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生物钟

生物钟

    (Chronobiology 希腊语:Chronos = 时间;Biology = 生物学)是一门科学,它的任务是研究生物体内与时间有关的周期性现象,或曰这些现象的时间机制。生物节律是凭经验总结得出的,但有其生理学和分子生物学基础。生物钟学与所谓的生理节律无关。

概述 

   生物钟学的研究目的,是生物体内生理和行为的时间机制。在这种机制中,生物体内部的时钟系统所产生的节律是主要的。三大中心问题: 

   1. 生物节律有哪些类型?它们是怎样影响生物的生理过程的?

   2. 节律是内在的吗?如果是,哪里是产生节律的发生器,哪里是起搏点,它们怎么运作?

   3. 哪些是外源性的,周期性的因素,即是所谓的时间服务器,它们又是怎样作用于生物时钟的?

    生物时间机制对所有的生物都很重要,而且在目前所有被研究的生物里科学家都找到了其时间节律现象。生物体内有很多过程虽然彼此相关,但在时间上都是有所区别的。还有一些过程不但受到内在因素制约,还会受到外界因素影响。时间上的区别之一就是各种行为各具其规律性——在一个大范围内观察这种规律性,就可以称之为生物节律。周期的长度由毫秒到年不等。细胞分裂,呼吸,心跳和行为只是其中的一些例子。生物钟学对人的意义在近年来越来越重要,因为我们的生活越来越频繁地逆这种生物钟而行。在医学方面已经确定,服药时间对药效影响甚大。在化疗中,若因就节律给病人服用细胞抑制剂的话,调制药物的浓度就可以比其它给药时间所采用的浓度降低很多。

生物节律的例子 

    在下面的表格中列举了一些人体生理功能的每日周期性变化。体温在晚睡醒来之前就已经开始升高。就是说人体已经为快要到来的活动做准备。就是在黄昏或夜行性的动物,甚至是植物,都存在这种“做准备的”的现象。植物在日出之前就会激活光合作用相关器官,为光合作用做准备,以最长时间的利用光能。很多植物在日间某些时候会展开或合上其花朵。还有一些植物,在一段日子里花朵相继开放,只在特定的钟点合成香料和花蜜。虫媒如蜜蜂就在会恰在此时到访。

生物节律的种类 

    根据周期长度,将生物节律分为四种: 

    ? 超昼夜的(亚日的)节律(Infradian Rhythmus),该词源于拉丁语:“infra”为“底下”,“dies”为“日”,亦即周期比一天长的节律。 例如鸟类的迁徙;季节性的(大概 365.25天长)冬眠;还有与退涨潮相关的半月周期,如在满月、新月出现大潮,而半月时出现小潮(大概 14.25 天),银汉鱼只在涨潮时在岸上产卵;或者太阴日节律的,以28.5为周期(矶沙蚕属)。

    ? 近潮汐节律(Circatidal Rhythmus),跟随12.5小时的潮汐节律。一些海岸线的动物有这种节律,例如水生的蟹类动物涨潮时才会活动,而生长在岸上的蟹则会在退潮时觅食。

    ? 次昼夜(超日)的节律(Ultradian Rhythmus)源于拉丁语的“ultra”(超)和“dies”(天、日),其频率超过日频率,就是说一天出现两次以上(严格来说是整数次,这是与近潮汐节律的区别)。这些短于24小时的节律的例子有蝙蝠的捕食周期、成人90分钟睡眠循环、垂体的间歇性荷尔蒙分泌等。

    ? 近昼夜节律(Circadiane Rhythmus)来自拉丁语“circa”(大约)和“dies”,为接近24小时长的节律,如人类睡眠和苏醒、植物的叶运动等。

    研究得最彻底的是近昼夜节律,当然有历史的原因——近昼夜节律比周年节律更明显,但更重要的是近昼夜节律对人类来说更有现实意义。以下讲解若无特别说明,都是指近昼夜节律

生物钟学历史 

    在18世纪天文学家Jean Jacques d’Ortous de Mairanvon就描述了含羞草的日间叶运动。通过实验他得知,即使在黑暗中叶子也会呈现这种节律。类似的报道也见于Georg Christoph Lichtenberg,Christoph Wilhelm Hufeland,林奈和达尔文。但直到20世纪人们才开始对该现象作科学研究。在该领域的先驱有:Wilhelm Pfeffer,Erwin Bünning,卡尔?冯?费舍尔,Jürgen Aschoff和Colin Pittendrigh。对生物节律的一个重要的发现是,很多自然节律在持续的同等强度的实验室条件下也能产生,就是说节律也可以“人造”。内部时钟的同步是通过时间变化的媒介完成的,如光和温度。

生物钟的位置 

    首先说明:生物体内并没有日常意义的“时钟”,它不会告诉生物体钟点日期。生物钟在哪里?是怎样的?这些问题都是因物种而异的。因为很多节律与光有关,所以人们可以优先在与光感受器相联系的器官中寻找生物钟的位置。

单细胞生物 

    从20世纪40年代就已经知道,单细胞生物也有自己的生物钟。所以从中可得知,生物钟的运行并不一定需要一个网络作为硬件。 藻类如眼虫属或衣滴虫有趋旋光性昼夜节律。草履虫有昼夜生理过程。海生的腰鞭毛虫, 如多边膝沟藻,也有自己的昼夜节律。它在日出前一个小时就会浮到水面,形成厚厚的一片,进行光合作用。在有利条件下它们会形成红潮。在日落之前它们则会重新潜到海中。晚间它们借助荧光素酶发出生物光,人们推测这是可以驱赶天敌挠足亚纲的。 这些节律也可以在实验室里通过施加持续的影响而发生。同时原核生物 (细菌,和蓝藻)也有昼夜节律

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