一個星期后，老師和學(xué)生又見面了。
“前幾次我們聊了很多時鐘，有機械鐘、電子鐘、石英鐘...”老師說道。
“嗯，還有原子鐘，世界上最精準的時鐘，十億年誤差只有一秒。”
“對了，你知道2017年的諾貝爾生理學(xué)獎頒發(fā)給哪一項發(fā)現(xiàn)了嗎？”
“不會是原子鐘吧？”
“猜對了一半！頒給了時鐘，不過不是原子鐘，而是是另外一種時鐘！”
“什么樣的時鐘？”
“一種身體內(nèi)的時鐘?！?/p>
“這會是什么呢？”
“它決定了我們一天當(dāng)中什么時候犯困、什么時候體溫最低、什么時候血壓和血糖升到最高?！?/p>
“哦，是生物鐘嗎？”
“正是！如果說機械鐘、石英鐘和原子鐘是是身體外的時鐘，不以我們的意志和感覺而轉(zhuǎn)移；而生物鐘則是身體的守護神，與我們的感覺息息相關(guān)?！?/p>
“哦，確實與我們的感覺緊密相關(guān)。如果做長途飛行到另外一個時區(qū)，人除了困倦疲憊，還要受到時差的煎熬?！?/p>
“嗯，是的，那是人體內(nèi)的生物鐘在抗議呢！再比如，現(xiàn)在你和我吃飯聊天，如果你覺得有趣，就覺得時間不知不覺飛走，而如果你覺得無聊，你就覺得度日如年?！?/p>
“那生物鐘就僅僅是令人感覺到時間嗎？它到底為什么這么重要，以至于諾貝爾評審委員會在如此眾多的候選項中對它另眼相看呢？”
“嗯，生物鐘的作用可遠不止于此！除了與我們的感覺有關(guān)，還影響甚至決定每個人的健康！”
“是嗎？”
“嗯，諾獎委員會評判一項發(fā)現(xiàn)的一個重要標準就是它能不能給人類帶來福祉。”
“那生物鐘究竟怎么影響我們的日常健康的？畢竟我也不需要每個月都倒時差！”
“舉個例子吧，你一定很關(guān)心你的身材。生物鐘會影響你是否會將大量脂肪堆積在腹部?！?/p>
“哦，這個我確實很關(guān)心?！?/p>
“一天當(dāng)中的不同時刻，我們的身體反應(yīng)也不同。夜間，體溫會降到最低，腎功能和尿液的產(chǎn)生也相應(yīng)減弱，但是分娩卻多發(fā)生在此時。心臟病猝死多發(fā)生在清晨，上午時分，人的注意力變得越來越集中。”
“嗯?！?/p>
“生物鐘還會影響你的膽固醇是否超標、血糖過高或過低，是否受到糖尿病的折磨！”
“哦，這影響就更大了?！?/p>
“此外，對于那些要經(jīng)常值夜班的人來說，晝伏夜出的作息時刻表會造成他們生物鐘的紊亂，帶來痛苦，他們的血壓水平、睡眠質(zhì)量、體溫以及激素變化都與普通人很不一樣。受其影響的人很多：三班倒的工人、值夜班的保安、長途列車和航班的乘務(wù)員... ”
“嗯，那這種生物鐘究竟與機械鐘有什么不同呢？”
“一位著名的研究生物鐘的專家科林·皮登卓伊（Colin Pittendrigh）曾經(jīng)把時間分成兩種：外部環(huán)境的日升日落、機械鐘的周而復(fù)始，是外部時間（Day outside），而生物體內(nèi)存在著一個生物鐘，控制著內(nèi)部時間（Day inside）?！?/p>
“哦，那究竟什么是“內(nèi)部時間”呢？”
“我們先看看諾貝爾文學(xué)獎獲得者、著名詩人艾略特（TS Eliot）曾經(jīng)寫過的詩句，他是這樣描寫所謂的“時間之內(nèi)”的?！?/p>
過去和未來，
都在這時間之內(nèi)，
它從我們身上消逝而去，
不舍晝夜。
但是只有在時間之內(nèi)，
那在玫瑰園中的瞬間，
那雨聲瀝瀝的涼亭里的瞬間，
當(dāng)煙霧降落在通風(fēng)的教堂里的瞬間，
才能憶起；
才能與過去和未來相及。--- 艾略特 《荒原》
“這是什么意思呢？”
“也許每個人對這首詩的理解不同，我理解的是，我們的身體有一種神奇的力量能感知時間。雖然我們可以借助于鐘表，但那只是記錄時間，記錄一種客觀而標準的外部時間，而不是感知時間。能感知到的才是內(nèi)部時間。博爾赫斯有一首詩故意把內(nèi)部時間和外部時間放在一起，你可以細細體會一下?！?/p>
時間是構(gòu)成我的基本元素。
它是河流---載我而下，
而我就是這河流；
它是虎--吞噬我，
而我就是這虎；
它是火---燃燒我，
而我就是這火。
----博爾赫斯
“嗯，有點意思。可是我們究竟是怎么體會內(nèi)部時間的呢？”
“我們大腦的記憶有一種神奇的能力，把每一件讓我們刻骨銘心、浸情其中的事件輕輕打上時間戳，通過一連串的時間戳我們得以回味過去、重新品味那一去不返的經(jīng)歷。只有通過我們自己、通過每一個獨一無二的個體、每一次個性化的經(jīng)歷，我們才能真切體會到時間的流逝，我們才不會是一個孤獨的個體，而是能與過去和未來相連接、相感知。”
“這內(nèi)部時間和外部時間之間，應(yīng)該存在著某種關(guān)聯(lián)？”學(xué)生問道。
“對，我們的內(nèi)部時間，也就是身體的節(jié)律，必須順應(yīng)外部的晝夜變化的節(jié)律。甚至更奇妙的是，這種順應(yīng)不需要去有意識地思考，而是無意識發(fā)生的?！?/p>
“哦，是嗎？”
“嗯，比如你在睡夢中，無需動腦子就可以控制體溫在黎明前開始上升，為即將開始的日間活動做好準備。這種內(nèi)部節(jié)律順應(yīng)外部節(jié)奏的機制，自從人類誕生之日就牢牢固化在我們體內(nèi)。”
“明白了！不過，人體內(nèi)這種神秘的節(jié)律到底來源于哪里呢？”
“當(dāng)然，這是人類順應(yīng)環(huán)境、順應(yīng)人類的家園---地球的自轉(zhuǎn)所做出的進化選擇。如果沒有地球自轉(zhuǎn)引起的晝夜變化，人類似乎也沒有必要進化出與之相匹配的晝夜節(jié)律來。”
“嗯，有道理。”
“不止人類，地球上所有的生物都必須順應(yīng)地球24小時自轉(zhuǎn)一周的這個事實。你可以設(shè)想一下，如果有一顆脫離軌道的小行星，在宇宙中漫無目的地游蕩。它既不公轉(zhuǎn)也不自轉(zhuǎn)?！?/p>
“那一定是一顆非常奇怪的星球?！?/p>
“對。在這個星球上，既沒有黎明也沒有黃昏。如果這顆星球上僥幸有生命存在的話，他們體內(nèi)是否有生物鐘呢？”
“一定不會有?！?/p>
“這顆星球上的智慧生命是否會有“天”、“月”、“年”的概念呢？”
“一定也沒有?！?/p>
“我想，他們也不會有天干地支之類的循環(huán)時間的概念！也許時間就是一個單一的箭頭，永遠指向某一顆明亮的恒星?！?/p>
“生活在這樣的星球?qū)嵲谔珕握{(diào)枯燥了！”
“那我們再看另外一種極端情況。你還記得圣·?？颂K佩里寫的《小王子》嗎？小王子在他的星球上很憂郁的時候，唯一的樂趣就是欣賞日落的美景。”
“嗯，我記得。”
“后來小王子來到地球，遇到了飛行員，他心情低落的時候急切地邀請飛行員一起看日落，可飛行員說還要再等一等。小王子很困惑，為什么要等一等才能看日落呢？”
“為什么呢？”
“因為小王子習(xí)慣地以為地球和他的星球一樣。他的星球特別小，他只要挪一下凳子就可以看到日落。而且，他的星球自轉(zhuǎn)特別快，不一會就可以看一次日落。”
“他的星球有多少次日落？”
“小王子在24小時之內(nèi)曾經(jīng)看過43次日落。”
“哇，這么快！幾乎半小時一次。”
“后來小王子又漂流到一個更好玩的星球，上面有一個忠實的點燈人。他奉國王之命黃昏點亮街燈，黎明時熄滅燈火?？伤傻膮s是一種可怕的職業(yè)！”
“這工作挺輕松的呀??？”
“一開始還好，點燈人晚上點燈，早上熄燈，剩下的時間，他都在休息睡覺?？墒恰?/p>
“工作內(nèi)容變了？”
“不，一點沒變：日落點燈、日出熄燈。變的是行星的自轉(zhuǎn)速度，行星自轉(zhuǎn)得越來越快，到后來，一分鐘轉(zhuǎn)一圈?！?/p>
“人算不如天算！”
“可憐的點燈人連一秒都沒法休息，不停地點燈--熄燈--點燈--熄燈... 點燈人喜歡睡覺，可就是沒法睡?！?/p>
“真不走運?！?/p>
“后來小王子來到了地球，小王子發(fā)現(xiàn)地球可真是一顆偉大的星球！”
“為什么呢？”
“小王子發(fā)現(xiàn)地球上生活著無數(shù)個點燈人。每天太陽不緩不急地升起、落下，而點燈人大軍卻像巨型體育場上有節(jié)奏涌起的人浪，此起彼伏。”
為了使你們對地球的大小有一個概念，我想要告訴你們：在發(fā)明電之前，在六個大洲上，為了點亮路燈，需要維持一支為數(shù)四十六萬二千五百一十一人的真正 大軍。
從稍遠的地方看過去，它給人以一種壯麗輝煌的印象。這支軍隊的行動就象 歌劇院的芭蕾舞動作一樣，那么有條不紊。首先出現(xiàn)的是新西蘭和澳大利亞的點 燈人。點著了燈，隨后他們就去睡覺了。于是就輪到中國和西伯利亞的點燈人走 上舞臺。隨后，他們也藏到幕布后面去了。于是就又輪到俄羅斯和印度的點燈人 了。然后就是非洲和歐洲的。接著是南美的，再就是北美的。他們從來也不會搞 錯他們上場的次序。真了不起。
---《小王子》第十六章
“哦，何其壯觀、又何其幸運！”學(xué)生感嘆道。
“嗯，地球這個優(yōu)雅的舞者，既非茫茫太空中游蕩的孤獨旅者，也不是飛速旋轉(zhuǎn)的小陀螺，而是與他的舞伴太陽、月亮亦步亦趨、不疾不徐。它從容不迫，又泰然自若?！?/p>
“就這樣，地球為每個生命的作息定下了基調(diào)嗎？”
“對，幾乎所有的動物、植物都要遵循這樣的晝夜節(jié)律。你知道嗎？在希臘神話中有一位花神克洛里斯（Chloris），而協(xié)助這位花神的不是別人，而是時序之神霍莉（Horae）?！?/p>
“花神？掌管百花的開放？”
“對。但是百花的開放在一天當(dāng)中的時刻并不相同。著名的瑞典植物學(xué)家林奈（Carl von Linne）觀察到許多花兒的開放時間有一定時間間隔，于是他建議把黃鵪菜、蒲公英、金絲桃、萬壽菊等植物栽種在一個圓環(huán)上，這樣看一眼這個花壇里哪一種花兒在開放，就知道當(dāng)前時刻了，這就是著名的花鐘的來歷。”
“這創(chuàng)意太妙了！”
“當(dāng)夜幕降臨，紫羅蘭和夜來香接過來接力棒，紛紛散發(fā)香氣，渲染著美麗的月色。”
“但是花草可以根據(jù)光線減弱而立刻釋放香氣吧？這樣也不需要生物鐘的幫忙吧？”
“不，植物的分泌不會有那么快，它們需要一些時間提前做好準備。所以這些植物必須具有一種預(yù)計時間的能力，以便先花一些時間做準備?！?/p>
“真是奇妙。我還有個問題：所有生物的節(jié)律周期都是一晝夜嗎？”
“絕大部分生物都有這種周期一晝夜的節(jié)律。英文里晝夜節(jié)律叫circadian，circ是大概、左右的意思，而dian的意思是day，也就是一天。既然是大概一天，那就不是剛好24小時?！?/p>
“既然這些動植物差不多都有這種晝夜節(jié)律，人們應(yīng)該很早就觀察到這種現(xiàn)象了吧？”
“對。公元前四世紀，亞歷山大大帝對羅望子樹發(fā)生了興趣，因為它注意到羅望子樹每天的開花凋零都非常準時。”
“那是誰第一個研究這種晝夜節(jié)律的呢？”
“有記載第一個對生物節(jié)律進行研究的是18世紀法國天文學(xué)家讓·雅克·德邁朗（Jean Jacques Ortous de Mairan）。1729年的一天，他無意中發(fā)現(xiàn)含羞草的葉子在白天展開，而到了夜里則垂下來。”
“一個天文學(xué)家為什么會對植物感興趣？”
“嗯，本來德邁朗很熟悉地球的自轉(zhuǎn)規(guī)律，但他也很好奇為什么植物的葉子會跟地球自轉(zhuǎn)的時間相對應(yīng)。”
“嗯，這是個不錯的理由?！?/p>
“一開始他覺得是不是光線在搗鬼，所以含羞草在白天展開葉子，而在晚上垂下。”
“這很容易，把含羞草關(guān)在黑屋子里就知道了?！?/p>
“對，德邁朗也是這么做的。他把含羞草放進了家里的碗柜，拉起了窗簾，第二天早上他驚奇地發(fā)現(xiàn)，即使在全黑的環(huán)境里，含羞草的葉子仍然是展開的。”
“哦，是嗎？可是含羞草是怎么知道外面是白天還是黑夜呢？”
“嗯，德邁朗也很奇怪，但是他也沒法完全排除其他可能。他覺得除非是含羞草體內(nèi)有一種生物鐘，讓它知曉時間的流逝。”
“嗯。但是這需要排除溫度等其它變化移速的影響，才能確定含羞草體內(nèi)有一種內(nèi)生的生物鐘吧？”
“嗯，不過德邁朗是個天文學(xué)家，非常忙碌，他發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象之后，寫了一篇350字的短文發(fā)表出去，就沒有深入去研究了?！?/p>
“之后呢？”
“法國農(nóng)學(xué)家杜亞美（Henri Louis Duhamel du Monceau）繼續(xù)德邁朗未完成的實驗。他想到了溫度的影響，于是把含羞草放進了一個恒溫而黑暗的鹽礦里?！?/p>
“結(jié)果怎樣？”
“同樣地，含羞草的葉子依然每天按時展開和收起?！?/p>
“嗯，這就有意思了。”
“雖然德邁朗和杜亞美排除了光線和溫度對含羞草的影響，但也并不能完全證明含羞草體內(nèi)還有一個獨立的生物鐘。直到1832年，事情有了轉(zhuǎn)機?！?/p>
“又有了新的證明？”
“對。瑞士植物學(xué)家阿方索·迪康多爾（Alphonse de Candolle）做了更加細致的觀測，這一次他發(fā)現(xiàn)植物葉子的活動周期不是剛好24小時，而且不同植物的活動周期也有差別?！?/p>
“哦，明白了。如果植物的節(jié)律性是由外部引起的，它們的周期應(yīng)該完全相同才是?！?/p>
“對。也就是說，含羞草內(nèi)部應(yīng)該具有一個內(nèi)在的、無需外部光線等因素就可以自動運行的生物鐘?！?/p>
“嗯，科學(xué)在一步一步逼近真實?！?/p>
“這個現(xiàn)象甚至引起了達爾文的興趣，并且在他所著的《植物活動的力量》一書中對這種現(xiàn)象進行了描述?！?/p>
“生物鐘真是一種神奇的力量！”
“如果說地球是一位母親，而所有的生物是它的兒女，那么這些兒女不只是跟隨母親的晨昏變化而作息，而是主動地發(fā)展出一套和地球自轉(zhuǎn)周期非常接近的生物鐘節(jié)律。”
“不過，我依然看不出它的必要性，動植物似乎沒有必要自己也弄一套生物鐘吧？通過感知光線就可以大致知道時間了。”
“但是一種非常簡單的藍藻卻能很好地回答這個問題?！?/p>
“為什么？難道它里面有生物鐘？”
“對。你知道生物最大的目的就是為了生存，它會盡可能高效地利用環(huán)境提供的能量：陽光、空氣、水等。只有那些最善于利用這些能量的生物才有可能在競爭中生存下來。”
“嗯，是這樣的?！?/p>
“對于進行光合作用的植物來說，就是盡可能多的利用陽光，尤其是陽光稀少時，更要充分利用每一點陽光?！?/p>
“那如何充分利用呢？”
“如果有一部分藍藻先走一步，發(fā)展出了一套生物鐘系統(tǒng)，那么在日出前它就可以感知到黎明即將來臨，讓光合系統(tǒng)提前做好準備，這樣陽光一出現(xiàn)就可以立刻吸取能量?！?/p>
“這樣就比那些沒有生物鐘系統(tǒng)的藍藻具有更大的生存優(yōu)勢？”
“對，具有生物鐘系統(tǒng)的植物能吸收更多的能量，從而在競爭中具有更大優(yōu)勢，這就是生物鐘的威力。除此之外，藍藻在晚上也沒閑著?！?/p>
“它在做什么？”
“進行DNA的修復(fù)?！?/p>
“為什么要在晚上做？”
“因為白天的日光里有紫外線，會嚴重損害DNA。而有了生物鐘，藍藻在白天就停止DNA修復(fù)，而到了晚上再進行。”
“哇，這也可以稱得上植物的高級智慧了吧！”
“嗯，依靠一個生物鐘，藍藻既可以充分利用日光進行光合作用，同時又避開陽光里的紫外線保護DNA修復(fù)不受損害。”
“真聰明！對了，藍藻的生命結(jié)構(gòu)復(fù)雜嗎？”
“一點也不復(fù)雜，甚至有點簡陋，因為它僅有一個細胞！”
“藍藻這么簡單的生命居然都有生物鐘。我覺得真是不可思議！”
“為什么呢？”
“要知道人類是多么聰明的一群人伽利略里、惠更斯，和多么厲害的能工巧匠哈里斯才發(fā)明并完善了機械鐘！可是像藍藻這么簡單的生物，居然也能夠發(fā)展出這么復(fù)雜的機制。我感到很難理解！”
“生命的奧秘確實和人類所理解的有很大差別?！?老師說道。
“而且，這個生物鐘竟然也像機械鐘那樣可以自行走動，并且周期接近24小時。它是怎么做到的？生物體內(nèi)究竟有什么神奇的機制？是單擺嗎？還是壓電效應(yīng)？還是銫原子外圍電子的狀態(tài)遷移？一個小小的藍藻怎么可能懂得這些?。俊?/p>
“這個，正是諾貝爾獎獲得者所努力發(fā)掘的！”
“那人們是怎么發(fā)現(xiàn)和解開生物鐘的秘密的呢？”
“今天時間不多了，我們下次再聊吧。”
“好的，老師再見?！?/p>
“再見！”
參考文獻
- Roberto Refinetti，《近日生理學(xué)》，科學(xué)出版社，2009-8
- 拉塞爾·福斯特，利昂·克賴茨曼，《生命的節(jié)奏》，當(dāng)代中國出版社， 2004-11
- 陳宗周，《環(huán)球科學(xué)·時間專刊》，環(huán)球科學(xué)編輯部，2016.5
