时间生物学的发展与应用

赵 鹏 吴明方

（苏州大学体育学院，江苏 苏州 215002）

时间生物学的发展与应用

赵 鹏 吴明方

（苏州大学体育学院，江苏 苏州 215002）

时间生物学是研究生物节律现象及其应用的新兴学科。生物节律是指生物系统的重复过程，即以周期性为特征，以一定时间间隔不断重复的生命现象，是大多数生物的基本特征，是机体进化的结果。它在机体适应环境变化、维持内环境稳定等方面起了重要的作用。有研究显示，人类某些行为和一些生理生化指标均存在明显的周期节律性，其中，心血管系统功能（包括心率、血压）的昼夜节律现象已得到了证实。目前，随着相关研究的不断深入，时间生物学已广泛应用于医学领域，择时治疗已成为治疗临床疾病的主要手段，而依据生物节律进行择时运动的相关研究及应用也将成为又一重要的研究方向和时间生物学的研究内容之一。

时间生物学 生物节律 时间治疗学 择时训练

1 时间生物学的兴起

时间生物学是研究生物节律及其应用的新兴学科，其研究内容主要包括生物节律现象；生物节律的产生及其机制；生物节律与其他系统的关系；时间生物学的应用，如在医学、运动学上的应用。生物节律是指生物系统的重复过程，它是机体逐步进化的结果，它在机体适应坏境变化、维持内环境稳定等方面起着重要的作用。生物节律的产生机制是时间生物学的研究热点和研究进展迅速的领域。时间生物学的应用已经在不同领域开展，特别是在医学中的应用日益广泛。它不但涉及到疾病的发病机制，还涉及到疾病的诊断、预防和治疗[1]。

生物节律作为生命活动的基本特征之一[2]，依照周期的长短可以分为亚日节律、近日节律和超日节律等。其中，近日节律最为普遍和重要，是当前研究最多、物质基础相对研究得最清楚的生物节律。近日节律是机体固有的，也就是具有内源性特征，在没有外界环境信号作用的情况下，仍以近24小时周期自由运转（free running）[3]。

从1902年到1905年，苏格兰的Suthland Simpdon和Galbrith详细研究猴子在光循环、持续光照和持续黑暗下的体温纪律。在同一时期，美国的Francis Benedict对人类体温和记忆的昼夜戒律（Nyctheral rhythm）进行了研究。

1926年，Maynard Johnson证明动物的一些昼夜节律具有内源性的特征。Johnson将动物饲养在持续黑暗中，监视动物每天的活动开始时间（Activity onset time），简称动点，研究鹿鼠活动的节律。研究表明鹿鼠的始动点每天均在发生变化（延迟），1个月后延迟4h（从4pm到8pm）。由此推算，它的始动点平均每天延迟6min，也就是说，鹿鼠活动节律的周期为24.1h，而不是正好24小时。地球自传引起的地球物理周期为24h，在所有潜在的地球物理时间信息应该与24h相同。而鹿鼠活动节律的周期为24.1h，充分说明鹿鼠在持续黑暗的活动节律与地球物理24h时间信息无关，是内源性的。

到20世纪50年代，许多科学家全职从事时间生物学的研究。最为著名的时间生物学FranzHalberg教授对时间生物学的一些术语进行了科学的定义，并创造了时间生物学的专业词汇，比如近日（Circadian）和时间生物学（Chronobiology）等，因而被称为现代时间生物学之父[4]。

2 时间生物学在医学中的发展与应用

时间生物学（chmnobiology）作为研究机体乃至单细胞功能活动的生物节律及其产生机制和应用的新兴学科，其研究带动了基础和临床医学的发展，使诊疗方法得以革新。下面举几个例子加以说明。

2.1 疾病的诊断和预防

时间生物学最早应用于血压检测，已证实血压存在着明显的昼夜波动。时间生物学家们对血压的时间生物学特征做了大量的研究工作，Halb erg等对一些表现正常的人作了连续48小时以上的血压检测，用余弦法分析这些数据。他们发现在这些“正常人”中，有的具有MESOR（用余弦方法从曲线中计算得到血压的均值方法）高血压，有的是Amplitude（对收缩压振幅与中值的比较分析方法）高血压。这从时间生物学的角度帮助了临床医生发现和诊断隐型高血压。此外，Halberg等还对具有高血压家族史和无高血压家族史的新生儿血压作了24小时以上的连续检测，发现有无高血压家族史的新生儿血压存在着生物节律差异，这对于早期发现和预防该疾病有着重要的意义[5]。

2.2 时间治疗学

最为典型的就是肿瘤时间治疗学（tumor chronotherapeu-tics），即根据时间生物学和药理学（chronopharmacology）原理选择最适宜时间进行治疗，以达到最佳疗效和最小毒副作用的目的。通常指药物和放射的时间治疗及传统中医药和针灸的时间治疗，比较正常与肿瘤组织之间病理生理活动时间节律的差异。利用机体时间节律与药物之间的相互关系，克服了传统方法的局限性，有着疗效好、毒副作用小等特点，逐渐被广大医务工作者所认同，也为广大患者所接受。

研究发现，近日节律可通过调控原癌基因与抑癌基因的表达，在肿瘤发生中具有直接或间接的作用。国外学者对正常人皮肤及口腔粘膜组织学检查，发现P53表达具有近日节律性，进一步提示依赖P53的细胞凋亡也具有近日节律性。

在看到时间治疗优势的同时，也不应忽视其没有明显效果之处，这是由于存在明显的个体差异。这就需要将每个患者的近日节律绘制成图以显示其节律改变的范围和特点，再利用药代动力学参数找出所用药物毒性最低、疗效最高的时间规律进行个体化用药。Hiroki等[6]创建的分子／时间表格测量个体的身体时间（body time,BT），综合了上百个时间指示基因表达情况，只需对受试者取样1次即可查表得出身体时间点。该表不仅用于节律紊乱的诊断，还可协助制定个体化的时辰治疗方案。个体化治疗将是未来肿瘤时间治疗学的一个发展趋势。此外，中西医两大医学体系都认同“时间”在治疗学中的独特地位，运用中医时间学观点分析肿瘤发生发展的时间节律性，借助现代时间生物学方法寻找中、西医时间肿瘤学的切合点，有望开创肿瘤治疗的新领域。随着分子时间生物学及其机制的深入研究，数学和统计学的发展为现代时间生物学向纵深发展提供了新的机遇与挑战，将循证医学原理和临床实践相结合，开展大样本、多中心的肿瘤流行病学调查和临床试验研究，评价时间治疗方案疗效，以制定更为具体详细的治疗指南，届时，肿瘤时间治疗学必将成为成熟的临床治疗方案。

3 时间生物学在体育运动方面的发展与运用

随着人类社会的发展，体育已成为人类社会生活的重要内容而发挥出越来越大的作用，已成为—个国家和民族政治、经济、文化及科技等综合实力的“橱窗”，成为国际国内评判体育强国、体育强省的最主要标志。因而各国各省市为提高自己在国际国内体育中的地位，都对体育给予超前的投入以期取得超前的产出。但是投入与产出之间必然存在着投资效率问题。在人力、物力和财力等既定的情况下，训练、锻炼效率无疑成了决定体育胜败的关键。为此诸多专家与学者从不同视角进行了大量的研究，以提高运动训练效率，力图寻求—条快捷高效的运动员成材之路。期间，时间生物学与体育科学的交叉、融合促成了运动时间生物学的形成。

3.1 生物节律与运动生物节律

生物节律是运动时间生物学的核心，是生命活动的基本特征之一，是生命活动的固有规律，是指生物体内的各种功能活动按—定的时间顺序发生周期性变化的特征。人体中所有化学过程、生物物理过程以及生理过程都表现出时间规律性的变化。人体竞技状态的形成与发展过程不仅与外部的自然节律有关，而且与生物体内的生物节律密切关联。人体最佳竞技状态节律的形成是外部节律和内部节律的高度综合表现。因此说，运动生物节律是指对人体在运动训练过程中影响最佳竞技状态形成的各种因素发生周期性变化的节律，它包括外部节律和内部节律。在体育实践中为了科学合理地制订训练计划和竞技比赛计划，必须掌握运动员的生物节律变化并加以运用，使之发挥最佳水平，有效防止运动伤病的发生，从而获得更高的训练效率。因此，合理利用运动生物节律，对提高身体素质、提高工作、运动、训练技术水平、减少疾病和预防运动损伤，都具有十分重要的意义。

国外运动时间生物学研究主要集中于美国、英国、俄罗斯、加拿大、日本、德国等国家。20世纪70年代初，美国的Franz Haiberg对50m跑、握力、俯卧障、仰卧起坐等体能活动进行过节律性研究；80年代，前民主德国迪特里希·哈雷博士在其主编的《运动训练的理论与方注学导论》一书中指出，人的竞技能力在—天中的白天里现出“三高峰”、“三低峰”的规律；美国的E·Haus与罗马尼亚Nicolaus合作，对运动的时间反应做过探讨；英国的Simpson等人研究了节律成分对运动的生理反应；Klein和Wecman对—天中不同时问的运动效果进行研究：俄罗斯的时间生物学家曾在运动训练过程中应用生物节律理论；日本的Yemaken以体育专业学生为研究对象，研究人体PwC的昼夜节律；前苏联学者沙勃施尼柯娃在其专著《运动个体化和预测》中指出：“对—天中白天所表现出的运动能力的差异进行统计后发现，在—天中的不同时间，同—个人从事同—种工作消耗的能量相差9%。”Antoine Gauthier（1996年）探索了—天中不同时刻进行等长肌力训练，屈肘肌群的肌力与肌电变化，发现神经肌肉功能在18:00最强，9:00最小。Meijer（2003年）等研究了易地参赛选手受时差影响出现生物节律失同步、睡眠障碍、肌肉力量下降等现象，多集中于运动员生物节律系统及特征等基础理论研究，为将来的运动员选材、运动训练、运动员机能调整等应用性研究提供了丰富的实验数据和基础。类似AntoineGauthier这种探索不同时刻的运动训练所引起的不同生物学反应，为实施科学的择时训练提供了实验数据和科学依据。迄今，国外有关运动时间生物学在择时运动训练实践中的应用研究仍显得薄弱。

我国运动时间生物学在运动训练中较为系统的应用研究起步于20世纪80年代中期，此前，有许多研究学者就生物节律在体育运动中的应用做了大量有益的工作，一些教练员潜意识里运用生物节律的理论，调整运动员的机能状态，总体上历经纯理论探讨、生日节律与科学的生物节律这三个阶段[7]。

3.2 时间生物学在大众体育锻炼中的应用发展

一个人的身体活动过程，离不开体内各器官、系统的支持，没有由此而形成的良好的机体内环境，就不可能取得更好的健身锻炼效果。如何根据人体内源性的时间生物学理论，特别是生物的节律性，如何根据各器官、系统的时间学工作特点，合理地安排健身锻炼的时间、内容、手段、负荷和制定科学的健身运动处方，是摆在我们面前的一项重要任务，我们把依据人的机体各器官、系统表现出的生物节律，选择最佳的时间进行健身锻炼称之为“择时健身”。

人在一天中各种运动能力都有一定的时间节奏。前民主德国迪特里希·哈雷博士早在20世纪80年代时就在其主编的《运动训练的理论与方法学导论》一书中就指出，人的竞技能力在一天中的白天呈现出“三高峰”、“三低峰”的规律：第1个高峰是08-12时，是一天中掌握技能的最高峰，适宜学习和掌握作技术动作；第2高峰是14-18时，这是一天中体力最高峰，最容易提高体力，第3个高峰是19-21时，这是一个灵活性、协调能力最好的时间，这个高峰实际是第2个高峰的延续。人在一天中的白天中3个运动能力低潮期分别是：第1低潮在清晨（4-8点）；第2低潮是12-14时，这是一天中白天的最低潮，尤其14时体力最差；第3低潮是18-19时，是一个小低潮，是晚饭前后，时间很短，晚饭后即开始进入高潮。

人的生物钟在一天中也表现出明显的由遗传因素造成的个体差异。前苏联学者沙勃施尼柯娃指出：人的生物钟类型可分为清晨型（也称云雀型）；晚上型（也称夜猫子型），第三种为白昼型（也称鸽子型）。清晨型的人很乐意和习惯于清晨锻炼，而晚上型的人则感到不习惯早起进行早锻炼。有人曾对这两类人在早晨时间完成协调性测试中所出现的错误动作进行分析后发现，晚上型人的错误动作要比清晨型人多50%。

但是，人的日生物钟也不是绝对不能改变的，通过人为地改变一天的生活、健身锻炼节奏的安排，并持续2周以上的时间，原有的日生物节奏也会发生变化。由于每个人由遗传决定的生物节奏类型不同，因而在不同人群进行健身锻炼时，不必刻意地勉强按不适合自己或不习惯的时间进行锻炼。例如对早上型的人来说，可以利用清晨的时间进行锻炼，对晚上型的人来说，则可以利用白天上、下午两个最佳时段，甚至利用晚上的时段进行健身锻炼。

在一周中人的体力也有2个高峰和相应的低潮，即周三、周五或周二、周四为一周中的两个体力高峰日。周六是最后一天，经过一周的生活、工作和体育锻炼，人的身体必然有一定的疲劳积累，因而往往到周六时的体力是不会好的；周日往往都要参加各种其他的活动，得不到很好的休息，也不可能成为体力的高潮，正由于周六、周日体力没有得到很好的调整，有时甚至加剧了疲劳。因而，一般周一基本上也属于体力的自我调整日，也不是体育高峰日。从周二开始，人体在一周中的第一个高峰日开始出现。

在全年中，人的各种机能能力和运动能力也表现出与四季的自然节奏相吻合的节律性变化规律。人在一年四季中择时安排健身锻炼的主要特点是：

（1）春季择时健身锻炼。春季有一年中的“准备活动”之称。刚开始活动的内容不要太复杂，要求不要太高，体力负荷不宜太高，逐步适应逐渐变暖的气候条件，逐步提高要求。可以以室外活动为主，开展一些诸如散步，旅游、郊游、钓鱼、慢跑、武术和舞蹈活动。（2）夏季择时健身锻炼。由于气候炎热，人的生物节奏处于低潮，运动的欲望和机能状况都比春季要差，因此夏季是一年中的第一个调整期。把运动负荷适当减小，锻炼的时间不宜过长。要减少室外锻炼的项目和内容，锻炼的时间应缩短，以05～07时和17～19时为宜。可多开展一些水上项目、海水浴、高山旅游，在有空调条件的室内健身房从事各种健身、健美活动和艺术体操、体育舞蹈等项目，也可参加一些室内的球类项目如乒乓球、羽毛球、壁球、台球、滑旱冰、轮滑等。（3）秋季择时健身锻炼。秋季是提高体能最好的季节，健身锻炼者的锻炼欲望大增，应该充分利用这一季节加强健身锻炼。参加与力量素质有关的健身、健美项目的锻炼。如各种田径、球类、体操等。除此之外，长跑活动在这个季节也比较适宜。（4）冬季择时健身锻炼。冬季虽然是一年中身体体能的低潮阶段，但是冬季同时也是一个健身锻炼的季节。冬季健身锻炼主要从两方面着手。一是提高人对寒冷的适应能力，二是提高以有氧耐力为主的体能。冬季锻炼与夏季不同，冬季气候虽然较冷，但是通过一定负荷的锻炼，不仅能提高人对寒冷的适应能力，另一方面也是一个提高体能的良好机会。因此冬季仍可进行慢跑活动，但是以提高对自然的适应能力和耐力水平作为其主要的健身锻炼目的。但同时也要注意保暖，锻炼后应及时更换被汗浸湿的内衣[8]。

4 结语

近年来时间生物学在临床应用方面已取得了重要进展，利用时间生物学研究人类疾病的预防及发生发展已成为生命科学的研究热点之一，择时治疗也已成为临床治疗疾病的主要手段之一，并在日常生活中也具有不可忽视的指导作用。随着现代时间生物学理论、实验方法等成果的引入，以及时间生物学工程迅速发展，先进的监测、分析仪器的使用，研究“择时运动”对人体时间结构的本质、特点以及变化规律的影响将成为又一重要的研究内方向和内容之一。“择时运动”或“因时运动”，即根据机体内时间生物结构“生物节律”特点，选择时间进行运动，以达到最佳运动效果。基于有氧运动对心血管功能的积极影响，合理地利用生物节律以择时运动进一步有效提高和改善心血管系统功能，以及对相关指标的良好影响有望获得新的研究突破。

[1]王正荣主编.时间生物学[M].北京：人民卫生出版社，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]王正荣主编.时间生物学[M].北京：人民卫生出版社，2008：7-8.

[5]李光明主编.时间生物学简述[C].四川：第三届泛珠江三角区放射肿瘤学术大会暨四川省第四届放射肿瘤专委会第三届年会，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]李爱春，张林主编.运动时间生物学在运动训练中的应用研究进展[R].全国时间生物医学学术会议，2009.

[8]肖 平，徐本力.“择时健身”的提出与“同步生物节奏健身锻炼法”的确立[J].体育学刊，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

国家级大学生创新性课题研究项目，项目编号：SG31508910。

1.赵 鹏（1990～），男，学生。研究方向：体育保健康复。

作者简介：2.吴明方（1957～），女，教授，博士，硕士研究生导师。研究方向：体育保健康复。