生命时钟的振荡器

新华社北京10月2日电(记者王艳红)从蓝绿藻到真菌，从植物到动物，地球上的生命通常都有一套内置时钟，以24小时为周期调节生理活动，以适应地球的自转和昼夜变化。获得2017年诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家揭示了生命时钟是如何在分子水平上“滴答”的。

含羞草的叶子在黑暗中仍然按照昼夜的规律开合。太阳升起之前，向日葵面朝东方。人们在像白天一样明亮的办公室里睡到半夜——生物的自然节奏不受外界条件的刺激，而是受某种内在机制的控制。时钟的核心部件是振荡器，如钟摆、机械振荡器或应时电路，它们产生稳定的周期性振动。

生物学中的振荡器是什么？

人们早就发现生物节律特征是可以遗传的。随着分子生物学的发展，科学界逐渐提出了“生物钟基因”的概念。20世纪70年代，加州理工学院的西摩·本泽和罗纳德·科诺普卡对果蝇进行了实验，以筛选相关的基因突变。

果蝇蛹的出现有特定的节律。野生物种只在一天中的特定时间出现蛹，时间为24小时。科诺普卡等人培养并筛选了周期较长或较短甚至没有周期的果蝇，发现它们在基因组的同一区域发生突变，从而定位了生物钟基因，命名为“周期”基因。然而，由于技术发展水平的原因，当时人们无法找到该基因的编码序列，因为克隆果蝇DNA的技术直到20世纪70年代末才出现。

1984年，三位美国科学家，杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴殊和迈克尔·扬，克隆了“循环”基因，并命名了它编码的蛋白质PER。他们发现果蝇体内PER蛋白的浓度有规律地变化，振荡周期正好是24小时。到目前为止，人们已经发现了生物钟的“振荡器”，看到了它的振荡，然后对其工作原理有了清晰的了解。

霍尔和罗斯巴什提出了一种“负反馈”机制:PER蛋白浓度的增加将抑制“循环”基因的活性，阻止该基因产生更多的PER蛋白，并导致浓度回落。这就像存几美元，然后人们就会停止工作挣钱。

抑制基因活性必须在细胞核中进行，而PER蛋白不能自行进入细胞核，需要另一种蛋白的协助，即杨1994年发现的第二个“曾经存在”的生物节律基因。由PER蛋白编码的蛋白质叫做TIM。当PER蛋白的浓度相对较高时，它可以与TIM蛋白结合，获得进入细胞核的“通行证”。

此后，发现了其他几个相关基因，包括PER蛋白的降解和“循环”基因的启动。与前两个基因一起，它们形成了“转录翻译反馈环”(TTFL)，这是果蝇生物钟的核心振荡机制。

如果把每蛋白质比作金钱，把“循环”基因的运作比作劳动，那么TIM蛋白质就可以比作消费欲望，而其他基因则分别是消费行为、工作动机等。整个振荡过程可以想象为工薪阶层钱包的周期性膨胀和收缩。

30多年后，霍尔、罗斯巴什和杨最终因他们的研究成果获得了诺贝尔奖。霍尔在获奖后接受美联社采访时说，了解这一机制将有助于解决由昼夜节律紊乱引起的睡眠问题。