汪波
《时间之问28》艾略特、小王子与蓝藻 精选
2018-5-12 07:28
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《时间之问》 | 系列目录


一个星期后,老师和学生又见面了。

“前几次我们聊了很多时钟,有机械钟、电子钟、石英钟...”老师说道。

“嗯,还有原子钟,世界上最精准的时钟,十亿年误差只有一秒。”

“对了,你知道2017年的诺贝尔生理学奖颁发给哪一项发现了吗?”

“不会是原子钟吧?”

“猜对了一半!颁给了时钟,不过不是原子钟,而是是另外一种时钟!”

2017年的诺贝尔生理学奖


“什么样的时钟?”

“一种身体内的时钟。”

“这会是什么呢?”

“它决定了我们一天当中什么时候犯困、什么时候体温最低、什么时候血压和血糖升到最高。”

“哦,是生物钟吗?”

人体生物钟变化


“正是!如果说机械钟、石英钟和原子钟是是身体外的时钟,不以我们的意志和感觉而转移;而生物钟则是身体的守护神,与我们的感觉息息相关。”

“哦,确实与我们的感觉紧密相关。如果做长途飞行到另外一个时区,人除了困倦疲惫,还要受到时差的煎熬。”

“嗯,是的,那是人体内的生物钟在抗议呢!再比如,现在你和我吃饭聊天,如果你觉得有趣,就觉得时间不知不觉飞走,而如果你觉得无聊,你就觉得度日如年。”

“那生物钟就仅仅是令人感觉到时间吗?它到底为什么这么重要,以至于诺贝尔评审委员会在如此众多的候选项中对它另眼相看呢?”

“嗯,生物钟的作用可远不止于此!除了与我们的感觉有关,还影响甚至决定每个人的健康!”

“是吗?”

“嗯,诺奖委员会评判一项发现的一个重要标准就是它能不能给人类带来福祉。”

“那生物钟究竟怎么影响我们的日常健康的?毕竟我也不需要每个月都倒时差!”

“举个例子吧,你一定很关心你的身材。生物钟会影响你是否会将大量脂肪堆积在腹部。”

“哦,这个我确实很关心。”

“一天当中的不同时刻,我们的身体反应也不同。夜间,体温会降到最低,肾功能和尿液的产生也相应减弱,但是分娩却多发生在此时。心脏病猝死多发生在清晨,上午时分,人的注意力变得越来越集中。”

“嗯。”

“生物钟还会影响你的胆固醇是否超标、血糖过高或过低,是否受到糖尿病的折磨!”

“哦,这影响就更大了。”

“此外,对于那些要经常值夜班的人来说,昼伏夜出的作息时刻表会造成他们生物钟的紊乱,带来痛苦,他们的血压水平、睡眠质量、体温以及激素变化都与普通人很不一样。受其影响的人很多:三班倒的工人、值夜班的保安、长途列车和航班的乘务员... ”

“嗯,那这种生物钟究竟与机械钟有什么不同呢?”

“一位著名的研究生物钟的专家科林·皮登卓伊(Colin Pittendrigh)曾经把时间分成两种:外部环境的日升日落、机械钟的周而复始,是外部时间(Day outside),而生物体内存在着一个生物钟,控制着内部时间(Day inside)。”

日升日落代表外部时间


“哦,那究竟什么是“内部时间”呢?”

“我们先看看诺贝尔文学奖获得者、著名诗人艾略特(TS Eliot)曾经写过的诗句,他是这样描写所谓的“时间之内”的。”

过去和未来,
都在这时间之内,
它从我们身上消逝而去,
不舍昼夜。
但是只有在时间之内,
那在玫瑰园中的瞬间,
那雨声沥沥的凉亭里的瞬间,
当烟雾降落在通风的教堂里的瞬间,
才能忆起;
才能与过去和未来相及。

--- 艾略特 《荒原》

“这是什么意思呢?”

“也许每个人对这首诗的理解不同,我理解的是,我们的身体有一种神奇的力量能感知时间。虽然我们可以借助于钟表,但那只是记录时间,记录一种客观而标准的外部时间,而不是感知时间。能感知到的才是内部时间。博尔赫斯有一首诗故意把内部时间和外部时间放在一起,你可以细细体会一下。”

时间是构成我的基本元素。
它是河流---载我而下,
而我就是这河流;
它是虎--吞噬我,
而我就是这虎;
它是火---燃烧我,
而我就是这火。
----博尔赫斯

“嗯,有点意思。可是我们究竟是怎么体会内部时间的呢?”

“我们大脑的记忆有一种神奇的能力,把每一件让我们刻骨铭心、浸情其中的事件轻轻打上时间戳,通过一连串的时间戳我们得以回味过去、重新品味那一去不返的经历。只有通过我们自己、通过每一个独一无二的个体、每一次个性化的经历,我们才能真切体会到时间的流逝,我们才不会是一个孤独的个体,而是能与过去和未来相连接、相感知。”

“这内部时间和外部时间之间,应该存在着某种关联?”学生问道。

“对,我们的内部时间,也就是身体的节律,必须顺应外部的昼夜变化的节律。甚至更奇妙的是,这种顺应不需要去有意识地思考,而是无意识发生的。”

“哦,是吗?”

“嗯,比如你在睡梦中,无需动脑子就可以控制体温在黎明前开始上升,为即将开始的日间活动做好准备。这种内部节律顺应外部节奏的机制,自从人类诞生之日就牢牢固化在我们体内。”

“明白了!不过,人体内这种神秘的节律到底来源于哪里呢?”

“当然,这是人类顺应环境、顺应人类的家园---地球的自转所做出的进化选择。如果没有地球自转引起的昼夜变化,人类似乎也没有必要进化出与之相匹配的昼夜节律来。”

“嗯,有道理。”

“不止人类,地球上所有的生物都必须顺应地球24小时自转一周的这个事实。你可以设想一下,如果有一颗脱离轨道的小行星,在宇宙中漫无目的地游荡。它既不公转也不自转。”

“那一定是一颗非常奇怪的星球。”

脱离轨道的小行星漫无目的的游荡


“对。在这个星球上,既没有黎明也没有黄昏。如果这颗星球上侥幸有生命存在的话,他们体内是否有生物钟呢?”

“一定不会有。”

“这颗星球上的智慧生命是否会有“天”、“月”、“年”的概念呢?”

“一定也没有。”

“我想,他们也不会有天干地支之类的循环时间的概念!也许时间就是一个单一的箭头,永远指向某一颗明亮的恒星。”

“生活在这样的星球实在太单调枯燥了!”

“那我们再看另外一种极端情况。你还记得圣·埃克苏佩里写的《小王子》吗?小王子在他的星球上很忧郁的时候,唯一的乐趣就是欣赏日落的美景。”

“嗯,我记得。”

“后来小王子来到地球,遇到了飞行员,他心情低落的时候急切地邀请飞行员一起看日落,可飞行员说还要再等一等。小王子很困惑,为什么要等一等才能看日落呢?”

“为什么呢?”

“因为小王子习惯地以为地球和他的星球一样。他的星球特别小,他只要挪一下凳子就可以看到日落。而且,他的星球自转特别快,不一会就可以看一次日落。”

小王子


“他的星球有多少次日落?”

“小王子在24小时之内曾经看过43次日落。”

“哇,这么快!几乎半小时一次。”

“后来小王子又漂流到一个更好玩的星球,上面有一个忠实的点灯人。他奉国王之命黄昏点亮街灯,黎明时熄灭灯火。可他干的却是一种可怕的职业!”

“这工作挺轻松的呀!?”

“一开始还好,点灯人晚上点灯,早上熄灯,剩下的时间,他都在休息睡觉。可是……”

“工作内容变了?”

“不,一点没变:日落点灯、日出熄灯。变的是行星的自转速度,行星自转得越来越快,到后来,一分钟转一圈。”

“人算不如天算!”

“可怜的点灯人连一秒都没法休息,不停地点灯--熄灯--点灯--熄灯... 点灯人喜欢睡觉,可就是没法睡。”

“真不走运。”

“后来小王子来到了地球,小王子发现地球可真是一颗伟大的星球!”

“为什么呢?”

地球上的灯火接力


“小王子发现地球上生活着无数个点灯人。每天太阳不缓不急地升起、落下,而点灯人大军却像巨型体育场上有节奏涌起的人浪,此起彼伏。”

为了使你们对地球的大小有一个概念,我想要告诉你们:在发明电之前,在六个大洲上,为了点亮路灯,需要维持一支为数四十六万二千五百一十一人的真正 大军。

从稍远的地方看过去,它给人以一种壮丽辉煌的印象。这支军队的行动就象 歌剧院的芭蕾舞动作一样,那么有条不紊。首先出现的是新西兰和澳大利亚的点 灯人。点着了灯,随后他们就去睡觉了。于是就轮到中国和西伯利亚的点灯人走 上舞台。随后,他们也藏到幕布后面去了。于是就又轮到俄罗斯和印度的点灯人 了。然后就是非洲和欧洲的。接着是南美的,再就是北美的。他们从来也不会搞 错他们上场的次序。真了不起。

---《小王子》第十六章

“哦,何其壮观、又何其幸运!”学生感叹道。

“嗯,地球这个优雅的舞者,既非茫茫太空中游荡的孤独旅者,也不是飞速旋转的小陀螺,而是与他的舞伴太阳、月亮亦步亦趋、不疾不徐。它从容不迫,又泰然自若。”

“就这样,地球为每个生命的作息定下了基调吗?”

“对,几乎所有的动物、植物都要遵循这样的昼夜节律。你知道吗?在希腊神话中有一位花神克洛里斯(Chloris),而协助这位花神的不是别人,而是时序之神霍莉(Horae)。”

“花神?掌管百花的开放?”

“对。但是百花的开放在一天当中的时刻并不相同。著名的瑞典植物学家林奈(Carl von Linne)观察到许多花儿的开放时间有一定时间间隔,于是他建议把黄鹌菜、蒲公英、金丝桃、万寿菊等植物栽种在一个圆环上,这样看一眼这个花坛里哪一种花儿在开放,就知道当前时刻了,这就是著名的花钟的来历。”

日内瓦的花钟


“这创意太妙了!”

“当夜幕降临,紫罗兰和夜来香接过来接力棒,纷纷散发香气,渲染着美丽的月色。”

“但是花草可以根据光线减弱而立刻释放香气吧?这样也不需要生物钟的帮忙吧?”

“不,植物的分泌不会有那么快,它们需要一些时间提前做好准备。所以这些植物必须具有一种预计时间的能力,以便先花一些时间做准备。”

“真是奇妙。我还有个问题:所有生物的节律周期都是一昼夜吗?”

“绝大部分生物都有这种周期一昼夜的节律。英文里昼夜节律叫circadian,circ是大概、左右的意思,而dian的意思是day,也就是一天。既然是大概一天,那就不是刚好24小时。”

“既然这些动植物差不多都有这种昼夜节律,人们应该很早就观察到这种现象了吧?”

“对。公元前四世纪,亚历山大大帝对罗望子树发生了兴趣,因为它注意到罗望子树每天的开花凋零都非常准时。”

“那是谁第一个研究这种昼夜节律的呢?”

“有记载第一个对生物节律进行研究的是18世纪法国天文学家让·雅克·德迈朗(Jean Jacques Ortous de Mairan)。1729年的一天,他无意中发现含羞草的叶子在白天展开,而到了夜里则垂下来。”

含羞草的叶子在白天展开,而到了夜里则垂下来


“一个天文学家为什么会对植物感兴趣?”

“嗯,本来德迈朗很熟悉地球的自转规律,但他也很好奇为什么植物的叶子会跟地球自转的时间相对应。”

“嗯,这是个不错的理由。”

“一开始他觉得是不是光线在捣鬼,所以含羞草在白天展开叶子,而在晚上垂下。”

“这很容易,把含羞草关在黑屋子里就知道了。”

“对,德迈朗也是这么做的。他把含羞草放进了家里的碗柜,拉起了窗帘,第二天早上他惊奇地发现,即使在全黑的环境里,含羞草的叶子仍然是展开的。”

“哦,是吗?可是含羞草是怎么知道外面是白天还是黑夜呢?”

“嗯,德迈朗也很奇怪,但是他也没法完全排除其他可能。他觉得除非是含羞草体内有一种生物钟,让它知晓时间的流逝。”

“嗯。但是这需要排除温度等其它变化移速的影响,才能确定含羞草体内有一种内生的生物钟吧?”

“嗯,不过德迈朗是个天文学家,非常忙碌,他发现了这个现象之后,写了一篇350字的短文发表出去,就没有深入去研究了。”

“之后呢?”

“法国农学家杜亚美(Henri Louis Duhamel du Monceau)继续德迈朗未完成的实验。他想到了温度的影响,于是把含羞草放进了一个恒温而黑暗的盐矿里。”

“结果怎样?”

“同样地,含羞草的叶子依然每天按时展开和收起。”

“嗯,这就有意思了。”

“虽然德迈朗和杜亚美排除了光线和温度对含羞草的影响,但也并不能完全证明含羞草体内还有一个独立的生物钟。直到1832年,事情有了转机。”

“又有了新的证明?”

“对。瑞士植物学家阿方索·迪康多尔(Alphonse de Candolle)做了更加细致的观测,这一次他发现植物叶子的活动周期不是刚好24小时,而且不同植物的活动周期也有差别。”

“哦,明白了。如果植物的节律性是由外部引起的,它们的周期应该完全相同才是。”

“对。也就是说,含羞草内部应该具有一个内在的、无需外部光线等因素就可以自动运行的生物钟。”

“嗯,科学在一步一步逼近真实。”

“这个现象甚至引起了达尔文的兴趣,并且在他所著的《植物活动的力量》一书中对这种现象进行了描述。”

“生物钟真是一种神奇的力量!”

“如果说地球是一位母亲,而所有的生物是它的儿女,那么这些儿女不只是跟随母亲的晨昏变化而作息,而是主动地发展出一套和地球自转周期非常接近的生物钟节律。”

“不过,我依然看不出它的必要性,动植物似乎没有必要自己也弄一套生物钟吧?通过感知光线就可以大致知道时间了。”

“但是一种非常简单的蓝藻却能很好地回答这个问题。”

阿蒂特兰湖生长著大片蓝藻


“为什么?难道它里面有生物钟?”

“对。你知道生物最大的目的就是为了生存,它会尽可能高效地利用环境提供的能量:阳光、空气、水等。只有那些最善于利用这些能量的生物才有可能在竞争中生存下来。”

“嗯,是这样的。”

“对于进行光合作用的植物来说,就是尽可能多的利用阳光,尤其是阳光稀少时,更要充分利用每一点阳光。”

“那如何充分利用呢?”

“如果有一部分蓝藻先走一步,发展出了一套生物钟系统,那么在日出前它就可以感知到黎明即将来临,让光合系统提前做好准备,这样阳光一出现就可以立刻吸取能量。”

“这样就比那些没有生物钟系统的蓝藻具有更大的生存优势?”

“对,具有生物钟系统的植物能吸收更多的能量,从而在竞争中具有更大优势,这就是生物钟的威力。除此之外,蓝藻在晚上也没闲着。”

“它在做什么?”

“进行DNA的修复。”

“为什么要在晚上做?”

“因为白天的日光里有紫外线,会严重损害DNA。而有了生物钟,蓝藻在白天就停止DNA修复,而到了晚上再进行。”

“哇,这也可以称得上植物的高级智慧了吧!”

“嗯,依靠一个生物钟,蓝藻既可以充分利用日光进行光合作用,同时又避开阳光里的紫外线保护DNA修复不受损害。”

“真聪明!对了,蓝藻的生命结构复杂吗?”

“一点也不复杂,甚至有点简陋,因为它仅有一个细胞!”

“蓝藻这么简单的生命居然都有生物钟。我觉得真是不可思议!”

“为什么呢?”

“要知道人类是多么聪明的一群人伽利略里、惠更斯,和多么厉害的能工巧匠哈里斯才发明并完善了机械钟!可是像蓝藻这么简单的生物,居然也能够发展出这么复杂的机制。我感到很难理解!”

“生命的奥秘确实和人类所理解的有很大差别。” 老师说道。

“而且,这个生物钟竟然也像机械钟那样可以自行走动,并且周期接近24小时。它是怎么做到的?生物体内究竟有什么神奇的机制?是单摆吗?还是压电效应?还是铯原子外围电子的状态迁移?一个小小的蓝藻怎么可能懂得这些!?”

“这个,正是诺贝尔奖获得者所努力发掘的!”

“那人们是怎么发现和解开生物钟的秘密的呢?”

“今天时间不多了,我们下次再聊吧。”

“好的,老师再见。”

“再见!”


参考文献

  • Roberto Refinetti,《近日生理学》,科学出版社,2009-8

  • 拉塞尔·福斯特,利昂·克赖茨曼,《生命的节奏》,当代中国出版社, 2004-11

  • 陈宗周,《环球科学·时间专刊》,环球科学编辑部,2016.5

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*****《时间之问》已由清华大学出版社2019.3出版 *****

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