今年 4 月,西班牙运动员 Beatriz Flamini 在洞穴中待了 500 天后重见天日。她的地下潜入可能是最长的远远超过了预期。弗拉米尼说,她在第 65 天失去了对时间的感知。但她真的能确定那是第 65 天吗?相比之下,1962 年,法国的米歇尔·西弗尔在意大利的斯卡拉松峡谷浮出水面,他以为在那里待了 33 天。事实上,他花了地下58天。
生命时钟的滴答声
孤立的人类如何能够保持规律的时间观念,即使他们与周围环境脱节了?原因很简单,因为生物节律是生命的核心,从分子水平到整个身体都受到生物节律的调节。这不仅包括我们的睡眠/觉醒周期,还包括体温、激素、新陈代谢和心血管系统, 这仅仅是列举的一小部分。
这些节律会产生很多影响,尤其是在公共卫生方面。事实上,许多疾病都是偶发性的——例如,夜间哮喘更加严重而心血管意外在早上更常见。另一个例子是轮班工作,它使人们与周围环境脱节。它可能与工人患癌症的风险增加有关,促使世卫组织将其列为可能致癌物。
节律还会影响我们与其他物种的互动。例如,非洲锥虫病(也称为昏睡病)是一种日常生活节奏紊乱由寄生虫引起的布氏锥虫,谁的新陈代谢也是每天– 就像我们的免疫。
基因:伟大的钟表匠
地球、月球和太阳的自转产生了环境循环,有利于选择生物钟。
生物钟是生物体内部的一种机制,在没有环境信号的情况下,生物钟以自己的频率运行。例如,昼夜的规律交替有利于昼夜节律钟的进化(大约,意思是“大约”,日, “天”)。
这昼夜节律机制最早是在果蝇身上发现的,也称为果蝇,于 20 世纪 70 年代发明。它基于几个基因转录和翻译中的反馈回路——基因 A 促进基因 B 的表达,而基因 B 又抑制基因 A 的表达——从而产生振荡。在白天,光通过一种称为隐花色素的光感受器诱导回路中特定因子的减少。有趣的是,该机制中的关键因素基本上只包括几个基因,名为时期,永恒,钟和循环然而,时钟的微调和调节是基于复杂的分子和神经元网络,以确保其定时和精度。
没有一个单一的、总体的昼夜节律钟可以组织所有生命,因为生物钟基因因物种而异。但原理是一样的:基因的表达是振荡的。迄今为止研究的所有生物类群(生物群)都描述了生物节律,包括蓝藻(一种通过光合作用获取能量的细菌)、真菌、植物和动物,包括人类。
此外,各种时间给予者(计时器)使生物体与其环境同步:特别是光(迄今为止研究最多的)、温度和食物。
与环境同步的内部时钟
这个昼夜节律钟的一个非常具体的含义涉及时差这是指个体内部节律与其所在时区时间的偏差。
一般而言,环境信号,尤其是光线,有助于重新同步个体:夜晚结束时感知到的光线会使时钟向前移动,而夜晚开始时感知到的光线会使时钟向后移动。白天感知到的光线没有影响。在人类中,光线不是直接被分子钟感知的,而是被视网膜捕获,然后通过视网膜-下丘脑通路传输到中央时钟,在那里调节时钟蛋白的合成。然而,该系统并不是无限可扩展的:人体大约需要一天的时间来适应一小时的时差。
和一个聪明人'内在昼夜节律周期跨越平均 24.2 小时相比向东走,我们更容易向西走,从而延长白天的时间。这也是为什么那些与世隔绝地生活在地球深处的运动员和研究人员最终与地面上的时间不同步,最终感觉到的白天时间比 24 小时的太阳日要少。
其他时间,其他时钟
昼夜节律钟并不是自然界中唯一存在的时钟机制。许多生物过程季节性,例如大量鸟类和昆虫的迁徙、许多动物物种的繁殖和冬眠以及植物的开花。这种季节性通常由几个因素决定,包括所谓的全年时钟在许多物种中都是如此。这种生物钟的机制尚未确定。
海洋生物的生物钟机制也尚不清楚,部分原因是海洋复杂的时间结构. 海洋生物受到太阳周期的影响,即昼夜交替,而太阳周期又与一系列月球周期叠加,其中最突出的是潮汐周期(周期为 12.4 小时或 24.8 小时)。与月相相关的半月和月球周期(14.8 天/29.5 天)也通过光和潮汐强烈地调节着海洋环境。季节也会影响这些生态系统。
为了在现实条件下研究热液贻贝的生物节律,研究人员使用 ROV 对它们进行采样,然后直接将其保存在 1,700 米深的海底,浸泡在一种可以“冻结”其生物时间的溶液中。这些样本是在红光下非常精确地采集的,每 2 小时 4 分钟采集一次,总共 24 小时 48 分钟。图片来源:Ifremer/自然通讯,共享许可协议
虽然海洋环境的时间结构很复杂,但可以预测,与所有这些周期相关的生物节律在海洋物种中都有描述。例如,许多珊瑚同步繁殖每年在很短的时间内产卵一次。有些海洋蠕虫会精确地成群结队每月一次在夜晚最黑暗的时刻,在产卵和死亡之前开始它们的生殖舞蹈。
有趣的是,2020 年,我们的科学家团队发现生物节律并不局限于沿海环境。我们确实证明了1700 米深处的行为和基因表达节律,生活在大西洋中脊热液喷口的贻贝中。我们的研究强调,即使在深海等最极端的生命环境中,生理学的时间协调也可能至关重要。