73歲的法特(Fred Crittenden)在35歲那年因視網膜色素病變而喪失視力,自此無法用視覺判別白天或黑夜,但他的生理時鐘仍然如常運作。究竟他是怎樣做到「日出而作,日入而息」呢?
法特憶述,當年用了一年時間接受失明的事實,以及適應看不見的生活。起居飲食需要別人幫助和輔助工具。他的作息很有規律,晚飯後會讀「發聲書」或聽電視播放球賽。每晚11時左右他便感覺睏倦,要上床睡覺,翌日早上6時半自然醒來。
眾所周知,人體的晝夜規律感應系統由光線調控,日出而作,日入而息。美國加州大學的神經生物學家Marla Feller說:「如果我們見不到光線,睡眠周期會慢慢轉變,變得愈來愈遲入睡。每天外出接觸陽光,有助生理時鐘維持以24小時的周期運轉。」
不過,科學家從法特身上發現,原來生理時鐘的運作可以不受視覺影響。法特的視桿細胞(令人在昏暗環境看得見)和視錐細胞(在光亮環境看到顏色)完全失去功能,眼前看到的只有一片潻黑,但他視網膜上的感光細胞如常運作,協助大腦偵測光線,從而協調身體的晝夜規律。
這些感光細胞名為黑視蛋白細胞(melanopsin cells)。維珍尼亞大學生物學家Iggy Provencio與研究團隊上世紀90年代在非洲爪蛙的皮膚上發現了黑視蛋白細胞。當非洲爪蛙暴露於陽光下,黑視蛋白會在皮膚上呈現黑斑,形成保護色,與牠們棲息的河床石堆混為一體。Provencio發現青蛙和老鼠的視網膜都有這種黑視蛋白。
Feller指出:「我們在顯微鏡下首度發現哺乳類動物,包括人類,也有這個感光系統。黑視素不在視桿細胞和視錐細胞裡,而是在視網膜的另一層,名為黑視蛋白細胞的神經元裡。」
哈佛大學醫學院的兒童醫院神經科專家Michael Do 解釋,黑視蛋白細胞像八爪魚的爪,與其他黑視蛋白細胞的觸突重疊,形成視網膜的色塊。「人的大腦有30個區域與黑視蛋白細胞連繫,其中一處是腦下方的視交叉上核(suprachiasmatic nucleus)。這個主責晝夜規律的結構收到光線訊息後,會指示身體各項相應的生理機能運作,例如適時睡覺和起床。黑視蛋白細胞亦參與感覺饑餓、調控體溫、偏頭痛、情緒和學習等功能。
黑視蛋白對波長較短的光(如藍光)比較敏感。黑視蛋白感光後會通知大腦,令我們的身體減少製造褪黑色素(melatonin),我們便會較難入睡。褪黑激素在人體暴露於光線後14至16小時分泌,所以早上曬太陽,晚上更易入睡。相反,早上看不夠陽光,晚上便會因為褪黑激素減少而缺乏睡意。
現代人在日常生活中可謂時刻都接觸到藍光,室內的燈光、電視、手機和電子用品的屏幕,都會發出藍光。有研究發現,暴露於藍光的人睡眠平均減少了16分鐘。英特爾國際科學與工程博覽會於2013年發表的一項研究指出,每天使用電子熒幕超過3.5小時的青少年,比使用2小時的更容易出現睡眠不足的情況。睡眠不足的青年會較容易感覺憂慮。藍光干擾人類的晝夜規律,不單影響睡眠模式和質素,而且有增加抑鬱、心血管疾病及減弱免疫系統等風險。
專門研究生物時鐘的Salk Institute 研究人員Satchin Panda在小鼠實驗中將黑視素蛋白關掉,小鼠的生理時鐘就大亂了。研究人員人為製造日夜顛倒的光暗條件,結果小鼠需要用上一個月時間重新調校生理時鐘。這亦解釋了為甚麼有些人坐飛機飛越不同時區會很難適應。
對眼睛來說,最舒適的光線是波長接近620奈米的橘光/黃光。用偏黄的光看書所需要的亮度比白光低得多。而藍光和紫光分別比橘光強7,000倍和70,000倍,因此對眼睛傷害較大。光線進入眼球後,會與視網膜產生化學反應,產生化學廢物。這些廢物需要由眼球後的脈絡膜來清除,但是脈絡膜的清除效率有限,太多藍光會造成氧化物質累積。相反,戶外光線對眼睛來說比較均勻,而且人類在戶外的視線可以聚焦到較遠處,看得較遠和寬,讓視網膜上較多感光細胞參與,不致只由少數細胞承受負荷。
黑視蛋白細胞每天通知法特的身體,新一天到來,是時候與家人外出晨運,和收到女兒人每天來電問候。