1701063091
每天，生物钟都需要做一些纠正，因为人类昼夜节律起搏器倾向于运行得稍慢些，其自然周期略长于24小时。科学家仍在努力研究阳光究竟是如何影响起搏器的，但概括地讲，我们认为是由于阳光照射到眼睛上，视网膜的感光细胞中发生了化学变化，然后发送电信号，沿神经通路传递到下丘脑的视交叉上核，即起搏器的位置。令人惊讶的是，我们仍然不了解感光细胞。它们不是我们形成视觉的视杆细胞和视锥细胞，正如有遗传疾病的失明老鼠，被破坏了视杆细胞和视锥细胞后仍然可以牵连到亮暗周期中。
1701063092
1701063093
进一步证明光同步效应的证据可以从一个事实中得到：80%的盲人患有慢性睡眠障碍。因为他们每天无法足够多地重置时钟，因此也就无法按照外界的恰当时刻睡觉或保持清醒。他们的困扰是周期性的；每个月有2～3周，他们与外界的步调不一致，白天充斥着无法控制的睡眠，夜晚则被支离破碎的睡眠困扰。但渐渐地，他们的生物钟会慢慢转移，使他们的生活节律重新与外界保持一致。他们在接下来的1～2周中都会感觉不错，直到下一波浪潮来袭。
1701063094
1701063095
但是，有20%的盲人能够做到与亮暗周期同步。一种可能的解释是，虽然他们的视杆细胞和视锥细胞受到了破坏，但视网膜的昼夜节律感光细胞是完好的。这使得阳光可以通过照射他们的眼睛，然后沿着神经通路将信号传送到起搏器，帮助他们的生物钟复位。
1701063096
1701063097
换句话讲，虽然他们没有视觉，但仍然可以用一种不可见的、有昼夜节律的感官来感受光线。这个令人惊讶的想法的证据来自最近科学家们对褪黑激素的研究，褪黑激素是由松果体(8)产生的一种脑激素。在正常人体内，褪黑激素的分泌会每天周期性地起伏，在夜晚睡觉的时候达到峰值。这种昼夜节律是由主时钟驱动的，就像体温、警觉性以及许多其他生理功能一样。从这个意义上讲，褪黑激素为起搏器提供了另一个代理。
1701063098
1701063099
此外，褪黑激素的分泌也是一种对光线的响应——当强光射入眼睛时，分泌水平骤然跌落。（这里的“强光”是指白天正常的日光强度，比普通的室内照明灯亮得多，但并没什么特别。）1995年，切斯勒和他的同事测试了全盲受试者的褪黑激素抑制反应。他们采用的方法是，当他们的血液中的褪黑激素水平高的时候，使他们暴露在强光下。正如人们预料的那样，大多数受试者没有表现出任何抑制：光线并未影响到他们的生物钟。但是对于那些可以与24小时周期同步的盲人而言，强光使得他们体内褪黑激素的分泌停止了，就像健康者的反应一样。这个实验暗示我们，从眼睛到大脑有两条通路：一条是有意识的视觉，另一条是昼夜节律牵连。这一假设与对哺乳动物的大脑解剖分析结果是一致的；连通起搏器的神经专线与大脑的视觉通路是分开的。
1701063100
1701063101
正如盲人告诉了我们昼夜节律感光细胞的本质，一类受到另一种综合征影响的人群则告诉了我们关于生物钟的内部工作机制。1999年，科学家通过研究一种罕见的疾病，发现了首个与人类昼夜节律相关的基因，该疾病叫作“家族性睡眠状态综合征”。受到这种病症影响的家庭成员的典型特征是早起，晚上7：30就寝，转天凌晨4：30一起醒来。实验室研究表明，这些人的生物钟跑得很快，周期比常人要短1小时，这暗示着其生物钟功能出现了基因突变。犹他大学的路易斯·普塔塞克（Louis J. Ptacek）带领的研究小组追踪到了一个单独的hPer2基因的突变，其蛋白质产物被认为在分子反馈回路中起着重要的作用，是它在单细胞中生产了昼夜节律振子。
1701063102
1701063103
但其他一些患有这种综合征的家庭并未出现该基因的突变，这意味着可能还存在其他的一些突变基因。一旦有足够多有效的突变体，我们就可以期待科学家在解析人类昼夜节律的分子和遗传基础方面取得更大的进展。这必然会为我们带来关于时差反应、倒班工作，以及与日常同步紊乱相关的睡眠和精神疾病的更有效的治疗方法。
1701063104
1701063105
1701063106
1701063107
1701063108
同步：秩序如何从混沌中涌现 [:1701062287]
1701063109
1701063110
同步：秩序如何从混沌中涌现
1701063111
1701063112
1701063113
1701063114
1701063115
同步：秩序如何从混沌中涌现 [:1701062288]
1701063116
同步：秩序如何从混沌中涌现 04 苍茫的宇宙：同步无处不在
1701063117
1701063118
自从亚历山大大帝的抄书吏安德罗斯提尼（Androsthenes）首次记载了生物节律以来，同步科学已经走过了漫长的历程。大约在公元前4世纪，亚历山大率军出征印度期间，安德罗斯提尼发现罗望子树的叶子总是白天打开，晚上闭合。又过了2 000年，人类才偶然发现了一种更怪诞的同步现象，一种出现在无生命物体之间的同步。
1701063119
1701063120
◎ ◎ ◎
1701063121
1701063122
科学史上一些关键的发现都是机缘巧合。众所周知，亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素是因为空气中的霉菌污染了他的实验材料，杀死了他正在研究的细菌。再如，贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）努力地清除着巨大天线上的鸽子粪，以排除那些他们认为来自太空各个方向恼人的背景噪声，直到他们意识到自己所听到的是宇宙诞生的声音——140亿年前宇宙大爆炸的回声。
1701063123
1701063124
尽管我们都了解机缘巧合的作用，但并不十分赞许它，因为机缘巧合似乎跟幸运没什么不同。在我的字典中，机缘巧合并不只是一种幸运收获意外发现的明显倾向。意外发现总是出现在具有特定思维模式的人当中，在探索时，这些人的注意力高度集中，思维敏捷，他们只是碰巧发现了别的东西。
1701063125
1701063126
对无生命世界的同步的发现也是如此。1665年2月，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯已经一连数日把自己关在卧室中，他在写给朋友罗伯特·莫里（Robert Moray）爵士的一封信中详细描绘了一种“轻微的不适”，这种“不适”使他痛苦不已。他已经欠莫里三封回信了，现在他正在记述自己在卧室期间观察到的一个奇怪现象，这是一个“会给你惊喜的奇妙现象”。
1701063127
1701063128
在房间里陪伴惠更斯的是两座摆钟，这是有史以来最精准的两台计时工具。惠更斯在10年前发明了摆钟，现在，有了它的帮助，他希望解决那个时代最伟大的技术难题：在海上确定经度。正如戴瓦·索贝尔（Dava Sobel）在她的畅销书《经度》中的记载，经度问题的解决方案在探险时代极为重要，因为有越来越多的船只横渡大洋与其他国家贸易、作战或征服新领土。在实际航海生活中，测量经纬度的方式不同。纬度是测量船与赤道之间的角距离，通过测量白昼长度或太阳在地平线上的高度就可以很容易地得到结果，而经度是指船在地球东方或西方的角位置，东西方是人为定义的，在环境中没有固定的参照物。水手们无法凭借星星、太阳或其他线索来确定经度，即使在最一流的航海图和罗盘的帮助下也束手无策。由于无法确定船在海上的方位，即使是最优秀的船长也会迷失方向，导致船只偏离航线数百公里或在礁石海岸搁浅，而熟悉的航线又容易遭到海盗的袭击。葡萄牙、英国、西班牙和荷兰政府都开出了巨额悬赏以寻求可行的解决方案。尽管那个时代的一些顶尖科学家，包括伽利略、乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）、牛顿、爱德蒙·哈雷（Edmond Halley）在内，都试图攻克这一难题，但在长达4个多世纪的时间里仍未能解决。
1701063129
1701063130
现在，惠更斯正在沿着最初由生于弗里斯兰省的同胞——天文学家杰玛·弗里西斯（Gemma Frisius）提出的思路来寻求解决方案。1530年，弗里西斯意识到，经度可以通过精确的计时来确定，至少在理论上这是可行的。假设一艘船上有一个时钟，从母港起航时进行了精确的校准，此后一直按照母港时间运行。通过把母港时间带到海上，航海家可以在到达地的正午时刻（即太阳升到最高点的时候）参考时钟的时间来确定经度。由于地球需要24小时才能完成360度的自转，因此到达地时间与母港时间每一小时的时差便对应经度的15度。在距离上，赤道上的15度便是1 609公里，所以为了使这一策略切实可行，钟表的精确度必须达到1天中只有几秒的误差。人们面临的挑战便是设计一个稳定的机械钟表，必须能够克服船只在波涛汹涌的海面上起伏颠簸，也必须能够克服不断变化的湿度、压力和温度的影响，因为这些环境变化会使钟表的齿轮生锈、弹簧拉长、润滑油变厚，导致钟表过快、过慢或是停止。
1701063131
1701063132
16～17世纪初的钟表都是非常不精准的，当时最优秀的钟表在理想条件下一天也要差上15分钟。然而，惠更斯的新摆钟可以比之前的精准100倍。经度问题的解决方案似乎可以垂手而得。1664年，在与伦敦皇家学会以及一名船长共同合作展开的一次海上实验中，惠更斯特制的两座航海时钟航行到了非洲西海岸以外的佛得角群岛，成功地测量出了沿途各处的经度。双时钟的设计提供了有益的冗余；如果一个时钟停止或需要清洁，另一个仍然可以保持准确的时间。但后来的测试显示时钟并不可靠。它们在良好天气条件下表现尚可，但在风大浪急的海面上，钟摆的摆动就会受到干扰。
1701063133
1701063134
在此期间，惠更斯留在了海牙，通过莫里爵士与伦敦皇家学会通信，二人都在询问正在进行的海上实验的结果，并报告自己对于完善时钟设计的最新尝试。大约就在这时，1665年2月下旬平常的一天，意外发生了。在一封写给父亲的信中，惠更斯写道：
1701063135
1701063136
我不得不在自己的房间里待了好几天，忙着观察我新做的两个时钟。我注意到了一个绝妙的现象，之前从未有人提及。把两个摆钟挂在一起，中间只隔30～60厘米，它们就会精确地保持一致，进而毫无变化地一起振荡。欣赏了一会儿后我终于明白，这种现象是通过某种同步发生的：把两个钟摆的摆动节奏搞乱，不出半小时，它们总是会趋于一致，并一直保持下去，直到我让它们停下来。然后我将它们分开，一个挂在房间的一端，另一个挂在4.5米开外，在一天之中，它们之间有了5秒的误差。因此，它们先前的一致在我看来是由钟摆运动造成的空气轻微扰动引起的。钟表总是被关在盒子里，每个都有将近45千克重。当二者一致的时候，钟摆并不是平行振荡，而是以相反的方向彼此接近和分离。
1701063137
1701063138
1665年2月24日，在一封写给朋友德斯吕塞（R.F. De Sluse）的信中，惠更斯用“不可思议”描述了这种同步现象。2月27日，他匆匆将这封信交给莫里，让莫里向皇家学会传达这一观察结果。
1701063139
1701063140
在接下来的一周中，惠更斯进行了一系列实验来探索引发这种同步的原因。他把两个时钟挂在同一根木梁上的两个钩子上，结果发现，当他把两个时钟转到彼此相差90度的时候，或是分开1.8米以上的时候，两者间的同步就消失了。而当他在二者之间放置一块大木板，阻断空气流通时，同步仍然存在。这证明了惠更斯先前的猜测是错误的：两个时钟完全没有通过空气通信。