生物節律讓我們與地球同步∣「知乎科普達人」葉盛談生物鐘
撰文：葉盛（中科院生物物理研究所）
葉盛，中國生物物理學會科普工作委員會委員，中科院生物物理所副研究員。本科畢業於清華大學自動化系，於清華大學基礎醫學院獲生物學博士學位。
葉盛為中國科普作家協會會員，科學松鼠會成員，知乎科普達人，中科院格致論道論壇演講嘉賓及主持人。多次受邀在全國多地進行針對大中小學生的科普講座，其譯著《大滅絕時代》獲國家圖書館「第11屆文津圖書獎」的科普類推薦圖書獎，以及首屆「大鵬自然好書獎」年度遠見獎 （詳情請點擊這裡）。
北京時間10 月 2 日17: 30，2017年諾貝爾生理及醫學獎獲獎名單揭曉，諾貝爾委員會將此獎項頒發給了美國遺傳學家傑弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）、邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）和邁克爾·楊（Michael W. Young），以表彰他們在生物節律研究方面所做出的開創性貢獻。
生物節律是什麼呢？說得通俗點，它就是我們平常所說的生物鐘。比如 們人類以及很多其他動物的睡眠控制就與體內的生物節律有關係。有意思的是，生物節律並不是高等動物才有的什麼高級功能，幾乎所有生物，無論是動物還是植物，甚至是單細胞的細菌，都有著生物節律性。
生物鐘的分子調節示意圖（諾貝爾獎官網）
此次獲得諾貝爾獎的三位科學家，他們的工作主要是圍繞果蠅展開的。在果蠅的細胞內有兩種蛋白質，名為PER和TIM。其中，PER的量會隨著時間呈現節律性的變化，當夜晚的時候，PER在細胞內越聚越多，最終結合TIM蛋白，形成一個異源二聚體，就會進入細胞核內，抑制period基因的轉錄。而period基因正是編碼PER蛋白的基因。於是，在白天的時間裡，PER蛋白的量越來越少，被細胞不斷降解。隨著PER量的減少，它對period基因的抑制作用就會減弱，於是PER蛋白的生產量在晚上又重新恢復了。這樣一輪變化的周期恰好就是24小時。至於TIM蛋白，它是由一個叫作timeless的基因編碼的，這個基因與果蠅對光的感受性有關。所以說，果蠅的生物節律既是一個可以在短時間內維持自身準時運轉的穩定系統，又是一個在長時間內可以受到光線影響，重新定義自身周期的動態系統。
我們人類所屬的哺乳動物的生物鐘還要再複雜一些，但其核心仍然是像PER-TIM這樣一對能夠調節自身表達水平的自反饋系統，分別被稱為CLOCK和BMAL1蛋白。兩者結合在一起形成的複合物的結構在2013年得到了解析，發表在了Nature上。這個結構研究工作揭示了CLOCK與BMAL1相互作用的模式，指出了關鍵的氨基酸殘基。有意思的是，對於這些關鍵氨基酸殘基的突變雖然能夠有效破壞這兩種節律蛋白的相互作用，但是對於生物節律系統的衝擊卻非常有限，不過是不足半個小時的延長或縮短而已。這說明，生物節律系統的複雜性和抗干擾性遠超過我們的想像。
實際上，生物節律系統幾乎可以說是一個魔法般的存在。試想一下，僅僅依靠基因與蛋白質這樣的生物材料，大自然竟然搭建出了一個如同鐘錶一樣準確的計時系統，而且還是光控可調的，自穩抗干擾的。發現這一系統背後奧秘的人，獲得諾獎無疑是當之無悔的。或許，這樣一個神奇的系統又會像眼睛或鞭毛一樣，讓神創論者或設計論者拿來當作可以依賴的「證據」。但實際上，這恰恰是進化的結果。地球上所有的生物，它們都是進化的產物，而進化的目的——如果說真有什麼目的的話——都是為了讓他們儘可能地去適應自己的環境。而地球自轉所導致的24小時的晝夜更替，恰恰是包括我們人類自身在內的所有生物都要去面對的一種「環境」因素。
圖片來自網路
其實，生物節律可以隨光照調節的這種屬性對於生物的生存也是非常重要的適應性。當然，上億年前的恐龍不會來一次跨時區的旅行，也用不著倒時差。但地球上大部分地區的日照時間都會隨著四季的變化而變化，所以我們的生物節律每天也都在做著相應的微調。跨洲飛行導致的倒時差，則是一種劇烈的調節行為，帶給我們的體驗也是相當痛苦的。對於生物節律機制的研究，或許能夠幫助我們在未來開發出一些藥物或療法，讓人類能夠更快、更輕鬆地應對時差效應。
不過，生物節律也並不都是以24小時為周期的。比如築造出了巨大珊瑚礁的小小珊瑚蟲，他們排卵排精的時間非常精確，總是在月圓之夜的同一時間開始，於是能看到珊瑚礁附近像雪一樣飄向海面的珊瑚卵，場面蔚為壯觀。這種精確性是為了確保了受精的高成功率，而其背後的機制同樣與生物節律有關。這套機制同樣靠兩種基因配合完成，其蛋白產物水平會隨著時間周期性波動。只不過，它感受的主要是月光，只有在月光最強的時候，才會開啟引發排卵排精行為的基因。
大堡礁的珊瑚蟲釋放配子（圖片來源：cairnsreef.com）
凡是有機會在月圓之夜到珊瑚礁潛水，見識過珊瑚排卵排精的壯觀場景的人，無不感慨於自然的偉大。其實，當我們熬夜犯困、瞌睡連連的時候，又何嘗不是同樣的偉大機制在發揮功能呢？今天獲得諾獎的三位科學家，他們的研究成果將人類引領進入了生物節律研究的大門，而門裡面還有很多很多的未知等待著後來者的探索。
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