第3章 生物钟之谜
形形色色的生物时间节律
从孩子时候起，每个人就学会了看钟：一只圆盘，分为12等分，一根时针，一根分针，有的钟上还有不断前进的秒针，它向人们报告着时间。时间对我们来说实在太重要了，每个人都有自己的“作息时间”，飞机、火车、轮船都有各自的时刻表，电台、电视台按时播出各种节目。如果没有时间这个坐标，我们这个世界就会乱了套。
时间是什么？时间是宇宙的节律。人类的时间概念是从宇宙的规律得出的。地球环绕太阳转一圈称为一年实际上是（365又4分之1）天，月亮绕地球转一圈是一月（实际上是29天半），地球自转一圈为一天。天文上的现象，早在远古时期，就被人类发现，并用来指导人类的重大活动，如每天的作息，“日出而作，日落而息”，农业上的播种和收获等等。由于现代科学的发展，人类的计时器已由机械型、电子型进入到原子钟时期。精确的计时器为人造卫星发射、飞机轮船导航提供了精确的时间坐标体系。
在五彩缤纷的自然界中，许多动物和植物虽然不会看钟，但也存在它们自己的时间节律，这就是科学家长期以来十分关注、长期研究的“生物钟”现象，也就是生物节律的问题。
其实，“生物钟”对我们每个人来说，都是十分熟悉的事情。正常人的心脏，每分钟跳动70次左右，正常人的呼吸，每分钟15～20次，它们是如此规律，从古到今，似乎没有太大的变化。
在我国一些偏僻地区的小旅店门口，中华人民共和国成立前常可见到这么一副对联：“未晚先投宿，鸡鸣早看天”。在交通不发达的地区，是靠步行来进行旅行的，天气的好坏会影响行程，每天早上要靠看天来安排旅行计划。每当天将亮时，雄鸡就用它嘹亮的啼声预告新的一天的到来，雄鸡每天按时啼叫，也是“生物钟”的一种表现。如果我们仔细观察自然界，我们可以看到许多有趣的“生物钟”现象。
在动物界，猫白天睡觉，晚上出来活动；猫头鹰是典型的夜行动物，每天半夜12点钟，它的体温最高；蜘蛛是夜间织网的，这种活动从午夜开始，一般持续4个小时才完成。
能自动调节时间节律的提琴蟹
人类花了几个世纪的时间，才设计出与天体运行相符的日历和时钟，然而在美国东海岸科德角的海滩上，却有一种螃蟹能够根据太阳和月亮的运行每天校正自己的“作息制度”。这种螃蟹人称“提琴蟹”，又叫“招潮蟹”。雄性的提琴蟹前面长着一个大螯（不是一双），看上去像在演奏小提琴。这种螃蟹白天颜色变深，晚上颜色变浅，到黎明时又变深。表皮或外壳颜色变深是许多动物用以保护自己的一种本能。颜色变深，不仅使螃蟹的颜色与海滩颜色近似而使“敌人”难以发现，而且由于色素增加，使它能经得起中午强烈阳光的照射。
提琴蟹的另一种生物节律是它能根据潮汐的涨落而安排它的觅食活动。我们知道，潮汐是由于月球的引力形成的。看来，提琴蟹既能根据太阳光改变颜色，又能随着潮汐的涨落来寻找食物。当潮水退去的时候，提琴蟹在海滩上寻找食物，变得十分活跃，而在潮水到来前10分钟，它已经进入了它的洞穴。潮水来到的时间每天都有规律地变化，而提琴蟹能够根据每天潮水的变化调整它的生物节律，这座“生物钟”确实十分奇妙！
长周期的“生物钟”
动物的冬眠和候鸟的迁徙是一种长周期的“生物钟”在起作用。
每当秋天来临，松鼠就为过冬做准备，在夏天，一只活跃的松鼠一天能收集20个硬壳果，但是在秋天，它能收集到300个之多，一到秋天，熊体内的脂肪层增厚，毛也长得更浓密，这也是为冬眠做准备。
当秋天接近北半球的时候，北方的飞鸟就越来越不安了，有一天它们开始长途飞行，飞向南方，因为那里气候温暖。美国加利福尼亚州有一种燕子，它们每年都在3月19日前后的几天里从南美洲飞来，谁也不知道这类燕子用的是什么“日历”。不只是鸟类，海龟也有它出发作远洋长游的准确日期。
植物的“生物钟”
“生物钟”的现象也表现在植物中，例如，有的植物只在夜间开花，有一种芳香的开花烟草，只在日落以后几个小时才开花。夜间开花这种特征也许和花粉及花蜜的分泌有关。我们已经知道，某些植物花粉和花蜜的分泌是按一定的时间表进行的。某些植物还在其枝叶上表现出周期性的变化，如豆类植物幼苗叶子白天抬起，夜间垂落。
科学家还发现，光合作用也有其节律，光合作用是绿色植物重要的机能，它对维持自然界的生态平衡方面有着极重要的作用。白天，在阳光的照射下，绿色植物中的叶绿素能利用根部吸收的水分和叶子吸收的二氧化碳合成碳水化合物（又称为糖类），同时释放出氧气；夜间，由于没有了光照，绿色植物也和动物一样，吸收氧气，释放出二氧化碳。生物学家对于光合作用的研究发现，光合作用在中午时间进行得最慢。中午时候，光照最强，温度和湿度也很适合光合作用，为什么会出现这种特殊的规律？目前生物学家还不能做科学的解释，还需深入的研究。
在利用现代科学技术对单细胞生物进行研究时，科学家同样发现这种低等生物也存在着某些生物节律。例如，外形像草鞋而被称为草履虫的单细胞生物，它的细胞核在中午12点时最小，而在半夜12点时又最大。
所有这些生物的时间节律是如何形成的呢？
“生物钟”的本质——外源性假说
当今世界上，有很多科学家在研究“生物钟”现象。早在1960年6月，就有200多名科学家出席了在美国长岛举行的生物节律国际研讨会。有关“生物钟”的研究历史，可以分为三个阶段：第一阶段是在50年代以前，科学家着重描述各种生物节律的现象；第二阶段在60年代，科学家设法建立一些模型来进行研究；第三阶段是70年代以来的工作，科学家试图用生物化学和分子生物学的一些理论来解释“生物钟”的现象。
虽然目前对“生物钟”有各种各样的学说和解释，但总的来说，这些学说可以分为两类。一类是外源性的假说，这种假说认为，生物节律是生物体的生理功能对来自宇宙环境的某种外部信号的反应。另一类是内源性假说，这种学说认为，生物体系具有自我预知时间的能力，这种能力不依赖环境中周期的变化。
外源性假说可以用“适应性”这个词来解释某些生物节律的现象。例如，我们可以说一些动物是昼行性的，因为它们适应白天的光照，另外一些动物是夜行性的，因为它们适应夜晚的黑暗。
相当长一个时期以来，科学家认为外界环境温度的变化是使生物产生节律的一个主要原因。每当秋天来临，温度降低，树叶枯干，一些动物失去了粮食，于是开始了冬眠，另一些昆虫，如蝴蝶，在秋天则变成了蛹。后来，科学家经过研究发现，引发生物节律外部环境的主要原因是光照，而不是温度，因为动植物都有控制内在过程的感受器。对植物和简单动物来说，受到光照射的细胞起着感受器的作用，对于复杂的动物来说，眼睛是它们的感受器。
光照的反应，除了白昼和黑夜的影响外，还有光照时间的长短。我们知道，地球围绕太阳转动，对北半球来说，夏季阳光直射，早上日出时间提前，晚上日落时间延后，每天光照时间增长。对冬季来说，正好相反，每天光照时间缩短。
光照时间的长短，可以影响植物的时间节律。例如，对于属于“长日照”的植物来说，增加光照的时间，可以使其提前开花。冬天，我们都喜欢种植水仙，由于冬天的光照较短，水仙长得很慢，如果希望它能提前开花，可以将它放在阳光充足的地方，或者在晚间用白炽灯泡照射它几个小时。对于属于“短日照”的植物，则恰恰相反，如秋天盛开的菊花，随着太阳照射时间的减少而生长，如果希望菊花早日开花，可以每天把它们在暗处多放几个小时，增加其少受光照的时间，就可以达到这一目的。对于很多农作物的生长、发育来说，光照是一个重要的因素，如果误了农时，光照时间的变化不仅可能造成减产，而且有可能产生“只长枝叶，不结果实”的后果。
对于高等动物来说，光照是怎样影响它们的生物节律的呢？科学家认为，这和动物的下丘脑有关。我们知道，高等动物的下丘脑是全身激素的总开关，而眼睛则是对光照最敏感的器官，光照的变化，通过视神经的传导，影响到下丘脑，下丘脑因而发生相应的反应，这个反应通过脑垂体分泌激素影响生物节律。这个假说中虽然有许多的细节尚待进一步研究，但已经有实验提供了一些证据。
蟑螂是一种令人们讨厌的昆虫，它具有白天休息、夜晚活动的生物节律。蟑螂的激素在它的头部制造，那里有各种产生不同激素的腺体。科学家希望知道，没有了头的蟑螂是否还能存活。于是，他们将蟑螂的头部摘去，实验证明，摘去了头部的蟑螂还能存活几个星期，但是也出现了一个有趣的现象，这些蟑螂失去了夜行的习性，也就是说，它们的生物节律起了变化。于是，科学家又将摘去的蟑螂头中的腺体分别移植到没有头的蟑螂身体上，结果，有一只蟑螂恢复了夜行的生物节律，这说明，这个腺体中有一种特别的激素控制着蟑螂的夜行节律。
有的科学家曾认为，生物节律与地球的自转有关。他们设计了一套实验，将一批做实验的老鼠，从美国的西海岸运到新西兰，并且用光照来调整它们的生物节律，每天早上8点至晚上8点光照12个小时，然后就是12个小时的黑暗期，待这批小鼠适应了新的生物节律后，就将它们分为两组。这两组的笼子分别固定在两种不同的机械转盘装置上，一种装置上的转盘处于静止状态，也可以说，它是跟着地球在做逆时针的运动，另一种装置的转盘则以24小时为周期做顺时针匀速运动，可以说它们的转动速度与地球自转的速度相同但方向相反。这个实验进行了10天，对笼内小鼠的活动做了详细的记录，得出的结论是：两组老鼠的生物节律没有显著的差别，这说明地球的自转与生物节律无关。
实验还证明，某些生物的生物节律还会受到磁场和静电场的影响。
“生物钟”的本质——内源性假说
外源性假说的依据很多，但它无法说明所有的生物节律的现象。例如，人的心跳与呼吸的频率与外部环境没有特别的联系。
有一个很有趣的实验也支持“内源性假说”。我们知道候鸟有着迁徙的习性，而且迁飞的时间也是由“生物钟”来控制的，这个“生物钟”是否受到外部环境的影响呢？一组科学家在德国进行了细致的实验。
他们将一种候鸟从孵化到成长都养在与外界隔绝的环境中，它们生活在终年类似夏季的生活条件之中，这样它们就不会受到外部类似光照、温度等条件的影响，也得不到季节变化应该迁徙的暗示。可是，当外界秋天到来时，它们就会在树枝间飞来飞去，显得急躁不安，接连很多夜晚，它们在支架上拍翅振翼，不能入睡，这种情况持续的时间，相当于它们从欧洲飞到非洲的时间，这段时间一过，它们就能安然入睡了。可是一到春天，也就是到这些鸟应从非洲返回欧洲的时间，它们又出现了同样烦躁不安的现象。这个实验告诉我们，在这种候鸟的身体内部确实存在着一座不受外部环境影响的“生物钟”，正是这座“钟”指挥着它们迁徙。
根据以上的事实，有的科学家认为，“生物钟”是生物体内固有的，不随外界环境的变化而变化。他们认为，植物和动物的生物节律是内源性的，是进化的结果，在几百万年中，宇宙的自然节律已经在生物体内的基因上打下了深深的烙印，生物中只有那些能在生理上和行为上适应这些环境节律的才能存活下来，而且这种生物节律是可以代代遗传的。
最近，有科学家宣称他们已得到了与生物节律有关的基因，如果结果是正确的话，这将会大大促进生物节律的研究工作。
结束语
“生物钟”现象目前已被人类利用。例如，科学家发现，人在每一天的一个时期中，精力充沛，注意力集中，而在另一个时期，则容易疲劳。利用生物钟现象，就可以将某些危险性较大、要求集中注意力的工作安排在精力充沛、注意力集中的时间。美国国务院曾经做出决定，要求所有经过长途飞行的外交人员，至少休息一天以后，才能参加重要的谈判。
科学家还发现，在饲养的家禽中，利用人工照明，增加白昼时间，可以使母鸡多产蛋；对于苍蝇、蟑螂之类的害虫，在一天中的某一个时刻使用杀虫剂比较有效；花农也可以采用改变光照和黑暗的时间，使得圣诞节能上市圣诞花，复活节能上市百合花。