理论
对于那些忍受不了形式主义或者理解科学图表有困难的读者来说，这一章也许是24章里最读不下去的章节了。但是请诸位耐心地读下去，不要着急——我保证浅显易懂地给诸位讲解，不需要各位太费劲地阅读[5]。如果你想真正理解地球上的生命的体内时钟是怎样与地球24小时保持同步的，以及同步规律是什么，那么花费一点努力也是值得的。你会马上理解为什么不同人的体内时钟会催生不同的时间类型，为什么时间类型与工作地点——例如办公室或田间——密切相关，为什么斯文雅·拉斯姆森要把犹他州的那一家人送到天王星或者海王星上去。
也许你会问，为什么我为了解释地球上时间同步的问题，而虚构了一个关于生活在其他星球上的故事。答案很简单：想更好地理解日常生活，就得与日常生活拉开一定的距离。如果我早几年动笔写这本书，就会写一个人类因为原子弹灾难而不得不移居到其他星球的故事。
很少有人知道，在漫长的历史中地球的自转速度变得越来越慢——这是一个持续的渐变过程。由于这个原因，地球上的一天在很久之后会变成25小时。显然到那时，人的生物钟必须适应变长的一天。但是这种长期的适应与突然把人类送到其他星球上的适应是完全不同的，到其他星球上去就得在几个月或者几年内完全适应全新长度的一天。人类在进化过程中产生了不同的体内时钟甚至新的基因，但是体内时钟却必须通过一系列条件——“周期确定原则”——进行调整，最终与其他星球上的一天的长度达成同步。
确定周期只有在体内时钟“一天”的时间与外界环境一天的周期长度相似的时候才算完成。正如你已经知道的，由于基因的原因，不同的人有不同的体内时钟，有的比地球自转周期长，有的比自转周期短（就像生活在其他星球上一样）。“周期确定的原则”必须达到以下几种效果：
1.如果体内时钟的“一天”周期比24小时短，且想与地球自转达成同步，它就必须变长；
2.如果体内时钟的“一天”正好等于24小时，那么在火星生活的时候，它也必须变长；
3.如果体内时钟的周期长于24小时，且想与地球自转同步，就必须变短，多数人都是这种情况；
4.如果体内时钟周期短于24小时，且想与海王星一天的长度达成同步，那也必须继续变短。
体内时钟适应其他星球自转的想法不是异想天开。克劳德·科隆菲尔[6]在实验室里模拟了明暗变化周期长于24小时的情况，目的是想验证人类的体内时钟是否能够适应诸如火星那样的行星环境。在实验室里，即使明暗变化的强度并不十分大，人们也很容易就适应了24小时的一天。随后科隆菲尔发现，他能够通过提高明暗变化的强度来使被试的体内时钟与火星上一天的长度达成同步[7]。
但是在我解释体内时钟怎样适应其他星球一天的长度之前。我想提一个简单的问题：体内时钟怎样与一个外界时间信号同步[8]？从技术角度看，周围环境中能产生节律的一切事物都是一种摆来摆去的秋千或者钟摆（振荡器[9]），它们怎样适应其他节律（例如最重要的外界时间信号——明暗变化）呢？为了让体内时钟达成同步，外界时间信号必须有规律地干扰秋千的运动。
如图所示，秋千代表体内时钟，推秋千的人是拟人化的计时器。6点钟，秋千从左向右摆动，将近中午的时候达到最低点，在18点达到另一个最高点，然后向回摆动，在午夜达到最低点。秋千每天都是这样从左向右然后从右向左摆动。秋千的反应取决于计时器作用在它身上的时间。如果计时器的作用方向与秋千运动方向相同，那么秋千就会加速；如果两个方向相反，秋千就会减速甚至停止。
如果体内时钟能够思考和说话，那么它可能会与身体其他器官进行这样的对话[10]：
如果体内时钟认为现在是午夜，但是突然看见了灯光，它可能会说：“哎呀，天亮了——我竟然不知道已经这么晚了。我得快点动起来！”如果它以为太阳已经落山了，却看到了灯光，它也许就会大喊：“原来天还这么亮，我还想收工了呢！我得放慢速度才不至于弄错！”如果体内时钟在它认为是中午的时候从眼睛那里收到了明亮的信号，它可能会不耐烦地说：“我知道现在是白天！拜托，如果有我不知道的事情再来烦我！”
体内时钟如此准确地对光线做出反应，真是令人惊讶。做实验的学者把实验动物（或者其他生物体）放在持续黑暗（或昏暗）的环境中，然后给它们一个灯光刺激。结果都是这些生物的体内时钟无一例外地因为光刺激而改变了“一天”的周期。根据实验结果，我们做出了“反应变量”图（见下图）。反应变量图表显示了体内时钟对光线的敏感程度及其变化趋势。如果光线刺激发生在体内时钟“一天”的开头，那么体内“一天”的周期就会变短；如果光线刺激发生在体内“一天”的末尾，那么体内“一天”的周期就会变长；如果光线刺激发生在中午，那么就不会对“一天”的周期产生影响。
正是这种反应使生物钟能够适应环境的周期变化。为了纠正体内“一天”时间过长或者过短的错误，身体时钟根据光线将“一天”之中的某些部分延长，在黑暗的时候将一部分“隐藏”起来。我们就运用“隐藏规则”来解释案例中的未解之谜。不同的时间类型与“一天”周期的长短之间有什么隐藏的联系？这就是斯文雅·拉斯姆森最关注的问题。在与外界时间隔绝的环境下，较早时间类型的“一天”周期比较晚类型的“一天”周期短[11]。身体自己产生的周期是我们有不同时间类型的原因之一[12]。如果体内的“一天”周期短于24小时，就必须延长；如果长于24小时，就必须缩短。需要解释得简单一点？那么我们就从最简单的校准案例入手：体内时钟“一天”的周期在与外界时间隔绝的环境中的周期也是“一天”24小时。
如果这个体内时钟的周期与地球上24小时的明暗变化一致，那么它不需要发生改变。在冬季里白昼时间较短的时候，它就把对光线敏感的部分“隐藏起来”[13]。在白昼较长的日子里，反应变量中对光敏感的部分“看见”了光线。这种情况下，只有当被延长和被缩短的部分都得到足够的光线从而彼此抵消（见下图）时，体外和体内的时间才能达到一致（两个时间标度分别位于图表的上方和下方）。
现在你已经成为体内时钟的专家，你已经知道多数人体内的时间周期比24小时长，因此在校正时必须缩短周期。为此体内时钟将可以变短的部分接受光线，把可以变长的部分“隐藏”在黑暗中。体内“一天”周期由此变得比外界时间还短（下图中的白色箭头指向右边）。
结果是体内时钟的“一天”周期变短，缩短至“一天”24小时。在适应较短明暗变化周期之后，原来体内时钟“一天”的周期越长，变化后的时间类型越晚。也就是说，如果一个人体内时钟的“一天”周期很长，那么他体内时间的“中午”比外界时间的中午晚。
“一天”周期短于24小时的体内时钟则正好相反，如果要适应外界明暗变化则需要延长（下图的白色箭头指向左边）。体内时钟使反应变量之中可以延长的部分更多地接受光线，可以缩短的地方更多地隐藏在黑暗中。如果一个人体内时钟的“一天”周期很短，那么在适应外界时间之后，体内时间的“中午”就早于外界时间的中午，也就是较早时间类型。
以上两种理论中的例子涉及的都是体内时钟并非24小时的情况下，生物钟怎样校正的情况，并且拥有那两种体内时钟的人们都生活在我们的地球上。因为在校正的时候只涉及体内时钟的“一天”需要延长还是缩短，所以对于理解其他星球生物钟校正来说，“这只是一小步”[14]。如果WASPS把一个人送到一个自转速度比地球快的星球上，那么这个人体内时钟的“一天”周期必须缩短，他就像那个星球上的较晚时间类型。如果WASPS把这个人送到自转速度比地球慢的星球上，那么他的体内时钟的“一天”周期必须延长，他就是那个星球上较早的时间类型。造成不同时间类型的原因，不仅有体内时钟的周期原因，还有外界的“一天”周期的原因。火星上的一天比地球上的一天长，因此在火星上我们所有人都会变成较早时间类型。所以斯文雅·拉斯姆森的笑话和WASPS的广告语都是这样的：在火星上，所有的居民都更聪慧、健康、富有。
但是我们的体内时钟能够适应所有的星球吗？当然不是！如果某个星球一天的时间是地球一天时间的60倍（例如水星），那么我们的活动时间与睡眠时间无论如何也无法适应40天不睡，然后睡20天的日子。我们适应其他星球时间的限度是多少？时间校正的“隐藏定律”使答案变得很简单：把反应变量之中所有可以缩短的部分暴露在光线下（同时，将所有可以延长的部分隐藏在黑暗中），体内时间系统就达到了可以缩短的最大值（见下面左边的示意图）。
如果所有可以延长的部分都暴露在光线之下（同时所有可以缩短的部分都隐藏在黑暗之中），体内时间系统就达到了可以延长的最大值（见上面右边的示意图）。假设体内时钟可以最多缩短或延长2小时，其本身的“一天”周期为24小时，比22小时长，也比26小时短[15]。当然，最多可以缩短或延长的时间范围取决于计时器的强度：白天光线越强，夜晚越黑暗，“同步范围”就越大。请回忆哈佛的科学家克劳德·科隆菲尔进行的实验，被试在实验室里经历的时间是火星上的光线更亮的一天。
根据校正原则，我们认为犹他州那一家人是极端早的类型[16]。因此他们可能是适合到天王星和海王星上（两个星球上一天周期分别为17.73小时和18.2小时）生活的唯一一群人。虽然他们在地球上是极端早的类型，但在天王星和海王星上，他们是较晚类型，相当于地球上的青少年。但是本章节案例不过是关于时间生物学里的幻想，因为即使体内时间“一天”的周期远远短于24小时，那也不可能只有18小时。另外，基因突变也可能迅速地改变体内时间的周期。
到目前为止，我已经解答了本章开头提出的与生物钟校正相关的大部分问题，唯一剩下的一点就是：为什么斯文雅·拉斯姆森在演讲最后提出建议说，人们可以把诸如犹他州极端早类型的一家人送到木星和土星上去（在那两个星球上一天周期分别只有9.92小时和10.23小时）？即使是如此极端的早类型也不能适应9～10小时的一天，那样的话他们必须保持6小时的清醒，然后睡3小时。这就像施坦军士经历的实验一样——我们已经知道，那个实验没有成功。有趣的是类似实验中的情况不会发生，因为体内时钟可以通过一种被时间生物学家称为“频率递减”的机制适应极端短的周期。你可以在日常生活中了解这种机制。在剧院跟随音乐鼓掌的观众，可以每隔两个节拍才鼓掌一次。如果你走上台阶的时候带着一根棍子或者一把雨伞，你可以每走过两层台阶才用棍子或雨伞敲一下台阶。在木星或者土星上，人们的体内时钟可以把两天当作一天来度过，可以把第二个黑夜当作在中午出现的阴雨天气。我推测，犹他州的一家人在木星或者土星上会过着地中海式的生活：在第一个（简短的）黑夜他们会小睡一会儿，在第二个黑夜睡觉的时间长一些。但是只有极端的“云雀型”人可以在木星或者土星上过这样的生活；“正常”的生物钟不会适应把两天当作以18～20小时为“一天”周期的日子。
【注释】
[1]研究、技术和发展。
[2]她的丈夫不久前有了外遇，她现在正在办理离婚手续。
[3]参看《健身中心的黎明》。
[4]大部分地球人到了火星之后都变成早起的人了，按照传统的“早起就是好”的观点，地球人到火星非常合适。
[5]我把这一章重写了好几次，每一次都把文稿给不喜欢数学的人看。
[6]这个实验是他与查理斯·切斯勒一同在哈佛工作的时候进行的。
[7]在《永远的曙光》这一章节我们对体内时钟与光线强度的关系会有更多的了解。
[8]外界时间信号是所有体内时钟能够同步的环境信号——最重要的外界时间信号是明暗变化。
[9]参看《数羊》一章中关于振荡器的脚注。
[10]生理系统是一段路径，路程开头有感光器，中间有产生体内时钟的机制；然后路径分成多个部分，每一部分的终产物都会使睡眠/苏醒行为、荷尔蒙、体温或者基因获得节律命令。
[11]在《精力充沛的仓鼠》和《健身中心的黎明》两个章节中详细阐述了二者之间的关系。体内自由运行的节律出现在《失去的日子》一章。在持续不变的、与外界隔绝的环境中，就像地下室里的被试，其生物钟就完全表现出自己的周期。
[12]在《健身中心的黎明》一章节中还提及了不同时间类型产生的其他原因。
[13]在《当黑夜变成白天》一章出现的假说：有些盲人不需要看见光线就可以适应24小时的一天，可能是因为他们体内的生物钟本来就是一天24小时。
[14]请各位包涵我在这里使用的文字游戏。因为阿姆斯特朗的这句名言是在地球的卫星上说的，并不是在其他行星上。
[15]时间生物学家将两个极端值之间的区域称为体内时钟的“同步范围”。
[16]这可以通过他们的行为节律以及对他们细胞组织的研究来证明。