时辰生物学概况

（一）时辰生物学发展简史

所有生命活动均存在周期性变化，这一点很早就引起人们的关注。在远古时期人类就观察到自然界的周期性变化，并根据昼夜变化、月亮圆缺及四季转换产生了各种历法。中国医学早在2 000多年前就观察到生物节律（biological rhythm）的存在。成书于公元前722—公元前221年的《黄帝内经》比较系统地叙述了四季、昼夜时辰对人体气血运行的影响及与疾病的关系，提出“生气通天、脏气法时”和“天人相应”的观点，提出人体生理功能、疾病发生和转归与环境变化的关系。如“朝则人气始生，病气衰，故旦慧；日中人气长，长则胜邪，故安；夕则人气始衰，邪气始生，故加；夜半人气入脏，邪气独居于身，故甚也”。“故阳气者，一日而主外，平旦人气生，日中阳气隆，日西而阳气已衰，气门乃闭”。在东汉张仲景撰写的《伤寒杂病论》中描述了疾病随时间变化的现象，而且提出了择时治疗的原则。如阴虚病的年变化是“春夏剧，秋冬差”；指出六经病的病愈或转入另一经的周期是6～7d，且六经病的缓解时辰也各不相同。在运用汗、吐、下法的适宜时间方面，主张“春夏宜发汗”“春宜吐”“秋宜下”的治疗规律。在服药时间方面，提出十枣汤宜“平旦温服”、麦冬汤日三夜一服，小青龙加石膏汤“日三服”等类似现代择时治疗的方法。距今约3 000年的《大戴礼记·夏小正》中描述了作物活动与四季变化关系的论述。《黄帝内经》还记载了子午流注，到金代阎明广所著《子午流注针经》则比较系统地论述了子午流注的理论和方法，创造了以日干为主的按时开穴的“纳甲法”。我国明清时期的重要医学著作几乎都强调择时治疗的原则。明代李时珍在其巨著《本草纲目》中，指出了择时用药的重要性，并且观察了植物生长和采摘季节与药效的关系。清代名医叶天士在其医案中列举了择时服药的范例，并且提出了因时施治观点。

在欧洲，古希腊哲学家亚里士多德（公元前384—公元前322年）描述了动物活动的周期性；古希腊哲学家、医生希波克拉底（Hippocrates）（公元前480—公元前377年）描述了医疗和季节的关系。1647年意大利科学家Santorio利用自制的大秤，坚持每天称自己的体重，通过连续30年的实验研究，他发现自己的体重表现出明显的月节律，这种月节律与他尿中出现浑浊成分的月节律一致。18世纪后，随着科学技术的发展，推动了时辰生物医学的研究，这时人们从直观的考察，描述和记录逐步进入到自觉研究的阶段。1814年，Virey在描述了人体功能节律的同时，还讨论了生物节律在保健、疾病和药物治疗方面的应用，同时提出不同时间给药导致药物作用不同的假说。1842年达尔文通过大量实践，观察和描述了生物体各种运动的时间节律，并证明生物体的新陈代谢、分裂增生、衰老死亡等都遵循特定的时间规律，按一定的进程运动。1881年，德国学者首先发现了血压的节律，证实同一个人的血压早晨较低而下午较高。

进入20世纪以来，时辰生物学（chronobiology）得到了迅速发展。1958年，德国植物学家Bunning将植物和昆虫或他们的父母置于恒定环境中（如恒温、恒定明暗交替或全黑、全光照条件），发现它们生命活动的昼夜节律仍然存在，同时还证实自激周期（self-excited cycle）是有遗传性的。

尽管人们在很久以前就对生物节律有所认识并进行了一些研究，但是，从发现生物节律这种生命活动基本现象到发展成为一门新兴的学科，经历了一个相当漫长的时期。造成时辰生物学发展缓慢的主要原因与以下因素有关：①测试手段和研究方法简陋——时辰生物学的研究和数据采集常需连续进行几个月乃至几年，需耗费大量的人力、物力和时间；②检测仪器简陋，难以对生物变量做连续的检测；③时辰生物学的数据量很大，数据分析和统计处理特殊，缺乏现代计算工具。直到20世纪30年代，随着现代科学技术的发展，新的测试手段和仪器的发明与应用，使无创性连续检测成为可能。尤其是计算机科学的发展，给时辰生物学的发展带来了机遇，使时辰生物学的研究方法和数据分析处理方法日趋成熟，推动了时辰生物学的迅猛发展，并渗透于生命科学的其他领域。1935年以后，随着时辰生物学的迅猛发展，于1937年在瑞典成立了国际生物节律学会（International Society for the Study of Biological Rhythms），进一步推动了生物学界和医学界对生物节律的研究。1950年，美国明尼苏达大学Halberg教授在时辰生物学领域的研究工作取得了显著的进展，并开创了时辰药理学（chronopharmacology）。1974年，在国际生物节律学会的基础上成立了国际时辰生物学会（International Society for Chronobiology），同年在美国召开了国际时辰生物学会，对时辰生物学的研究和发展起到很大的推动作用。自此，在时辰医学领域中建立了以时辰生物学的原理和方法为基础的相应分支学科，包括时辰形态学（chronomorphology）、时辰生理学（chronophysiology）、时辰病理学（chronopathology）、时辰药理学（chronopharmacology）、时辰毒理学（chronotoxicology）、时辰诊断学（chronodiagnostics）、时辰治疗学（chronotherapeutics）、时辰免疫学（chronoimmunology）、时辰流行病学（chronoepidemiology）、时辰营养学（chrononutriology）及时辰生物医学工程学（chronobio-engineering）等。这些分支学科的建立和发展，不论在深度或广度上都使时辰生物学提高到一个新的水平，同时也为医药科学提供了新的概念和方法，丰富和提高了医药科学。

最近10年来，我国广泛进行了近代时辰生物医学的研究。1982年，Halberg教授应邀到我国讲学，对我国时辰生物学的研究起到一定的促进作用。1988年10月，在国际时辰生物学会、欧洲时辰生物学会、意大利时辰生物学会等学术团体的支持下，由四川省时辰生物学会主办了国际时辰生物学和时辰医学学术会议，并成立了中国时辰生物学和时辰医学学会，对促进我国时辰生物医学的研究和国际学术交流起到了积极的推动作用，有效地促进了我国时辰药理学和时辰药动学的发展，并对中医药学、针灸学的择时治疗及其机制的研究，以及有关时辰医学的临床研究等都起到了积极的推动作用。

（二）时辰生物学的研究方法和内容

1．时辰生物学的研究方法　自然界的运动是一个动态变化的过程，与此相适应的生物节律也处于动态变化之中，因此，时辰生物学的研究方法也必然是动态的，即用动态的观点去研究或观察生物变量。在时辰生物学的研究中，数据收集或采集是十分重要的环节，是研究生物变量的时间结构（time structure）和规律的基础。生物变量的时序数据采集正确与否是决定研究对象的生物节律或生物变量时间结构正确与否的关键。因此，在研究时辰生物学的过程中，应尽可能采集较多的数据，尤其是连续监测较多的数据，数据越多，所得的结果越可靠。但是，在实际研究中，要做到连续监测和连续采集数据是比较困难的。在时辰生物学研究中，生物变量的数据往往是按一定时间点进行采集。因此，数据的采集时间、采集量的大小是非常重要的。

在现代时辰生物学的研究过程中，对近日节律数据的采集一般为24h，采集数据的量不应少于6个时间点。采集数据时间点的间距最好是相等的，如每4小时采集1次等。在采集数据时应避免人为因素的干扰，每次采集数据时的条件要一致。在研究药物作用的时间规律时，每次给药或治疗处理的条件也应完全一致，尽量减少外部因素对检测指标的影响。

（1）生物节律的宏观分析法：以时间为横坐标，以生物变量为纵坐标，将不同时间里检测或观测到的生物变量值标记在直角坐标系，可直观反映出生物变量在不同时间里的波动状态。宏观分析法的优点在于简洁，数据的变化在直角坐标系中一目了然；不足之处在于难以精确地确定生物变量的时间结构，使进一步的应用研究受到限制。

（2）生物节律的微观分析法——余弦法：余弦法（cosinor）以Y(t)＝M＋Acos(ωt＋φ)作为待测生物节律的基本数学模型。该模型是线性简单模型。方程中的Y为生物变量（biological variable），它是时间变量t的余弦函数；M为该生物变量节律的调整中值（mesor）；A为节律的振幅（amplitude）；ω为节律的角频率（angular frequency）。以一个相位周期为360°、时间周期按24h计，近日节律的角频率即为15/h；φ为节律的初始峰值相位（acrophase），即峰值出现的时间点与节律周期的时间参点之间的角度。为方便计，在近日节律中，常以00:00（时钟时间，下同）作为周期的时间参考点。

在上述数学模型中，M、A和ω是待定参数。根据实际测得的生物变量的时间序列数据tj和yj（j=1，2……n，n≥4），用最小二乘法（least-squares method）计算出这些待定参数的估计值，待测生物节律的余弦法数学模型即告建立。该模型定量地给出了所测生物节律的调整中值、振幅、峰值相位等特征值。

用余弦法分析生物变量时间序列数据的节律特征时，根据研究对象个体（或组）的生物节律及其特性，需采用不同的计算程序和方法。据此，余弦法主要可分为以下几种：单一余弦法（single cosinor）、群体平均余弦法（population mean-cosinor）和组平均余弦法（group mean-cosinor）。特殊余弦法还有线性迭加余弦法（multi-cosinor）和非线性迭加余弦法（nonlinear cosinor）。余弦法分析尚不能完全解决生物节律的所有变化情况，因此，还可以应用其他分析方法，比如傅立叶分析（Fourier analysis）、频谱分析（spectrum analysis）等。

2．时辰生物学涉及的内容　以时辰生物学的观点、原理和技术方法作为研究的基础，结合其他生命科学的分支进行理论研究和应用研究，形成了许多与时辰生物学相关的亚学科，如时辰生理学——用时辰生物学的观点、原理和方法，在不同时辰观测和研究生理学变量及其生理机制的学科，如血压的连续检测，用余弦法分析得到血压变化的时辰生物学规律，即为典型的时辰生理学内容；时辰药理学——用时辰生物学观点、原理和方法对药物作用的机制、疗效和不良反应进行研究的学科；时辰病理学——用时辰生物学的观点、原理和方法，研究疾病的发生、转变的机制及其规律的学科；时辰医学——将时辰生物学的观点、原理和方法与临床医学相结合，用于疾病的诊断和治疗的学科；时辰治疗学——根据患者的疾病情况和某些周期性变化的特性，结合时辰药理学等原理和方法，研究择时定量给予药物或其他治疗措施的学科；时辰生物医学工程学——是时辰生物学与工程技术学结合的产物，将时辰生物学原理和方法用于具有时辰生物学特征的新药、医疗仪器和人工脏器等研发的学科。与时辰生物学有关的其他学科还包括时辰形态学、时辰毒理学和时辰营养学等。