時間生物學的發展與應用

趙 鵬 吳明方

（蘇州大學體育學院，江蘇 蘇州 215002）

時間生物學的發展與應用

趙 鵬 吳明方

（蘇州大學體育學院，江蘇 蘇州 215002）

時間生物學是研究生物節律現象及其應用的新興學科。生物節律是指生物系統的重復過程，即以周期性為特征，以一定時間間隔不斷重復的生命現象，是大多數生物的基本特征，是機體進化的結果。它在機體適應環境變化、維持內環境穩定等方面起了重要的作用。有研究顯示，人類某些行為和一些生理生化指標均存在明顯的周期節律性，其中，心血管系統功能（包括心率、血壓）的晝夜節律現象已得到了證實。目前，隨著相關研究的不斷深入，時間生物學已廣泛應用于醫學領域，擇時治療已成為治療臨床疾病的主要手段，而依據生物節律進行擇時運動的相關研究及應用也將成為又一重要的研究方向和時間生物學的研究內容之一。

時間生物學 生物節律 時間治療學 擇時訓練

1 時間生物學的興起

時間生物學是研究生物節律及其應用的新興學科，其研究內容主要包括生物節律現象；生物節律的產生及其機制；生物節律與其他系統的關系；時間生物學的應用，如在醫學、運動學上的應用。生物節律是指生物系統的重復過程，它是機體逐步進化的結果，它在機體適應壞境變化、維持內環境穩定等方面起著重要的作用。生物節律的產生機制是時間生物學的研究熱點和研究進展迅速的領域。時間生物學的應用已經在不同領域開展，特別是在醫學中的應用日益廣泛。它不但涉及到疾病的發病機制，還涉及到疾病的診斷、預防和治療[1]。

生物節律作為生命活動的基本特征之一[2]，依照周期的長短可以分為亞日節律、近日節律和超日節律等。其中，近日節律最為普遍和重要，是當前研究最多、物質基礎相對研究得最清楚的生物節律。近日節律是機體固有的，也就是具有內源性特征，在沒有外界環境信號作用的情況下，仍以近24小時周期自由運轉（free running）[3]。

從1902年到1905年，蘇格蘭的Suthland Simpdon和Galbrith詳細研究猴子在光循環、持續光照和持續黑暗下的體溫紀律。在同一時期，美國的Francis Benedict對人類體溫和記憶的晝夜戒律（Nyctheral rhythm）進行了研究。

1926年，Maynard Johnson證明動物的一些晝夜節律具有內源性的特征。Johnson將動物飼養在持續黑暗中，監視動物每天的活動開始時間（Activity onset time），簡稱動點，研究鹿鼠活動的節律。研究表明鹿鼠的始動點每天均在發生變化（延遲），1個月后延遲4h（從4pm到8pm）。由此推算，它的始動點平均每天延遲6min，也就是說，鹿鼠活動節律的周期為24.1h，而不是正好24小時。地球自傳引起的地球物理周期為24h，在所有潛在的地球物理時間信息應該與24h相同。而鹿鼠活動節律的周期為24.1h，充分說明鹿鼠在持續黑暗的活動節律與地球物理24h時間信息無關，是內源性的。

到20世紀50年代，許多科學家全職從事時間生物學的研究。最為著名的時間生物學FranzHalberg教授對時間生物學的一些術語進行了科學的定義，并創造了時間生物學的專業詞匯，比如近日（Circadian）和時間生物學（Chronobiology）等，因而被稱為現代時間生物學之父[4]。

2 時間生物學在醫學中的發展與應用

時間生物學（chmnobiology）作為研究機體乃至單細胞功能活動的生物節律及其產生機制和應用的新興學科，其研究帶動了基礎和臨床醫學的發展，使診療方法得以革新。下面舉幾個例子加以說明。

2.1 疾病的診斷和預防

時間生物學最早應用于血壓檢測，已證實血壓存在著明顯的晝夜波動。時間生物學家們對血壓的時間生物學特征做了大量的研究工作，Halb erg等對一些表現正常的人作了連續48小時以上的血壓檢測，用余弦法分析這些數據。他們發現在這些“正常人”中，有的具有MESOR（用余弦方法從曲線中計算得到血壓的均值方法）高血壓，有的是Amplitude（對收縮壓振幅與中值的比較分析方法）高血壓。這從時間生物學的角度幫助了臨床醫生發現和診斷隱型高血壓。此外，Halberg等還對具有高血壓家族史和無高血壓家族史的新生兒血壓作了24小時以上的連續檢測，發現有無高血壓家族史的新生兒血壓存在著生物節律差異，這對于早期發現和預防該疾病有著重要的意義[5]。

2.2 時間治療學

最為典型的就是腫瘤時間治療學（tumor chronotherapeu-tics），即根據時間生物學和藥理學（chronopharmacology）原理選擇最適宜時間進行治療，以達到最佳療效和最小毒副作用的目的。通常指藥物和放射的時間治療及傳統中醫藥和針灸的時間治療，比較正常與腫瘤組織之間病理生理活動時間節律的差異。利用機體時間節律與藥物之間的相互關系，克服了傳統方法的局限性，有著療效好、毒副作用小等特點，逐漸被廣大醫務工作者所認同，也為廣大患者所接受。

研究發現，近日節律可通過調控原癌基因與抑癌基因的表達，在腫瘤發生中具有直接或間接的作用。國外學者對正常人皮膚及口腔粘膜組織學檢查，發現P53表達具有近日節律性，進一步提示依賴P53的細胞凋亡也具有近日節律性。

在看到時間治療優勢的同時，也不應忽視其沒有明顯效果之處，這是由于存在明顯的個體差異。這就需要將每個患者的近日節律繪制成圖以顯示其節律改變的范圍和特點，再利用藥代動力學參數找出所用藥物毒性最低、療效最高的時間規律進行個體化用藥。Hiroki等[6]創建的分子／時間表格測量個體的身體時間（body time,BT），綜合了上百個時間指示基因表達情況，只需對受試者取樣1次即可查表得出身體時間點。該表不僅用于節律紊亂的診斷，還可協助制定個體化的時辰治療方案。個體化治療將是未來腫瘤時間治療學的一個發展趨勢。此外，中西醫兩大醫學體系都認同“時間”在治療學中的獨特地位，運用中醫時間學觀點分析腫瘤發生發展的時間節律性，借助現代時間生物學方法尋找中、西醫時間腫瘤學的切合點，有望開創腫瘤治療的新領域。隨著分子時間生物學及其機制的深入研究，數學和統計學的發展為現代時間生物學向縱深發展提供了新的機遇與挑戰，將循證醫學原理和臨床實踐相結合，開展大樣本、多中心的腫瘤流行病學調查和臨床試驗研究，評價時間治療方案療效，以制定更為具體詳細的治療指南，屆時，腫瘤時間治療學必將成為成熟的臨床治療方案。

3 時間生物學在體育運動方面的發展與運用

隨著人類社會的發展，體育已成為人類社會生活的重要內容而發揮出越來越大的作用，已成為—個國家和民族政治、經濟、文化及科技等綜合實力的“櫥窗”，成為國際國內評判體育強國、體育強省的最主要標志。因而各國各省市為提高自己在國際國內體育中的地位，都對體育給予超前的投入以期取得超前的產出。但是投入與產出之間必然存在著投資效率問題。在人力、物力和財力等既定的情況下，訓練、鍛煉效率無疑成了決定體育勝敗的關鍵。為此諸多專家與學者從不同視角進行了大量的研究，以提高運動訓練效率，力圖尋求—條快捷高效的運動員成材之路。期間，時間生物學與體育科學的交叉、融合促成了運動時間生物學的形成。

3.1 生物節律與運動生物節律

生物節律是運動時間生物學的核心，是生命活動的基本特征之一，是生命活動的固有規律，是指生物體內的各種功能活動按—定的時間順序發生周期性變化的特征。人體中所有化學過程、生物物理過程以及生理過程都表現出時間規律性的變化。人體競技狀態的形成與發展過程不僅與外部的自然節律有關，而且與生物體內的生物節律密切關聯。人體最佳競技狀態節律的形成是外部節律和內部節律的高度綜合表現。因此說，運動生物節律是指對人體在運動訓練過程中影響最佳競技狀態形成的各種因素發生周期性變化的節律，它包括外部節律和內部節律。在體育實踐中為了科學合理地制訂訓練計劃和競技比賽計劃，必須掌握運動員的生物節律變化并加以運用，使之發揮最佳水平，有效防止運動傷病的發生，從而獲得更高的訓練效率。因此，合理利用運動生物節律，對提高身體素質、提高工作、運動、訓練技術水平、減少疾病和預防運動損傷，都具有十分重要的意義。

國外運動時間生物學研究主要集中于美國、英國、俄羅斯、加拿大、日本、德國等國家。20世紀70年代初，美國的Franz Haiberg對50m跑、握力、俯臥障、仰臥起坐等體能活動進行過節律性研究；80年代，前民主德國迪特里?！す撞┦吭谄渲骶幍摹哆\動訓練的理論與方注學導論》一書中指出，人的競技能力在—天中的白天里現出“三高峰”、“三低峰”的規律；美國的E·Haus與羅馬尼亞Nicolaus合作，對運動的時間反應做過探討；英國的Simpson等人研究了節律成分對運動的生理反應；Klein和Wecman對—天中不同時問的運動效果進行研究：俄羅斯的時間生物學家曾在運動訓練過程中應用生物節律理論；日本的Yemaken以體育專業學生為研究對象，研究人體PwC的晝夜節律；前蘇聯學者沙勃施尼柯娃在其專著《運動個體化和預測》中指出：“對—天中白天所表現出的運動能力的差異進行統計后發現，在—天中的不同時間，同—個人從事同—種工作消耗的能量相差9%?！盇ntoine Gauthier（1996年）探索了—天中不同時刻進行等長肌力訓練，屈肘肌群的肌力與肌電變化，發現神經肌肉功能在18:00最強，9:00最小。Meijer（2003年）等研究了易地參賽選手受時差影響出現生物節律失同步、睡眠障礙、肌肉力量下降等現象，多集中于運動員生物節律系統及特征等基礎理論研究，為將來的運動員選材、運動訓練、運動員機能調整等應用性研究提供了豐富的實驗數據和基礎。類似AntoineGauthier這種探索不同時刻的運動訓練所引起的不同生物學反應，為實施科學的擇時訓練提供了實驗數據和科學依據。迄今，國外有關運動時間生物學在擇時運動訓練實踐中的應用研究仍顯得薄弱。

我國運動時間生物學在運動訓練中較為系統的應用研究起步于20世紀80年代中期，此前，有許多研究學者就生物節律在體育運動中的應用做了大量有益的工作，一些教練員潛意識里運用生物節律的理論，調整運動員的機能狀態，總體上歷經純理論探討、生日節律與科學的生物節律這三個階段[7]。

3.2 時間生物學在大眾體育鍛煉中的應用發展

一個人的身體活動過程，離不開體內各器官、系統的支持，沒有由此而形成的良好的機體內環境，就不可能取得更好的健身鍛煉效果。如何根據人體內源性的時間生物學理論，特別是生物的節律性，如何根據各器官、系統的時間學工作特點，合理地安排健身鍛煉的時間、內容、手段、負荷和制定科學的健身運動處方，是擺在我們面前的一項重要任務，我們把依據人的機體各器官、系統表現出的生物節律，選擇最佳的時間進行健身鍛煉稱之為“擇時健身”。

人在一天中各種運動能力都有一定的時間節奏。前民主德國迪特里?！す撞┦吭缭?0世紀80年代時就在其主編的《運動訓練的理論與方法學導論》一書中就指出，人的競技能力在一天中的白天呈現出“三高峰”、“三低峰”的規律：第1個高峰是08-12時，是一天中掌握技能的最高峰，適宜學習和掌握作技術動作；第2高峰是14-18時，這是一天中體力最高峰，最容易提高體力，第3個高峰是19-21時，這是一個靈活性、協調能力最好的時間，這個高峰實際是第2個高峰的延續。人在一天中的白天中3個運動能力低潮期分別是：第1低潮在清晨（4-8點）；第2低潮是12-14時，這是一天中白天的最低潮，尤其14時體力最差；第3低潮是18-19時，是一個小低潮，是晚飯前后，時間很短，晚飯后即開始進入高潮。

人的生物鐘在一天中也表現出明顯的由遺傳因素造成的個體差異。前蘇聯學者沙勃施尼柯娃指出：人的生物鐘類型可分為清晨型（也稱云雀型）；晚上型（也稱夜貓子型），第三種為白晝型（也稱鴿子型）。清晨型的人很樂意和習慣于清晨鍛煉，而晚上型的人則感到不習慣早起進行早鍛煉。有人曾對這兩類人在早晨時間完成協調性測試中所出現的錯誤動作進行分析后發現，晚上型人的錯誤動作要比清晨型人多50%。

但是，人的日生物鐘也不是絕對不能改變的，通過人為地改變一天的生活、健身鍛煉節奏的安排，并持續2周以上的時間，原有的日生物節奏也會發生變化。由于每個人由遺傳決定的生物節奏類型不同，因而在不同人群進行健身鍛煉時，不必刻意地勉強按不適合自己或不習慣的時間進行鍛煉。例如對早上型的人來說，可以利用清晨的時間進行鍛煉，對晚上型的人來說，則可以利用白天上、下午兩個最佳時段，甚至利用晚上的時段進行健身鍛煉。

在一周中人的體力也有2個高峰和相應的低潮，即周三、周五或周二、周四為一周中的兩個體力高峰日。周六是最后一天，經過一周的生活、工作和體育鍛煉，人的身體必然有一定的疲勞積累，因而往往到周六時的體力是不會好的；周日往往都要參加各種其他的活動，得不到很好的休息，也不可能成為體力的高潮，正由于周六、周日體力沒有得到很好的調整，有時甚至加劇了疲勞。因而，一般周一基本上也屬于體力的自我調整日，也不是體育高峰日。從周二開始，人體在一周中的第一個高峰日開始出現。

在全年中，人的各種機能能力和運動能力也表現出與四季的自然節奏相吻合的節律性變化規律。人在一年四季中擇時安排健身鍛煉的主要特點是：

（1）春季擇時健身鍛煉。春季有一年中的“準備活動”之稱。剛開始活動的內容不要太復雜，要求不要太高，體力負荷不宜太高，逐步適應逐漸變暖的氣候條件，逐步提高要求?？梢砸允彝饣顒訛橹?，開展一些諸如散步，旅游、郊游、釣魚、慢跑、武術和舞蹈活動。（2）夏季擇時健身鍛煉。由于氣候炎熱，人的生物節奏處于低潮，運動的欲望和機能狀況都比春季要差，因此夏季是一年中的第一個調整期。把運動負荷適當減小，鍛煉的時間不宜過長。要減少室外鍛煉的項目和內容，鍛煉的時間應縮短，以05～07時和17～19時為宜?？啥嚅_展一些水上項目、海水浴、高山旅游，在有空調條件的室內健身房從事各種健身、健美活動和藝術體操、體育舞蹈等項目，也可參加一些室內的球類項目如乒乓球、羽毛球、壁球、臺球、滑旱冰、輪滑等。（3）秋季擇時健身鍛煉。秋季是提高體能最好的季節，健身鍛煉者的鍛煉欲望大增，應該充分利用這一季節加強健身鍛煉。參加與力量素質有關的健身、健美項目的鍛煉。如各種田徑、球類、體操等。除此之外，長跑活動在這個季節也比較適宜。（4）冬季擇時健身鍛煉。冬季雖然是一年中身體體能的低潮階段，但是冬季同時也是一個健身鍛煉的季節。冬季健身鍛煉主要從兩方面著手。一是提高人對寒冷的適應能力，二是提高以有氧耐力為主的體能。冬季鍛煉與夏季不同，冬季氣候雖然較冷，但是通過一定負荷的鍛煉，不僅能提高人對寒冷的適應能力，另一方面也是一個提高體能的良好機會。因此冬季仍可進行慢跑活動，但是以提高對自然的適應能力和耐力水平作為其主要的健身鍛煉目的。但同時也要注意保暖，鍛煉后應及時更換被汗浸濕的內衣[8]。

4 結語

近年來時間生物學在臨床應用方面已取得了重要進展，利用時間生物學研究人類疾病的預防及發生發展已成為生命科學的研究熱點之一，擇時治療也已成為臨床治療疾病的主要手段之一，并在日常生活中也具有不可忽視的指導作用。隨著現代時間生物學理論、實驗方法等成果的引入，以及時間生物學工程迅速發展，先進的監測、分析儀器的使用，研究“擇時運動”對人體時間結構的本質、特點以及變化規律的影響將成為又一重要的研究內方向和內容之一?！皳駮r運動”或“因時運動”，即根據機體內時間生物結構“生物節律”特點，選擇時間進行運動，以達到最佳運動效果。基于有氧運動對心血管功能的積極影響，合理地利用生物節律以擇時運動進一步有效提高和改善心血管系統功能，以及對相關指標的良好影響有望獲得新的研究突破。

[1]王正榮主編.時間生物學[M].北京：人民衛生出版社，2008：1-2.

[2]Halberg F,Cornelissen G,Otsuka K,et al.Essays on chronomics spawned by transdisciplinary chronobiology[J].Neuroendocrinol Lett,22（5）：359-384.

[3]Li JC.The circadian pacemaker ofmammals[J].Trends ofBiological Science，1983（6）：13-18.

[4]王正榮主編.時間生物學[M].北京：人民衛生出版社，2008：7-8.

[5]李光明主編.時間生物學簡述[C].四川：第三屆泛珠江三角區放射腫瘤學術大會暨四川省第四屆放射腫瘤專委會第三屆年會，2007.

[6]Hiroki RU，Chen WB，Minami Y，et a1.Molecular—timetable methods for detection of body time and rhythm disorders from single-timepoint genome-wide expression profiles.Proc,Natl Acad USA,2004（31）：11.

[7]李愛春，張林主編.運動時間生物學在運動訓練中的應用研究進展[R].全國時間生物醫學學術會議，2009.

[8]肖 平，徐本力.“擇時健身”的提出與“同步生物節奏健身鍛煉法”的確立[J].體育學刊，2006（4）：131-134.

Development and Applications of Chronobiology

Zhao PengWu Mingfang
（P.E.School of Soochow University，Suzhou Jiangsu 215021）

Chronobiology isan emerging s tudy of rhythm phenomena and their applications.Biological rhythm isthe repetitive process of biological sys tems,which is characterized by periodicity,repeating the phenomenon of life in a certain time interval and it is the bas ic characteris tics of most living creatures,and the res ult of organis mevolution.Biological rhythm plays an important role in the body's adaptation to environmental changes,and maintaining its homeos tas is.Studies have shown that certain human behavior and some phys iological and biochemical index are of obviouscircadian rhythm,among which,the function of cardiovas cular system (including heart rate,blood pres sure)of the circadian rhythm phenomenon hasbeen confirmed.Now,following the in-depth res earch,chronobiology hasbeen widelyus ed in medical applications;treatment at selected timehasbecometheprimary meansof treating clinical dis eas es,and some res earches and applications concerning selected time exercis es which are bas ed on biological rhythms will becomeanother important res earch direction and als obeoneof significancecontentsof chronobiology.

chronobiology biological rhythm timetherapeutics s elected timeexercis es

G804.63

A

1004—5643（2011）07—0120—03

國家級大學生創新性課題研究項目，項目編號：SG31508910。

1.趙 鵬（1990～），男，學生。研究方向：體育保健康復。

作者簡介：2.吳明方（1957～），女，教授，博士，碩士研究生導師。研究方向：體育保健康復。