我们为什么会觉得累:神奇的人体生物钟

第10章　时间生物学 案例 山洞中央，有人在照看火堆。虽然有这样的规定，必须有人负责看火堆，但是这个规定 只在少数情况下才成为必须——所有人都睡着的情况很少发生。一般来说，总有人醒着，聚在火堆旁说说话，或者添些柴火。没有人能在如此漫长的冬夜里一觉睡到天亮。多数氏族成员在天黑之前就会回来，一个接一个睡着了，通常都是年纪小的人*后睡着。 穆克是氏族首领，天刚黑他就走进了自己的小山洞，立刻睡着了。不久之后他醒来，但 还没有完全清醒，而是半睡半醒之间。部落里的说书人对他说，这个时候能想出*好的故事。他强调说，人在半睡半醒的时候看到的世界比原本的世界更神奇。穆克在黑暗中躺了一会儿，又迷迷糊糊地睡着了。睡着只是为了下次醒来。他又醒过来了，这一次他站起身，走到火堆旁。随着年纪的增长，他坐在火堆旁的时间也越来越长。 穆克盯着跳动的火焰，思绪飞到阴暗的森林里。他们在这个迷宫般的洞穴里睡觉的时候，穆克的女婿伍尔夫和其他三个男人正在森林里打猎。大约在太阳升起的时候，夜间猎手们会带着丰盛的猎物回来。此时，上了年纪的部落成员通常都已醒来。老人们开始处理猎物，猎手们则躺下开始补觉。 理论 到目前为止我们主要讨论的是人类的生物钟，提到老鼠和仓鼠也是为了更好地了解哺乳动物的生物钟。我希望，读者们在上一章节已经了解到生物钟是生物身体机能的基础：时钟基因的产物表现出独特的、可遗传的性质（例如时间类型），并操纵着几乎所有层面的活动——无论是开启基因还是改变行为活动，它们是身体的计时器。但是钟表本来只是一种机械的或者电子的器械，是我们遵守时间的助手，我们怎样才能理解生物钟对生存的意义呢？ 为了能够正确理解生物钟的意义（以及为什么只有生物钟才能使生物占据相应的栖身之所），我们*好先把人类放在一边，看看别的物种。所以我决定在这一章的案例中写一 写微小的海洋生物。本章主人公是海藻，只是单细胞生物。它的细胞壁外还有一层坚硬的、布满小孔的鳞片。如果把30个这种细胞一字排开，这个链条也只有1毫米长。 案例中的海藻，其学名为“多边舌甲藻”。我对这种海藻的研究持续了15年，一开始是在哈佛的伍迪·哈斯廷斯实验室，后来是在慕尼黑我自己的实验室。当时，这种海藻被称为“多纹膝沟藻”。它之所以成为时钟研究的研究对象，是因为这种单细胞生物能够在生化反应时发光——但只在夜晚进行。 生物光对记录生物钟在单细胞中的运行非常有帮助。膝沟藻属于甲藻门，是在显微镜下才能看到的单细胞植物，它们有螺旋桨似的绒毛帮助它们移动。 时间生物学家不得不24小时在实验室内转悠。我在哈佛工作的时候，我们把实验对象保存在有空调的房间里，并将之戏称为“Gonies”。我发觉，在有阳光的时候，海藻都向水面上游；黑暗中它们可以自己发光，并聚集在培养池的底部。大家通过膝沟藻的发光情况来记录其生物钟，但是没人对它们聚集的特点感兴趣。我被这种昼夜变化的聚集方式吸引住了。让我感到更加兴奋的是，这些有生命的微粒表现出的行为决定了整个群体的生存特点。我开始进行我自己的实验。多次实验之后，我发现了一个令人震惊的事实：一个单细胞可能不止有一套生物钟。 通过实验室和海洋中的观察结果，我们开始明白膝沟藻群体在自然海洋中的行为。白天，海藻向海面上游，获取阳光合成能量和糖。事实证明，海藻向海面上游不是一种向光性行为。即使在实验室里，人们将灯光放在培养池的侧面，海藻依然还是向水面游。这种行为只能是由地心引力决定的。但是在这种人为的条件下，海藻细胞还是表现出了一些向光的特征。海藻细胞在白天只喜欢一定程度的光亮——不亮也不暗——但是他们在夜晚却像飞蛾一样：向有光的地方游，即使这种光亮会杀死它们。 上述实验表明，膝沟藻细胞及其群体的定向行为由两个因素决定：一个是重力因素，另外一个是光照因素。这对理解生物钟的产生具有重要意义，因为两种因素都由昼夜时间系统控制。在白天的向光性是“有选择”的向光性，但夜晚的向光性则像飞蛾扑火；白天的重力性是逆向的（向海面移动），夜晚的重力性是顺向的（沉入海底）。这种在逆向和顺向之间的变化界限不是太阳落山，而是在日落前两小时。为什么海藻要沉到海洋深处？向上游可能很费劲——但是这可能是这种小生物*小的难题了。海面上有很多能量（以光的形式存在），也有合成糖的材料，但是海洋上层没有海藻生存所必需的养料。这些养料来自死去的有机体，通常有机体的尸体密度比海水的密度大，因此都沉到了海底或者形成温度屏障的地方（温跃层）。而其他有机体既需要光来进行光合作用，也需要养料来进行繁殖。为了满足这两种需求，他们就经常在海面和海底之间移动——为了在正确的时间做出正确的“决定”，它们需要能发挥功能的生物钟。 决定何时离开海面潜入海底很简单，因为细胞在黑暗中无法进行光合作用。但决定何时向海面游却不是一件容易的事情。这个艰难的决定由细胞中的生物钟负责。养料（例如 硝酸盐）延缓了生物钟，也放慢了上升的速度。如果细胞在整个夜里吸取了足够的养料，纵然在日出之后仍然能够找到养料，生物钟也会发出指令：向上游。继续留在海底是致命的，因为不管细胞吸取了多少养料，它也在不断地消耗能量。从某时刻开始生物钟不再放慢速度，而是扭转了开关，敦促细胞向上游。只有在细胞的生物钟完全精准的情况下海藻才能获取足够的生存空间、时间和养料，只有这样它们才能在这个生态圈中发展，因为这个生态圈中各种必要的资源彼此的距离很远，而且在一天24小时中并不是时时刻刻都能找到（例如阳光）。 为了能够理解复杂的生物钟，仅仅了解“指示器”是不够的。请回忆地下室实验的结果，被试的活跃/安静的节律与体温变化周期不相同1。如果没有两种不同的指示器，就不会发生这种内部的不同步。在膝沟藻的例子中，几十年以来人们都用测定生物光的方法来研究生物钟。行为节律（活跃/安静的节律）的发现使同时记录两种节律成为可能。在一定的实验室光照条件下，我们发现生物光节律与行为节律也有各自不同的周期，也像接受地下室实验的人们一样存在内部的不同步。这个结果证明了，不仅是像我们一样的复杂生物，就连单细胞生物也有不止一套生物钟。这些生物钟的其中之一控制着生物的向光性，另外一套负责调解养料的摄取；一套负责光合作用，另外一套负责垂直运动。 卡尔·约翰森用优雅的方式展示了一个有机体拥有理想的内部时间系统是多么占优势。他使用了一种比膝沟藻还简单的聚球藻，它是蓝绿藻的一种。这种单细胞生物也有一套运行良好的生物钟，也通过光合作用产生能量。卡尔·约翰森使用了变异的聚球藻和普通的聚球藻做对比。变异的聚球藻在与外界时间隔绝的条件下表现出完全不同的节律，比24小时短很多。而未变异的聚球藻在与外界时间隔绝的条件下，其节律比24小时长很多。他把变异的和未变异的藻群分别培养，并使两种藻类都处于12小时光照12小时黑暗的条件下。这时，两种藻群的生长速度一样快。然后他又把两种藻群合在一起培养，这样做是为了观察两种藻群的竞争力。结果两种群的生长速度仍然是一样快。然后他又把两种藻群放在10小时光照10小时黑暗的条件下（一天的周期只有20小时），结果发现周期短的藻群生长较快。*后，约翰森又把藻群放在14小时光照14小时黑暗的地方，结果发现周期长的藻群生长较快。如果两个藻群在同一个环境下竞争资源，适应力*强的藻群有更大的生存机会。卡尔·约翰森后来又把生物钟有缺损的种群放在持续的黑暗环境中研究，发现有缺损的种群竟然比生物钟完整的种群更加有竞争力，然而到了有明暗变化的环境里，生物钟缺损的种群就没有生存机会了。 我希望，各位现在想一下：为什么膝沟藻那样的有机体为了摄取资源每天都在进行长途旅行？为什么单细胞生物在夜里会发出光亮呢？为什么它们撞到一起的时候也会发亮呢？海洋生物学家喜欢用“恫吓天敌”来解释，就像我们在案例部分看到的那样。我还有另外一种解释，与恫吓天敌的假说并不是完全矛盾。许多动物都用生物光来与同类交流，请你想一想萤火虫，它们使用摩斯密码一样的光亮来交流。对于那些有性繁殖的有机体，如果不在群体中生活，就需要一种能够在求偶期引起异性注意的交流方式。膝沟藻也有与之类似的需求。海藻脱下了冬装1的时候，细胞肯定会经历一定的变化来为繁殖做准备。因此它们必须聚集在一起，否则离开群体的孢子就失去了与其他DNA交流的机会。在黑暗中发出光亮，有助于它们维护自己的群体。 美国时间生物学家玛丽·哈灵顿2对海藻及其时间生物学非常着迷，她甚至为多纹膝沟藻的生物钟写了一首诗。这是唯一一首发表在《生物节律》杂志上的诗，并且可能是唯一 发表在科学杂志上的诗。 反馈 如果懒惰的鞭毛虫， 就躺在那里， 不进行光合作用， 就要这样做： 保持时钟的速度不变。 它就会越来越虚弱， 虚弱， 虚弱， 直到耳边听见一个声音轻轻地说： “起来！ 起来！” 但是这却没有成功， 顽固的膝勾藻， 抱着手臂， 打着鼾： “不要仅仅将我的生命（我的生命！） 称作‘指针’， 我就要留在海底！”