无需基因的生物钟

科学最大的特点就是会不断地修正自己。2009年本专栏曾经介绍过人类考古学一项重大发现，来自德国的科学家在比较了尼安德特人和现代智人的DNA后得出结论说，两者不存在基因交流。可一年后，同一位科学家再次发表论文，用新的证据推翻了早先的结论，现代人身体里确实流淌着一点点尼安德特人的血液。

同样的事情今年再次发生，而且更新的速度更快了。上期本专栏刚刚介绍了生物钟的计时机理，世界著名科学期刊《自然》（Nature）就在今年第4期上发表了两篇论文，对此前公认的理论提出了挑战。

旧的理论认为，生物钟的“振荡器”（相当于钟表的擒纵器）就是位于细胞核内的“生物钟基因”，或者更准确地说，就是该基因的转录与蛋白质合成过程中的负反馈机制。这个结论来自对突变体的研究，某些生物体内的基因突变会导致生物钟变长、变短或者紊乱，而且这种改变可以随着这个基因遗传给下一代，这一点进一步证明了生物钟的确和基因有关。

推翻一项科学定理，只需要提出一个反例即可。这一期《自然》杂志一下子提出了两个反例，一个比一个有说服力。分析一下这两篇论文的思路，可以帮助我们更好地了解科学家的工作方式。

首先，来自苏格兰爱丁堡大学的科学家安德鲁·米勒（Andrew Millar）博士及其团队研究了一种绿藻的生物钟，发现它完全不需要基因的存在就能正确计时。研究人员向绿藻细胞内注射了一种化学药物，把基因的转录功能彻底关闭，切断从基因到蛋白质之间的传递链条，因此也就切断了基因的负反馈机制，结果发现绿藻仍然保持了正常的生活节奏，生物钟没有受到干扰。

这个实验虽然很能说明问题，但仍然会有人提出质疑。比方说，也许这种药物并没有将所有基因的功能全部关闭，仍有漏网之鱼，或者药物本身产生了某种具有计时功能的副作用等等。更糟的是，关闭了基因功能的细胞很不健康，活不了多久，这就大大影响了生物钟实验的时间尺度，得出的结论就显得不那么可靠了。

解决这个问题的难点在于实验材料很不好找。众所周知，基因是生命的基础，只要拿活细胞做实验，就很难彻底避免基因的干扰。为了解决这个难题，英国剑桥大学的科学家阿吉莱什·雷迪（Akhilesh Reddy）博士想到了哺乳动物体内都有的血红细胞。众所周知，血红细胞是一种功能单一的特殊细胞，没有细胞核，甚至连线粒体都没有，因此也就不含任何DNA片段，不存在基因的干扰。血红细胞在适当的条件下可以在体外存活一段时间，足以用来研究生物钟。

研究人员从3名健康人的血液中分离出血红细胞，把它们培养在完全黑暗的环境里，然后每隔4小时取出一批细胞，分析细胞内含有的一种抗氧化蛋白（Peroxiredoxins）的分子结构。这种分子在自然条件下存在某种节律，即从单一分子两两相连变成双分子，进而连接成长链，然后再逐一分解成单一分子，如此循环往复。

分析结果显示，血红细胞含有的Ⅱ型抗氧化蛋白的结构变化确实存在周期性，而且周期大约为24小时，这一点很像传说中的生物钟。但是，光有这一个实验还不行，科学家还必须想办法证明这套系统符合生物钟的其他特点。原来，一座标准的生物钟还必须满足两大特征：第一，不受温度影响；第二，能够被轻易地矫正。第一条对恒温动物也许没用，但对变温动物而言却是至关重要的，否则生物钟就不可能准确。第二条也很容易理解，倒时差虽然痛苦，但毕竟不是一个不可以克服的难题，一个出差的人只要在居住地生活一段时间，时差很自然地就会被调整过来。

这两个实验都不难做，实验结果也证明血红蛋白内的这个生物钟在低于37℃的条件下仍然维持原样，而且在光照和变温等外部信号的刺激下，其周期也很容易被调整过来。

抗氧化蛋白的周期性到底有什么用处呢？研究人员发现，这种蛋白的结构与血红细胞携氧量有直接的关系。换句话说，血红细胞的携氧量也是被生物钟所控制的，每天各个时段都不一样。这个结果也许可以说明为什么运动员在客场容易发挥失常，他们的生物钟还没适应当地的比赛时间，体内的血红细胞还没有做好大运动量的准备。

抗氧化蛋白是一类非常古老的蛋白质，存在于几乎所有已知的生命体内。这个实验结果具有重大的意义，它说明也许早在基因出现之前，生物钟就已经存在了。

为什么有那么多科学家热衷于研究生物钟？他们可不光是为了发明倒时差的药物。研究表明，生物钟与人的健康状况有很大关系，现代人的生活节奏越来越快，生活方式也越来越国际化，长途飞行和“三班倒”正在成为职场的普遍现象。从这个意义上说，生物钟紊乱也许是现代人健康状况普遍下降的原因之一，必须加以重视。■ 无需科普生物钟基因合成基因