生物鐘

生物鐘

生物鐘學
    （Chronobiology 希臘語：Chronos = 時間；Biology = 生物學）是一門科學，它的任務是研究生物體內與時間有關的周期性現象，或曰這些現象的時間機制。生物節律是憑經驗總結得出的，但有其生理學和分子生物學基礎。生物鐘學與所謂的生理節律無關。

概述 
   生物鐘學的研究目的，是生物體內生理和行為的時間機制。在這種機制中，生物體內部的時鐘系統所產生的節律是主要的。三大中心問題： 
   1. 生物節律有哪些類型？它們是怎樣影響生物的生理過程的？
   2. 節律是內在的嗎？如果是，哪里是產生節律的發生器，哪里是起搏點，它們怎么運作？
   3. 哪些是外源性的，周期性的因素，即是所謂的時間服務器，它們又是怎樣作用于生物時鐘的？
    生物時間機制對所有的生物都很重要，而且在目前所有被研究的生物里科學家都找到了其時間節律現象。生物體內有很多過程雖然彼此相關，但在時間上都是有所區別的。還有一些過程不但受到內在因素制約，還會受到外界因素影響。時間上的區別之一就是各種行為各具其規律性——在一個大范圍內觀察這種規律性，就可以稱之為生物節律。周期的長度由毫秒到年不等。細胞分裂，呼吸，心跳和行為只是其中的一些例子。生物鐘學對人的意義在近年來越來越重要，因為我們的生活越來越頻繁地逆這種生物鐘而行。在醫學方面已經確定，服藥時間對藥效影響甚大。在化療中，若因就節律給病人服用細胞抑制劑的話，調制藥物的濃度就可以比其它給藥時間所采用的濃度降低很多。

生物節律的例子 
    在下面的表格中列舉了一些人體生理功能的每日周期性變化。體溫在晚睡醒來之前就已經開始升高。就是說人體已經為快要到來的活動做準備。就是在黃昏或夜行性的動物，甚至是植物，都存在這種“做準備的”的現象。植物在日出之前就會激活光合作用相關器官，為光合作用做準備，以最長時間的利用光能。很多植物在日間某些時候會展開或合上其花朵。還有一些植物，在一段日子里花朵相繼開放，只在特定的鐘點合成香料和花蜜。蟲媒如蜜蜂就在會恰在此時到訪。

生物節律的種類 
    根據周期長度，將生物節律分為四種： 
    ? 超晝夜的（亞日的）節律（Infradian Rhythmus），該詞源于拉丁語：“infra”為“底下”，“dies”為“日”，亦即周期比一天長的節律。 例如鳥類的遷徙；季節性的（大概 365.25天長）冬眠；還有與退漲潮相關的半月周期，如在滿月、新月出現大潮，而半月時出現小潮（大概 14.25 天），銀漢魚只在漲潮時在岸上產卵；或者太陰日節律的，以28.5為周期（磯沙蠶屬）。
    ? 近潮汐節律（Circatidal Rhythmus），跟隨12.5小時的潮汐節律。一些海岸線的動物有這種節律，例如水生的蟹類動物漲潮時才會活動，而生長在岸上的蟹則會在退潮時覓食。
    ? 次晝夜（超日）的節律（Ultradian Rhythmus）源于拉丁語的“ultra”（超）和“dies”（天、日），其頻率超過日頻率，就是說一天出現兩次以上（嚴格來說是整數次，這是與近潮汐節律的區別）。這些短于24小時的節律的例子有蝙蝠的捕食周期、成人90分鐘睡眠循環、垂體的間歇性荷爾蒙分泌等。
    ? 近晝夜節律（Circadiane Rhythmus）來自拉丁語“circa”（大約）和“dies”，為接近24小時長的節律，如人類睡眠和蘇醒、植物的葉運動等。
    研究得最徹底的是近晝夜節律，當然有歷史的原因——近晝夜節律比周年節律更明顯，但更重要的是近晝夜節律對人類來說更有現實意義。以下講解若無特別說明，都是指近晝夜節律。

生物鐘學歷史 
    在18世紀天文學家Jean Jacques d’Ortous de Mairanvon就描述了含羞草的日間葉運動。通過實驗他得知，即使在黑暗中葉子也會呈現這種節律。類似的報道也見于Georg Christoph Lichtenberg，Christoph Wilhelm Hufeland，林奈和達爾文。但直到20世紀人們才開始對該現象作科學研究。在該領域的先驅有:Wilhelm Pfeffer，Erwin Bünning，卡爾?馮?費舍爾，Jürgen Aschoff和Colin Pittendrigh。對生物節律的一個重要的發現是，很多自然節律在持續的同等強度的實驗室條件下也能產生，就是說節律也可以“人造”。內部時鐘的同步是通過時間變化的媒介完成的，如光和溫度。

生物鐘的位置 
    首先說明：生物體內并沒有日常意義的“時鐘”，它不會告訴生物體鐘點日期。生物鐘在哪里？是怎樣的？這些問題都是因物種而異的。因為很多節律與光有關，所以人們可以優先在與光感受器相聯系的器官中尋找生物鐘的位置。

單細胞生物 
    從20世紀40年代就已經知道，單細胞生物也有自己的生物鐘。所以從中可得知，生物鐘的運行并不一定需要一個網絡作為硬件。 藻類如眼蟲屬或衣滴蟲有趨旋光性晝夜節律。草履蟲有晝夜生理過程。海生的腰鞭毛蟲， 如多邊膝溝藻，也有自己的晝夜節律。它在日出前一個小時就會浮到水面，形成厚厚的一片，進行光合作用。在有利條件下它們會形成紅潮。在日落之前它們則會重新潛到海中。晚間它們借助熒光素酶發出生物光，人們推測這是可以驅趕天敵撓足亞綱的。 這些節律也可以在實驗室里通過施加持續的影響而發生。同時原核生物 (細菌，和藍藻)也有晝夜節律。