理論上與生物鐘相關的問題中zui重要的，是迄今理解不多的睡眠。理解生物鐘可以解釋睡眠的相位（何時睡），但不能解釋睡眠本身。睡眠的機理目前理解很少。教科書中睡眠的內(nèi)容相當大部分是腦電圖的描繪，是現(xiàn)象的描述不是機理的理解。

2017年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予三名美國科學家邁克爾·楊（Michael W Young）、杰弗理·霍爾（Jeffrey C Hall）、邁克爾·羅斯巴希（Michael Rosbash），以表彰他們在研究生物鐘運行的分子機制方面的成就。

 評獎委員會說，人們過去知道，包括人類在內(nèi)的許多生物都有內(nèi)在的生物鐘，但其中原理卻長期不清楚。這些科學家以果蠅為對象，分離出能夠控制晝夜節(jié)律的基因，并在分子層面揭示了相關蛋白質(zhì)的工作機制。

運氣，外在而縹緲；

勇氣，內(nèi)生而實在。

運氣不會尋找勇氣；

勇氣可能碰到運氣。

在研究生物鐘基因的過程中，事先難以預料能否取得突破，事后分析發(fā)現(xiàn)勇氣足以成功，而運氣是錦上添花，雖然花開的特別燦爛。

生物鐘是生物體內(nèi)周而復始的節(jié)律，如人們熟知的：動物的晝行夜伏、植物的春華秋實…。常見的近24小時晝夜節(jié)律（circadian rhythm）是典型的生物鐘之一。

生物鐘現(xiàn)象看似簡單，其實不盡然。人們熟知的向日葵朝向太陽，并非每天太陽先出來、向日葵后轉(zhuǎn)向，而是向日葵先朝向、而后才有太陽姍姍來遲。

生物鐘的本質(zhì)難以入手，研究不容易。人們用電生理方法研究而不得入門，1971年從果蠅的一個基因出發(fā)開啟了生物鐘的基因研究，23年后才發(fā)現(xiàn)哺乳動物*個生物鐘基因的突變，26年后明確哺乳類的生物鐘基因與果蠅的類似，30年后才發(fā)現(xiàn)同果蠅一樣的基因也控制人類生物鐘。

驅(qū)動生物鐘的內(nèi)在機理隨著一個一個基因的發(fā)現(xiàn)和研究，逐漸明朗，從果蠅到人存在同樣一批控制生物鐘的基因，它們編碼的蛋白質(zhì)合作共事，節(jié)律性地調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的基因轉(zhuǎn)錄，都采用了負反饋模式，并與光和溫度等外界因素協(xié)調(diào)，從而對應于地球自轉(zhuǎn)的近24小時節(jié)律。

生物鐘的存在和意義

生物節(jié)律與其他節(jié)律一樣，有震蕩的幅度、周期、相位。

節(jié)律是生物鐘的外在表現(xiàn)，生物鐘是內(nèi)在的定時機理。生物鐘本身是自我維持的生理和行為節(jié)律發(fā)生器（pacemaker），可以受外界環(huán)境因素（zeitgebers）所導引、從而同步化。

生物有多種節(jié)律，不同的生物有著不同的節(jié)律，同一生物也有多種節(jié)律。有些動物每年一個周期的冬眠、有些植物每年一個周期的長葉落葉，動物還有更快的周期如呼吸和心跳…，而人們熟知的節(jié)律是晝夜節(jié)律。不僅大家熟悉的睡眠有晝夜節(jié)律，很多其他行為和生理指標也有晝夜節(jié)律。

現(xiàn)在知道，從簡單的單細胞藍綠藻（cynobacteria）細菌到多細胞的人，很多生物有生物鐘的存在，但并不清楚是否所有地球上的生物都有晝夜節(jié)律。晝夜節(jié)律周期接近24小時（常見22至25小時）。在環(huán)境線索缺乏時可以繼續(xù)維持，節(jié)律的相位由zui后一次環(huán)境線索（如光、或溫度等）所確定。在環(huán)境噪音中，節(jié)律照常運行。在一定范圍內(nèi)，節(jié)律周期并不隨溫度的改變而劇烈改變，有溫度補償機制，這不同于一般生化反應：如溫度每上升10℃，酶的催化活性提高一倍。

晝夜節(jié)律的生物學意義目前仍不清楚。當然在進化過程中，生物活動與地球自轉(zhuǎn)相匹配，也許可以節(jié)省能量、或提率。但如果沒節(jié)律又會怎么樣呢？藍綠藻有晝夜節(jié)律，把正常的藍綠藻與生物鐘周期異常的細菌在一起長期培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)zui后生物鐘正常的細菌占了絕大多數(shù)，由此可見生物鐘對生物體有利（Ouyang et al., 1998；Woelfle et al., 2004）。擬南芥的研究也觀察到，周期縮短或延長的擬南芥，其固碳量、生長、存活都是與環(huán)境設定晝夜周期相吻合的擬南芥，即：短周期突變株在20小時晝夜環(huán)境下生活得更好；而長周期突變株在28小時的模擬環(huán)境下更好（Dodd et al., 2005）。這些觀察，反映了只有當內(nèi)外源周期保持一致時才zui有利于植物生長。觀察到周期正常有利于植物，不等于能夠解釋為什么，所以我們?nèi)匀皇侵淙弧⒉恢渌匀弧?/span>

偷懶是創(chuàng)新之母

遺傳篩選的實驗設計是：建立檢測表型的方法，用致變劑誘導特定生物的不同基因發(fā)生突變，檢測不同突變種的表型。具體到果蠅的生物鐘，就應該是建立檢測生物鐘的方法，用化學誘變劑誘導不同基因突變，然后一只一只檢測果蠅，以便發(fā)現(xiàn)改變了晝夜節(jié)律的突變種。

當時沒人知道果蠅有約兩萬個基因，化學分子誘發(fā)隨機突變，只做兩萬只果蠅不夠，其中部分突變在相同基因，所以應該加幾倍，才可能大部分基因都突變過一次。因行為有漂移，一個基因的突變種，不能僅檢測一只果蠅，應該檢測幾只到幾十只。果蠅是二倍體，每個基因有兩套，一套壞了可以被另一個等位基因所代償，所以不要做子一代（F1）的篩選，而是F2代，傳代后再篩選，而F2代只有四分之一是同一基因突變的純合子那么需要篩選的數(shù)量應一兩百萬，才算做過全基因組的篩選。

檢測果蠅晝夜節(jié)律的標準方法，是將單只果蠅放到透明的管中，管子只容一只果蠅來回走動。一束光射過小管的中央，凡是果蠅走過管中央，計算機就記錄果蠅運動了一次。以此檢測果蠅活動的變化，發(fā)現(xiàn)確實有晝夜規(guī)律。如檢測很多果蠅，工作量比較大。

Konopka和Benzer用了兩個偷工減料方法來加快速度。其一是果蠅遺傳學*的attached X，可以快速檢測X染色體的突變。其二是他們決定不篩選晝夜節(jié)律，而篩另一節(jié)律：果蠅羽化。果蠅受精卵成為胚胎，發(fā)育成為幼蟲，三次蛻皮后成為蛹，蛹經(jīng)過羽化成為成蟲。

晝夜活動節(jié)律是果蠅成蟲每天經(jīng)歷一次、幾十天周而復始的循環(huán)。而果蠅一生僅羽化一次。羽化一般在黎明前，zui遲也在上午。三十年代到五十年代的研究明確提出羽化為獨立于溫度的生物鐘所控制（Kalmus，1935，1940a，1940b，Pittendrigh，1954）。但是，一生一次的羽化的生物鐘與成蟲每天的活動生物鐘，是否有關，當時并不清楚。

Konopka覺得羽化作為篩選方法很容易操作。用單只果蠅做經(jīng)典的晝夜活動規(guī)律檢測比較慢。如果用羽化作為篩選方法，就很便當：化學誘變處理得到各種突變的果蠅猴，Konopka每天上午不來上班，午后到實驗室把所有羽化的果蠅倒掉，留下其他蛹，下午到晚上再羽化的就是影響節(jié)律的突變種，因為它們的羽化時間不同于正常（所謂“野生型”）果蠅。這樣的方法大大簡化了檢測、加速了篩選。

運動監(jiān)視器

羽化監(jiān)視器

對于一個研究生來說，用如此簡單的方法，不難篩選幾萬只、幾十萬只、幾百萬只果蠅。但Konopka只篩選了不到兩百種品系的果蠅就得到*個突變品系，繼續(xù)篩選不到兩千種品系的果蠅再得到兩個突變品系。

他們用羽化篩到突變品系后，更重要的是用標準檢測運動的晝夜節(jié)律之方法看個體的晝夜活動是否變化，結果發(fā)現(xiàn)確實突變果蠅的運動晝夜節(jié)律異常。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)的三種品系的突變果蠅在表型上并不相同：一種沒有節(jié)律，一種節(jié)律周期長短加快到19小時，一種節(jié)律變慢到28小時。他們進一步將突變種與已有的其他突變交配，確立三種突變在染色體圖譜的大概位置，結果發(fā)現(xiàn)很近，他們進一步把三種突變相互交配，進行本哲發(fā)明的順反檢測，試圖確立它們是否同一基因，他們根據(jù)得到的結果推測三種突變可能是同一個基因的不同突變。他們把這個基因命名為period（簡寫per），無節(jié)律的為per0（per zero）、節(jié)律短的為pers（per short）、節(jié)律長的為perl（per long）。這里需要說明，他們進行的順反檢測并不嚴格，只做了反位（trans）的檢測沒做順位（cis）的檢測，所以只從1971年的文章不能*斷定三個突變是否同一基因，雖然當時的結果支持這一可能。

他們篩選的果蠅數(shù)量不多，卻得到了一個基因的三種不同方向的突變，因此顯得特別有運氣。

各種篩選和檢測生物鐘的方法，都有可能在一些非生物鐘關鍵的基因?qū)е碌耐蛔兌兴绊憽Ｍ粋€基因可以出現(xiàn)三個方向的突變，不僅是運氣，而且對于這個基因的功能也提供了很好的支持：很難設想不參與驅(qū)動生物鐘的基因可以導致三個不同方向的突變表型。如果三個突變確為一個基因的三種突變，那么per基因很可能是生物鐘的關鍵基因之一。

果蠅與哺乳類是否有類似的分子機理？

如果果蠅的per基因只是在果蠅和昆蟲起作用，那么意義就有限。如果找到高等動物的Per并因此開啟研究高等動物生物鐘的分子機理，那么意義就較大。

果蠅的per基因在1984年被克隆后，長期有人（如麻省大學伍斯特校區(qū)的Steven Reppert）試圖在高等動物中找到Per基因，但無果。一般來說，一個基因在低等動物中發(fā)現(xiàn)后，在高等動物中比較容易找到，有多種方法可以通過DNA序列相似性找到。找不到有幾種可能：Per在高等動物不存在，例如果蠅的生物鐘可能高等動物的生物鐘不同，也可以是果蠅和高等動物生物鐘大體類似但其中有分子不同（如果蠅用per但高等動物不用）；另一可能是研究者技術上的問題，在高等動物存在Per基因，但未被找到。從1984年到1997年的努力都找不到哺乳動物的per基因的情況下，很多人灰心地認為恐怕哺乳類無Per。

1997年，兩個實驗室歪打正著，找到老鼠和人的Per（Tei et al., 1997；Sun et al., 1997）。美國華人科學家在研究其他問題的時候，發(fā)現(xiàn)一個基因與per有序列相似性（Sun et al., 1997）。比較它們后知道，以前沒找到的原因是哺乳類的Per與果蠅的per基因在整個基因的相似性不很高，而局部很高。以前用整體去找很難找到，而用局部的困難在當時并不知道哪段是保守的。

哺乳類的Per基因有三個：Per1、Per2、Per3（Shearman et al., 1997），Per基因表達在SCN（Shearman et al., 1997），其表達隨晝夜節(jié)律變化而變化，這一節(jié)律受Clock基因的調(diào)節(jié)（Jin et al., 1999）。

1998年，霍爾—羅斯巴希組通過遺傳篩選，也在果蠅找到Jrk基因，發(fā)現(xiàn)就是果蠅的clock基因（Allada et al., 1998）。有趣的是，Steve Kay實驗室發(fā)現(xiàn)clock蛋白可以激活帶有per基因啟動子片段E-box驅(qū)動的熒光素（luciferase）報告基因的表達，這一激活能被per自身所抑制，從而較好地實現(xiàn)負反饋環(huán)路的閉合（Darlington et al., 1998）。

首先在果蠅發(fā)現(xiàn)的per基因終于在哺乳類找到了，而首先在老鼠發(fā)現(xiàn)的基因Clock也在果蠅中發(fā)現(xiàn)了，從昆蟲到哺乳類，生物鐘的基因看來高度保守。這雖然是基因水平，但提示機理也保守。

從研究來說，鉆研果蠅生物鐘的科學家們就不用再擔心是自己怪癖，而確實可能是探討和揭示動物相通的普遍機理。