./t20090316_327470_taonews.html
专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《生命世界》

《生命世界》

开博时间:2016-11-21 21:27:00

《生命世界》杂志由中国科学院主管,中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办,于2004年4月创刊。《生命世界》杂志依托中国科学院和高等教育出版社的雄厚资源,集中高等院校及科研院所的专家作者队伍,以认真严谨的编辑态度确保稿件的质量及科学性,并以生动准确的语言、精心的版式设计及精美的印刷品质确保阅读的舒适与愉快,希望为关注生命、热爱自然的读者构建一个精神家园。

文章数
分享到:

生命的节拍

2009-03-16 16:02:29

  许多生物的生命活动都表现出周期性的节律变化。例如,人体体温在24小时内常常呈现周期性波动;含羞草的叶片每到夜晚就会闭合,第二天又会重新打开,如此循环反复;有些虫媒传粉的植物总是在清晨或傍晚开花,而花香和花蜜的合成和释放又总是在一天中的特定时间达到峰值……

  生物节律与生物钟


即使在持续黑暗的环境中,含羞草叶片依然会有节奏地开合,说明它的昼夜运动不由外界光线变化所驱动,而是生物内源的“时钟”所控制的节律运动

  像含羞草的叶片这样在大约24小时内完成一个周期的生物节律现象,可称之为近日节律(或昼夜节律)。除此之外,还有周期显著长于或短于24小时的节律现象,如婴儿每分钟上百次的心跳,候鸟一年两次的迁徙,多年生植物的“一岁一枯荣”现象等。近日节律是最普遍也是最重要的一种生物节律。实际上,人们通常所说的生物钟在没有特别指明的情况下都是指近日节律。

  尽管人们很早就注意到生物节律的存在,但直到近代才开始认识这些现象背后的机制。以含羞草叶片的昼夜运动为例,起初人们猜测这种运动是由外界光线的周期性变化的刺激引起的。直到1729年,法国天文学家德迈朗发现,即使将含羞草放在持续黑暗的环境中,其叶片依然保持有节奏的开合,似乎植物自身有一架内在的时钟使之能够按照固有节奏与外界的昼夜变化同步。这个简单的实验第一次证明了含羞草叶片的昼夜运动不是由外界光线变化所驱动的,而是生物内源的“时钟”所控制的节律运动——这种不依赖外界因素的“内源自主性”正是生物钟现象的一个基本特点。换句话说,即使在实验条件下屏蔽掉各种环境因素的周期性变化,生物钟现象也会继续保持,自主运行。其后,人们又发现生物钟的另一个特点是可调性。在外界环境信号(例如光或温度)的刺激下,有机体可以通过近日节律的重置,使内在的生物钟节律与外界环境变化同步。例如,乘飞机洲际旅行的人经常有这样的经历:跨越若干时区到达目的地之后,常常在白天疲惫不堪而晚上又无法入睡(生物钟的自主性),但经过几天的适应就可以将错乱的时差调整过来,重新适应外界的时间(生物钟的可调性)。生物钟的第三个基本特点是温度补偿性,就像生活中所用的时钟一样,生物钟可以在一定温度范围内维持正常运行。这一点很重要,保证了生物钟在变温动物或植物中也能正常工作,不会因为昼夜和季节引起的温度变化而造成周期紊乱。


生物钟涉及植物生长和繁殖的方方面面。图中的圆叶牵牛清晨开花,夜晚花瓣闭合

  生物钟是生物界中普遍存在的现象。一方面,从单细胞的原核生物到多细胞的高等动植物,大多数物种都存在内源性生物钟驱动的近日节律现象。例如,蓝藻是地球上最简单的一类生物,其许多生理过程包括固氮活性、细胞分裂以及氨基酸吸收等都具有以近24小时为周期的节律性。另一方面,生物钟贯穿生物体从孕育到出生到死亡的全部过程。以植物为例,生物钟涉及植物生长和繁殖的方方面面,包括种子萌发、胚轴伸长、叶片运动、气孔开放、光合作用、避荫反应、开花时间、花蜜分泌、块茎形成、冬季休眠等等。可以说,生物钟在生物体的整个生活周期的各个方面都发挥着极为重要的调控作用。

  生物钟如何运转

  持续黑暗条件下的含羞草如何感知时间?人们对此困惑已久。生物钟的运转机制是时间生物学关注的核心问题之一,迄今为止还不能给出清晰和完整的答案。然而,近年来所取得的一些突破性研究进展可以为我们大致描绘出生物钟运行的框架草图。

  科学家根据生物钟的结构和功能特点,建立了一个简单的概念模型,它将生物钟系统分解为三个部分:振荡器、输入通路和输出通路。振荡器负责产生以近24小时为周期的昼夜节律信号,决定了生物钟的内源自主性;输入通路负责将外界环境的信号传递给振荡器,使得生物体可以将内在生物钟与外界时间同步化;输出通路能够将振荡器产生的节律信息放大、传导给专门的基因,从而实现对各种生命活动的调控。

  许多单细胞生物中存在精确的生物钟,说明生物钟节律能够以细胞为单位正常运转。分子生物学研究表明,振荡器是生物钟系统的核心部分,由一组特殊的基因及其编码的蛋白质组成。每个基因都可以通过自身的蛋白产物激活或者抑制其他基因的表达,形成复杂的正反馈和负反馈相耦联的代谢网络,通过转录和翻译水平的相互调节,此消彼长,循环往复,从而实现基因产物的节律性表达,产生稳定的生物钟信号。

  拟南芥。表面上相似的生物节律可能是由不同的生理过程来实现的。前面提到的豆科植物含羞草的叶片运动主要是由于叶枕的膨压变化引起的,而在十字花科植物拟南芥中,子叶的近日节律运动与叶片不同部位的生长速率差异有关。

  那么,在多细胞生物中是否存在特化的组织或器官来统一协调细胞水平的生物钟运转呢?在哺乳动物中,下丘脑的视交叉上核是生物钟的关键部位,其通过视网膜感受到的外界光线变化,传达信号到下丘脑,后者进一步作用于其他器官(如松果体),通过调节各种激素(如褪黑激素)的分泌来调控各种生命活动的生物钟节律。然而,生物钟在植物中情况则大不相同。一方面,植物没有发达的中枢神经系统,目前没有发现专门负责产生生物钟信号的组织或器官;另一方面,大多数植物细胞都可以通过一些特殊的蛋白(如光敏色素和隐花色素)来直接感知外界的光线变化。有人推测,植物的生物钟节律可能是由遍布全身的细胞水平的定时系统来共同控制的,但不同器官和组织之间如何协作目前仍然缺乏了解。

  值得注意的是,表面上相似的生物节律可能是由不同的生理过程来实现的。例如,前面提到的豆科植物含羞草的叶片运动主要是由于叶枕的膨压变化引起的,而在另一种十字花科植物拟南芥中,子叶的近日节律运动与叶片不同部位的生长速率差异有关。


正是由于地球上稳定的昼夜变化,使得生命在上亿年的进化过程经过自然选择形成了自身的节律

  为什么会有生物钟

  黑格尔有一句名言“存在即合理”。从进化生物学的角度来看,这句话可以理解为凡是普遍存在的生物现象一定有其进化上的合理性。生物钟现象以近24小时为周期,这个数字马上会让人想起地球自转引起的昼夜节律。对所有的生物来说,地球自转造成的昼夜变化意味着光线和温度等环境因素的变化,而且这种变化具有非常稳定的周期性。以近24小时为周期的生物节律现象的普遍存在,意味着生物钟不是可有可无的偶然现象,而是生命在上亿年的进化过程中在稳定的昼夜变化的自然选择作用下的产物。

  为什么自主运行的生物钟对有机体的生存是有利的呢?简单地说,通过产生内在的信号节律,生物钟能够协调有机体各个部分的生理、代谢、发育、繁殖等各项生命活动,使之与外界环境的变化相协调,互相配合、避免冲突。这就好比在车水马龙的十字路口安装了自动化的红绿灯,通过周期性发送信号来保证道路的畅通。更为重要的是,生物钟的自主性使得生物能够利用昼夜节律的稳定性来“预期”下一时刻将会发生的环境变化,“未雨绸缪”地提前做好准备,而不是被动地对已经发生的环境变化作出响应,靠“亡羊补牢”来减少损失。俗话说“早起的鸟儿有虫吃”,能够准确预知天亮的时间以便在破晓之前醒来,其好处是不言而喻的。

  为什么生物钟又具有可调性呢?这里的关键在于,生物体内源的生物钟必须与外界环境节律同步才能发挥生物钟的优势,否则就会弄巧成拙,产生破坏性后果。虽然昼夜节律具有稳定的周期,但是地球上除赤道外其他地区的昼长和夜长之比都在随季节而不停地变化。因此,生物必须不断地根据外界的信号对内源的生物钟进行校正,才能使得生物钟与外界昼夜变化长期保持同步。想像一下,如果生物钟不可调整,时差错乱将给长途旅行者造成怎样无穷无尽的烦恼。

  如何研究生物钟


萤火虫,这个伴随我们童年成长的浪漫小昆虫,其身上的荧光素酶基因已经被广泛应用于生命科学研究,包括用于研究目标基因的表达节律

  德迈朗对持续黑暗中的含羞草的观察可能是最简单的生物钟实验。在此后的近三百多年来,科学家设计了许多方法和技术来研究生物钟。同其他所有生物学实验一样,研究工作的第一步是要精确地记录和描述生物节律的现象。对于叶片运动这样可以直接观察的宏观现象,记录起来相对比较容易。例如,著名的植物生理学家费弗尔曾经设计了一个简单的机械装置来记录豆科植物叶片运动的近日节律。他将植物的叶片与一条细线相连,细线的另一端穿过滑轮,系在一支笔上。这样,当叶片运动时,细线就带动笔在纸带上划出一条纵向的指示线,从而自动记录下叶片在一定时间周期内的运动节律。进化论的创立者达尔文也曾经设计了一种装置来测量不同植物叶片的运动,并将研究结果总结在与儿子合著的《植物活动的力量》一书(1880年)中。然而,对于那些不能直接观察的微观水平的节律,例如某个基因的表达水平,应该如何记录呢?这里的难点在于:常规的方法都会中断研究对象的生命活动,只能测度某一个时间点的基因表达水平,而研究生物节律必须进行长达数天的连续记录,因此必须采用非破坏性的测量方法,避免干扰生物的正常生命活动。为此,科学家利用转基因技术,将从萤火虫中得到的一种荧光素酶基因(LUC)与需要监测的目标基因连接起来,转入拟南芥中一起表达。这种荧光素酶在催化反应时能够释放出一个560纳米的光子,后者可以被仪器所识别;更妙的是,虽然荧光素酶蛋白本身不会被快速降解,但其催化活性只能维持很短时间,在几个反应之后就不再释放荧光。这样,转基因拟南芥所发出的荧光与我们感兴趣的目标基因的表达是同步的,利用高度灵敏的光学仪器就可以自动记录下该基因的表达节律。目前,这种转基因技术已经被推广用于果蝇、小鼠等动物的生物钟研究。

  在记录生物钟现象的基础上,科学家进一步研究是哪些基因及其产物在控制着生物钟的正常运行。利用正向遗传学方法(通过筛选表型突变体来确定基因功能)研究生物钟始于1970年代。科学家相继在果蝇(1971年)、莱茵衣藻(1972)、粗糙链孢霉(1973年)中发现了具有异常生物钟周期的突变体。然而直到14年后的1985年,果蝇中的这个基因才被成功地克隆。这也是人类发现的第一个生物钟基因,取英文“周期(period)”的前三个字母将其命名为per基因。1997年,哺乳动物的第一个生物钟基因在小鼠中被发现。近年来,生物钟研究快速发展,目前已分离出了一系列生物钟相关基因。

  随着分子生物学技术的飞速发展,基因组学、转录组学、蛋白质组学等高通量大规模的技术被越来越多的用于生物钟现象的研究。此外,航天技术的发展使得人类可以完全屏蔽地球上的昼夜节律的影响,在太空环境中进行生物钟研究。目前,生物钟的运行机制已经成为生命科学领域一个非常活跃的研究热点,预计将催生出一个又一个新的发现。

  调整好你自己的生物钟

  人类是具有复杂行为和思想情绪的高级动物,除了前文提到的体温波动等人类共有的一些基本的生物钟节律,我们每个人都还有自己独特的生物钟现象。比如,有的人在早晨思维活跃(百灵鸟型),而有的人在晚上工作效率最高(猫头鹰型)。了解自身内在的生物钟特点,将有助于通过合理规划来提高工作效率,改善生活质量。同时,由于生物钟的可调性,长途旅行者可以口服褪黑激素来协助克服昼夜颠倒带来的时差错乱。

上一篇:地球引力含玄机
下一篇:星辰里的美丽庄园
©2011-2020 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台