神奇的生物天地

生物鍾之謎

形形色色的生物時間節律

從孩子時候起，每個人就學會了看鍾：一隻圓盤，分為12等分，一根時針，一根分針，有的鍾上還有不斷前進的秒針，它向人們報告著時間。時間對我們來說實在太重要了，每個人都有自己的“作息時間”，飛機、火車、輪船都有各自的時刻表，電台、電視台按時播出各種節目。如果沒有時間這個坐標，我們這個世界就會亂了套。

在五彩繽紛的自然界中，許多動物和植物雖然不會看鍾，但也存在它們自己的時間節律，這就是科學家長期以來十分關注、長期研究的“生物鍾”現象，也就是生物節律的問題。

其實，“生物鍾”對我們每個人來說，都是十分熟悉的事情。正常人的心髒，每分鍾跳動70次左右，正常人的呼吸，每分鍾15～20次，它們是如此規律，從古到今，似乎沒有太大的變化。

在我國一些偏僻地區的小旅店門口，中華人民共和國成立前常可見到這麽一副對聯：“未晚先投宿，雞鳴早看天”。在交通不發達的地區，是靠步行來進行旅行的，天氣的好壞會影響行程，每天早上要靠看天來安排旅行計劃。每當天將亮時，雄雞就用它嘹亮的啼聲預告新的一天的到來，雄雞每天按時啼叫，也是“生物鍾”的一種表現。如果我們仔細觀察自然界，我們可以看到許多有趣的“生物鍾”現象。

在動物界，貓白天睡覺，晚上出來活動；貓頭鷹是典型的夜行動物，每天半夜12點鍾，它的體溫最高；蜘蛛是夜間織網的，這種活動從午夜開始，一般持續4個小時才完成。

能自動調節時間節律的提琴蟹

人類花了幾個世紀的時間，才設計出與天體運行相符的日曆和時鍾，然而在美國東海岸科德角的海灘上，卻有一種螃蟹能夠根據太陽和月亮的運行每天校正自己的“作息製度”。這種螃蟹人稱“提琴蟹”，又叫“招潮蟹”。雄性的提琴蟹前麵長著一個大螯（不是一雙），看上去像在演奏小提琴。這種螃蟹白天顏色變深，晚上顏色變淺，到黎明時又變深。表皮或外殼顏色變深是許多動物用以保護自己的一種本能。顏色變深，不僅使螃蟹的顏色與海灘顏色近似而使“敵人”難以發現，而且由於色素增加，使它能經得起中午強烈陽光的照射。

提琴蟹的另一種生物節律是它能根據潮汐的漲落而安排它的覓食活動。我們知道，潮汐是由於月球的引力形成的。看來，提琴蟹既能根據太陽光改變顏色，又能隨著潮汐的漲落來尋找食物。當潮水退去的時候，提琴蟹在海灘上尋找食物，變得十分活躍，而在潮水到來前10分鍾，它已經進入了它的洞穴。潮水來到的時間每天都有規律地變化，而提琴蟹能夠根據每天潮水的變化調整它的生物節律，這座“生物鍾”確實十分奇妙！

長周期的“生物鍾”

動物的冬眠和候鳥的遷徙是一種長周期的“生物鍾”在起作用。

每當秋天來臨，鬆鼠就為過冬做準備，在夏天，一隻活躍的鬆鼠一天能收集20個硬殼果，但是在秋天，它能收集到300個之多，一到秋天，熊體內的脂肪層增厚，毛也長得更濃密，這也是為冬眠做準備。

當秋天接近北半球的時候，北方的飛鳥就越來越不安了，有一天它們開始長途飛行，飛向南方，因為那裏氣候溫暖。美國加利福尼亞州有一種燕子，它們每年都在3月19日前後的幾天裏從南美洲飛來，誰也不知道這類燕子用的是什麽“日曆”。不隻是鳥類，海龜也有它出發作遠洋長遊的準確日期。

植物的“生物鍾”

“生物鍾”的現象也表現在植物中，例如，有的植物隻在夜間開花，有一種芳香的開花煙草，隻在日落以後幾個小時才開花。夜間開花這種特征也許和花粉及花蜜的分泌有關。我們已經知道，某些植物花粉和花蜜的分泌是按一定的時間表進行的。某些植物還在其枝葉上表現出周期性的變化，如豆類植物幼苗葉子白天抬起，夜間垂落。

科學家還發現，光合作用也有其節律，光合作用是綠色植物重要的機能，它對維持自然界的生態平衡方麵有著極重要的作用。白天，在陽光的照射下，綠色植物中的葉綠素能利用根部吸收的水分和葉子吸收的二氧化碳合成碳水化合物（又稱為糖類），同時釋放出氧氣；夜間，由於沒有了光照，綠色植物也和動物一樣，吸收氧氣，釋放出二氧化碳。生物學家對於光合作用的研究發現，光合作用在中午時間進行得最慢。中午時候，光照最強，溫度和濕度也很適合光合作用，為什麽會出現這種特殊的規律？目前生物學家還不能做科學的解釋，還需深入的研究。

在利用現代科學技術對單細胞生物進行研究時，科學家同樣發現這種低等生物也存在著某些生物節律。例如，外形像草鞋而被稱為草履蟲的單細胞生物，它的細胞核在中午12點時最小，而在半夜12點時又最大。

所有這些生物的時間節律是如何形成的呢？

“生物鍾”的本質——外源性假說

當今世界上，有很多科學家在研究“生物鍾”現象。早在1960年6月，就有200多名科學家出席了在美國長島舉行的生物節律國際研討會。有關“生物鍾”的研究曆史，可以分為三個階段：第一階段是在50年代以前，科學家著重描述各種生物節律的現象；第二階段在60年代，科學家設法建立一些模型來進行研究；第三階段是70年代以來的工作，科學家試圖用生物化學和分子生物學的一些理論來解釋“生物鍾”的現象。

雖然目前對“生物鍾”有各種各樣的學說和解釋，但總的來說，這些學說可以分為兩類。一類是外源性的假說，這種假說認為，生物節律是生物體的生理功能對來自宇宙環境的某種外部信號的反應。另一類是內源性假說，這種學說認為，生物體係具有自我預知時間的能力，這種能力不依賴環境中周期的變化。

外源性假說可以用“適應性”這個詞來解釋某些生物節律的現象。例如，我們可以說一些動物是晝行性的，因為它們適應白天的光照，另外一些動物是夜行性的，因為它們適應夜晚的黑暗。

相當長一個時期以來，科學家認為外界環境溫度的變化是使生物產生節律的一個主要原因。每當秋天來臨，溫度降低，樹葉枯幹，一些動物失去了糧食，於是開始了冬眠，另一些昆蟲，如蝴蝶，在秋天則變成了蛹。後來，科學家經過研究發現，引發生物節律外部環境的主要原因是光照，而不是溫度，因為動植物都有控製內在過程的感受器。對植物和簡單動物來說，受到光照射的細胞起著感受器的作用，對於複雜的動物來說，眼睛是它們的感受器。

光照的反應，除了白晝和黑夜的影響外，還有光照時間的長短。我們知道，地球圍繞太陽轉動，對北半球來說，夏季陽光直射，早上日出時間提前，晚上日落時間延後，每天光照時間增長。對冬季來說，正好相反，每天光照時間縮短。

光照時間的長短，可以影響植物的時間節律。例如，對於屬於“長日照”的植物來說，增加光照的時間，可以使其提前開花。冬天，我們都喜歡種植水仙，由於冬天的光照較短，水仙長得很慢，如果希望它能提前開花，可以將它放在陽光充足的地方，或者在晚間用白熾燈泡照射它幾個小時。對於屬於“短日照”的植物，則恰恰相反，如秋天盛開的**，隨著太陽照射時間的減少而生長，如果希望**早日開花，可以每天把它們在暗處多放幾個小時，增加其少受光照的時間，就可以達到這一目的。對於很多農作物的生長、發育來說，光照是一個重要的因素，如果誤了農時，光照時間的變化不僅可能造成減產，而且有可能產生“隻長枝葉，不結果實”的後果。

對於高等動物來說，光照是怎樣影響它們的生物節律的呢？科學家認為，這和動物的下丘腦有關。我們知道，高等動物的下丘腦是全身激素的總開關，而眼睛則是對光照最敏感的器官，光照的變化，通過視神經的傳導，影響到下丘腦，下丘腦因而發生相應的反應，這個反應通過腦垂體分泌激素影響生物節律。這個假說中雖然有許多的細節尚待進一步研究，但已經有實驗提供了一些證據。

蟑螂是一種令人們討厭的昆蟲，它具有白天休息、夜晚活動的生物節律。蟑螂的激素在它的頭部製造，那裏有各種產生不同激素的腺體。科學家希望知道，沒有了頭的蟑螂是否還能存活。於是，他們將蟑螂的頭部摘去，實驗證明，摘去了頭部的蟑螂還能存活幾個星期，但是也出現了一個有趣的現象，這些蟑螂失去了夜行的習性，也就是說，它們的生物節律起了變化。於是，科學家又將摘去的蟑螂頭中的腺體分別移植到沒有頭的蟑螂身體上，結果，有一隻蟑螂恢複了夜行的生物節律，這說明，這個腺體中有一種特別的激素控製著蟑螂的夜行節律。

有的科學家曾認為，生物節律與地球的自轉有關。他們設計了一套實驗，將一批做實驗的老鼠，從美國的西海岸運到新西蘭，並且用光照來調整它們的生物節律，每天早上8點至晚上8點光照12個小時，然後就是12個小時的黑暗期，待這批小鼠適應了新的生物節律後，就將它們分為兩組。這兩組的籠子分別固定在兩種不同的機械轉盤裝置上，一種裝置上的轉盤處於靜止狀態，也可以說，它是跟著地球在做逆時針的運動，另一種裝置的轉盤則以24小時為周期做順時針勻速運動，可以說它們的轉動速度與地球自轉的速度相同但方向相反。這個實驗進行了10天，對籠內小鼠的活動做了詳細的記錄，得出的結論是：兩組老鼠的生物節律沒有顯著的差別，這說明地球的自轉與生物節律無關。

實驗還證明，某些生物的生物節律還會受到磁場和靜電場的影響。

“生物鍾”的本質——內源性假說

外源性假說的依據很多，但它無法說明所有的生物節律的現象。例如，人的心跳與呼吸的頻率與外部環境沒有特別的聯係。

有一個很有趣的實驗也支持“內源性假說”。我們知道候鳥有著遷徙的習性，而且遷飛的時間也是由“生物鍾”來控製的，這個“生物鍾”是否受到外部環境的影響呢？一組科學家在德國進行了細致的實驗。

他們將一種候鳥從孵化到成長都養在與外界隔絕的環境中，它們生活在終年類似夏季的生活條件之中，這樣它們就不會受到外部類似光照、溫度等條件的影響，也得不到季節變化應該遷徙的暗示。可是，當外界秋天到來時，它們就會在樹枝間飛來飛去，顯得急躁不安，接連很多夜晚，它們在支架上拍翅振翼，不能入睡，這種情況持續的時間，相當於它們從歐洲飛到非洲的時間，這段時間一過，它們就能安然入睡了。可是一到春天，也就是到這些鳥應從非洲返回歐洲的時間，它們又出現了同樣煩躁不安的現象。這個實驗告訴我們，在這種候鳥的身體內部確實存在著一座不受外部環境影響的“生物鍾”，正是這座“鍾”指揮著它們遷徙。

根據以上的事實，有的科學家認為，“生物鍾”是生物體內固有的，不隨外界環境的變化而變化。他們認為，植物和動物的生物節律是內源性的，是進化的結果，在幾百萬年中，宇宙的自然節律已經在生物體內的基因上打下了深深的烙印，生物中隻有那些能在生理上和行為上適應這些環境節律的才能存活下來，而且這種生物節律是可以代代遺傳的。

最近，有科學家宣稱他們已得到了與生物節律有關的基因，如果結果是正確的話，這將會大大促進生物節律的研究工作。

結束語

“生物鍾”現象目前已被人類利用。例如，科學家發現，人在每一天的一個時期中，精力充沛，注意力集中，而在另一個時期，則容易疲勞。利用生物鍾現象，就可以將某些危險性較大、要求集中注意力的工作安排在精力充沛、注意力集中的時間。美國國務院曾經做出決定，要求所有經過長途飛行的外交人員，至少休息一天以後，才能參加重要的談判。

科學家還發現，在飼養的家禽中，利用人工照明，增加白晝時間，可以使母雞多產蛋；對於蒼蠅、蟑螂之類的害蟲，在一天中的某一個時刻使用殺蟲劑比較有效；花農也可以采用改變光照和黑暗的時間，使得聖誕節能上市聖誕花，複活節能上市百合花。