趙 鵬 吳明方

（蘇州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇 蘇州 215002）

時間生物學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用

趙 鵬 吳明方

（蘇州大學(xué)體育學(xué)院，江蘇 蘇州 215002）

時間生物學(xué)是研究生物節(jié)律現(xiàn)象及其應(yīng)用的新興學(xué)科。生物節(jié)律是指生物系統(tǒng)的重復(fù)過程，即以周期性為特征，以一定時間間隔不斷重復(fù)的生命現(xiàn)象，是大多數(shù)生物的基本特征，是機體進化的結(jié)果。它在機體適應(yīng)環(huán)境變化、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)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(jié)律性，其中，心血管系統(tǒng)功能（包括心率、血壓）的晝夜節(jié)律現(xiàn)象已得到了證實。目前，隨著相關(guān)研究的不斷深入，時間生物學(xué)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，擇時治療已成為治療臨床疾病的主要手段，而依據(jù)生物節(jié)律進行擇時運動的相關(guān)研究及應(yīng)用也將成為又一重要的研究方向和時間生物學(xué)的研究內(nèi)容之一。

時間生物學(xué) 生物節(jié)律 時間治療學(xué) 擇時訓(xùn)練

1 時間生物學(xué)的興起

時間生物學(xué)是研究生物節(jié)律及其應(yīng)用的新興學(xué)科，其研究內(nèi)容主要包括生物節(jié)律現(xiàn)象；生物節(jié)律的產(chǎn)生及其機制；生物節(jié)律與其他系統(tǒng)的關(guān)系；時間生物學(xué)的應(yīng)用，如在醫(yī)學(xué)、運動學(xué)上的應(yīng)用。生物節(jié)律是指生物系統(tǒng)的重復(fù)過程，它是機體逐步進化的結(jié)果，它在機體適應(yīng)壞境變化、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等方面起著重要的作用。生物節(jié)律的產(chǎn)生機制是時間生物學(xué)的研究熱點和研究進展迅速的領(lǐng)域。時間生物學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)在不同領(lǐng)域開展，特別是在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛。它不但涉及到疾病的發(fā)病機制，還涉及到疾病的診斷、預(yù)防和治療[1]。

生物節(jié)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(jié)律、近日節(jié)律和超日節(jié)律等。其中，近日節(jié)律最為普遍和重要，是當前研究最多、物質(zhì)基礎(chǔ)相對研究得最清楚的生物節(jié)律。近日節(jié)律是機體固有的，也就是具有內(nèi)源性特征，在沒有外界環(huán)境信號作用的情況下，仍以近24小時周期自由運轉(zhuǎn)（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(huán)、持續(xù)光照和持續(xù)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(jié)律具有內(nèi)源性的特征。Johnson將動物飼養(yǎng)在持續(xù)黑暗中，監(jiān)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(jié)律。研究表明鹿鼠的始動點每天均在發(fā)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(jié)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(yīng)該與24h相同。而鹿鼠活動節(jié)律的周期為24.1h，充分說明鹿鼠在持續(xù)黑暗的活動節(jié)律與地球物理24h時間信息無關(guān)，是內(nèi)源性的。

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

2 時間生物學(xué)在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展與應(yīng)用

時間生物學(xué)（chmnobiology）作為研究機體乃至單細胞功能活動的生物節(jié)律及其產(chǎn)生機制和應(yīng)用的新興學(xué)科，其研究帶動了基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)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(yù)防

時間生物學(xué)最早應(yīng)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(xué)家們對血壓的時間生物學(xué)特征做了大量的研究工作，Halb erg等對一些表現(xiàn)正常的人作了連續(xù)48小時以上的血壓檢測，用余弦法分析這些數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)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(xué)的角度幫助了臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)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(xù)檢測，發(fā)現(xiàn)有無高血壓家族史的新生兒血壓存在著生物節(jié)律差異，這對于早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防該疾病有著重要的意義[5]。

2.2 時間治療學(xué)

最為典型的就是腫瘤時間治療學(xué)（tumor chronotherapeu-tics），即根據(jù)時間生物學(xué)和藥理學(xué)（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(tǒng)中醫(yī)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(jié)律的差異。利用機體時間節(jié)律與藥物之間的相互關(guān)系，克服了傳統(tǒng)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(yī)務(wù)工作者所認同，也為廣大患者所接受。

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

在看到時間治療優(yōu)勢的同時，也不應(yīng)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(jié)律繪制成圖以顯示其節(jié)律改變的范圍和特點，再利用藥代動力學(xué)參數(shù)找出所用藥物毒性最低、療效最高的時間規(guī)律進行個體化用藥。Hiroki等[6]創(chuàng)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(jié)律紊亂的診斷，還可協(xié)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(xué)的一個發(fā)展趨勢。此外，中西醫(yī)兩大醫(yī)學(xué)體系都認同“時間”在治療學(xué)中的獨特地位，運用中醫(yī)時間學(xué)觀點分析腫瘤發(fā)生發(fā)展的時間節(jié)律性，借助現(xiàn)代時間生物學(xué)方法尋找中、西醫(yī)時間腫瘤學(xué)的切合點，有望開創(chuàng)腫瘤治療的新領(lǐng)域。隨著分子時間生物學(xué)及其機制的深入研究，數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展為現(xiàn)代時間生物學(xué)向縱深發(fā)展提供了新的機遇與挑戰(zhàn)，將循證醫(yī)學(xué)原理和臨床實踐相結(jié)合，開展大樣本、多中心的腫瘤流行病學(xué)調(diào)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(xué)必將成為成熟的臨床治療方案。

3 時間生物學(xué)在體育運動方面的發(fā)展與運用

隨著人類社會的發(fā)展，體育已成為人類社會生活的重要內(nèi)容而發(fā)揮出越來越大的作用，已成為—個國家和民族政治、經(jīng)濟、文化及科技等綜合實力的“櫥窗”，成為國際國內(nèi)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(nèi)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(chǎn)出。但是投入與產(chǎn)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(xùn)練、鍛煉效率無疑成了決定體育勝敗的關(guān)鍵。為此諸多專家與學(xué)者從不同視角進行了大量的研究，以提高運動訓(xùn)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(xué)與體育科學(xué)的交叉、融合促成了運動時間生物學(xué)的形成。

3.1 生物節(jié)律與運動生物節(jié)律

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

國外運動時間生物學(xué)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(jié)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(xùn)練的理論與方注學(xué)導(dǎo)論》一書中指出，人的競技能力在—天中的白天里現(xiàn)出“三高峰”、“三低峰”的規(guī)律；美國的E·Haus與羅馬尼亞Nicolaus合作，對運動的時間反應(yīng)做過探討；英國的Simpson等人研究了節(jié)律成分對運動的生理反應(yīng)；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(xué)家曾在運動訓(xùn)練過程中應(yīng)用生物節(jié)律理論；日本的Yemaken以體育專業(yè)學(xué)生為研究對象，研究人體PwC的晝夜節(jié)律；前蘇聯(lián)學(xué)者沙勃施尼柯娃在其專著《運動個體化和預(yù)測》中指出：“對—天中白天所表現(xiàn)出的運動能力的差異進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，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(xùn)練，屈肘肌群的肌力與肌電變化，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)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(xiàn)生物節(jié)律失同步、睡眠障礙、肌肉力量下降等現(xiàn)象，多集中于運動員生物節(jié)律系統(tǒng)及特征等基礎(chǔ)理論研究，為將來的運動員選材、運動訓(xùn)練、運動員機能調(diào)整等應(yīng)用性研究提供了豐富的實驗數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)。類似AntoineGauthier這種探索不同時刻的運動訓(xùn)練所引起的不同生物學(xué)反應(yīng)，為實施科學(xué)的擇時訓(xùn)練提供了實驗數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。迄今，國外有關(guān)運動時間生物學(xué)在擇時運動訓(xùn)練實踐中的應(yīng)用研究仍顯得薄弱。

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

3.2 時間生物學(xué)在大眾體育鍛煉中的應(yīng)用發(fā)展

一個人的身體活動過程，離不開體內(nèi)各器官、系統(tǒng)的支持，沒有由此而形成的良好的機體內(nèi)環(huán)境，就不可能取得更好的健身鍛煉效果。如何根據(jù)人體內(nèi)源性的時間生物學(xué)理論，特別是生物的節(jié)律性，如何根據(jù)各器官、系統(tǒng)的時間學(xué)工作特點，合理地安排健身鍛煉的時間、內(nèi)容、手段、負荷和制定科學(xué)的健身運動處方，是擺在我們面前的一項重要任務(wù)，我們把依據(jù)人的機體各器官、系統(tǒng)表現(xiàn)出的生物節(jié)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(jié)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(xùn)練的理論與方法學(xué)導(dǎo)論》一書中就指出，人的競技能力在一天中的白天呈現(xiàn)出“三高峰”、“三低峰”的規(guī)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(xué)習(xí)和掌握作技術(shù)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(xié)調(diào)能力最好的時間，這個高峰實際是第2個高峰的延續(xù)。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(xiàn)出明顯的由遺傳因素造成的個體差異。前蘇聯(lián)學(xué)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(xí)慣于清晨鍛煉，而晚上型的人則感到不習(xí)慣早起進行早鍛煉。有人曾對這兩類人在早晨時間完成協(xié)調(diào)性測試中所出現(xiàn)的錯誤動作進行分析后發(fā)現(xiàn)，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(jié)奏的安排，并持續(xù)2周以上的時間，原有的日生物節(jié)奏也會發(fā)生變化。由于每個人由遺傳決定的生物節(jié)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(xí)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(yīng)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(jīng)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(diào)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(diào)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(xiàn)。

在全年中，人的各種機能能力和運動能力也表現(xiàn)出與四季的自然節(jié)奏相吻合的節(jié)律性變化規(guī)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(nèi)容不要太復(fù)雜，要求不要太高，體力負荷不宜太高，逐步適應(yīng)逐漸變暖的氣候條件，逐步提高要求。可以以室外活動為主，開展一些諸如散步，旅游、郊游、釣魚、慢跑、武術(shù)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(jié)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(diào)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(nèi)容，鍛煉的時間應(yīng)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(diào)條件的室內(nèi)健身房從事各種健身、健美活動和藝術(shù)體操、體育舞蹈等項目，也可參加一些室內(nèi)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(jié)，健身鍛煉者的鍛煉欲望大增，應(yīng)該充分利用這一季節(jié)加強健身鍛煉。參加與力量素質(zhì)有關(guān)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(jié)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(jié)。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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)及時更換被汗浸濕的內(nèi)衣[8]。

4 結(jié)語

近年來時間生物學(xué)在臨床應(yīng)用方面已取得了重要進展，利用時間生物學(xué)研究人類疾病的預(yù)防及發(fā)生發(fā)展已成為生命科學(xué)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(dǎo)作用。隨著現(xiàn)代時間生物學(xué)理論、實驗方法等成果的引入，以及時間生物學(xué)工程迅速發(fā)展，先進的監(jiān)測、分析儀器的使用，研究“擇時運動”對人體時間結(jié)構(gòu)的本質(zhì)、特點以及變化規(guī)律的影響將成為又一重要的研究內(nèi)方向和內(nèi)容之一?！皳駮r運動”或“因時運動”，即根據(jù)機體內(nèi)時間生物結(jié)構(gòu)“生物節(jié)律”特點，選擇時間進行運動，以達到最佳運動效果?；谟醒踹\動對心血管功能的積極影響，合理地利用生物節(jié)律以擇時運動進一步有效提高和改善心血管系統(tǒng)功能，以及對相關(guān)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(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2008：1-2.

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[8]肖 平，徐本力.“擇時健身”的提出與“同步生物節(jié)奏健身鍛煉法”的確立[J].體育學(xué)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(xué)生創(chuàng)新性課題研究項目，項目編號：SG31508910。

1.趙 鵬（1990～），男，學(xué)生。研究方向：體育保健康復(fù)。

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