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生命的节律


□ 万宇峰等

万宇峰 梁小弟 张琳黄天乐 郭金虎

  地球自诞生早期就开始了自转。自转使地球上很多环境因子跟着发生了周期性的变化,比如光线和温度的昼夜更替,呈现出24小时的规律性变化。为了适应这些环境因子的变化,地球上几乎所有的生物都进化出了生物钟系统,以调节生物体内的生理、生化、代谢反应和行为。

  研究人员发现,美国黄石公园地表生活着嗜极菌,它们只在夜间进行细胞分裂和增殖。黄石公园地表裸露,白天紫外线很强,而紫外线可以造成DNA的断裂和损伤,如果细菌在白天进行分裂,这些损伤就有可能因来不及修复而传递给子代,从而祸及子代的生存。经历了长期的选择后,黄石公园的嗜极菌形成了一个特殊的生长模式,即白天不分裂,晚间先修复DNA,然后再进行分裂和增殖。

  不同生物有不同的生活习性,比如人类和很多鸟类白天活动,而蝙蝠、老鼠、蟑螂、蚊子和猫头鹰则是在夜晚活动,这样的行为特征都受生物各自生物钟的调节和控制。生物钟紊乱,会导致生物在生理和行为方面的异常,也会对生物的生存或健康带来损害。

  对植物来说情况也类似,比如牵牛花总是在清晨开放,斑点猫儿菊在早晨6点准时开放,非洲金盏花7点左右开放等等。法国博物学家林奈曾经绘制过一个花钟,用不同的花代表一天的十二段时间。由于受气候影响,同种植物在不同地方开花的时间会有所差异,因此他描绘的花钟不是非常精确。但是,用花钟来预测时间一般不会相差太多。花儿定时开放的原因之一是为了吸引昆虫在特定的时间前来授粉。

  很多动物都会为了寻找食物和繁殖后代而长途跋涉,在每年特定的时候迁徙。候鸟和鲸等动物在迁徙中可以横跨大洋。与鲸鱼和鸟类相比,蝴蝶显得渺小而脆弱。但是,美洲的黑脉金斑蝶看似纤弱的身体里却蕴藏着坚忍不拔的精神。每年的夏末秋初,生活在美国东北部与加拿大交界地区的黑脉金斑蝶便开始向南迁飞,一直到达墨西哥中部的山区,在那里越冬,整个旅程长达4500千米。黑脉金斑蝶依靠体内的生物钟定向,因此在旅途中不会迷失方向。蜜蜂体内有类似的“指南针”,可以通过生物钟来确定花蜜的方向。

  也许有人说:生物表现出这种24小时的节律并不奇怪,由于地球自转,黑夜和白昼交替变化,由于适应环境而产生的生物钟只是一一种被动的适应。那么,如果把这些生物放在特定的环境中,比如持续的黑暗或光照条件下,生物钟还会起作用吗?

  早在一个半世纪以前,达尔文就注意到一些植物的叶片会在白天展开、在夜晚合拢。法国人德·梅伦在1729年发现:即使在黑暗的柜子里,合欢的叶片仍然按照大约24小时的节律展丹,合拢。这说明:生物钟实际上是可以自主调节的,并不是简单的应激反应。

  为了进一步说明这个问题,一位科学家将一些生物带到南极进行试验。带去的动物中有果蝇、老鼠和一种真菌(粗糙链孢霉)。他在南极靠近极点位置的暗室里放置了一张可以转动的桌子,这张桌子24小时转一圈,转动方向由东向西,与地球的自转方向相反。也就是说,桌子的转动抵消了地球的自转效果。然后科学家把仓鼠、果蝇、植物和真菌都放到这张桌子上进行观察,发现它们仍然保持24小时的节律。

  美国有个著名的猛犸溶洞国家公园,其已探明的地下溶洞的总长度居世界溶洞之首。1938年,纳撒尼尔·克莱德曼和他的助手在地下400多米深的猛犸溶洞里生活了一个多月。1960年,德国科学家于尔根·阿朔夫把自己关进一个与外界隔绝的地下室。一个多月的检测数据表明,这些科学家虽然都与外界隔绝了一段时间,但他们的体温仍然表现出趋近24小时的节律性。

  除了我们谈论的以24小时为周期的生物钟之外,还有其他周期的生物钟存在,如月周期和年周期的生物钟等。鸟类每年都要换羽毛,为了验证鸟类定时换羽只是简单地受到温度和光照的影响,还是体内生物钟自动调节的结果,有人用非洲野鹪做了实验。结果发现,在温度与光照常年不变的实验室里生活的12年间,非洲野鹪每年仍然在差不多相同的时候换羽毛。可见,不但昼夜节律的生物钟具有自主调节的特性,年周期的生物钟也具有自主调节的特性。

  金黄地鼠通常白天出来活动,夜晚在巢穴里休息。这种生活方式看起来平常,实际上是物种长期演化过程中生存适应的结果,一旦变化可能带来危机。研究人员曾将一批金黄地鼠的视交叉上核去掉,然后放回野外。结果这些金黄地鼠由于失去了生物钟的控制出现了行为异常,经常夜间也出来活动。金黄地鼠夜视力很差,所以难以躲避夜间的天敌。因此,这些晚上跑出来活动的金黄地鼠很快就被天敌捕食殆尽。现在的研究已经发现,生物钟其实是由生物体内的生物钟基因控制的,这些基因相互作用会产生分子水平的节律,这种节律可被输出进一步调节生理、代谢和行为的节律。

  生物钟控制着人的很多生理和行为,比如操控能力、警觉性、心血管机能、血压、褪黑素等激素的分泌和排便等等。人的体温也周期性地变化,晚上7点左右体温最高,凌晨4点半左右体温最低,相差大约l℃。生物钟如果发生紊乱,就会损害身体健康。历史上很多重大事故,如沉船和核电站爆炸等,多数发生在人体工作效率很低的凌晨。

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摘自:大自然 2013年第01期  
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