日出而作，日入而息 生物鐘的秘密

作者簡介

許秀華，畢業(yè)于北京大學生命科學學院。從事科技記者、醫(yī)學記者等職業(yè)，科普作家、中國科普作家協(xié)會會員、中國生物工程學會會員，著有少兒科普書《超級農(nóng)業(yè)》（北師大出版社）、孕產(chǎn)期保健科普書《媽媽寶貝愛妻錄》（科學出版社）、《盧良恕院士傳》（人民出版社），全程執(zhí)筆《轉(zhuǎn)基因，給世界多一個選擇》（農(nóng)業(yè)出版社，獲2014年全國優(yōu)秀科普作品獎）、《南水奇遇記》（水利出版社），為《科學大眾》《生命世界》等多家少兒科普雜志撰稿人。

擊壤歌

〔先秦〕佚名

日出而作，日入而息。

鑿井而飲，耕田而食。

帝力于我何有哉！

清晨，一輪淺橙色的朝陽在晨曦中從東邊的地平線上緩緩升起。人們就像約好的一樣，接二連三地告別了舒適的床鋪，下田勞作。水從哪里來？開鑿一口井，便有水喝。食物從哪里來？耕田勞作，春種秋收。當夕陽西下，夜幕降臨，人們回到自己的家中，酣然入夢。享受著這樣美好、自在的生活，誰還會去羨慕帝王擁有的榮耀與權(quán)力呢？

“日出而作，日入而息”，人們遵循的是地球自轉(zhuǎn)的節(jié)律。春華秋實，大自然遵循的是地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的節(jié)律。

生物為何要按著地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的節(jié)律晝出夜伏，一歲一枯榮呢？這是生物體對太陽光帶來的視覺便利以及溫暖舒適的適應。

這種適應性是生物體被動地對外部陽光熱量的變化進行應答，還是生物體內(nèi)部已進化出了一套匹配的內(nèi)在節(jié)律，與宇宙星體運動的自然節(jié)律相配合？這個問題的答案，關(guān)乎著生物鐘是否存在。

含羞草的葉子在夜晚關(guān)閉，在白天打開。放在完全黑暗的環(huán)境中24小時，含羞草的葉片還會出現(xiàn)晝開夜合的現(xiàn)象嗎？18世紀，法國天文學家德梅朗嘗試了一下，發(fā)現(xiàn)含羞草的葉片在沒有外部光源信號的情況下，仍然自顧自地打開、閉合。這證明了生物體內(nèi)有一套自己的生物鐘。

生物鐘到底是什么

1971年，兩位美國科學家在研究果蠅晝夜節(jié)律的時候發(fā)現(xiàn)，果蠅體內(nèi)某個特定基因突變后，果蠅的晝夜節(jié)律就會被打亂。不同的突變類型，果蠅作息混亂的情況不一樣。有的果蠅自身的晝夜節(jié)律比24小時長，有的比24小時短。一開始，細微的一兩個小時的差別不容易被覺察?？墒菦]過幾天，這些差別累積起來，果蠅的作息節(jié)奏就和地球的晝夜節(jié)律脫節(jié)了。還有一種突變類型的果蠅晝夜節(jié)律完全消失，徹底晨昏顛倒。

這個基因就是Per基因，即周期（Period）基因的意思。Per基因貌似就是生物鐘，但它不能解釋果蠅的內(nèi)在生物鐘是怎樣和地球的晝夜節(jié)律合拍的，也不能解釋為什么果蠅白天活躍、晚上休息。

2017年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給了美國遺傳學家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚，以表彰他們“發(fā)現(xiàn)了調(diào)控晝夜節(jié)律的分子機制”。這3位科學家在1984年各自獨立地從果蠅體內(nèi)克隆出了Per基因，并將這個基因的蛋白產(chǎn)物命名為Per蛋白。

他們發(fā)現(xiàn)，Per蛋白在晝夜不同時段的濃度不同，這種周期性的濃度變化決定了果蠅的晝夜節(jié)律。隨著夜晚的到來，Per蛋白的合成逐步增加，濃度逐步升高;隨著白晝的到來，Per蛋白逐步被降解，濃度逐漸降低。Per蛋白的濃度正是以一晝夜，即約24小時為一周期。

為何Per蛋白的濃度

會有周期性

杰弗里·霍爾和邁克爾·羅斯巴什認為，Per蛋白和Per基因之間形成了一個反饋抑制回路。當Per蛋白的濃度低時，Per基因的活性增加，于是Per蛋白的合成增加，濃度升高;當Per蛋白的濃度升高后，又反過來抑制Per基因的活性。那么，Per蛋白會不會亂作為，抑制了Per基因，把自己給作死？

1994年，邁克爾·揚發(fā)現(xiàn)了第二個節(jié)律基因——Tim基因。Tim基因就像Per基因的管家一樣，通過合成編碼Tim蛋白，并讓其與Per蛋白結(jié)合，一起進入細胞核中，抑制Per基因的活性。

為什么周期約是24小時？邁克爾·揚又發(fā)現(xiàn)了一個新的生物節(jié)律基因——DBT基因，其合成的DBT蛋白可以延遲Per蛋白的積累，讓Per蛋白增加或減少的周期固定在約24小時，于是形成了一個時長約為24小時的激活—抑制—激活周期。

這是果蠅的晝夜節(jié)律，那人類又是如何日出而作、日入而息的呢？哺乳動物的生物鐘基因是Clock基因。Clock基因和Clock蛋白、Per基因和Per蛋白、Tim基因和Tim蛋白、DBT基因和DBT蛋白這4種基因和蛋白共同作用，形成了哺乳動物，當然也包括人類在內(nèi)的24小時生物節(jié)律。