基因，而最初的检测也是羽化，其后用活动节律核实确实影响了昼夜节律。她们还发现tim的突变也影响per的 RNA 昼夜变化，所以与per基因相关。
从模式生物到高等动物
那么果蝇与哺乳类是否有类似的分子机理?
如果果蝇的per基因只是在果蝇和昆虫起作用，那么意义就有限。如果找到高等动物的Per并因此开启研究高等动物生物钟的分子机理，那么意义就较大。所以果蝇的per基因在 1984 年被克隆后，长期有人试图在高等动物中找到Per基因，但无果。1997 年，美国华人科学家在研究其他问题的时候，发现一个基因与per有序列相似性（Sun et al., 1997）。比较它们后知道，以前没找到的原因是哺乳类的Per与果蝇的per基因在整个基因的相似性不很高，而局部很高。以前用整体去找很难找到，而用局部的困难在当时并不知道哪段是保守的。
在细胞层面，目前认为，动物体内绝大多数细胞（甚至所有细胞）都有生物钟。果蝇的翅膀切下后依然可以观察到其中的生物钟影响，人的肝脏细胞体外培养也表现出代谢上的节律。现在认为生物钟分为中枢的主钟和外周的钟。外周钟可以自行运转，但主钟控制全身的外周钟，特别是同步化外周钟。
二、中医学中的时间医学
中医时间医学是指以中医基础理论作为指导，结合“天人合一”、整体观理论，根据自然变化规律跟人体阴阳、 五行相生相克理论来指导养生与疾病的诊治。 人体内存在阴阳、 营卫、脏腑、脉象等的变化，而自然中存在时辰、昼夜、月相、节气、季节等变化，人体的各项生理机能受到自然环境的影响，因此，可以从人和自然的变化中找出疾病发生演变的规律，用于预防和治疗。概括起来，主要有以下几个方面：
人体生理随时节而变化
自然中阴阳随季节而变：“春夏则阳气多而阴气少，秋冬则阴气盛而阳气衰。”而“春夏养阳，秋冬养阴”，就是顺应季节的变化规律来养生。昼夜间阴阳亦是随时辰变化的，如《素问 ·金匮真言论篇》 ：“阴中有阴，阳中有阳。平旦至日中，天之阳，阳中之阳也； 日中至黄昏，天之阳，阳中之阴也； 合夜至鸡鸣，天之阴，阴中之阴也； 鸡鸣至平旦，天之阴，阴中之阳也。 故人亦应之。” 人体阳气亦顺应自然界的阴阳存在变化规律变化的，《素问 · 生气通天论》 ：“故阳气者，一日而主外。平旦人气生，日中而阳气隆，日西而阳气已虚，气门乃闭。”阳气从平旦始生，到日中最旺，午后开始减弱。白天阳盛，夜晚阴盛的变化为人的工作与休息创造了条件。
时节变化会导致不同疾病的发生
《素问 · 厥论》 ： “春夏则阳气多而阴气少，秋冬则阴气盛而阳气衰。 ” 《素问 · 宣明五气篇》 曰 :“阳病发于冬 , 阴病发于夏”。夏季阳盛阴弱，阴虚疾病加重； 冬天阴盛阳衰，阳虚疾病加重。《素问 · 阴阳应象大论》：“冬伤于寒，春必温病；春伤于风，夏生飧泄； 夏伤于暑，秋必痎疟；秋伤于湿，冬生咳嗽。” 每个季节都有相应的特点，春季多风，夏季多暑，秋冬之交多湿邪，冬季多寒，若在该季感受到的邪气不即时发病，便会潜伏在人体内，于下一季节发病，即“伏邪” 致病。
一日之内病情亦会随人体阴阳盛衰而变化。《灵枢 · 顺气一日分为四时》：“朝则人气始生，病气衰，故旦慧；日中人气长，长则胜邪，故安；夕则人气始衰，邪气始生，故加；夜半人气入藏，邪气独居于身，故甚也。” 当人体阳气渐盛，正强于邪，会遏制病情发展，则病情轻；当夜晚阳气减弱，邪气渐盛，则病情加重，甚至危及生命。
时间医学理论用于疾病的诊断
人体阴阳、 气血随十二时辰而变，根据十二经脉循行规律，每一脏腑与一时辰相对应，在临证时亦需根据疾病在不同季节、时辰变化特点来辨证。对于病因不明的疾病，也可根据不同时间病情变化特点来辅助诊断。如慢性疲劳综合症患者，根据他们的体温、心率、血压的时间变化规律及昼轻夜重的特点可推断出其为气阴两虚，病位在心脾。 研究发现对于证型不同的急性心梗患者的发病时间亦不同，气滞血瘀症、痰浊闭阻证、气虚证分别在在午时、巳时、子时高发。
运用时间医学理论遣方用药
《丹溪心法·痢》：“达者更能参以岁气时令用药，则万举万全。”《寓意草》：“治病必本四时也。” 都强调了据时令辨证用药的重要性。 在疾病治疗过程中，不仅需要根据患者的症状整体辨证用药，还需结合时令变化来用药。亦有“冬春病温，忌发散” 和“夏三月必佐胃药”之说。
人体气血也是会随着月之盈亏发生变化的，《素问·八正神明论》提出了“月生无泻，月满无补”的治疗原则，月亮渐生的时候，人体气血精气亦生，到了月满的时候，也是人体气血最旺盛的时候，此时无需加补；当月廓渐空时，人体气血亦始虚，卫气固摄作用减弱，此时不应用泻法，以免失治。
三、结语
相信通过上文的阅读，读者对生物钟分子机制的研究简史有了大略的了解，也对中医时间医学有了初步认识，而生物钟的研究重要问题并未完全解决。
前文提及遗传筛查的缺点，而主钟细胞内的基因恐怕没有穷尽，而是还有。
非 24 小时的其他节律的生物钟，它们的机理是什么？
中医的时间医学理论如何更好地与临床相结合？从子午流注在针灸临床的应用到三伏灸，目前的应用已有一定成效，但如何取得更多的系统性的成果还需努力。
参考文献：
[1]毕立苑.中医时间医学简述[J].现代养生B,2016,(2):180-180.DOI:10.3969/j.issn.1671-0223(b).2016.02.162.
[2]http://daily.zhihu.com/story/9640308?utm_campaign=in_app_share&utm_medium=Android&utm_source=com.android.mms.ui.ComposeMessageActivity
编辑｜云青 张澜
图片｜凌玲
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