腸道菌相也會隨著晝夜節律改變

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因為地球自轉週期的關係，我們的生活有了晝夜之分；晝夜節律（circadian rhythm）影響我們各方面的生理功能。

哺乳動物的晝夜節律主要是由BMAL1、CLOCK這兩個活化蛋白以及PER（PERIOD）與CRY（CRYPTOCHROME）這兩個抑制蛋白來調節。

過去對於腸道菌相（intestinal microbiota）的研究，主要在生活型態以及飲食；例如，狩獵採集族群的腸道菌與都市族群不同、素食動物與肉食動物的腸道菌相不同等。最近開始有越來越多的研究發現，疾病（如嚴重燒傷）也會造成腸道菌相的改變，而2014年的兩篇研究發現，生物時鐘對於腸道菌相也有影響。

最近，來自賓州的研究團隊，研究小鼠（C57BL/6，如圖）的腸道菌相發現，小鼠腸道中的細菌在晚上11點最多，早上7點最少；這個晝夜變化的節律，在母鼠比在公鼠要明顯。

仔細分析之後發現：以整體菌相（relative abundance）來看，主要腸道菌Bacteroidete與厚壁菌門（Firmicutes）這兩類，各自有不同的節律。其中，Bacteroidete在晚上11點以及早上11點較多，早上7點最少。而厚壁菌門在早上3點與7點較多，晚上11點最少。變形菌門（Preteobacteria）則看不出節律性的變化。

研究團隊除了分析整體菌相之外，也分析了整體菌量（absolute abundance）。以整體菌量來看，小鼠的腸道菌在晚上11點時最多，早上7點時最少。

厚壁菌門在整體菌相上呈現了晝夜節律的變化，但如果以整體菌量來看，就沒有節律性了。相對的，變形菌門如果以整體菌相來看是沒有晝夜節律的變化的，但以整體菌量來看，就呈現了節律變化，而且雄性較雌性明顯。

當研究團隊把BMAL1基因剔除（knockout）以後，腸道菌的晝夜節律就消失了。仔細分析發現，BMAL1基因剔除的小鼠的腸道菌相，產生了一些變化，而這些變化使得晝夜節律消失。例如，Bacteriodete的節律消失，是因為主要的兩屬S24-7以及Prevotella都減少了，而Bacteroidales、Rikenellaceae以及Rikenella都增加了；而厚壁菌門的節律消失，則是因為Clostridiales、Clostridiaceae以及Peptococcaceae等屬都增加，但Allobaculum與Lactobacillaceae減少了。

類似的現象，也在其他時鐘基因Per1/2剔除的小鼠中發現。究竟晝夜節律是如何影響到腸道菌相的改變，還需要更多的研究。

參考文獻：

G.A.FitzGerald et. al., 2015. Rhythmicity of the intestinal microbiota is regulated by gender and the host circadian clock. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi/10.1073/pnas.1501305112

氣喘發作為何總在夜半或凌晨？

因為地球自轉的關係，我們生活在一個被分為白天和黑夜的世界。因此，我們的行為按一天中的不同時間而有不同。我們在晚上睡覺，白天活躍；白天吃得多，晚上吃得少。 

近年來許多研究都發現，晝夜節律（circadian rhythm）對我們至關緊要。晝夜節律不只是讓我們在跨洲旅行時發生調適問題，它還會影響我們的代謝，甚至對於疾病的治療也產生影響。最近由杜蘭大學發表的一項研究就發現，如果晚上入睡後臥室還有微光，對於乳癌的治療會產生不良的影響，使得乳癌細胞對抗癌藥物tamoxifen產生抵抗性（1）。 

最近在英國曼徹斯特大學（The University of Manchester）的研究團隊發現，由於氣管上皮的Clara細胞召喚白血球的能力也受到生物時鐘的調節，因此未來在治療肺炎以及氣喘上，也需要把這部分考慮進去。

位於氣管上皮的Clara細胞（又名club 細胞）是半球形的細胞，它的主要功能是保護小支氣管上皮，包括分泌糖胺聚糖（glycosaminoglycan，G.A.G.）、將肺部吸入的有毒物質解毒、補充小支氣管上皮細胞，以及召喚中性球（neutrophil，白血球的一種）啟動發炎反應等等（2）。由此可以想見，當肺部有發炎的情況時，Clara細胞當然是非常忙碌的！由於不論是肺炎或氣喘，其實氣管都有發炎的現象，因此在這些狀況下，Clara細胞的角色就非常重要。

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而曼徹斯特大學的研究團隊發現，Clara細胞透過分泌CXCL5這個趨化因子來召喚中性球；而CXCL5的製造受到生物時鐘的調節。當CXCL5因為Clara細胞本身的時鐘基因發生問題或是腎上腺皮質素分泌不足，導致它的製造無法呈現出晝夜節律的變化時，小支氣管上皮便會出現中性球增多的現象，造成嚴重的發炎反應，使得小支氣管以及肺部受損（3）。由於氣喘或肺炎的患者在治療上也會使用腎上腺皮質素，但有些病人對於皮質素治療的反應不佳，是否是因為時鐘基因受損的緣故呢？

筆者的兒子從小就患有氣喘，雖然症狀在長大後因為運動而略有緩解，但是在季節交替的時候還是會發作個一兩次。筆者很久以前就注意到，兒子氣喘發作的時間，經常是在夜半或凌晨；看了這篇研究報告以後才發現，原來因為CXCL5的晝夜節律的關係，實驗動物在不同時間注射引發發炎的物質時，以在凌晨的反應最強。是否是因為這樣，所以氣喘總在深夜跟凌晨時發作？但是，研究報告中也提到，對腎上腺皮質素治療反應不佳的患者，如果是因為時鐘基因的缺損，似乎也無法以加重腎上腺皮質素來達成治療效果，筆者的兒子幸而還可以使用皮質素治療，但是對於無法使用的，是否還有其他的藥物可以治療呢？在英國，每年每1000名成人就有1人感染肺炎；除此之外，還有超過500萬人有氣喘的問題。這些人裡面，又有多少人是不能使用腎上腺皮質素的呢？

參考文獻：
1. 夜間的光線會影響到癌症治療的效果
2. Wikipedia. Club cell.
3. J. Gibbs et. al., 2014. An epithelial circadian clock controls pulmonary inflammation and glucocorticoid action. Nature Medicine.

光害影響鳥類的擇偶行為

所謂的晝夜節律（circadian rhythm）或「生物時鐘」，對於地球上一切眾生的行為都會發生影響。而光它在生物時鐘裡扮演的角色，是作為一個重要的「節律調節器」（Zeitgeber）。光對於動物的生物時鐘的影響，尤其在鳥類更明顯。光使得鳥類知道什麼時候該交配、繁殖、覓食或遷移。如果自然晝夜節律受到人造光的影響，鳥類的自然行為模式可能也會發生變化。 

人工光源在城市對人類、動物和它們的環境都有負面影響。從今年開始，維也納的行為生物學家們開始研究光害對在維也納森林中的藍山雀（blue tits）有何影響。研究團隊認為，這項研究可能有助於了解夜間光源對鳥類的生殖行為的影響，同時也可以協助未來在城市發展時，透過降低特定區域的光源，盡可能地減少對動物和生態系統發生負面影響。 

藍山雀是很好的研究模式，因為他們的交配和生殖行為已經廣為瞭解。此外，他們經常在城市繁殖，因此被暴露在人造光之下的機會很多。 

藍山雀（Cyanistes caeruleus）。圖片來源：維基百科

科學家們用大約三個星期的時間，使用LED燈來研究夜間光源對鳥類的活動模式，如唱歌、交配行為、雛鳥的發育，以及壓力相關激素等。實驗期間，研究團隊在維也納森林的不同區域，於日出前以及日落後各以兩小時使用LED燈照射。

由於不同性別的藍山雀，在進行擇偶行為時有不同的偏好。比方說雄鳥希望有明亮的光，而雌鳥可能更喜歡留在黑暗中。此外，雄性藍山雀是早晨的歌手。健康狀況較佳的雄性藍山雀，會在黎明前就開始唱歌。而過去的研究也知道，雌性的藍山雀往往會偷偷的跟伴侶以外的雄性交配。因此，研究團隊要找出是否人工光源是否會在雄山雀的兩性的擇偶行為產生衝突。

科學家們發現，光害可能會造成雌鳥與伴侶之外的雄鳥發生配對（extra-pair copulations）的情形增加，造成後代有不同的父親的機率上昇。（筆者按：這樣對藍山雀是好還是壞呢？基本上藍山雀原本就會做這樣的事，所以這只是程度的問題。） 

由研究結果可知，晝夜節律會影響擇偶，但這是否也影響雛鳥的發展呢？研究團隊發現，人造光可能使休息時間縮短，對幼鳥造成壓力。 

當然，光害也可能會影響維也納森林的其他生物，例如昆蟲。它們是森林許多居民的重要食物來源，因此，如果昆蟲的行為受到光害的影響，也會間接影響到森林中其他生物的營養狀況。

城市的燈光對人的安全和舒適有其重要性。然而，城市規劃應該考慮到的另一個面向是，有些光源是是否的確有必要設置。例如發光廣告牌，就是不必要的東西。同時，也應該規劃一些「無光區」。研究團隊希望這個研究結果可以促使決策者更加關注和思考這方面的問題。 

筆者按：許多生物的生長與繁殖都會受到光的影響。或許對於城市夜間的燈光應該要管制，比方十一點過後（或營業時間結束時）就應該關閉招牌的燈光，而廣告看板，不論是數量或使用時段，更應該管制。之前聽說西部的e-Tag閘道使用藍光來補光，其實藍光對於許多動植物都是「起床」的信號，是否有人有興趣去研究一下，閘道附近的動植物是否受到影響呢？ 

參考文獻：

2014/7/25. Science Daily. 'Light pollution' may affect love lives of birds in the Viennese Forests