生物鐘

生物鐘學(xué)
    （Chronobiology 希臘語(yǔ)：Chronos = 時(shí)間；Biology = 生物學(xué)）是一門科學(xué)，它的任務(wù)是研究生物體內(nèi)與時(shí)間有關(guān)的周期性現(xiàn)象，或曰這些現(xiàn)象的時(shí)間機(jī)制。生物節(jié)律是憑經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出的，但有其生理學(xué)和分子生物學(xué)基礎(chǔ)。生物鐘學(xué)與所謂的生理節(jié)律無(wú)關(guān)。

概述 
   生物鐘學(xué)的研究目的，是生物體內(nèi)生理和行為的時(shí)間機(jī)制。在這種機(jī)制中，生物體內(nèi)部的時(shí)鐘系統(tǒng)所產(chǎn)生的節(jié)律是主要的。三大中心問題： 
   1. 生物節(jié)律有哪些類型？它們是怎樣影響生物的生理過程的？
   2. 節(jié)律是內(nèi)在的嗎？如果是，哪里是產(chǎn)生節(jié)律的發(fā)生器，哪里是起搏點(diǎn)，它們?cè)趺催\(yùn)作？
   3. 哪些是外源性的，周期性的因素，即是所謂的時(shí)間服務(wù)器，它們又是怎樣作用于生物時(shí)鐘的？
    生物時(shí)間機(jī)制對(duì)所有的生物都很重要，而且在目前所有被研究的生物里科學(xué)家都找到了其時(shí)間節(jié)律現(xiàn)象。生物體內(nèi)有很多過程雖然彼此相關(guān)，但在時(shí)間上都是有所區(qū)別的。還有一些過程不但受到內(nèi)在因素制約，還會(huì)受到外界因素影響。時(shí)間上的區(qū)別之一就是各種行為各具其規(guī)律性——在一個(gè)大范圍內(nèi)觀察這種規(guī)律性，就可以稱之為生物節(jié)律。周期的長(zhǎng)度由毫秒到年不等。細(xì)胞分裂，呼吸，心跳和行為只是其中的一些例子。生物鐘學(xué)對(duì)人的意義在近年來越來越重要，因?yàn)槲覀兊纳�活越來越頻繁地逆這種生物鐘而行。在醫(yī)學(xué)方面已經(jīng)確定，服藥時(shí)間對(duì)藥效影響甚大。在化療中，若因就節(jié)律給病人服用細(xì)胞抑制劑的話，調(diào)制藥物的濃度就可以比其它給藥時(shí)間所采用的濃度降低很多。

生物節(jié)律的例子 
    在下面的表格中列舉了一些人體生理功能的每日周期性變化。體溫在晚睡醒來之前就已經(jīng)開始升高。就是說人體已經(jīng)為快要到來的活動(dòng)做準(zhǔn)備。就是在黃昏或夜行性的動(dòng)物，甚至是植物，都存在這種“做準(zhǔn)備的”的現(xiàn)象。植物在日出之前就會(huì)激活光合作用相關(guān)器官，為光合作用做準(zhǔn)備，以最長(zhǎng)時(shí)間的利用光能。很多植物在日間某些時(shí)候會(huì)展開或合上其花朵。還有一些植物，在一段日子里花朵相繼開放，只在特定的鐘點(diǎn)合成香料和花蜜。蟲媒如蜜蜂就在會(huì)恰在此時(shí)到訪。

生物節(jié)律的種類 
    根據(jù)周期長(zhǎng)度，將生物節(jié)律分為四種： 
    ? 超晝夜的（亞日的）節(jié)律（Infradian Rhythmus），該詞源于拉丁語(yǔ)：“infra”為“底下”，“dies”為“日”，亦即周期比一天長(zhǎng)的節(jié)律。 例如鳥類的遷徙；季節(jié)性的（大概 365.25天長(zhǎng)）冬眠；還有與退漲潮相關(guān)的半月周期，如在滿月、新月出現(xiàn)大潮，而半月時(shí)出現(xiàn)小潮（大概 14.25 天），銀漢魚只在漲潮時(shí)在岸上產(chǎn)卵；或者太陰日節(jié)律的，以28.5為周期（磯沙蠶屬）。
    ? 近潮汐節(jié)律（Circatidal Rhythmus），跟隨12.5小時(shí)的潮汐節(jié)律。一些海岸線的動(dòng)物有這種節(jié)律，例如水生的蟹類動(dòng)物漲潮時(shí)才會(huì)活動(dòng)，而生長(zhǎng)在岸上的蟹則會(huì)在退潮時(shí)覓食。
    ? 次晝夜（超日）的節(jié)律（Ultradian Rhythmus）源于拉丁語(yǔ)的“ultra”（超）和“dies”（天、日），其頻率超過日頻率，就是說一天出現(xiàn)兩次以上（嚴(yán)格來說是整數(shù)次，這是與近潮汐節(jié)律的區(qū)別）。這些短于24小時(shí)的節(jié)律的例子有蝙蝠的捕食周期、成人90分鐘睡眠循環(huán)、垂體的間歇性荷爾蒙分泌等。
    ? 近晝夜節(jié)律（Circadiane Rhythmus）來自拉丁語(yǔ)“circa”（大約）和“dies”，為接近24小時(shí)長(zhǎng)的節(jié)律，如人類睡眠和蘇醒、植物的葉運(yùn)動(dòng)等。
    研究得最徹底的是近晝夜節(jié)律，當(dāng)然有歷史的原因——近晝夜節(jié)律比周年節(jié)律更明顯，但更重要的是近晝夜節(jié)律對(duì)人類來說更有現(xiàn)實(shí)意義。以下講解若無(wú)特別說明，都是指近晝夜節(jié)律。

生物鐘學(xué)歷史 
    在18世紀(jì)天文學(xué)家Jean Jacques d’Ortous de Mairanvon就描述了含羞草的日間葉運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)他得知，即使在黑暗中葉子也會(huì)呈現(xiàn)這種節(jié)律。類似的報(bào)道也見于Georg Christoph Lichtenberg，Christoph Wilhelm Hufeland，林奈和達(dá)爾文。但直到20世紀(jì)人們才開始對(duì)該現(xiàn)象作科學(xué)研究。在該領(lǐng)域的先驅(qū)有:Wilhelm Pfeffer，Erwin Bünning，卡爾?馮?費(fèi)舍爾，Jürgen Aschoff和Colin Pittendrigh。對(duì)生物節(jié)律的一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是，很多自然節(jié)律在持續(xù)的同等強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)室條件下也能產(chǎn)生，就是說節(jié)律也可以“人造”。內(nèi)部時(shí)鐘的同步是通過時(shí)間變化的媒介完成的，如光和溫度。

生物鐘的位置 
    首先說明：生物體內(nèi)并沒有日常意義的“時(shí)鐘”，它不會(huì)告訴生物體鐘點(diǎn)日期。生物鐘在哪里？是怎樣的？這些問題都是因物種而異的。因?yàn)楹芏喙?jié)律與光有關(guān)，所以人們可以優(yōu)先在與光感受器相聯(lián)系的器官中尋找生物鐘的位置。

單細(xì)胞生物 
    從20世紀(jì)40年代就已經(jīng)知道，單細(xì)胞生物也有自己的生物鐘。所以從中可得知，生物鐘的運(yùn)行并不一定需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)作為硬件。 藻類如眼蟲屬或衣滴蟲有趨旋光性晝夜節(jié)律。草履蟲有晝夜生理過程。海生的腰鞭毛蟲， 如多邊膝溝藻，也有自己的晝夜節(jié)律。它在日出前一個(gè)小時(shí)就會(huì)浮到水面，形成厚厚的一片，進(jìn)行光合作用。在有利條件下它們會(huì)形成紅潮。在日落之前它們則會(huì)重新潛到海中。晚間它們借助熒光素酶發(fā)出生物光，人們推測(cè)這是可以驅(qū)趕天敵撓足亞綱的。 這些節(jié)律也可以在實(shí)驗(yàn)室里通過施加持續(xù)的影響而發(fā)生。同時(shí)原核生物 (細(xì)菌，和藍(lán)藻)也有晝夜節(jié)律。