落葉中解讀生物節(jié)律

俞瀟瀟，王俊杰，趙軍營(yíng)，蘆娟，陳徵尼，王三英，魏恩東，張文秀

（甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

2021年11月某日，蘭州市。

甲：現(xiàn)在已是隆冬季節(jié)，市內(nèi)很多樹(shù)還沒(méi)有落葉，為什么？

乙：哪些樹(shù)？

甲：國(guó)槐Styphnolobium japonicum、刺槐Robinia pseudoacacia、法桐Platanus acerifolia、五角楓Acer pictumsubsp.mono、柳樹(shù)Salix matsudana等。

乙：松柏、小葉黃楊Buxus sinica等樹(shù)也沒(méi)有落葉呀？

甲：是落葉樹(shù)沒(méi)有正常落葉。

乙：正常情況下，落葉樹(shù)入冬前要落盡全部葉片，與動(dòng)物換上厚實(shí)的冬毛正相反。對(duì)于那些沒(méi)有正常落葉的樹(shù)，你認(rèn)為原因是什么？

甲：我說(shuō)不上來(lái)。所以才來(lái)問(wèn)你。

乙：葉片的作用是什么？

甲：光合作用。我明白了。冬季氣溫低，葉片無(wú)法進(jìn)行正常的光合作用，所以落葉樹(shù)脫去全部葉片，以免為保護(hù)葉片免受凍傷而消耗營(yíng)養(yǎng)。現(xiàn)在那些沒(méi)有正常脫落的葉片其實(shí)都凍死枯掛在枝頭，完全喪失光合能力，與脫落的葉片一樣。也就是說(shuō)，寒冷天氣已經(jīng)幫助那些落葉樹(shù)“落”了葉。

乙：是的，該落不落偏執(zhí)拗，莫怪自然硬剔頭。常綠樹(shù)木冬季不落葉，其實(shí)葉片處于休眠狀態(tài)，休眠前同樣需要一個(gè)生理準(zhǔn)備期，以避免休眠中受損。蘭州城區(qū)小葉黃楊入冬休眠時(shí)因缺乏保護(hù)，導(dǎo)致葉綠素被光氧化破壞，因而枝梢葉片容易變成褐色[1]。那些該落的葉片是什么時(shí)候被凍死的？

甲：沒(méi)有太注意。感覺(jué)不是最近才凍死的。記得上個(gè)月上中旬來(lái)過(guò)一次寒流，氣溫驟降，像到了冬天一樣。想起來(lái)了，就是那次寒流，落葉樹(shù)的葉片很快就枯死在枝頭，甚至還保持著青綠色。

乙：保持青綠而干枯的現(xiàn)象稱為青枯，有些病害的典型癥狀就是青枯[2]。不是病害也會(huì)造成青枯，樹(shù)枝折斷離體，葉片就青枯。這一次不是樹(shù)木不落葉，而是寒流提前到來(lái)，葉片猝不及防，因而青枯。與青枯相比，正常落葉是一個(gè)怎樣的過(guò)程？

甲：正常落葉是先變黃再脫落，青枯則是直接干枯。

乙：是的。變黃是怎樣的一種生理過(guò)程？

甲：首先是葉綠素失去保護(hù)被破壞殆盡，剩下比較穩(wěn)定的葉黃素使葉片呈黃色。教科書介紹，葉片變黃中還會(huì)回收氮、磷、鉀等養(yǎng)分貯存在樹(shù)體內(nèi)供來(lái)年發(fā)芽展葉。這樣看來(lái)，青枯就是葉綠素沒(méi)有被破壞，同樣葉片中養(yǎng)分也沒(méi)有被正常回收，對(duì)來(lái)年發(fā)芽展葉有一定影響。是嗎？

乙：會(huì)有影響。不過(guò)，養(yǎng)分回收問(wèn)題偏離了我們的主題，不該再討論。變黃葉片是如何脫落的？

甲：在重力或外力作用下脫落？

乙：的確如此。但是，重力、外力造成落葉，一般人都會(huì)想到，要從樹(shù)木學(xué)專業(yè)解釋黃葉的脫落。

甲：風(fēng)力搖落。黃葉逐漸干枯，葉片與枝條的連接處細(xì)胞枯死，粘貼不牢，被風(fēng)搖落。

乙：青枯葉片也是枯死的，至今仍然掛在枝頭，為什么風(fēng)搖不落？

甲：青枯葉片與枝條粘貼比較牢固，所以不落。

乙：黃葉、青枯葉都是枯死的，為什么一個(gè)粘貼不牢，一個(gè)粘貼牢靠呢？粘貼發(fā)生在葉柄與枝條相接的地方，就是葉柄基部。葉片變黃過(guò)程中葉柄基部發(fā)生什么現(xiàn)象？

甲：黃葉形成離層。青枯葉片沒(méi)有來(lái)得及形成離層。黃葉葉柄基部的薄壁組織細(xì)胞分裂產(chǎn)生一群小型細(xì)胞，其外層細(xì)胞壁膠化，細(xì)胞變成游離狀態(tài)，造成葉柄與枝條粘貼不牢。這個(gè)區(qū)域就是離層。

乙：凍死的青枯葉為什么沒(méi)有來(lái)得及變黃而形成離層？

甲：寒潮來(lái)得急，葉綠素還沒(méi)有被破壞。所以沒(méi)有變黃。

乙：變黃的葉片怎么知道要冬季來(lái)臨形成離層而主動(dòng)脫落？

甲：氣溫降低造成葉黃素增多，葉綠素減少。

乙：秋季氣溫晝夜之間變化比較大，深秋和入冬時(shí)日溫差相近。葉片被動(dòng)地響應(yīng)氣溫變化就會(huì)無(wú)所適從。那么，葉片通過(guò)什么途徑主動(dòng)感知冬季的到來(lái)呢？

甲：日照時(shí)間長(zhǎng)短決定光合作用的時(shí)間，葉片因而感知冬季的到來(lái)。

乙：葉片能記錄光合時(shí)間的長(zhǎng)短嗎？

甲：不能。因?yàn)楣夂献饔檬潜粍?dòng)的響應(yīng)過(guò)程，記錄光照時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)光合作用沒(méi)有意義。

乙：那么，葉片又是如何計(jì)量日照長(zhǎng)短的？

甲：計(jì)時(shí)就像時(shí)鐘那樣一圈一圈地轉(zhuǎn)吧？

乙：一圈一圈地轉(zhuǎn)，用專業(yè)術(shù)語(yǔ)怎么說(shuō)？

甲：周期。

乙：什么周期？

甲：日照周期。

乙：日照周期？專業(yè)術(shù)語(yǔ)怎么說(shuō)？

甲：光周期。光周期指隨季節(jié)輪替而周期性出現(xiàn)的日照長(zhǎng)度，光周期現(xiàn)象則是植物對(duì)光周期的響應(yīng)，決定著葉片脫落等一系列生理過(guò)程，從而響應(yīng)季節(jié)輪替。

乙：光周期現(xiàn)象最早由加奈（Garner）和阿拉德（Allard）在1920年報(bào)道[3-5]。二人田間試驗(yàn)種植煙草Nicotiana tabacum新品種“馬里蘭巨象”（MarylandMammoth），生長(zhǎng)茂盛卻一直沒(méi)有開(kāi)花，越冬前移入溫室，不久后意外觀察到現(xiàn)蕾開(kāi)花，經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)排除氣溫、光強(qiáng)、光質(zhì)等因素，確認(rèn)“馬里蘭巨象”開(kāi)花需要短日照，認(rèn)為開(kāi)花的決定因素是光周期。1924年，二人又提出短日植物在日長(zhǎng)變短時(shí)開(kāi)花，長(zhǎng)日植物在日長(zhǎng)變長(zhǎng)時(shí)開(kāi)花，中性植物開(kāi)花與日長(zhǎng)無(wú)關(guān)[3]。意外往往意味著重大發(fā)現(xiàn)，落葉樹(shù)未正常落葉也屬意外，這才有了我們的討論，對(duì)意外現(xiàn)象不宜熟視無(wú)睹。繼續(xù)我們的討論，光周期如何決定落葉？

甲：光周期使樹(shù)木感知白晝時(shí)間變短，預(yù)判冬季來(lái)臨，從而轉(zhuǎn)入落葉生理期，開(kāi)始形成離層。寒流來(lái)時(shí)白晝較長(zhǎng)，樹(shù)木沒(méi)能預(yù)判到冬季來(lái)臨，沒(méi)能轉(zhuǎn)入落葉生理期，葉片因而被凍死青枯在枝頭。

乙：樹(shù)木落葉在日長(zhǎng)變短時(shí)開(kāi)始，屬于短日光周期現(xiàn)象。樹(shù)木如何感知晝夜交替？或者說(shuō)，光周期現(xiàn)象的生理基礎(chǔ)是什么？

甲：書上好像沒(méi)有講？

乙：教科書沒(méi)講，就要查閱科研文獻(xiàn)。查閱文獻(xiàn)是科學(xué)研究的開(kāi)始，從教科書的專業(yè)術(shù)語(yǔ)出發(fā)，可以極其便捷地在文獻(xiàn)網(wǎng)站上搜索到全部相關(guān)成果，梳理出該領(lǐng)域研究歷史，推進(jìn)到科學(xué)前沿。1938年，哈姆納（Hamner）和邦納（Bonner）發(fā)現(xiàn)使用弱光打斷暗夜期可以阻止短日植物開(kāi)花[6]，說(shuō)明短日植物開(kāi)花的決定因素是黑夜長(zhǎng)度，而不是以往所認(rèn)為的白晝長(zhǎng)度。1945年，博思威克（Borthwick）等人發(fā)現(xiàn)600～680 nm紅光打斷短日植物的暗期最有效；1952年，博思威克等人發(fā)現(xiàn)660 nm紅光促進(jìn)種子發(fā)芽的效應(yīng)可被730 nm遠(yuǎn)紅光抵消，并發(fā)現(xiàn)紅光與遠(yuǎn)紅光控制開(kāi)花的效應(yīng)類似，為此設(shè)想植物體內(nèi)存在紅光-遠(yuǎn)紅光可逆轉(zhuǎn)換色素，其紅型無(wú)活性，吸收紅光變?yōu)檫h(yuǎn)紅型，遠(yuǎn)紅型有活性，吸收遠(yuǎn)紅光變?yōu)榧t型[5,7]。1959年，巴特勒（Butler）從黃化玉米Zea mays苗中提取獲得光敏色素（phytochrome），與博思威克等人設(shè)想的特征完全吻合[5]。光照條件下，遠(yuǎn)紅型反饋抑制光敏色素的合成，黑暗中則被緩慢降解，或者緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)榧t型[5-6]。光敏色素廣泛存在于植物中，在黃化植株中含量豐富，調(diào)控種子萌發(fā)、下胚軸形成、幼苗去黃化、節(jié)間伸長(zhǎng)、根原基形成、葉的發(fā)端和生長(zhǎng)、小葉運(yùn)動(dòng)、葉綠體運(yùn)動(dòng)、芽休眠、性別分化、根莖形成、鱗莖形成、坡根形成、膜透性、向光性、向地性、花青素合成、開(kāi)花等過(guò)程。遠(yuǎn)紅型光敏色素結(jié)合某些代謝產(chǎn)物形成復(fù)合體引發(fā)生理效應(yīng)[5-6]?？傊?，植物通過(guò)光敏色素感知晝夜交替。

甲：我家對(duì)面住戶喜歡多肉植物，晚上補(bǔ)光特別明亮，影響我們必須戴上眼罩才能入眠。這也是光周期現(xiàn)象嗎？

乙：是另一種光周期現(xiàn)象，不同于光敏色素調(diào)節(jié)的過(guò)程。人腦松果體分泌褪黑素（melatonin）誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜、降低體溫等與睡眠有關(guān)的生理變化[8]。褪黑素也存在于植物體內(nèi)[9]，能提高植物抗逆性[10]。褪黑素白晝分泌量少，夜晚分泌量多，夜間光照會(huì)抑制褪黑素分泌，其光信號(hào)受體為隱花色素（cryptochrome）[11]。隱花色素是藍(lán)光受體[12]，在藍(lán)光區(qū)有3個(gè)吸收高峰，在紫外光A區(qū)有1個(gè)吸收高峰[6]。早在1909年，布勞（Blaauw）就發(fā)現(xiàn)在引發(fā)生物向光反應(yīng)中藍(lán)光最有效，紅光無(wú)效[13]。隨著光敏色素研究的深入，1970年代藍(lán)光調(diào)節(jié)隱花植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究積累起大量資料，1979年，在沒(méi)有提取獲得具體物質(zhì)的情況下，格塞爾（Grssel）提出隱花色素概念[6,10]。1980年克尼富（Koornneef）獲得一批喪失或削弱藍(lán)光響應(yīng)的擬南芥Arabidopsis thaliana突變體；1993年，艾哈邁德（Ahmad）和卡什莫爾（Cashmore）在擬南芥突變體中克隆出第一個(gè)隱花色素基因，此后又陸續(xù)獲得2個(gè)隱花色素基因[14]。現(xiàn)在已知隱花色素廣泛存在于從藍(lán)藻、真菌到動(dòng)植物中，而光敏色素則廣泛存在于動(dòng)植物中[11]，在植物中還發(fā)現(xiàn)一種紫外光B區(qū)光受體[15]。隱花色素調(diào)節(jié)植物莖伸長(zhǎng)、葉片伸展、向光性、葉綠體發(fā)育、氣孔開(kāi)閉等過(guò)程?？傊?，動(dòng)植物擁有相同的光受體，因而能夠在秋末換毛或落葉，準(zhǔn)備越冬。秋季白晝?cè)絹?lái)越短，要感知季節(jié)輪替必須計(jì)量晝夜的長(zhǎng)短。那么動(dòng)植物又是怎樣計(jì)量時(shí)間的呢？

甲：生物鐘。想起來(lái)了，書上講過(guò)生物鐘。動(dòng)植物通過(guò)光受體感知晝夜交替，結(jié)合生物鐘計(jì)時(shí)，就能感知晝夜長(zhǎng)短，從而主動(dòng)響應(yīng)季節(jié)輪替。

乙：知識(shí)用來(lái)解釋客觀現(xiàn)象，解讀信息，不用就會(huì)忘記。晝夜交替源自地球自轉(zhuǎn)，四季輪替源自傾斜的地球環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，生物鐘的發(fā)現(xiàn)確實(shí)與天文有關(guān)。從17世紀(jì)開(kāi)始，利用古代觀察資料，天文學(xué)家計(jì)算發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)速率一直在減慢，日長(zhǎng)增加，周年日數(shù)減少[16]。1960年，在《地球的自轉(zhuǎn)》一書中，作者感嘆：“日長(zhǎng)在地質(zhì)時(shí)代的變化沒(méi)有任何化石證據(jù)?！?963年3月，威爾斯（Wells）報(bào)道，利用珊瑚化石表壁環(huán)隆和環(huán)脊數(shù)量證明，4.2億年前的泥盆紀(jì)每年有396日，完全符合天文學(xué)推算。珊瑚表壁沉積碳酸鈣白晝多，夜晚少，夏季多而冬季少，因此一日生成一個(gè)環(huán)脊，一年生成一個(gè)環(huán)隆[13]。

甲：就像樹(shù)木的年輪？

乙：是的。但樹(shù)木年輪不是生物鐘本身，珊瑚環(huán)隆和環(huán)脊也不是，而是生物鐘的記錄。

甲：古生物學(xué)家就是從珊瑚環(huán)隆和環(huán)脊上發(fā)現(xiàn)生物鐘的呀？

乙：照片不是人，心電圖不是心電活動(dòng)，記錄不是事實(shí)本身。很多人把記錄等同于事實(shí)，在論文中只會(huì)閱讀數(shù)據(jù)比較數(shù)值大小，而沒(méi)有解讀數(shù)據(jù)揭示事實(shí)。例如，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，果樹(shù)施肥時(shí)產(chǎn)量比不施肥高，這是記錄，事實(shí)則是施肥有效提升了果實(shí)生產(chǎn)性能。這類問(wèn)題非常嚴(yán)重，以至于很多人分析數(shù)據(jù)時(shí)總感覺(jué)無(wú)從下手。繼續(xù)討論生物鐘。樹(shù)木年輪是細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能反映珊瑚環(huán)脊那樣的日生長(zhǎng)量，只能記錄季節(jié)性生長(zhǎng)量。春季生成的木質(zhì)粗疏，稱為春材；秋季的木質(zhì)致密，稱為秋材。年際間的春材、秋材交界就是年輪線，肉眼可辨。心電圖不是心臟電活動(dòng)本身，是心臟電活動(dòng)的記錄，同理，樹(shù)木的年輪、珊瑚的“日輪”都不是生物鐘本身，而是生物鐘的記錄。1959年，哈爾伯格（Halberg）提出晝夜節(jié)律概念，指生長(zhǎng)發(fā)育以24 h為周期的變化現(xiàn)象，動(dòng)植物晝夜節(jié)律變化多達(dá)數(shù)十種[13]。年輪反映的就是年節(jié)律，海洋生物還有月、潮汐等節(jié)律，反映在形態(tài)、解剖、細(xì)胞、生理和分子等多個(gè)水平上。我國(guó)的二十四節(jié)氣就是天文、季節(jié)、氣候、物候的綜合節(jié)律，能夠有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。問(wèn)題是生物節(jié)律是生物固有的，還是僅僅響應(yīng)環(huán)境變化而表現(xiàn)出來(lái)的？是內(nèi)在的還是外在的？

甲：固有的，內(nèi)在的。

乙：理由？

甲：心電活動(dòng)就是一種節(jié)律。毫無(wú)疑問(wèn)，心電活動(dòng)是固有的、內(nèi)在的。

乙：人們?cè)?jīng)認(rèn)為天鵝都是白的，結(jié)果被一只黑天鵝給否定了。心電活動(dòng)只能說(shuō)明有些生物節(jié)律是固有的、內(nèi)在的，但不能類推出生物節(jié)律都是固有的、內(nèi)在的，不能因此推定生物體內(nèi)有一個(gè)嘀嗒作響的時(shí)鐘。18世紀(jì)中葉林奈（Linnaeus）總結(jié)發(fā)現(xiàn)植物按一定時(shí)間間隔開(kāi)花，提出“花鐘”概念，19世紀(jì)達(dá)爾文等人又發(fā)現(xiàn)多種生物節(jié)律，20世紀(jì)人們發(fā)現(xiàn)生命活動(dòng)普遍具有節(jié)律性，引發(fā)了一場(chǎng)關(guān)于生物節(jié)律成因的大討論，內(nèi)生論者認(rèn)為成因是內(nèi)在因素，外生論者認(rèn)為是外界因素，調(diào)和論者認(rèn)為既有內(nèi)因又有外因[13]。

甲：這樣的大討論有什么意義？

乙：意義巨大。首先，這場(chǎng)大討論有助于深化對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。內(nèi)生論的本質(zhì)是認(rèn)為生物能夠主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的節(jié)律性變化，生命運(yùn)動(dòng)是在預(yù)判變化基礎(chǔ)上的主動(dòng)適應(yīng)過(guò)程；外生論的本質(zhì)是認(rèn)為生物只是被動(dòng)響應(yīng)環(huán)境的節(jié)律性變化，生命運(yùn)動(dòng)是環(huán)境變化的被動(dòng)響應(yīng)過(guò)程；調(diào)和論者其實(shí)在回避矛盾，在學(xué)術(shù)上和稀泥，有害無(wú)益。其次，大討論促使辯論雙方各自努力尋找新證據(jù)。外生論者認(rèn)為除了光信號(hào)之外，溫度、宇宙射線、引力、太陽(yáng)黑子都可能作為授時(shí)信號(hào)驅(qū)動(dòng)生命活動(dòng)呈節(jié)律性[13]；內(nèi)生論者需要尋找支配生物節(jié)律的內(nèi)在因素，即基因。

甲：基因？生物節(jié)律、生物鐘是基因決定的？

乙：是的。1971年，克那普卡（Konopka）等人利用甲基磺酸乙酯（Ethyl methane sulfonate，EMS）誘變果蠅，篩選出3個(gè)突變型，其中一個(gè)日節(jié)律周期長(zhǎng)19 h，一個(gè)28 h，一個(gè)失去日節(jié)律。1984年，人們克隆出果蠅相應(yīng)突變型的等位基因，并試驗(yàn)證明導(dǎo)入正常基因后突變型恢復(fù)正常日節(jié)律[18]。后來(lái)克隆出生物鐘基因的3位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而撬動(dòng)瓶塞的克那普卡因?yàn)樵缡盼茨塬@獎(jiǎng)[19]，令人扼腕。

甲：這么簡(jiǎn)單，生物鐘只有一個(gè)基因？

乙：是一系列基因。在模式植物擬南芥中發(fā)現(xiàn)其生物鐘核心振蕩器至少由13個(gè)基因構(gòu)成，是一個(gè)復(fù)雜的多重反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[20]。甲：核心振蕩器？生物鐘還有其他部分？

乙：是的。生物鐘由三部分組成：一是輸入途徑，由光敏色素、隱花色素、未知受體和傳入路徑組成，受體接受光、溫、養(yǎng)分等環(huán)境信號(hào)，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，矯正節(jié)律位相，傳遞給第二部分；二是核心振蕩器，產(chǎn)生近24 h節(jié)律振蕩信號(hào)，并反饋調(diào)節(jié)輸入途徑；三是輸出途徑，由信號(hào)輸出相關(guān)基因組成，傳遞振蕩信號(hào)到達(dá)效應(yīng)器官，調(diào)節(jié)其生理、生化和行為，并反饋調(diào)節(jié)核心振蕩器[16,21]。核心振蕩器又由中心循環(huán)、早晨循環(huán)和傍晚循環(huán)組成，每個(gè)循環(huán)都是一組基因的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路，其中一個(gè)基因小家族的5個(gè)成員從早晨開(kāi)始依次表達(dá)，間隔2～3 h，如同音樂(lè)五重奏型時(shí)辰計(jì)量器[16,22]。

甲：真巧妙！動(dòng)物和植物的生物鐘一樣嗎？

乙：不一樣。1）隱花色素是動(dòng)物核心振蕩器的組分，但尚未確定是否為植物生物鐘的組分[11]；2）植物中有一個(gè)功能不明的紫外光B區(qū)信號(hào)受體，動(dòng)物中尚無(wú)其存在證據(jù)；3）哺乳動(dòng)物在下丘腦的視交叉上核有一個(gè)主時(shí)鐘，主時(shí)鐘協(xié)調(diào)其他組織或器官的時(shí)鐘，植物則有兩個(gè)主時(shí)鐘，分別位于根尖和莖尖，兩者周期長(zhǎng)短不同，相位不同[23]；4）植物生物鐘還會(huì)受溫度、氮養(yǎng)分和鐵離子等因素調(diào)控[16]，并參與植物體對(duì)生物脅迫和非生物脅迫應(yīng)答的晝夜節(jié)律性調(diào)控[18]。

甲：看來(lái)植物的生物鐘比人造鐘表更復(fù)雜更精巧，完全可以計(jì)量晝夜長(zhǎng)短，預(yù)判季節(jié)輪替，樹(shù)木因此在冬季來(lái)臨時(shí)落葉，常綠樹(shù)木則調(diào)節(jié)葉片休眠，表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境節(jié)律的主動(dòng)適應(yīng)現(xiàn)象。一個(gè)簡(jiǎn)單的末正常落葉現(xiàn)象，竟然引出這么深?yuàn)W的科學(xué)原理，真沒(méi)想到！

乙：細(xì)微之處見(jiàn)精神，每下愈況。莊子說(shuō)要看豬的肥瘦，最好從豬的小腿上看起，小腿不易長(zhǎng)肉，從小腿上能最明顯地判斷豬的肥瘦。因此，越是低微之處，解讀到的道理越深?yuàn)W。其實(shí)，樹(shù)木落葉問(wèn)題還沒(méi)有圓滿地徹底解決。

甲：還有什么沒(méi)有解決？

乙：其一，五重奏型時(shí)辰計(jì)量只是一個(gè)大概輪廓，其精細(xì)的分子機(jī)制還需深入研究。其二，兩天之間晝夜長(zhǎng)短的變化量只有幾分鐘，生物鐘要比較白晝變短或黑夜變長(zhǎng)，其時(shí)間計(jì)量精度必須達(dá)到分鐘級(jí)，時(shí)辰計(jì)量太粗略，不足以比較晝夜長(zhǎng)短。其三，要比較晝夜長(zhǎng)短變化，必須記憶晝夜長(zhǎng)短，否則就沒(méi)有比較基礎(chǔ)，而這種分子水平上的晝夜長(zhǎng)短的記憶就目前而言幾乎無(wú)法想像。

甲：以前人們燒香計(jì)時(shí)。植物體內(nèi)會(huì)不會(huì)也像燒香一樣：在晝夜交替時(shí)開(kāi)始降解一種大分子，到再次晝夜交替時(shí)，降解的長(zhǎng)度就是晝或夜的長(zhǎng)度？

乙：好想法！這種燒香模型容易實(shí)現(xiàn)，生理化學(xué)反應(yīng)都由酶來(lái)調(diào)控速度，很容易實(shí)現(xiàn)燒香式計(jì)時(shí)。由秋入冬，黑夜變長(zhǎng)，長(zhǎng)到臨界值，樹(shù)木轉(zhuǎn)入落葉期。植物體內(nèi)如果“燒香”計(jì)時(shí)，就需要在“分子香”上刻下一個(gè)臨界值標(biāo)記，從而判斷冬季來(lái)臨。但是，這種亞分子水平的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，目前同樣難以想像。與此類似，還有人提出過(guò)沙漏模型[4-5]。早晨，植物體內(nèi)的紅型光敏色素吸收紅光轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)紅型；傍晚，被陽(yáng)光加熱的物體輻射遠(yuǎn)紅光而降溫，遠(yuǎn)紅型光敏色素一部分吸收遠(yuǎn)紅光逆轉(zhuǎn)為紅型，剩余部分在黑夜中自發(fā)轉(zhuǎn)換為紅型，或者被緩慢降解。黑夜中光敏色素的遠(yuǎn)紅型與紅型就像沙漏計(jì)量夜長(zhǎng)，遠(yuǎn)紅型/紅型比值小到臨界值就標(biāo)示冬季來(lái)臨。同樣，沙漏模型也需要分子水平上的比值的標(biāo)準(zhǔn)刻度，還需要計(jì)量比值，機(jī)制更加復(fù)雜，更難想像。

甲：??？還有這么多難題！

乙：知識(shí)是一個(gè)圓圈，圈內(nèi)為已知，圈外為未知，圓周外側(cè)鄰近帶為已經(jīng)明確的未知，具體化以后就是各種難題，更遠(yuǎn)處則為完全無(wú)感的未知。圈越大，難題越多。不在已知的圈中游走一番，就不明白自己的未知，更觸摸不到科學(xué)前沿。同樣，我們不討論落葉問(wèn)題，就不知道生物鐘研究尚待解決的難題。生物鐘的作用機(jī)制是輸入途徑接受環(huán)境授時(shí)信號(hào)，核心振蕩器響授時(shí)信號(hào)產(chǎn)生節(jié)律信號(hào)，輸出途徑傳遞節(jié)律信號(hào)調(diào)節(jié)目標(biāo)器官行為[16,18]，由此可見(jiàn)，生物體并非用生物鐘計(jì)時(shí)，而是用來(lái)開(kāi)閉相關(guān)生理生化過(guò)程，調(diào)節(jié)相關(guān)節(jié)律性活動(dòng)，以與自然節(jié)律合拍。日節(jié)律由日生物鐘調(diào)節(jié)，可以合理推測(cè)年節(jié)律由年生物鐘調(diào)節(jié)，燒香模型或沙漏模型中的標(biāo)準(zhǔn)刻度可能就是年生物鐘的調(diào)節(jié)機(jī)制所在。

甲：年生物鐘調(diào)節(jié)？這樣的解釋簡(jiǎn)潔明了，容易理解。

乙：簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單。奧卡姆剔刀原理認(rèn)為，一個(gè)理論或者猜想越簡(jiǎn)約越好。樹(shù)木生長(zhǎng)發(fā)育的年節(jié)律非常明顯，春天發(fā)芽抽枝展葉，然后開(kāi)花結(jié)果，秋天果實(shí)成熟，繼而入冬休眠。其實(shí)還有看不到的年節(jié)律。樹(shù)木春天發(fā)芽后生長(zhǎng)非常迅速，其高、徑年生長(zhǎng)量中春天占了大部分，如此大的生長(zhǎng)量必須以營(yíng)養(yǎng)貯存為基礎(chǔ)?！皸Ｌ乔蹦Ｐ驼J(rèn)為，樹(shù)木生長(zhǎng)季后期，光合作用生產(chǎn)的糖分營(yíng)養(yǎng)主要用于貯存以供應(yīng)來(lái)年生長(zhǎng)，貯存途徑是形成新木質(zhì)部，即秋材，把糖分營(yíng)養(yǎng)貯存在秋材薄壁細(xì)胞組織中，后者即為糖棧，如同貨棧一樣在需要時(shí)釋放營(yíng)養(yǎng)[24]。初秋高溫天氣會(huì)灼傷葉片，導(dǎo)致同位腋芽發(fā)育不良而來(lái)年不能萌發(fā)[25]。也就是說(shuō)，樹(shù)木休眠準(zhǔn)備其實(shí)早在夏末秋初就開(kāi)始了。很多樹(shù)木頭一年進(jìn)行花芽分化，以備來(lái)年開(kāi)花結(jié)果，而花芽分化期也集中在夏末秋初，或有所提前。有些果樹(shù)花芽分化時(shí)正值果實(shí)生長(zhǎng)期，兩期重疊，果實(shí)生長(zhǎng)和花芽分化都屬于生殖生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，可能就是大小年乃至生理落果現(xiàn)象的原因。營(yíng)養(yǎng)貯存、花芽貯備都是來(lái)年所需，缺少年生物鐘的調(diào)節(jié)，這類年節(jié)律極可能陷入紊亂，連大小年和生理落果都可能失控。推測(cè)樹(shù)木年生物鐘輸入途徑主要由溫度受體基因組成。2010年英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種組蛋白是植物的“溫度計(jì)”，環(huán)境溫度較低時(shí)，該蛋白會(huì)綁定DNA抑制一些基因表達(dá)；當(dāng)溫度升高時(shí)該蛋白松綁DNA，相關(guān)基因得以表達(dá)[26]，編碼該蛋白的基因很可能就是植物年生物鐘的組分之一。樹(shù)木春季發(fā)芽之前，首先是根系感受到土溫升高后開(kāi)始活動(dòng)，啟動(dòng)樹(shù)液流動(dòng)，根尖合成釋放細(xì)胞分裂素向枝條運(yùn)輸，刺激后者發(fā)芽[27,28]。年生物鐘還可能接受土壤氮養(yǎng)分信號(hào)。在樹(shù)木育苗生產(chǎn)中，秋季追施氮肥會(huì)導(dǎo)致苗木貪青徒長(zhǎng)而不利于越冬，可能就是氮肥干擾年生物鐘的結(jié)果。還曾觀察到刺槐行道樹(shù)修枝后新生的萌蘗枝條同樣貪青徒長(zhǎng)，葉片不能正常脫落，最終被凍死青枯在枝頭[29]。碳氮比是果樹(shù)花芽分化研究中的一個(gè)重要假說(shuō)，認(rèn)為多碳少氮的體內(nèi)環(huán)境有利于花芽分化[30]，其本質(zhì)可能也是體內(nèi)氮信號(hào)對(duì)年生物鐘的反饋調(diào)節(jié)作用。

甲：??？年生物鐘能解釋這么多樹(shù)木學(xué)現(xiàn)象？

乙：年生物鐘還只是猜想，但它至少統(tǒng)一了許多樹(shù)木學(xué)現(xiàn)象和多種假說(shuō)，具有更強(qiáng)更廣泛的解釋力。目前生物節(jié)律研究主要集中在擬南芥、水稻Oryza sativa等模式植物上，多屬草本植物，開(kāi)花結(jié)果后死亡。朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，要證明年生物鐘需要尋找適宜模式樹(shù)種開(kāi)展基礎(chǔ)研究，需要我們勤觀察思考，尤其注意那些異?，F(xiàn)象，為年生物鐘模式樹(shù)種的選擇積累資料。進(jìn)一步，還可以把年生物鐘和日生物鐘統(tǒng)一為生物鐘，從而在更高層次上概括生物主動(dòng)適應(yīng)行為的本質(zhì)，揭示生命的本質(zhì)。

甲：生物主動(dòng)適應(yīng)的本質(zhì)是什么？

乙：對(duì)表！生物向大自然的節(jié)律對(duì)表。萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，更要靠太陽(yáng)對(duì)表。生物必須識(shí)時(shí)務(wù)，應(yīng)時(shí)而動(dòng)即生存。