生物钟通过在温暖条件下改变基因的功能来维持 24 小时周期

日本理化学研究所跨学科理论与数学科学中心 (iTHEMS) 的黑泽元 (Gen Kurosawa) 领导的研究人员利用理论物理学发现，即使温度发生变化，我们的生物钟如何保持稳定的 24 小时周期。

他们发现，这种稳定性是通过基因活动节律在较高温度下“形状”的细微变化实现的，这一过程被称为波形畸变。这一过程不仅有助于保持准确的时间，还会影响我们体内的生物钟与昼夜循环的同步程度。这项研究发表在《公共科学图书馆·计算生物学》杂志上。

你有没有想过，你的身体是如何知道何时该睡觉或醒来的？答案很简单：你的身体有一个大约24小时循环的生物钟。但由于大多数化学反应会随着温度升高而加速，因此，身体如何适应一年四季的温度变化——甚至在炎热的夏天和凉爽的空调房间之间来回切换——一直是个谜。

生物钟的工作原理是，当某些基因有节奏地开启和关闭时，mRNA（编码蛋白质生成的分子）水平会发生周期性波动。正如钟摆的运动可以用数学正弦波来描述，平稳地上升和下降，mRNA 生成和衰减的节律也可以用振荡波来表示。

日本理化学研究所 (RIKEN) iTHEMS 的黑泽明团队与京都大学 YITP 的同事合作，运用理论物理方法分析了描述 mRNA 节律性振荡的数学模型。他们特别使用了重正化群方法，这是一种强大的物理学工具，可以从 mRNA 节律系统中提取关键的、缓慢变化的动态过程。

分析表明，随着温度升高，mRNA水平上升更快，下降更慢，但一个周期的持续时间保持不变。在图表上，高温下的这种节律看起来像一个扭曲的、不对称的波。

为了在生物体中验证理论结论，研究人员分析了果蝇和小鼠的实验数据。结果发现，在高温下，这些动物表现出了预测的波形畸变，这证实了理论模型的正确性。

科学家们得出结论，波形畸变是生物钟温度补偿的关键，具体来说是减缓每个周期中 mRNA 水平的下降。

研究团队还发现，波形畸变会影响生物钟与外界刺激（例如光亮和黑暗）同步的能力。分析表明，波形畸变越大，生物钟就越稳定，受外界刺激的影响也越小。

这一理论结论与苍蝇和真菌的实验观察结果相一致，这一点很重要，因为不规则的昼夜循环已经成为大多数人现代生活的一部分。

黑泽明说：“我们的研究结果表明，波形失真是生物钟如何保持准确和同步的关键因素，即使温度发生变化。”

他补充说，未来的研究可以集中于识别减缓mRNA水平下降并导致波形畸变的分子机制。研究人员还希望研究这种畸变在不同物种甚至不同个体之间的差异，因为年龄和个体差异会影响生物钟的功能。

“从长远来看，”黑泽明指出，“生物钟基因波形畸变的程度可以成为一种生物标记，帮助我们更好地理解睡眠障碍、时差以及衰老对生物钟的影响。它还能揭示普遍存在的节律模式——不仅在生物学中，而且在任何具有重复周期的系统中。”