一、什么是生物钟

钟是一种物质的运动形式，是大自然的节奏规律，是物质的普遍内在属性。生物钟是一个生物适应环境的古老的机制。生物钟是生物体内周而复始的节律，常见的近24小时昼夜节律是典型的生物钟之一。

人们很早注意到植物的某些节律性行为，比如含羞草，叶子白天舒展，夜晚则含羞而闭。1729年，法国天文学家、时间生物学家Jean-Jacques d′Ortous de Mairan开展了一项简单的实验：将含羞草置于黑暗的环境中观察叶片的变化。结果发现，哪怕在持续的黑暗中，含羞草的叶子依然会节律性地开关。当然，de Mairan并未意识到内在生物钟的存在，而是“哪怕没有阳光，含羞草依然能感受到太阳的存在”。不过de Mairan提到，温度改变是否会影响植物感知白天/黑夜值得尝试。30年之后，多名研究者重复了de Marian的实验，并检验和分析了他的设想，指出温度对含羞草叶片开关的节律并无明显影响。1823年，瑞士植物学家Augustin Pyramus de Candolle更进一步确认含羞草叶子开关的周期为22~23小时而非24小时，这是植物存在着内在节律的重要证据之一。

人体内的生物钟多种多样，人体的各种生理指标，如脉搏、体温、血压、体力、情绪、智力等都会随着昼夜变化做周期性变化。例如，体温早上4时最低，下午6时最高，相差大于1℃。生物钟的正常工作对人的健康起着重要作用。生物钟失调会导致失眠、体乏、抑郁、免疫功能低下，甚至产生包括肿瘤在内的各种疾病。根据生理生化活动的周期性变化，人们可以合理安排一天的活动，使工作和休息效率达到最高，也使身心健康状态达到最佳。

科学家经过多年的研究，已经对人体的许多生理生化活动的昼夜节律现象有了比较清楚的了解。

凌晨2:00：睡眠达到最大深度；

凌晨4:30：体温达到最低；

凌晨6:45：血压升高最快；

早晨7:30：褪黑素分泌停止；

早晨8:30：肠蠕动频繁发生；

早晨9:00：睾酮分泌量达到最高；

早晨10:00：头脑最清醒；

下午2:30：四肢活动配合最佳；

下午3:30：反应最灵敏；

下午5:00：心血管工作效率最高，肌肉强度最大；

下午6:00：血压最高；

晚上7:00：体温最高；

晚上9:00：褪黑素分泌开始；

晚上10:30：肠蠕动被抑制。

生物钟的循环基本上是一个基因表达的负反馈环路。在这个过程中有两个调控基因转录的异二聚体蛋白起了关键作用：一个是直接作用于DNA促进转录的转录因子CLK和CYC的二聚体CLK-CYC，另一个是抑制CLK-CYC转录功能的PER和TIM的二聚体PER-TIM。CLK-CYC的功能是促进一系列包括PER-TIM在内的和生物钟行为相关的基因的表达。这些基因的启动子部位都有一段称为E盒元件的DNA序列，CLK-CYC作用于E盒序列促进这些基因的表达。表达后的PER和TIM蛋白先在细胞质中逐渐累积，到了晚上当两种蛋白累积达到一定的量后又被转运到细胞核中转而抑制CLK-CYC的转录活性，从而抑制它们自己以及所有CLK-CYC下游基因的表达，减少被表达的量。而在细胞质中的PER蛋白被逐渐水解，从而构成了一个以24小时为周期的负反馈基因转录和翻译的振荡。

这种以24小时为周期的节律具有一种特性，就是它的起始点可以被光照重新设置。这个重设置过程也是一个由蛋白质介导的生物化学过程。在果蝇中，这个有重设置功能的蛋白称为cryptochrome（CRY）。CRY蛋白有感光的功能，它和TIM的相互作用是光依赖的，并且这种相互作用的结果是TIM的降解。而失去TIM的PER蛋白不稳定，最终也在有光照的白天被降解，其结果就是减少了对CLK-CYC二聚体功能的抑制，从而使得CLK-CYC介导的基因转录重新开始。

综上，生物钟具有以下的基本特征：①生物钟是内源的、自主的、不依赖于环境变化的生物节律；②昼夜节律的生物钟周期不是精确的24小时，而是接近于24小时；③生物钟具有温度补偿的性能，能在不同的温度条件下保持稳定；④光照不是产生节律的原因，但能够调节和重置昼夜节律生物钟的相并使其同步。