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同步：秩序如何从混沌中涌现 03 睡眠周期：同步与非同步的斗争
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像所有的新生儿一样，我的女儿莉亚在她生命中的前3个月里是个自由主义者。她的饮食和睡眠毫无规律。到11个月大的时候，她可以整夜安睡，但有一个小问题：她总是会在早晨5：20唤醒我和我的妻子。她会抓着婴儿床的栏杆，把自己拉起来，机智地咳嗽几声，表示自己准备要吃早餐了。虽然知道不应该抱怨（有些父母面对的情况更糟），但我们仍然希望她能至少再晚一小时起床。为了让她晚起床，一天晚上，我们试着让她晚睡。毫无疑问，这个办法适得其反：转天早晨5：20，相同的咳嗽声又从她的卧室传了出来，且因为睡眠不足，一整天里，她都用大发脾气来惩罚我们。
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以上两种时间问题从根本上讲都是同步作用的失效。作为一个新生儿，莉亚完全无法同步；她的入睡、苏醒以及饮食规律，相对于世界的每日周期毫无规律地变化着。11个月大时，她表现出了相反的问题：她的节律过于执着于同步，牢牢地绑定在了一种特殊的24小时模式上，同样令我们无法忍受。
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不仅是婴儿和他们的父母会遭受这种混乱的同步和随之而来的睡眠紊乱。美国有研究表明，青少年喜欢熬夜到很晚，早上起床上学有困难，这并非因为他们天性懒散，而是因为他们体内的生物钟设置比成年人落后了几个小时。这一研究也正在受到社会层面的关注。另一方面，许多老年人清晨便早早醒来，即使户外仍然漆黑一片。他们醒来后便无法再度入睡，感到疲惫不堪。
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其他类型的同步紊乱与年龄无关，其中一些是我们自己带来的，主要源于全天候的工作时间表。有着数以千万计的护士、卡车司机、核电站操作员以及其他白夜班交替颠倒岗位上的工人正因此受到医疗和家庭问题的困扰；印度博帕尔、苏联切尔诺贝利以及美国三里岛的工业事故和核事故都发生在午夜至凌晨4点之间，正是时间表颠倒造成了头脑迷糊和判断错误：这些都是同步紊乱的副产品，都是我们的身体与新24小时社会的需求失调造成的。
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当你开始思考其原因的时候，你会发现自己居然可以轻松地与世界保持同步，这是多么不可思议。然而，盲人们可不把它看作理所应当：大多数盲人无法遵循24小时的时间表。他们每隔几周就会完成一次与世界同步或异步的切换，这使得他们很难维持一份工作，履行社会义务。一位盲人女性说：“失明尽管有不便之处，却没有太大关系，但是非同步的睡眠周期简直糟透了。”
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鉴于此，我们健全人更应该珍惜同步的奇迹。当然，我们很少思考同步，因为它都是自然发生的。数百万年的进化使得我们的身体可以自发与昼夜更替协调一致，但它是如何进行的呢？我们常谈论生物钟，但它们究竟是真实存在的还是仅仅是一种修辞而已？它们又在哪里呢？是在大脑中还是在每一个细胞中？它们的生化机制是什么？它们如何彼此同步？是什么使得它们保持了与昼夜循环一致？经过数十年的研究，大部分问题的研究进展缓慢、令人沮丧，但是有些谜团的答案终于触手可及。对于生物钟的研究已成为当今最热门的科学领域之一。
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已有的研究显示，人体就像一个复杂的结构，一种由有生命的振子组成的层次结构。更生动地说，人体就像一支巨大的管弦乐队。演奏者是个体细胞，它们天生具有24小时的节奏感，这些演奏者又分为不同的部分。我们可以把肾脏和肝脏看作管弦乐器，各个器官都由成千上万的细胞振子组成，单个器官内的振子相似，不同器官之间的振子不同，但它们全都保持着24小时的生物化学节拍，都在恰当的时间开始或停止演奏。在每个器官内，基因群组在一天中的不同时间处于活跃或空闲状态，以确保器官的特征蛋白质按计划生成。这首交响曲的指挥是昼夜节律起搏器，它们是大脑中成千上万的时钟细胞的神经元群体，自发同步为一致的单元。
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同步可以分为三个不同的级别。在最低、最微观的级别，特定器官内的细胞是相互同步的，它们的化学节律和电节律的变化步调一致。在下一个级别，同步发生在各个器官之间，从这个意义上讲，即使细胞分化成了不同的类型，它们仍保持在同一时期。这种同步发生在身体内部，因此被称为“内同步”。这并不意味着所有器官在同一时间都是活跃的，相反，有些是沉寂的，有些则运转良好。同步是指周期匹配，保持相同的节拍，就像演奏者即使在安静等待的间隙，也保持着他们头脑中的节拍。第三级别的同步发生在我们的身体和周围世界之间。正常情况下，我们生活在有规律的时间表中，如白天工作、夜晚休息，等等，整个身体与24小时的一天保持同步，主要被昼夜交替所驱使。这个与外部世界保持步调一致的外同步过程叫作“牵连”。
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目前，我们关于人类昼夜节律的最优秀的理论主要是描述性的，而非数学上的。这是必然的，因为我们缺乏对系统的结构和动力学特性的深入了解，它的层级组织似乎比先前讨论的振子群体的简单模型要复杂得多。一群萤火虫可以近似为自维持振子的集合，所有个体都是相同或几乎相同的，几乎都在同一时间发射。从这个意义上讲，同步的萤火虫的复杂水平相当于单个的器官，或在音乐上相当于管弦乐队中的一个单一的部分。而我们才刚开始学习这些部分如何在一起合奏，以及起搏器如何和谐地安排它们。换句话说，我们正在努力学习昼夜节律交响乐的规则。
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可以确定的是，这种规则是存在的，因为我们可以在更大的尺度上看到它们的表现，即在整个人体的行为中的表现：它们体现在我们的睡眠与觉醒、激素波动、消化、警觉、敏捷性以及认知表现的日常节律中。在这个更高的级别上，科学家最近发现了人类醒睡周期和其他昼夜节律的神秘规律，虽然这些规律的微观基础仍是个谜。在这方面，我们的现状与遗传学早期的发展类似。孟德尔发现，豆科植物的各种特性会按照特定的数学规律传给它们的后代，而且这些模式可以用被称为“基因”的假想实体解释，基因会按照特定的规则重组。所有这些都是在我们了解基因以及基因在DNA链中的具体体现很久以前完成的。同样，我们现在知道，人类的昼夜节律遵循着自己的规律，尽管我们仍然对其基本的生化基础一无所知。
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至于同步对我们生活的影响，最直接的问题之一是昼夜节律起搏器如何影响睡眠。这个难题的一部分已经在很大程度上得到了解决，多亏了一个戏剧性的实验。在实验中，勇敢的志愿者们数个月内独自生活在黑暗的地洞中，没有时钟、没有窗户、完全与每日的时间信息隔离，完全按照自己的意愿睡觉或起床。这些研究的结果非常奇怪，然而在这种模式诱人的暗示之下，阿瑟·温弗里宣称：“罗塞塔石碑(5)已经出现在我们之间。”通过破译昼夜节律的密码，科学家和医生正在学习如何设计更好的轮班工作时间表，治疗先前几种难以医治的失眠。他们甚至解释了一些生活中的小秘密，例如为什么许多文化传统中有午睡的习惯，以及为什么我们经常在周日晚上难以入睡。
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1972年2月14日，米歇尔·西弗尔（Michel Siffre）凝望着得克萨斯州德尔里奥小镇附近的风景，享受着接下来6个月内的最后一缕阳光。然后他勇敢地朝着电视摄像机笑了笑，拥抱了他的母亲，同他的妻子吻别，沿着约30米的立轴下降到“午夜洞穴”的深处。在地下，等待他的是一个营地，摆放着科研设备、家具、尼龙帐篷、冰柜、食品，以及780罐规格为每罐3.8升的水。
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西弗尔是法国地质学家和睡眠研究者，他将要亲自尝试一次前所未有的最精密的时间隔离实验。在美国国家航空航天局的协助下，他和他的研究团队想研究在没有时钟、日历以及其他一切时间提示的条件下，人类生活的基本节律。在1962年时，他曾尝试过一次，那是首次以人类作为实验对象进行时间隔离实验，他在阿尔卑斯山的地下洞穴忍受了两个月的寒冷和孤独。当他从地洞中出来的时候，正如他所言，已经变成了“一个半疯狂的、支离破碎的木偶”。这种苦难的体验提供了人类生物钟的首个科学证据：人类有着天生的生物钟，其周期略长于24小时。
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现在，实验在“午夜洞穴”中进行，这里的温度长期保持在21摄氏度，西弗尔希望能有一次更愉快的体验。然而，实际情况却更糟。孤身一人在山洞生活了6个月后，西弗尔的意志几近崩溃。他的电唱机坏掉了，书籍变得发霉而无法阅读。为了缓解无聊，他试图用果酱诱捕一个同伴——一只小老鼠，而临时用来做笼子的砂锅却在无意间击碎了小老鼠的脑袋。
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数个月的昏睡和痛苦日复一日地持续着，到了第79天，西弗尔打电话给地面上的同事祈求解脱：“我受够了！”同事们告诉他：“好的，一切都会好的。”面对着黑暗，呼吸着山洞中混合着蝙蝠粪便的灰尘，他开始产生自杀的念头。在实验的最后一天，大自然差点接纳了他：西弗尔遭到了电击，电击来自记录他心律的电极，或许是远处的闪电击中了地表，渗漏到了电线中。西弗尔在遭到了至少三次电击后才想到断开设备，这反映出了他的智力下降极其严重。
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幸运的是，实验得到了一些显著的结果。西弗尔在洞穴生活的前五个星期里，他不知不觉地生活在26小时的周期中。相对于外界的时钟，他每天大约晚2个小时起床，却维持着正常的时间表，每天的睡眠时间大约占1/3。
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与此同时，西弗尔的体温起起伏伏，就像我们每天的体温状况一样。这可能会让人感觉意外：与我们大多数人被灌输的知识相反，健康人的体温并不固定在37摄氏度或其他水平；一天中，它通常的波动范围为0.8摄氏度，即便我们躺在床上不做任何事情也是如此。正如威廉·奥格尔（William Ogle）医生于1866年首次提出：“清晨我们还在熟睡的时候体温会上升，傍晚尚未入睡的时候体温会下降……这并不是由于光的变化，可能是由于器官功能活动的周期性变化而引起的。”
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现在，西弗尔证实了奥格尔一个世纪前对于体温周期变化原因的精确预测。在条件恒定的洞穴中，西弗尔忘记了白天和黑夜，除了自身生理机能的节律以外，没有任何时钟。脱离了外部世界24小时的影响，他的“器官功能”（通过体温反映出）与他的醒睡周期同步，共同按照独特的26小时周期循环。事实上，西弗尔总是在他的体温触底时去睡觉，尽管他意识不到这些。
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在实验中期，西弗尔的表现就像一只仓鼠、一只果蝇以及其他在时间隔离实验中研究过的生物一样。有些生物的周期循环比24小时稍快，有的稍慢。例如，一只关在笼子里放在黑暗环境中的小白鼠，它会在一个可预测的时间快乐地跳上它的转轮，跑上数公里，这个时间每天大约会提前半小时。据此我们可以推断，小白鼠拥有一个固有周期为23.5小时的昼夜活动节律。将含羞草放在恒定的人造光条件下，它会以22小时的周期规律性地展开和合拢它的叶子。几乎所有的生物，从猴子到微生物，当在没有时间线索的情况下“自由运行”的时候，它们都表现出了类似的恒定节律。
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然而，在实验的第37天，西弗尔失去了与所有其他物种的相似性。他的身体出现了奇怪的现象，只有人类才会如此：他的睡眠与体温节律分开了。他熬夜度过了自身体温周期的最低点，基本上会熬通宵，然后睡15个小时，相当于平常的两倍。在接下来的一个月中，他的作息时间表来回摇摆，有时保持原来的26小时模式，有时又莫名其妙地开始了另一个极长的醒睡周期，长达40或50小时。然而，西弗尔对此毫无察觉。整个过程中，他的体温节律从未超出或少于26小时的周期。
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这种奇怪的现象叫作“自发体内非同步”。它的含义是，两个昼夜节律（睡眠和体温）可以在同一生物体的不同周期中运行。自从1965年德国生物学家尤尔根·阿朔夫（Jurgen Aschoff）首次提出这一现象之后，研究人员一直困惑于人体时间秩序的瞬间崩溃，尤其是动物和植物从没有这种体内非同步的现象。当西弗尔检查自己的数据时，他也很困惑。“参差不齐，似乎是随机的。”他在实验结束三年后如此描述。
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现在我们知道，西弗尔的醒睡周期并不是随机的。事实上，它遵循着简洁而美丽的数学规律。更令人惊讶的是，同样的规律也支配着所有参与时间隔离实验的人类受试者。这种普遍结构的首个暗示是由纽约一所医院的一名年轻的研究生发现的，这名新手日后将成为全球研究人类昼夜节律的权威。
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