汪波
《时间之问29》果蝇、单摆与会变色的化学溶液 精选
2018-5-27 09:48
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一个星期后,老师和学生又见面了。

“你还记得吗?上次我们说到瑞士植物学家阿方索·迪康多尔(Alphonse de Candolle)发现植物叶子的活动周期和地球自转周期并不完全相同。”

“嗯,不是刚好24小时。”

“对,所以迪康多尔认为植物内的昼夜规律应该是内生的,而不是靠外部环境提供的。”

“可是,有没有可能他测量得不太准?所以不是刚好24小时。”

“有这种可能,生物实验的对象是动植物,充满了各种不确定,不像物理实验那么精准。不过到了20世纪30年代,德国科学家欧文·宾宁对这一现象进行了更加细致的研究。不过这一次他研究的不是含羞草,而是菜豆。”

菜豆

“菜豆?他有什么发现?”

“他把菜豆放在恒定的黑暗环境中,精准测量出了菜豆叶子的张开和闭合的周期,发现也不是24小时,而是24.4小时。”

“嗯。可是我觉得仅仅测量几种植物并不能说明问题,并不能证明所有的生物都有独立的生物钟呀!”

“对,但是宾宁的实验激发了更多的科学家投入到这场大规模测量生物钟周期的潮流中来。人们研究了几百种无脊椎动物和哺乳动物,同样发现了昼夜节律。”

“都不是刚好24小时?能举一个例子吗?”

“比如,科学家把蟑螂一个滚轮中,这个滚轮有点像立起来的滚筒,只要蟑螂走动,滚轮就跟着转动,在滚轮的轴上接上信号线连到电脑就可以记录下滚轮的转动,也就是蟑螂的活动情况。蟑螂和滚轮处于一个恒定黑暗的环境里。”

“有什么发现?”

“科学家发现蟑螂仍然每隔24.5小时就活动2~3个小时,好像蟑螂知道昼夜变化一样。这意味着在全黑的环境里,蟑螂的昼夜节律是内生的,而不是受外部环境控制的。除此之外,科学家还发现了更多有意思的现象。”

“这次又是什么动物?”

“是蜜蜂。瑞士医生奥古斯特·福雷尔在山间度假时,每天早上在阳台上吃早餐。当他准备好果酱时,每天早晨总有蜜蜂准时光临,但在其它时间却从未有蜜蜂到来,好像每只蜜蜂都携带了一直手表,等着到点“开饭”。”

“聪明的蜜蜂。不过这能说明蜜蜂有生物钟吗?”

“当然没有那么简单。不过另外一项实验却更有说服力。马克斯·伦纳在法国的实验室里养了些蜜蜂,每天20:15给蜜蜂喂食,蜜蜂习惯后到了20:15就出来寻找食物。有一天,他携带这蜜蜂乘飞机来到纽约。这些蜜蜂仍旧如约而至出来寻找吃的,不过不是纽约时间20:15,而是法国当地时间20:15。”

“哈,蜜蜂上当了。”

“除了蜜蜂,人们甚至自己测量体内是否有生物钟。”

“哦,如何测试呢?”

“两名芝加哥大学的学者1938年在肯塔基州的洞穴里生活了32天,并记录下身体的各种生理指标的昼夜变化。”

“在深深的洞穴里生活这么久,会是一种什么样的体会?”

“那里伸手不见五指,侧耳不闻五音。在这样的洞穴里,恐怕只能听到自己的心跳吧,也许会听到地下水流的声音。这让我想起了春秋时期郑庄公和母亲在地下的深深的隧道内发生的故事。”

“哦,是怎么回事?”

“事情记录在《左转》里,《古文观止》把它列为第一篇。郑庄公的母亲生他时难产,母从那时起母亲就开始嫌弃他。后来郑庄公长大后,母亲宠爱次子,阻碍郑庄公即位,甚至纵容庄公的弟弟起来造反。她和庄公弟弟暗中谋划,准备在弟弟攻打首都时作为内应打开城门。庄公闻之后很生气,将计就计,不仅追杀了弟弟,与母亲也就此反目。郑庄公放下狠话,再也不想见到母亲,除非在地下黄泉。”

“后来呢?”

“很多年过去了,事情渐渐平淡了。郑庄公与母亲断绝来往的日子里,他的思母之情也在悄悄蔓延开来,最后一发难以收拾,他悔当初自己口出狂言,但作为国君又不好改口,他一时不知怎么办。”

“哦,一言既出驷马难追,何况君王!”

“后来大臣出了一个主意,命人挖了一个深及泉水的洞穴,母子先后进入,在黑暗而幽静的隧道里,母子二人又重新和好如初。郑庄公在隧道内握着母亲的手说:大隧之中,其乐也融融!出了隧道后母亲也回应说:大隧之外,其乐也泄泄!”

公入而赋:“大隧之中,其乐也融融!”姜出而赋:“大隧之外,其乐也泄泄!”遂为母子如初。

“哦,真是一个感人的故事。在这深深的隧道里,除了心跳和呼吸,能够永久不变的也许只有母爱了...”

“嗯,不过,那些在深深地下里做实验的科学家却认为还有一样东西是恒久不变的...”

“哦,是啊,光记得听故事了,差点忘记那些做实验的科学家了。”

“他们认为在这不见阳光的地方,生物的周期仍是恒久不变的。”

“对了,他们记录下了人体的体征信号的波动周期是多少小时?”

“比24小时稍多一点。到了二十世纪六十年代,一名法国人在阿尔卑斯山的地下洞穴中生活了2个月,也得到了类似的结果。”

身体的内部时间

“有意思。连真人都出动做实验了,这下所有人都相信生物体内都有生物钟了吧?”

“不,科学界仍有一些“钉子户”,他们固执地认为生物的节律仍有可能是跟随某些神秘的外部环境因素的而变化。”

“比如什么因素呢?”

“比如地球磁场、甚至宇宙射线等,都有可能是生物节律的元凶,至少没法排除其“作案”可能。”

“不是有这么多实验已经证明生物节律不是刚好24小时了吗?而且不同生物的节律周期也不同,为什么还有一些人为什么这么固执地不愿接受呢?”

“这些人中握着一个杀手锏:生物反应必须遵守Q10法则。”

“哦,什么是Q10法则?”

“温度每升高10度,生命体的新陈代谢率提高一倍。生物学里的Q10法则是最基本的法则之一,好像是物理学里的能量守恒定律。”

“这法则会影响生物钟的周期?”

“对,按照Q10法则,生物体内的所有生物化学反应的速度都会加倍,包括分子层面上所有反应,当然也包括生物钟。体温变化10度,生物钟可能加快一倍或者减半。”

“可是这对人体基本上没有影响吧?因为人的体温波动很小呀!”

“你说的对,但别忘了,还有变温动物!例如蛇、蜥蜴这些爬行动物,还有蟑螂等昆虫。要是他们的体温上升10度,那么它们体内的生物钟周期就会变为原来的一半,导致生物钟完全紊乱。”

“哦,是啊!我忘记了它们。要是生物钟周期紊乱会怎么样?”

“比如一个夜行动物,有可能会在大白天跑出来,被天敌吃掉。但实际上,这些动物的生物钟周期并没有出现大的波动。”

“也就是这些变温动物的生物钟居然不受温度变化的影响?”

“对。这正是以弗兰克·布朗(Frank Brown)为代表的一些科学家不承认生物钟的一个重要原因。”

“那坚持生物钟存在的科学家呢?他们拿出了什么新的证据吗?”

“挺“生物钟”的这一派科学家认为,如果能证明生物体内有一种所谓的“温度补偿”机制,就可以很好解释为什么生物钟周期不随温度而变化。”

“温度补偿机制?这是什么意思?”

“就是说,温度升高时,生物体会启动一种机制,抵消温度升高带来的生化反应速度加快的影响;反之亦然。”

“那这一派科学家是怎么寻找温度补偿机制的呢?”

“他们选取了果蝇来做实验,因为果蝇的羽化非常有规律,都发生在黎明,这样刚刚羽化的成年果蝇可以有足够的时间晒干翅膀。之前宾宁用果蝇的羽化做过实验,但是结果并不能证明温度补偿机制...”

果蝇

“哦, 他的实验结果是什么样的?”

“宾宁的实验显示,果蝇在26摄氏度时的羽化周期是27小时,而在16摄氏度时,羽化周期推迟了12个小时,变成了39小时。”

“也就是说,宾宁的实验反而证明了生物钟周期与温度有关?温度补偿不起作用?”

“对。挺生物钟的科学家如果要证明温度补偿效应,必须证明果蝇的羽化周期在高温和低温时都是一样的。”

“嗯,那如何验证呢?”

“1953年,一位科学家皮登卓伊想一马当前地跳了出来,要挑战这个难题,他准备重做宾宁的实验,以验证温度补偿效应。”

“嗯,有点不服来战的意思。”

“他在落基山的野外找到了一所废弃的房子,他把窗户用焦油纸封好,房间漆黑一片。他把几瓶果蝇蛹放在这间黑屋里,室温26摄氏度。而在屋外刚好有一条小溪,溪水温度始终是16摄氏度。他把另外几瓶果蝇蛹放进漆黑的高压锅里,并且把高压锅固定在小溪里,持续流动的溪水让高压锅内的温度保持在16摄氏度。”

“嗯,结果怎样?高温和低温下的羽化周期一致吗?”

“他发现,果蝇羽化的时间非常接近,低温下的羽化周期只晚了一个小时而已。”

“为什么这一次的实验低温下的羽化周期基本不变呢?”

“皮登卓伊也不清楚,但这个结果令他无比兴奋!”

“这下可以证明生物钟的温度补偿机制的存在了。”

“嗯,他回到了普林斯顿的实验室后又重复这个实验。可是这一次的结果却没有重复,和宾宁的一样,低温下第一次羽化高峰期整整延长了12小时!”

“这么蹊跷!”

“皮登卓伊的兴奋劲一扫而空。”

“真是大喜大悲!”

“可是他的学生们并没有放弃,继续不停地重复实验。终于他们观察到了与落基山上一样的实验结果:低温下第二次羽化高峰期仅仅比高温下延迟了一点。随后的几次实验,也都显示了同样的结果。”

“这背后到底发生了什么?”

“原来,温度剧烈变化时,比如果蝇蛹突然从26摄氏度放到16摄氏度的环境中时,正常的羽化节奏会在几个小时内受到强烈干扰,所以第一次羽化高峰被严重推迟。但当果蝇蛹适应了新的温度后,羽化周期又会恢复到原有的节奏。”

“为什么会这样?”

“果蝇的昼夜节奏只是被低温暂时扰乱而已,但一旦稳定下来后,总会回归到与高温时一致的羽化周期上来。”

“这就证明了生物钟存在温度补偿机制?”

“对。弗兰克·布朗对温度补偿是否存在的质疑虽然已被化解,人们却并没有完全回答这温度补偿机制到底是怎么起作用的。”

“哦,为什么呢?”

“因为时至今日,人们对生物钟的温度补偿机制的研究仍然没有完全弄清楚:到底背后是什么机制可以让生物钟在高低温时都如此稳定?”

“哦,是吗?没想到小小的果蝇让科学家如此伤脑筋!”

“嗯,是啊,回想一下18世纪,人类终于找到一种方法克服远洋航海中温度变化对时钟经度的影响,那个人是聪明手巧的哈里森,他发明了用两种膨胀系数不同的金属来抵消温度变化的巧妙方法。”

“哦,是啊,但这个发明远远晚于果蝇的具有温度补偿效应的生物钟。”

“嗯,到了20世纪,人类终于找到一种方法来补偿电子振荡器里温度变化对振荡周期的影响,采用的方法是找到两种温度系数相反的电压,然后让这两个电压叠加从而抵消温度效应。”

“嗯,这比果蝇的生物钟出现的时间就更晚了。”

“虽如此,人们毕竟还是知道这些人造时钟背后的机理。但是果蝇的生物钟,虽然已经出现了上亿年,但人类至今仍没有搞清楚背后的温度补偿机理。即使发明人造时钟的人是如此聪明,但他们发明的机械钟甚至不如小小果蝇的生物钟复杂!”

“哦,是啊!”

“所以下一次你见到果蝇时,别小看它,它的小脑袋里的隐藏的智慧可能远远多于你所知道的。”

“嗯,听说果蝇为科学进步立下了不少功劳。”

“对了,讲到这里,我们不妨回顾一下以前聊过的机械钟、电子振荡器,并且和现在聊的生物钟做一个简单比较。”

“嗯,这个有意思,我很感兴趣!”

“这几种时钟虽然功能、作用不尽相同,但背后的机理却有很多相似之处。最重要的是,它们都在来回做振荡。”

“嗯,我想起来了。单摆在左右摆动,电子振荡器的电压和电流也在上下摆动。”

“对,而生物体体内的各种指标也在随时间周期波动。如果把这些摆动都画出来,就可以得到一个随时间波动的图形。”

体温在一天之内周期性波动

电子时钟和机械波输出的正弦波

“它们看起来很相似,都很像正弦波吧?为什么机械、电子和生物的时钟,都会产生这种振荡呢?”

“我们以前讲过,之所以产生振荡是因为有两种驱动力---一种正向的驱动力和一种反向的驱动力。”

“哦,我想起来了。”

“正的驱动力使得状态偏离初始点,而负的驱动力会把状态重新拉回来。正负两种力量的一推一拉的过程中,形成了振荡,达到了动态的平衡。如果只有正驱动力,状态会越偏越远,而有了负的驱动力,就好像有了一个负反馈,就会形成稳定的振荡。”

“这么说,反馈是形成振荡的必要条件?”

“对,反馈为振荡提供了一种形式。这种反馈存在于几乎所有的系统中,包括生命体(生物钟)和非生命体(机械钟、电子钟表)。”

“可是话虽这么说,毕竟机械钟和生物钟相差还是很远呢!一个是有机体组成的或活泼泼的生命,而另一个是没有任何思想和自主性无生命的物体。”

“对,你说的有道理,生命体和非生命体之间横亘这一条鸿沟。但是1950年代,前苏联的一位科学家做的一个实验却为填平这条鸿沟埋下了第一铲土。”

“哦,是什么实验?”

“贝洛索夫有一次做实验,无意中发现了一种非常有意思的现象。他把两种溶液混合在一起,发现这种混合后的溶液的颜色不停变换。先从红色变到蓝色,然后又变了回来。就这样一直持续地变换。”

BZ化学振荡

“哦,这是一种纯化学反应?”

“对,就像机械振荡一样没有任何生命,没有任何意识来指导化学变换形成如此有规律的反应。”

“这个实验一定引起了轰动了吧?”

“不,正好相反。贝洛索夫把这一实验结果投稿到学术期刊,但是没有任何一个刊物愿意相信他的结果。他们认为一定是贝洛索夫搞错了,化学反应就像铁和氧气发生作用而生锈,怎么可能再重新让生锈的铁光亮如初呢?”

“哦,是啊,这个现象有悖常理。”

“于是这个结果就一直尘封起来,直到20多年后,一位研究生重现了这个现象,并把它发表在一个国际会议上,这引起了国际同行的关注。人们注意到这种现象正好是一种振荡现象。”

“那对立相反的两个因素分别是什么呢?”

“分别是两种溶液的浓度,当第一种溶液的比例渐渐升高,迫使另外一种溶液的浓度降低,但是第一种溶液会产生一种物质抑制自己浓度的继续上升,自己的浓度越高,抑制的力量也越强大,直到抑制的力量让上升的浓度达到极限并开始下降。第二种溶液的浓度开始上升,同样的也会产生一种物质抑制自身的无限增大。这样循环往复,就产生了两种溶液浓度的周期变化,就让溶液的颜色发生周期变化。”

“哦,这个和电子振荡器何其相似。”

“对,这说明化学反应可以产生振荡。例如,悬浮发酵酵母细胞的能量代谢试验表明:当定态代谢受到随后添加的发酵基质干扰时,其发酵能量的产生过程---称为糖酵解--就会以几分钟为一个周期开始振荡,随后就可以在无细胞的试管环境下对糖酵解过程中不同周期的振荡进行研究,此时它们除了化学反应就在没有其它激发因素了。而生物体内进行的正是这种生化反应。”

“所以在生物体也有可能产生这种周期性的反应?”

“对,科学家发现在合适的浓度和代谢速度下,生物化学反应也会产生节奏的过程。F-6-P和FDP的浓度最终会进入一个节律性变化的过程中,两者周期相同,步伐各异,此多彼少,互为消长。”

“那生化反应的周期取决于什么呢?”

“生物化学进程的放缓所造成的时间延迟对于产生节律性的变化是至关重要的。只要控制生化反应延缓额速度,就可以通过单纯通过化学性质实现24小时的昼夜节律。”

“这种由于生化反应产生的节律也会作用到动植物身上?”

“对,动植物的生物钟机制应该也具备类似的纯生物化学性质。生物化学反应也可以作为时钟。只不过仅仅是是用另外一些东西替代了F-6-P和FDP而已。”

“那到底是什么物质能实现生物体内的昼夜节律呢?”

“科学家们一直努力寻找生物钟,到了20世纪60年代,事情终于有了进展,科学家们终于定位到了人体生物钟的位置。”

“哦,在什么位置呢?是哪个器官呢?”

“今天时间不多了,我们下次再聊吧。”

“好的,老师再见。”

“再见!”

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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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