日出而作，日入而息 生物钟的秘密

作者简介

许秀华，毕业于北京大学生命科学学院。从事科技记者、医学记者等职业，科普作家、中国科普作家协会会员、中国生物工程学会会员，著有少儿科普书《超级农业》（北师大出版社）、孕产期保健科普书《妈妈宝贝爱妻录》（科学出版社）、《卢良恕院士传》（人民出版社），全程执笔《转基因，给世界多一个选择》（农业出版社，获2014年全国优秀科普作品奖）、《南水奇遇记》（水利出版社），为《科学大众》《生命世界》等多家少儿科普杂志撰稿人。

击壤歌

〔先秦〕佚名

日出而作，日入而息。

凿井而饮，耕田而食。

帝力于我何有哉！

清晨，一轮浅橙色的朝阳在晨曦中从东边的地平线上缓缓升起。人们就像约好的一样，接二连三地告别了舒适的床铺，下田劳作。水从哪里来？开凿一口井，便有水喝。食物从哪里来？耕田劳作，春种秋收。当夕阳西下，夜幕降临，人们回到自己的家中，酣然入梦。享受着这样美好、自在的生活，谁还会去羡慕帝王拥有的荣耀与权力呢？

“日出而作，日入而息”，人们遵循的是地球自转的节律。春华秋实，大自然遵循的是地球围绕太阳公转的节律。

生物为何要按着地球自转和公转的节律昼出夜伏，一歲一枯荣呢？这是生物体对太阳光带来的视觉便利以及温暖舒适的适应。

这种适应性是生物体被动地对外部阳光热量的变化进行应答，还是生物体内部已进化出了一套匹配的内在节律，与宇宙星体运动的自然节律相配合？这个问题的答案，关乎着生物钟是否存在。

含羞草的叶子在夜晚关闭，在白天打开。放在完全黑暗的环境中24小时，含羞草的叶片还会出现昼开夜合的现象吗？18世纪，法国天文学家德梅朗尝试了一下，发现含羞草的叶片在没有外部光源信号的情况下，仍然自顾自地打开、闭合。这证明了生物体内有一套自己的生物钟。

生物钟到底是什么

1971年，两位美国科学家在研究果蝇昼夜节律的时候发现，果蝇体内某个特定基因突变后，果蝇的昼夜节律就会被打乱。不同的突变类型，果蝇作息混乱的情况不一样。有的果蝇自身的昼夜节律比24小时长，有的比24小时短。一开始，细微的一两个小时的差别不容易被觉察。可是没过几天，这些差别累积起来，果蝇的作息节奏就和地球的昼夜节律脱节了。还有一种突变类型的果蝇昼夜节律完全消失，彻底晨昏颠倒。

这个基因就是Per基因，即周期（Period）基因的意思。Per基因貌似就是生物钟，但它不能解释果蝇的内在生物钟是怎样和地球的昼夜节律合拍的，也不能解释为什么果蝇白天活跃、晚上休息。

2017年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了美国遗传学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬，以表彰他们“发现了调控昼夜节律的分子机制”。这3位科学家在1984年各自独立地从果蝇体内克隆出了Per基因，并将这个基因的蛋白产物命名为Per蛋白。

他们发现，Per蛋白在昼夜不同时段的浓度不同，这种周期性的浓度变化决定了果蝇的昼夜节律。随着夜晚的到来，Per蛋白的合成逐步增加，浓度逐步升高;随着白昼的到来，Per蛋白逐步被降解，浓度逐渐降低。Per蛋白的浓度正是以一昼夜，即约24小时为一周期。

为何Per蛋白的浓度

会有周期性

杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什认为，Per蛋白和Per基因之间形成了一个反馈抑制回路。当Per蛋白的浓度低时，Per基因的活性增加，于是Per蛋白的合成增加，浓度升高;当Per蛋白的浓度升高后，又反过来抑制Per基因的活性。那么，Per蛋白会不会乱作为，抑制了Per基因，把自己给作死？

1994年，迈克尔·扬发现了第二个节律基因——Tim基因。Tim基因就像Per基因的管家一样，通过合成编码Tim蛋白，并让其与Per蛋白结合，一起进入细胞核中，抑制Per基因的活性。

为什么周期约是24小时？迈克尔·扬又发现了一个新的生物节律基因——DBT基因，其合成的DBT蛋白可以延迟Per蛋白的积累，让Per蛋白增加或减少的周期固定在约24小时，于是形成了一个时长约为24小时的激活—抑制—激活周期。

这是果蝇的昼夜节律，那人类又是如何日出而作、日入而息的呢？哺乳动物的生物钟基因是Clock基因。Clock基因和Clock蛋白、Per基因和Per蛋白、Tim基因和Tim蛋白、DBT基因和DBT蛋白这4种基因和蛋白共同作用，形成了哺乳动物，当然也包括人类在内的24小时生物节律。