理论

生物学家们有多想知道他们所研究的现象在解剖学方面有怎样的意义，就有多想发现那些基因在此现象中所起到的作用。体内时钟的特性必然很复杂（复杂性状），因此时间生物学界的先锋科林·皮腾德莱起初对能够找到决定体内时钟的基因表示怀疑。西莫尔·本泽^[1]是第一位敢于探究基因复杂性状的科学家之一。当他从已经非常成功的事业，转向与他的学生罗恩·孔诺普卡一起进行“时钟基因”研究的时候，他面对了很大的质疑。他们发现，在某个基因的突变^[2]中——他们将其称为基因周期——果蝇的活动节律发生了明显的改变。某些突变使果蝇的活动节律在与外界时间隔绝的条件下没有明显变化，而有些突变则使果蝇的活动节律变得没有规律可循。发现果蝇的时钟基因之后不久，人们又在另外一种有机体内发现了相似的基因特性，那是一种面包霉菌^[3]。20年后，克里斯托弗关于“精力充沛”的仓鼠也有时钟基因这一发现才得以确认。研究小组对这一发现表现得如此激动也是可以理解的。仓鼠的时钟通常非常准确，在黑暗中也保持大约24小时的周期（只有少数仓鼠的体内时钟周期短于23.5小时），这只仓鼠不寻常的活动节律证明了一种时钟基因的突变。这只仓鼠被称为“tau”^[4]仓鼠。如果一种基因参与了生物功能，那么人们就会运用传统基因学^[5]的方法，来获取关于此种基因的更多信息。传统基因学的一种研究方法是繁殖饲养，在本章的案例中，科学家们采用的亦为这种方法。

这个实验证明，行为节律的快慢是由基因决定的。从后代遗传快速活动节律的比例来看，31M18号仓鼠只有一个显性的染色体，其他基因是“正常”的。如果后代继承了一个正常的染色体（N）和一个变异的染色体（M），并且与31M18号仓鼠交配的母仓鼠有一对正常的染色体，那么两只仓鼠的后代的染色体配对是可以推测出来的。后代从父亲那里继承来的染色体不是M就是N，从母亲那里继承来的只有N。那么后代的染色体配对可能是MN或者NN，且两种情况的概率是一样的。第一代子女有50%的活动节律像母亲，另外50%的活动节律像父亲，实际实验结果也是如此。

到了第二代，染色体重新洗牌。这一次，可能会是两个携带MN基因的仓鼠交配。在一段时间后，研究者让两只活动节律只有20小时的仓鼠进行交配，结果仍然是可以推测的。M和N具有同样的遗传机会。在下一代中，25%的后代携带NN（来自祖母的正常时钟基因），50%携带NM或MN基因（他们具有与祖父一样的较快的活动节律）。剩下25%的后代却携带了MM基因。一个变异的基因可以将活动周期缩短2小时，这25%的后代携带了两个变异基因，因此他们的活动周期更短。这些推测都在实验中得到了证实：携带了纯合子基因的仓鼠所经历的一天只有20小时。

马丁·拉尔夫使案例中的克里斯托弗所发现的第一个哺乳动物时钟基因，在12年后得到了证实。31M18号仓鼠的体内时钟是由一种基因的变异造成的，这种基因对体内时钟具有决定性的作用。对变异基因的实验还证明了视交叉上核对哺乳动物体内时钟的重要性。在《当黑夜变成白天》这一章节提到的移植实验显示，视交叉上核能够使紊乱的体内时钟变得有规律。马丁·拉尔夫对变异和非变异的仓鼠进行了类似的移植实验。后者显示，尽管非变异仓鼠的基因所决定的活动节律是正常的，但在接受了变异仓鼠的视交叉上核之后，非变异的仓鼠却有了更快的活动节律。反之亦然——变异的仓鼠被移植了来自正常仓鼠的视交叉上核之后，便有了正常的24小时活动节律。

在这一章节案例中的实验支持了这样的论点：哺乳动物的视交叉上核是所谓的“时钟决定者”（正如以前多次实验证明的那样）。另外，实验也证明了，在分子时钟的背后存在一定的基因，通过基因变异可以改变体内时钟的特性^[6]。这些实验都显示，生物个体在与外界时间隔绝的环境下，其体内时钟的周期与其处于明暗变化条件下“植入”的时间密切相关。周期越短，有机体开始新的一天的时间越早^[7]。

【注释】

[1]他运用了一种果蝇（Drosophila melanogaster希腊语意为“黑腹女朋友”）作为基因研究对象。

[2]分子遗传学快速入门：染色体非常长，DNA分子的双链环绕形成螺旋、超级螺旋和超负荷螺旋，使长长的DNA分子得以累加，人们可以在显微镜下看到染色体。DNA由四种不同的部分（核苷酸）组成，字母缩写为ACGT。这几种核苷酸以所有可能的方式组成没有结尾的链条。每一种基因都对应一种特定的核苷酸片段，是制造一种蛋白的蓝图（蛋白质是保持细胞生命力的工具）。蛋白质也由分子对组成，在这种情况下由氨基酸组成。DNA链条由四种不同的“珍珠”组成，多数组织器官需要20种不同的氨基酸，也是以所有可能组成蛋白的方式及其化学反应（溶酶体）。其他则是接收器，另外还有细胞的成分，这些都是组成和分解基因的要素。他们的作用还有在细胞内运输分子，穿越细胞膜，等等。DNA和蛋白质都不是“导线”。他们联结在一起，是为了得到蛋白质“工具”的正确形式。DNA可以作为蓝图，因为他们通过三种核苷酸给每一个氨基酸编码——一种“三联体”或者“密码子”，例如ATT、CTG、GGC，给氨基酸编码是多余的：如果所有的组合可能性都用于四个字母及其排列顺序的决定，那么DNA信息则包括64种氨基酸，而多数组织器官只有20种氨基酸。许多氨基酸密码成不同的三联体，三联体是分子结构的开始和结束的信号，书写DNA的序列。一旦核苷酸由于某些原因发生改变，就会产生“突变”。很多突变并没有实际意义。它们不会影响DNA也不会改变基因编码，也不会改变三联体，也不会改变蛋白质。某些突变却对蛋白质的功能有直接的影响。有些突变甚至可以引起致命的后果。

[3]在面包霉菌中发现的时钟基因被称为“频率”。这种霉菌，即真菌粗糙链孢霉，与果蝇一样，是遗传学研究的传统标准试验对象。

[4]“tau”是希腊语字母“T”。英语单词“时间”写作“Time”。科学家们通常把正常的体内时钟周期称为“T”（按英语发音），把与外界时间隔绝条件下的体内时钟周期称为“τ”（读作“tau”）。

[5]传统基因学快速入门：基因密码位于细胞核的染色体里。人类有46种染色体，其中23种来自母亲，23种来自父亲。每一种染色体都包含几千个基因。因为每一个后代都有来自父亲和母亲的染色体组成染色体对，因此每一种染色体都有两个。如果从父亲那里继承来的基因发生某种突变，那么从母亲那里继承来的染色体可能会“拯救”这种突变带来的后果。在一些案例中，这种“拯救”使发生基因突变的动物没有呈现出与其他动物的区别。这种突变基因被称为非显性或者“隐性”基因，未发生突变的基因被称为“显性”基因。在其他情况下，未突变的基因可能未能成功“拯救”突变基因，这种情况下，就无法辨认发生突变的基因是一个还是两个了。不管出于何种情况，有机体都需要完整的（来自父母双方的）一对基因，才能使身体机能正常运行。人们可以通过观察身体机能的完成情况来判断发生突变的是一个基因还是一对基因。只有一个基因发生突变的有机体，其特定的行为能力要比一对基因发生突变的有机体弱。这种突变被称为“半显性”。如果一个受精卵拥有完全一样的基因，则被称为“纯合子”，如果存在与其他类型基因的混合，则被称为“杂合子”。

[6]可以使体内时钟变快或者变慢。

[7]为了判断有机体的时间类型，必须把有机体的活动与明暗变化的参数做比较，例如实验室的光线或者自然界太阳升起的时间，等等。