生物的时辰节律 [复制链接]

第5版()
专栏：

生物的时辰节律
陆晟
着手解决动植物的各种活动机能的机制问题，是现代生物科学研究的重要特点。近几年来，生理学家和生物物理学家开始把注意力集中到一个过去一向被忽视的问题，即关于机体生理活动的时间节律和生物对时间的感觉上，从而创立了一门新的学科，并提出了所谓“生物钟”的概念。
动植物机体有规则地进行周期活动的事例，人们并不陌生。比如，远在古代没有发明时钟的时候，就已经利用公鸡啼鸣来报晓。再比如，猫头鹰每晚总在一定时间叫，蝙蝠也在昏黑夜晚特定的时间开始飞出窠穴，不少动物生态学家对松鼠进行细致的观察，列出了很好的周期性活动曲线。一些低等动物也是如此：眼虫的趋光性，龙虾色彩的变化，蚊、蝇的活动，飞翔昆虫从蛹抽翅羽化，甚至会发光的原生动物的闪光等等，全都严格地遵循着时间节律。引起象皮肿病的丝虫，它们的感染性幼虫，白天在寄主的外围血管中很少存在，但到了夜晚都迁移到寄主动物的外围血管中；而这种节律又和传播丝虫病的吸血昆虫，如库蚊在晚上取食的习性相适应。生活在极地的鸟类，尽管有半年永昼的夏日，它们仍旧会在“夜间”栖息几个钟点。依靠太阳定向的鸟类、蝴蝶和蜜蜂等昆虫，随着一天里太阳对时间的相对位置变化，它们的活动也有相应的变化。动物界如此，植物界也如此。像低等植物真菌孢子的产生，绿色植物叶子的卷曲和舒展，都有准确的时间规律。有人实验，把它们放在恒温的暗室中，节律仍然保持。花的开放和关闭也有定时，有的在白天，有的在夜晚，即或全是日间开花，时辰也不同。瑞典有位植物学家，他曾在一个夏天，把许多开闭时间不同的花，精心栽培在一个大花坛里，用来指示时间，人们叫它“花钟”。许多微生物的活动也呈现出鲜明的节律性。浮游生物在清晨集中在水面，午夜又沉入水底，是大家都知道的。
无数事例表明，生物对时间的过程是有“认识”的。生物体与周围环境的统一，是米丘林生物学的主要观念。在漫长的生物进化道路上，适应性的建立和发展对于生物种族的存在和发展，具有着关键性的作用。二十四小时的昼夜周期性变化，是地球上最明显的自然变化特征之一；一天内不同时间的光照、温度、湿度、气压有所不同，当然要对生物发生影响。生物为适应这些自然因素，被迫产生反应。有利于生存的，种族便延绵下去；不利于生存的，势必受到危害以至死亡。某些动物的活动、觅食、休息的“时间表”，还要受到有没有敌害活动、声音是不是嘈杂等等的影响。生物机体内进行的生理学的、生物化学的和生物物理学的活动以及新陈代谢过程，必须进行节律调整。植物要利用光照，又不能让水分大量散失，其生活也形成了一定的节律。上面谈的不过是一般的概念。有趣的是，某些体内寄生虫，在它们的外环境（机体的内环境），如体温等恒定的条件下，也呈现出活动的节律。像寄生在人体的疟原虫进行的无性分裂增殖，引起人发疟疾，有二十四、四十八和七十二小时的周期，即所谓每日疟、间日疟和三日疟。曾经有人用以金丝鸟为寄主的疟原虫进行实验。它们在正常的昼夜条件下，总在夜晚行无性分裂生殖；但是人为颠倒昼夜，把它们置于暗室而夜晚照明，则它们会在人为的黑夜增殖。此外，“花钟”的“走动”与传粉昆虫的活动有关。在一天之内，蜜蜂很早就飞出来，蜂媒花开得也早。蝴蝶约在上午十点钟才开始活动，蝶媒花就在九点多开。至于靠蛾子传粉的花，在夜间才开放。
生物究竟凭借什么本领来感知时间呢？现时有两种假说。一种认为，生物机体的时间感觉只不过是对二十四小时内外界环境条件，如温度、光照、湿度、气压、声音和地球转动等自然条件变化的反射而已。过去人们全都是这样理解的。另一种认为，在生物机体里有一种专门指示时间周期的装置——“体内钟”，它的作用很似闹钟，能够指示生物什么时候该做什么。或者说，它像计时器一样，什么时候要知道什么时间一看便知。科学家已经对无脊椎动物中一种昆虫?蠊，和脊椎动物松鼠，作过较为深入的探讨。有人把它们关进暗室，给予恒定的温度、气压和湿度，一连很多天，结果观察到它们的活动情况与在野外有太阳时候的活动，丝毫没什么两样。还有更精确的实验：利用?蠊看不到的红外线通过动物笼照射在灵敏的光电池上，经过长时期室外稳定生活条件的测定，确定?蠊活动的节律周期为二十三小时五十三分，而不恰好是二十四小时。并且同一笼中生活的两个小动物，所认识的时间周期也会有微小差异。这些实验都有力地支持了“生物钟”的观点。
然而“生物钟”到底是什么样子，现在还不能作出圆满的解答。通常认为，它是神经——体液综合调节的结果，而且是定形的。人们马上会想到，它是否位于脑部呢？科学家为此对各种动物的脑的各部分进行过大量的探索。手术结果，某些节律停止了，而另一些节律仍然继续进行。到现在为止，还没有弄清楚脑的哪一部分是动物认识时间的机制的中心。至于对植物的研究就更不够了。与此同时，也提出了“生物钟”在一个生物体内有几个的问题，即它们的节律是受一个（总）钟支配还是受几个钟分别控制，这也还是个谜。生物学家曾经将解剖结构进行了一系列探索，其中成果最大的还是对?蠊的研究。目前已经在它的正对着食管的下部，找到一个大神经节，内中有四个专一性的神经分泌细胞，专门分泌激素；把神经分泌细胞移植到其它动物的血液里，它仍然保持本身的分泌节律。这证明神经分泌细胞可以作为独立的定时机制进行活动，它是调节?蠊活动节律的体内钟——神经分泌钟。
“生物钟”具有一些特点。首先，如同闹钟和计时器一样，可以对时、拨动和调整。外界环境因素，如光照往往是引起“对表”——重新调整的信号。但也有与机械钟不同的地方。人们拿?蠊试验，这种本来在夜晚开始活动的昆虫，在实验条件下，颠倒昼夜，便在人为的黑夜——白昼活动；给它连续的黑暗，它便整天都活动。其次，体内钟的周期固定，二十四小时的节律不改变，这也是与机械钟相似之处。有人给实验动物八小时、九小时或三十小时周期的明暗交替，动物仍然保持二十四小时的节律。“生物钟”自动调整的特性不但有趣，而且远远超过了机械钟。刚才说过，动物经过连续黑暗，可能失去二十四小时节律的特性，但是后来给果蝇以二千分之一秒的闪光时间，它又回复了原来的节律。再次，一般生物的体内钟对温度变化不敏感，可是当温度下降到摄氏零度时，“生物钟”会骤然停摆；待温度渐次升高，它又重新走动。机械钟停了若干小时，如果不调整，上好发条再走，就慢若干小时；“生物钟”也是这样，受冻若干小时后再受温暖，它就比正常的慢若干小时。
人体中是否也存在有体内钟呢？一个人每天按照他已经养成的习惯才生活得正常，如果突然改变睡眠、饮食或大便的时间，就容易生病。人们往往有这样的经验，即第二天因有事须提前几小时起床，第二天醒来时恰好在这时刻或相差无几。过去在生理学上，把类似的现象称做“时间觉”，并且认为完全是大脑皮质的活动在控制，人体里不存在专司报时的“钟表”。然而，上述事实向我们提出了一个新的课题，即人体是否也有像动植物对时间认识的“生物钟”呢？过去不是也不知道动植物身体里的钟吗？现在已经证明，人体内的生理、生化和生物物理过程，如体温的变化，细胞的有丝分裂，血细胞数量的增减，内分泌系统的活动，（脱氧）核糖核酸与核糖核酸的形成，肝脏代谢以及激素浓度等等，都广泛呈现着二十四小时的节律。生理学家还以志愿者进行过实验，把特备的实验室的气温和光照按四小时进行周期性改变，结果测得他们的重要生理指标——脉搏、体温等等，仍然依二十四小时的节律变化。当然，影响人的“生物钟”的因素更多了，高级神经活动，条件反射，体液的循环，心理状态等等都是。受过专门训练的人的体内钟要更准确些。苏联有位跳伞运动员从八千一百米的高度跳伞，到经过一百四十二秒降落了七千九百米时，他才开始张伞而平安着陆。视觉、触觉在这时无疑都不再起作用，精确掌握时间的是“体内钟”。
“生物钟”的研究工作还只是一个开端。到目前为止，这件探索性的工作主要在动物方面。生理学家、生物化学家和生物物理学家都肯定，“生物钟”的研究对发现揭示生理机制，都有重要的意义。研究植物的“生物钟”，对于增加作物授粉率，进行人工定向培育和提高蜂蜜产量，都非常重要。研究“生物钟”对预防医学、临床医学也有重大意义，因为很多疾病的发生、发展都是因正常生理节律紊乱、神经——体液调节异常而引起的。据报道，国外有一病例，患者卧病九年不起，平时昏昏沉沉，讲话不清楚，也不能走路、吃饭，但在每天下午九点钟，她不但能走路、清楚地讲话，还能照顾自己。“生物钟”的作用竟如此微妙！厂矿卫生学也对这方面的工作寄予很大希望。因为轮值的工人和在北极半年永昼地区工作的人，生理节律往往逆转，甚至因而影响工作。东西长距离航行的飞机和轮船上的工作人员，由于地方标准时的影响，激素的节律要一个星期甚至更长的时间才能适应。人能否更快、更好地适应新环境，使“生物钟”在任何情况下都走得准确，也是现代宇宙医学和宇宙生物学致力研究的一个课题。