论文部分内容阅读
俗话说：早起的鸟儿有虫吃。这是一种形象的说法，劝戒人们勤劳生活。那么，我们换一个视角来看，试想，在一片沉睡的大地中，突然有一只虫在移动、在咬食，应该很容易就被眼尖的鸟儿发现，结果，这虫儿就可能成为鸟儿的早餐。这个俗语的励志功能，是基于一种深刻的自然观察。然而这个生物猎食现象，反映出“时间”是决定生死的关键。
生物调节的奥秘
生物体内具有计时的构造，这是通过特定的基因来实现的。这种特定的构造与地球环境息息相关。地球因为自转与公转，造成生物栖息环境呈现规律性的变动，这种变动具有固定周期，会重复出现。例如潮汐变化、日夜转换或四季轮替等。生物必须按照这种环境变动，调整它们的生存策略，才能顺利生存及繁衍后代。生物顺应这种环境规律性变化，就演化出来的各自的时间调控体系，俗称“生物钟”，目前发现它普遍存在于各种生物体内。
当我们检视昆虫体内的生物时钟时，发现它在事件尚未发生前就能开始准备，等到事件来临时，它已准备就绪，马上能应付来自生物或物理环境的挑战。举例来说，当天色渐渐暗下来时，一只雄蟋蟀仍然蛰伏在地下洞穴中，静待夜晚的来临，然而它体内的能量资源却已开始动员，积极往两个方向运送。
就雄蟋蟀而言，又粗又大的胸肌是提供飞行及唱歌(鸣叫)的动力，得快速收缩肌肉才能产生足够的动力，这需要有充足的能源补充。另外生殖系统内必须尽快完成“精苞”的制造，如此当雌蟋蟀受到雄蟋蟀的歌声引诱前来交尾时，才有精苞可以传送，完成交尾的任务。
为了能够在短时间内，利用一对前翅快速摩擦，发出动人的求偶歌声，以吸引心仪的雌性，达成传宗接代的任务，雄蟋蟀的事前准备工作是绝对必须的。而遵守“时间表”的雄蟋蟀，才有传宗接代的机会。
在昆虫世界中充分利用生物时钟表现于日常行为的，以蜜蜂为最。大家所熟悉的“蜜蜂语言”，就是以肢体动作来传达食物资源的讯息。它主要是利用太阳来定位，然而太阳的方位会随时变换，因此在不同的时间，传递讯息的“蜜蜂语言”势必要做若干校正。而且当天气有变化时，譬如一阵雷雨或一场大风造成环境的改变，蜜蜂若再次出巢觅食，也势必要修正它的“语言”，才不会有所失误。这种计算时间的变异而调整行为模式的能力，就是生物时钟功能的充分展现。
生物时钟虽然能提供时间讯息，但是无法提供瞬间的讯息，让生物做生死攸关的决定。生物时钟只能让生物体内的生化反应，按照特定的时刻表呈现出正常的生命现象，至于与其它生物互动的反应，就往往依赖随机的结果。例如，一只羚羊能否逃脱一只猎豹的追逐，并不是由生物时钟所掌握，而是由双方的奔逃速度所决定。
生物时钟的证明
如何证明昆虫体内具有生物时钟?这是一个相当专业的问题，实验者必须把环境中一切外界时间的讯息移除，让昆虫在这种环境下生存，然后观察它特定的生命现象是否出现固定周期的律动。这种证明方式一般而言是相当困难的，因为在自然界是无法藉由观察来确定其生物时钟的存在。不过若造成昆虫产生时差，则能反证生物时钟是存在的。因为只有在体内生物时钟与外界时间无法同步时，才会发生某些不正常的现象。
我国南部热带与亚热带区，四季并不分明，相对于生活在四季分明的温带区昆虫，需要利用休眠或迁徙来避开寒冬，南方大部分的昆虫则不必经历这些严峻的环境考验。再加上昆虫寿命普遍都很短暂，因此以一年为周期的生物时钟，在热带与亚热带区的昆虫体内并没有发现。不过仍然有些生活在较高海拔山区及纬度较高地区的昆虫，由于冬季环境恶劣，就需要发展出具有年周期的生物时钟，来适应这种剧烈季节变化的环境。
一般而言，昆虫可以利用日照长短当作季节变换的指针，然而纬度正好跨在北回归线上的地区，夏季与冬季的日照时间并没有很大的差异，不过仍然有一些昆虫以日照长短来代表季节变化。例如，蚜虫就保留有许多温带地区昆虫所特有的有性繁殖与无性繁殖世代交替的生活方式。在早春时，从受精卵孵化出来的雌蚜虫会在初级寄主植物上，以孤雌生殖的方式生长繁衍。当族群数量变大时，会飞到次级寄主植物上，快速以孤雌生殖方式继续繁殖。至秋季来临，有翅型的雌虫会再飞回到初级寄主植物上，仍然以孤雌生殖方式产出有性的雄虫与雌虫，二者会交配产出受精卵，就以这受精卵越冬，然后周而复始。
因此，在我国南方也可以发现一些寿命较短的昆虫具有年周律的生物时钟，至于年周律时钟与日周律时钟是否为同一型?或二者之间以何种固定模式互动?目前则尚未有定论。
自然环境充满着不可预知的危险。因此，动物的生存之道，在于适当的地点，选择正确的时间，做出合宜的行为。回到我们开头说的虫子和鸟的问题，如果虫子不早起，那么，早起的鸟也很难抓到虫子。这些复杂的情境与反应，并没有经验或智能的参与，而是千万年来自然选汰的作用，选出具有这套标准行为准则的动物，在特定的环境下，使它成功地生存繁衍。因此，我们可以预测，有早起习惯的虫子逐渐被淘汰掉，其后大部分虫子就不再早起，而特地起早的鸟也渐渐没虫可吃。
相关链接：
生物钟研究的历程
早在19世纪末，科学家就注意到了生物体具有“生命节律”的现象。上世纪初，德国内科医生威尔赫姆·弗里斯和一位奥地利心理学家赫尔曼·斯瓦波达，他们通过长期的临床观察，发现在病人的病症、情感以及行为的起伏中，存在着一个以23天为周期的体力盛衰和以28天为周期的情绪波动。大约过了20年，奥地利因斯布鲁大学的阿尔弗雷特．泰尔其尔教授，在研究了数百名高中和大学学生的考试成绩后，发现人的智力是以33天为波动周期的。于是，科学家们将体力、情绪与智力盛衰起伏的周期性节奏，绘制出了3条波浪形的人体生物节律曲线图，被形象地喻为一曲优美的生命协奏曲。
到了20世纪中叶，生物学家又根据生物体存在周期性循环节律活动的事实，创造了“生物钟”一词。生物钟的位置到底在何处?传统的观点认为，生物钟应该存在于大脑中，但对于具体位置的说法却又各不相同。有人认为，生物钟的确切位置在下丘脑前端，视交叉上核内，该核通过视网膜感受外界的光与暗，使之和体内的时钟保持同一节奏。也有人认为，生物钟现象与体内的褪黑素有密切的关系，由于褪黑素是由松果腺所分泌，因此生物钟也应该位于松果体上。
生物钟的形成原因一直是个科学之谜。现在有外源说、内源说和生物体与环境相互作用的综合说等。外源说认为，某些复杂的宇宙信息是控制生命节律现象的动因。美国学者弗兰克布朗博士认为，人类对广泛的外界信息，如电场变化、地磁变化、重力场变化、宇宙射线，其他行星运动周期、光的变化、月球引力等极为敏感，这些变化的周期性，引起了人的生命节律的周期性。内源说认为，生命节律是由人体自身内在的因素决定的。对夜间活动的仓鼠的试验表明，在外界条件变化的情况下，如在与地球自转方向相反的条件下，仍然有相似的节律。人在恒温和与外界隔绝的地下，也表现出近似于24小时的节律，因此，人的生命节律是由人自身的因素造成的。综合说则强调人体与环境之间的相互作用。
人类已经发现了若干与生物钟相关的基因，生物钟不但影响人的身心健康，而且可以在治疗疾病中发挥重要的作用。1997年《细胞》杂志上发表了一篇论文，科学家通过对上万只实验鼠的研究，发现了一只实验鼠的生物钟周期是27小时，并定位克隆了这个核酸发生变异的基因，命名为“时钟”基因(ClockGene)。后来，科学家发现，某一个基因与果蝇的生物钟基因“周期”呈现一定的序列类似性，因此假设该基因是果蝇“周期”在哺乳动物中具有同等功能的类似基因。通过动物实验，他们发现“周期”基因有24小时表达节律，同时该基因的表达能随光周期的改变而变化。这一发现因揭示了生物钟的分子生物学基础，被《科学》杂志评为当年10大科技突破之一。
[责任编辑]李 金
生物调节的奥秘
生物体内具有计时的构造，这是通过特定的基因来实现的。这种特定的构造与地球环境息息相关。地球因为自转与公转，造成生物栖息环境呈现规律性的变动，这种变动具有固定周期，会重复出现。例如潮汐变化、日夜转换或四季轮替等。生物必须按照这种环境变动，调整它们的生存策略，才能顺利生存及繁衍后代。生物顺应这种环境规律性变化，就演化出来的各自的时间调控体系，俗称“生物钟”，目前发现它普遍存在于各种生物体内。
当我们检视昆虫体内的生物时钟时，发现它在事件尚未发生前就能开始准备，等到事件来临时，它已准备就绪，马上能应付来自生物或物理环境的挑战。举例来说，当天色渐渐暗下来时，一只雄蟋蟀仍然蛰伏在地下洞穴中，静待夜晚的来临，然而它体内的能量资源却已开始动员，积极往两个方向运送。
就雄蟋蟀而言，又粗又大的胸肌是提供飞行及唱歌(鸣叫)的动力，得快速收缩肌肉才能产生足够的动力，这需要有充足的能源补充。另外生殖系统内必须尽快完成“精苞”的制造，如此当雌蟋蟀受到雄蟋蟀的歌声引诱前来交尾时，才有精苞可以传送，完成交尾的任务。
为了能够在短时间内，利用一对前翅快速摩擦，发出动人的求偶歌声，以吸引心仪的雌性，达成传宗接代的任务，雄蟋蟀的事前准备工作是绝对必须的。而遵守“时间表”的雄蟋蟀，才有传宗接代的机会。
在昆虫世界中充分利用生物时钟表现于日常行为的，以蜜蜂为最。大家所熟悉的“蜜蜂语言”，就是以肢体动作来传达食物资源的讯息。它主要是利用太阳来定位，然而太阳的方位会随时变换，因此在不同的时间，传递讯息的“蜜蜂语言”势必要做若干校正。而且当天气有变化时，譬如一阵雷雨或一场大风造成环境的改变，蜜蜂若再次出巢觅食，也势必要修正它的“语言”，才不会有所失误。这种计算时间的变异而调整行为模式的能力，就是生物时钟功能的充分展现。
生物时钟虽然能提供时间讯息，但是无法提供瞬间的讯息，让生物做生死攸关的决定。生物时钟只能让生物体内的生化反应，按照特定的时刻表呈现出正常的生命现象，至于与其它生物互动的反应，就往往依赖随机的结果。例如，一只羚羊能否逃脱一只猎豹的追逐，并不是由生物时钟所掌握，而是由双方的奔逃速度所决定。
生物时钟的证明
如何证明昆虫体内具有生物时钟?这是一个相当专业的问题，实验者必须把环境中一切外界时间的讯息移除，让昆虫在这种环境下生存，然后观察它特定的生命现象是否出现固定周期的律动。这种证明方式一般而言是相当困难的，因为在自然界是无法藉由观察来确定其生物时钟的存在。不过若造成昆虫产生时差，则能反证生物时钟是存在的。因为只有在体内生物时钟与外界时间无法同步时，才会发生某些不正常的现象。
我国南部热带与亚热带区，四季并不分明，相对于生活在四季分明的温带区昆虫，需要利用休眠或迁徙来避开寒冬，南方大部分的昆虫则不必经历这些严峻的环境考验。再加上昆虫寿命普遍都很短暂，因此以一年为周期的生物时钟，在热带与亚热带区的昆虫体内并没有发现。不过仍然有些生活在较高海拔山区及纬度较高地区的昆虫，由于冬季环境恶劣，就需要发展出具有年周期的生物时钟，来适应这种剧烈季节变化的环境。
一般而言，昆虫可以利用日照长短当作季节变换的指针，然而纬度正好跨在北回归线上的地区，夏季与冬季的日照时间并没有很大的差异，不过仍然有一些昆虫以日照长短来代表季节变化。例如，蚜虫就保留有许多温带地区昆虫所特有的有性繁殖与无性繁殖世代交替的生活方式。在早春时，从受精卵孵化出来的雌蚜虫会在初级寄主植物上，以孤雌生殖的方式生长繁衍。当族群数量变大时，会飞到次级寄主植物上，快速以孤雌生殖方式继续繁殖。至秋季来临，有翅型的雌虫会再飞回到初级寄主植物上，仍然以孤雌生殖方式产出有性的雄虫与雌虫，二者会交配产出受精卵，就以这受精卵越冬，然后周而复始。
因此，在我国南方也可以发现一些寿命较短的昆虫具有年周律的生物时钟，至于年周律时钟与日周律时钟是否为同一型?或二者之间以何种固定模式互动?目前则尚未有定论。
自然环境充满着不可预知的危险。因此，动物的生存之道，在于适当的地点，选择正确的时间，做出合宜的行为。回到我们开头说的虫子和鸟的问题，如果虫子不早起，那么，早起的鸟也很难抓到虫子。这些复杂的情境与反应，并没有经验或智能的参与，而是千万年来自然选汰的作用，选出具有这套标准行为准则的动物，在特定的环境下，使它成功地生存繁衍。因此，我们可以预测，有早起习惯的虫子逐渐被淘汰掉，其后大部分虫子就不再早起，而特地起早的鸟也渐渐没虫可吃。
相关链接：
生物钟研究的历程
早在19世纪末，科学家就注意到了生物体具有“生命节律”的现象。上世纪初，德国内科医生威尔赫姆·弗里斯和一位奥地利心理学家赫尔曼·斯瓦波达，他们通过长期的临床观察，发现在病人的病症、情感以及行为的起伏中，存在着一个以23天为周期的体力盛衰和以28天为周期的情绪波动。大约过了20年，奥地利因斯布鲁大学的阿尔弗雷特．泰尔其尔教授，在研究了数百名高中和大学学生的考试成绩后，发现人的智力是以33天为波动周期的。于是，科学家们将体力、情绪与智力盛衰起伏的周期性节奏，绘制出了3条波浪形的人体生物节律曲线图，被形象地喻为一曲优美的生命协奏曲。
到了20世纪中叶，生物学家又根据生物体存在周期性循环节律活动的事实，创造了“生物钟”一词。生物钟的位置到底在何处?传统的观点认为，生物钟应该存在于大脑中，但对于具体位置的说法却又各不相同。有人认为，生物钟的确切位置在下丘脑前端，视交叉上核内，该核通过视网膜感受外界的光与暗，使之和体内的时钟保持同一节奏。也有人认为，生物钟现象与体内的褪黑素有密切的关系，由于褪黑素是由松果腺所分泌，因此生物钟也应该位于松果体上。
生物钟的形成原因一直是个科学之谜。现在有外源说、内源说和生物体与环境相互作用的综合说等。外源说认为，某些复杂的宇宙信息是控制生命节律现象的动因。美国学者弗兰克布朗博士认为，人类对广泛的外界信息，如电场变化、地磁变化、重力场变化、宇宙射线，其他行星运动周期、光的变化、月球引力等极为敏感，这些变化的周期性，引起了人的生命节律的周期性。内源说认为，生命节律是由人体自身内在的因素决定的。对夜间活动的仓鼠的试验表明，在外界条件变化的情况下，如在与地球自转方向相反的条件下，仍然有相似的节律。人在恒温和与外界隔绝的地下，也表现出近似于24小时的节律，因此，人的生命节律是由人自身的因素造成的。综合说则强调人体与环境之间的相互作用。
人类已经发现了若干与生物钟相关的基因，生物钟不但影响人的身心健康，而且可以在治疗疾病中发挥重要的作用。1997年《细胞》杂志上发表了一篇论文，科学家通过对上万只实验鼠的研究，发现了一只实验鼠的生物钟周期是27小时，并定位克隆了这个核酸发生变异的基因，命名为“时钟”基因(ClockGene)。后来，科学家发现，某一个基因与果蝇的生物钟基因“周期”呈现一定的序列类似性，因此假设该基因是果蝇“周期”在哺乳动物中具有同等功能的类似基因。通过动物实验，他们发现“周期”基因有24小时表达节律，同时该基因的表达能随光周期的改变而变化。这一发现因揭示了生物钟的分子生物学基础，被《科学》杂志评为当年10大科技突破之一。
[责任编辑]李 金