生物钟什么意思(生物钟意思是什么)

生物钟有两个基本特性：

周期运行，周期长度近似24小时，是内生的（即使没有外界环境的刺激仍然能自主运行）。在外界环境因素的影响下，周期可以相应调整。从含羞草说起

大家小时候可能都玩过含羞草，用手一碰，叶子就会害羞似地合拢。实际上即使没有触碰，含羞草的叶子也会在夜晚自然合拢，到第二天早晨再张开。它是怎么做到“早睡晚起”的呢？是不是光线的明暗变化导致了叶子的运动？

1729年，法国科学家Jean Jacques d'Ortous de Mairan针对这一假设做了个实验。他把含羞草放进一个密不透光的柜子里，发现叶子仍然自发地每天开合。这就排除了光线，那么可不可能是昼夜温差导致的呢？

1758年，植物学家Henri-Louis Duhamel du Monceau控制温度重复了这个实验得到了相同的结果。1832年，植物学家Augustus Pyramus de Candolle又控制了湿度还是得到相同的结果。1983年，美国挑战者号航天飞机带着红面包霉菌（Neurospora crassa）进入近地轨道。即使在微重力环境中，红面包霉菌仍然表现出昼夜节律。这些实验让科学界认识到生物钟可以独立于环境运行。

分子生物学解释

生物钟是内生的。这很自然就引出个问题：没有环境的线索，生物钟的周期性是从哪里来的呢？

20世纪30年代，一些菜豆和果蝇的实验表明生物钟可以遗传。既然可以遗传，那么研究重点就放在了基因上。1971年，美国生物学家Ron Konopka和Seymour Benzer用化学药物诱导果蝇基因突变，在其后代中发现了一些生物钟异常的个体。比对异常与正常个体的基因，发现了第一个生物钟基因Per及其表达PER蛋白质。在这之后一系列生物钟基因被发现。2017年，美国生物学家Michael Rosbash和Michael Young因为相关工作获得了2017年诺贝尔生理学或医学奖。

对于果蝇的研究很快延伸到了哺乳动物上。哺乳动物的生物钟机制更为复杂，但原理是相近的。我试着在这里讲个简化版本。Clock和Bmal1基因在细胞核内表达为CLOCK和BMAL1蛋白质。它们的浓度在白天达到峰值。这两种蛋白中与特定DNA片段结合促进了Per和Cry基因的转录。PER和CRY蛋白质浓度在夜晚达到峰值。这两种蛋白质反过来抑制Clock和Bmal1的基因转录。随着时间推移，PER和CRY会自然降解，重新启动Clock和Bmal1的基因转录。就此循环往复。周期约为24小时。

值得一提的是，每个细胞都有自己独立的生物钟。简而言之，你能在几乎所有哺乳动物的细胞（干细胞和癌细胞除外）中观察到有两类蛋白质浓度像下图一样振荡。这些生物钟基因/蛋白质又控制着不计其数的下游基因/蛋白质。所以你在朋友圈看到的某器官在某点排毒也许是真的。

与外界同步

生物钟有内在的周期。它又是怎么调整到与外界的昼夜一致的呢？拿最显而易见的例子来说，如果只有内生周期，人的时差是倒不过来的。

这就不能不提到视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）。正如其名，它在脑部视交叉神经上方。左右对称有两个，每个含有几万个神经元。

视交叉神经。左眼信号到右脑，右眼信号到左脑。

1972年，实验人员切除了小鼠的SCN，发现小鼠丧失了昼夜节律。1987年，实验人员将完好的SCN胚胎组织移植到SCN受损的小鼠体内，小鼠恢复了昼夜节律。这些实验揭示了SCN在调整生物钟方面的中心作用。SCN在生物体中扮演了国家授时中心的角色。

SCN神经元细胞白天活跃，晚上休息。白天的激发不大受外界影响，而在晚上，视神经的输入会诱发SCN神经元的激发。这就是生物钟根据外部环境变化的调节机制。至于在分子生物学层面如何解释神经元细胞的激发周期，是不是上一节讲的振荡机制导致了这一周期，现在是不清楚的。

这些“授时”神经信号通过各种途径影响全身。其中最有名的要属褪黑素（melatonin）。SCN直接连接松果体（pineal gland），白天抑制褪黑素的生成。到了晚上，松果体分泌的褪黑素开闸放水。至于褪黑素如何调节身体其他部位细胞的生物钟，这似乎也是不清楚的。只是褪黑素从实际疗效来看好像还不错。

结语

对于本质的追问总是复杂的。我强答一波，还请诸位斧正。另外要感谢在人类追索知识的道路上做出巨大贡献的小白鼠。我原以为分子生物学比传统生物学会更人道地对待动物。实际根本不是这样的啊。