万物各有时，生物钟如何影响衰老？

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导读：

生物钟的作用，每个人都能感同身受，却无法确切知道其原理。

Bernd Heinrich｜撰文

毛大庆｜翻译

生物钟是生命的基本法则，它决定万物生长与变化的节奏。

这世界上，几乎没有什么比时间更重要。生物钟影响着所有人的生活，但没有人知道时间到底是什么。我们看不到它，也无法触摸它，却在分分秒秒间清楚地感知到它的存在。关于时间，在科学层面，物理学家仍在持续探索着时间的真相。

人类的生物钟很难精准，某些基因控制着它的运转。生物钟的作用，每个人都能感同身受，却无法确切知道其原理。

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蜜蜂的“时间舞蹈”

20世纪50年代，蜜蜂饲养员和生物学家卡尔·冯·弗里施（Karl von Frisch）通过对蜜蜂和花卉的研究，首次生动地揭示了生物钟的原理。这项研究的成果令人赞叹，因其发现并证明了蜜蜂之间可以沟通与食源的距离以及飞行方向。

当我16岁生日到来时，父亲将弗里施写的《跳舞的蜜蜂》（The Dancing Bees）一书当作生日礼物送给了我，并在扉页写上我的名字，以及一行赠语“致养蜂人——父亲赠于1956年圣诞”，由此可见，他认可了我在过去4年对这一领域的热情。

在弗里施的蜜蜂研究中，有一项出乎意料且被很多人忽视的关于生物钟重要性的发现——蜜蜂的内在生物钟按照每天24小时的时间表运行。弗里施在野外用糖浆喂食蜜蜂时发现，蜜蜂不仅可以回到他提供食物的地方再次觅食，甚至还能在他此前喂食的同一时间返回，平均误差在15分钟以内。

当然，仅凭这一点不能证实蜜蜂具有感知时间的能力，更多的证据来自弗里施密切观察到的蜜蜂的“舞蹈”动作（实际上是在传递信息），并破译了这些动作所传达的关于飞行方向以及与有效食源之间距离的信息。

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每个动作都是一种符号性飞行编码，指引着新成员飞向远处的食源。这些动作让参与其中的蜜蜂可以根据蜂巢与太阳所呈的角度关系确定食物所在的方向。这个角度每小时变化15度。令人惊奇的是，跳舞的蜜蜂在蜂巢的阴影下以垂直方向舞动的角度会随着太阳的位置发生改变，在离开之前它们会舞动几个小时来传达食物源的信息或新的筑巢地信息。同样地，信息接收者也会把“如果停留较长时间，太阳会移动多少”列入考虑因素。它们之间的沟通主要是在蜂巢内根据太阳的位置来感知时间，无论太阳光是否直接可见。

根据我们现在所称的“昼夜节律钟”，按照一个周期大致为24小时的内在生物钟生存，已成为所有生命普遍具备的能力。人类建造精准机械钟的历史可以追溯到早期的大航海时期，当时需要准确地测量时间来确定位置（与蜜蜂一样），以便在远距离航行中导航。夜晚，人类通过繁星的位置定向，某些鸟类同样如此。在北纬地区，我们会看到星星绕北极星旋转——由于北极星位于地球自转的轴线上，所以它的位置几乎是固定的；在南纬地区，虽然看不到北极星，但可以从围绕它移动的其他星星与星座的位置和运动中推断出北方的方位。知道了时间的变动规律，水手和一些夜间迁徙的鸟类就能推断出方向。

然而，直到最近，我们仍然理所当然地认为，可以通过太阳和星星的位置和气象来预测时间，并相应地调整生活节奏。我们以前很少想到，其他生物也很需要时间观念并能够普遍地应用时间感知能力。我们现在知道了，现实世界里，几乎所有动植物都具有时间观念，时间支配着万物。每个人都有内置的时钟来调节生活，它甚至可能影响我们的衰老速度和寿命。

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植物体内的隐形时钟

每年夏天，我窗前的地上总会长出一片菊苣，这是一种高大的菊科植物。每年7月起，它都会持续绽放长达3个月（甚至更久）的蓝色花朵。即便在盛花期，这种植物在破晓前也不会开花，但日出1小时后，整块地上就会绽放出数百朵蓝色鲜花，直到日落后，花瓣才再次闭合。

人们可能认为，这个循环的过程是由光或温度引起的，一个简单的实验就可证明并非如此——我将中午开花的植物移入黑暗的温暖房间中，直到傍晚，它们依然盛开着，保持温度恒定，这些植物依然保持其花瓣闭合的规律。同样，黑暗中的花苞在清晨同样会盛放，不受温度或光线的影响。这个简单的实验表明，花朵就像为其授粉的蜜蜂一样，拥有一个按昼夜节律运行的内在生物钟。

生物钟还能决定花朵的生命时间；每一朵花在夜幕降临时由明亮的蓝色变成黯淡的棕色，随后枯萎，直至衰败，翌日清晨完全凋谢，而同一花茎上相邻的另一个花苞则会接着在绽放后度过它一整天的生命。菊苣只是菊科植物中的一种。其他植物有着不同的开花时间。例如，同一花园中的向日葵和白菊，昼夜持续盛放，活力可达数周，一些兰花甚至能维持数月的盛放期。

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同一植物其他部位的衰亡和复苏发生在更长的时间周期内。菊苣的茎在整个夏天都处于生长期，这使得它有足够长的时间开出所有需要授粉的花朵，并产生相应数量的种子；到了秋天，整个菊苣茎枯萎死亡；冬季，高且脆硬的褐色茎秆会立起来并最终倒下，但地下的根系仍然保持着生命状态；当春天来临时，新茎破土而出。

这种植物不同部位的生长时间表有所不同，花朵仅仅需要一天的时间，而叶子和茎能在整个夏天生长，根则需要多年，种子则有可能需要几十年之久。人们在埃及的墓穴里发现了仍有生命力的莲花种子，而在永久冻土层里保存了来自冰河时代的仍有生命力的种子。衰老和死亡的次序是生命体整体适应策略的一部分，比如，北方某些树木的叶子在大约三个月后枯萎并从树枝上脱落，而另一些种类的树叶则可以旺盛地存活数年之久。

每年的2月和3月，我急切地期盼着春天，于是频繁地查看天气预报，希望温暖的日子早些到来，冰雪融化，小溪欢腾。4月初，我种的雪花莲的叶子和花朵逐渐从雪里露头。一周后，白杨、桤木和角榛也开了花。6周后，那一批雪花莲仍在盛开，红枫也开始开花。这样，各种植物的花季依次到来：花楸果、苹果和蓝莓在春末夏初开花；5月和6月是菩提树的花季；7月是金鸡菊的季节；从9月到10月中旬，新英格兰紫菀的亮蓝色花瓣则引人注目。

大多数植物的花期短暂，开花时间与周边同种植物基本一致。这样，借由作为雄性精子携带者的蜜蜂和其他传粉动物，授粉繁殖得以发生，这些传粉动物每次基本上只访问一个物种。在竞争蜜蜂、飞蛾、蜂鸟等传粉中介的过程中，植物在一定时间内次第开花，由此可以在传粉动物中形成“花卉忠诚度”，从而促进植物的繁殖。除了花期不同，植物还会通过外形、花粉回报、颜色和气味来促进授粉和繁殖。

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年节律与昼夜节律

树木、蜜蜂、鸟类和人类都已经进化出遵循地球日周期和年周期的能力，这与地球在围绕太阳运转过程中的倾斜角有关。德国鸟类学家埃伯哈德·格温纳（Eberhard Gwinner）最早发现了这些生命体的周期规律也受内在生物钟的控制。20世纪70年代中期，他深度研究了欧洲椋鸟，在恒温条件下饲养这种鸟类长达8年，并人工设置了一定的昼夜长度，即每日14小时光照和10小时黑暗。这项为期8年的实验证明，即使彻底与外界隔离，没有了野外自然季节变化的提示，椋鸟每年换羽和生理上为繁殖做准备的时间几乎还是和生活在野外环境中的同类相同。这种年周期内的规律行为被称为“年节律”（circannual rhythm），与“昼夜节律”（circadian rhythm）相对应。

关于年节律，对于动植物来说，它们也可以通过测量昼长变化和温度来确定季节，并以类似于人类设定钟表时间的方式将循年反应与季节周期同步。动物有自己的交配季节，这个时间的设定基于一些植物的生长时间表，从而确保其在食物供应最为丰富的时节交配繁殖，以保证幼崽有充足的食物。动物在适应季节变化的过程中，需要做好长期的准备，包括积累食物储备、做好防冻措施、长出保温层，或是迁徙或冬眠。

通过多年的追踪研究，我们在鸟类的迁徙模式、生殖行为，以及地松鼠等哺乳动物的冬眠周期中，都可以清晰找到大约每年一次的规律性的生理循环行为。即使在恒温和人工控制光照周期的条件下，地松鼠仍然大约每12个月进入一次冬眠状态。在纯粹的自然环境中，这个周期的重复单元的平均时长并不是精准的12个月，但恒定的昼长或温度的季节性模式可以起到加强及同步的作用，在昼夜节律与温度规律的辅助下，年节律会变得更加精准。

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确定年节律有时会很棘手，因为环境中诸如温度之类的因素有时会对年节律造成干扰。我在缅因州的秋天观察到，林蛙和春蛙在白天变短后开始发出短暂的叫声，春天它们从冬眠中苏醒时也会如此。林蛙几乎在大雪融化后的第一天就涌入池塘进行交配和产卵，因为它们在秋天时已经准备好了卵子。

还有一些同样或更为重要的观察结果，例如，在适当的光照周期下，鸽子可以进行繁殖，但实验显示，它们只有在看到正在追求它们的潜在伴侣并找到可以建巢的材料时，才会在生理上和行为上做出反应。同样，当秋天气温下降时，蛙类的繁殖反应会很快停止，然后进入冬眠。

我们对人类的年节律知之甚少。据我所知，没有人愿意按照严格限定的条件开展这种长达数年的实验，以配合测试，事实上，我们也不知道应该观测哪些变量。半冬眠和/或跑步的热情变化可能是备选的变量。比如，我不喜欢在冬天跑步，尽管这可能主要是下雪的缘故，而不是生物钟现象；如果阳光明媚，我更容易走出家门，但如果大雪纷飞，我可能会选择待在家里。这些行为可能与尼安德特人长时间为适应更新世（pleistocene）的冬季所遗传下来的能力有关，节省能量是应对食物短缺的关键生存技能。

与每天的周期性活动一样，动物的年度规律性活动，比如迁徙、生长、冬眠和繁殖的周期很好地帮助它们为未来做准备。当然，灵活性是一切的基础。那些过于严格执行某种固定程序的动物可能会面临致命的后果或错失良机。平衡能力和灵活性是适者生存的产物。

来源：赛先生

编辑：韶音

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