在发表于《自然通讯》(Nature Communications)和《生命》(eLife)杂志上的两篇实验和理论论文中，芝加哥大学(University of Chicago)的科学家们研究了两种昼夜节律“时钟”的机制。他们的研究结果显示，细胞内的化学波动越多，它喜欢的时钟类型就越简单。
在一个24小时循环的星球上生活了几千年之后，几乎所有的物种都进化出了某种形式的时钟来记录时间，这也许并不奇怪。科学家们提出理论，知道下一顿饭要吃多久，或者你要在日出前多久回到洞穴，这些都是很有用的。
有两种类型的时钟已经进化。一个是像手表一样的“真正的”时钟，它有自己的内部机制来保持它的运转。这就是人类所拥有的。
“即使你没有看到日出日落，你仍然会在你的周期中醒来和入睡——这就是为什么你必须克服时差反应，”合著者、物理学助理教授阿尔温德•穆鲁根解释道。
另一种类型的时钟更像一个沙漏，需要通过外部的日常提示(如阳光)来重置。这些在细菌或其他小型生物体中更为常见。
研究人员想知道为什么有机体会倾向于其中之一。他们提出的问题是:每种时钟的缺点是什么?
研究人员之一、分子遗传学和细胞生物学副教授迈克尔·拉斯特说:“答案是，如果你体内的生物化学物质是嘈杂的或波动的，尤其是在小细胞中，这种情况可能尤其严重。
在一组正常的细胞中，当细胞增殖时，时钟(可以看到脉冲光)保持一致。
所有的细胞都使用一系列复杂的化学反应来完成它们的任务。从消化到感知到记录时间，一切都是由大量的生化反应完成的。通过理论和蓝藻细菌的实验，研究小组发现，这种内部的化学舞蹈越嘈杂，细胞的生物钟就越简单。
“为了发挥作用，时钟必须受到保护，不受这些内部波动的影响。例如，如果你的手表在房间里每变热10分钟就加速10分钟，那它就没什么用了。”
手表型的时钟有更多的运动部件，所以它们更容易坏掉。但更简单的时钟可能会被多云的天气愚弄。基本上，如果你的外部环境比较容易波动，你就需要一个手表时钟。但如果细胞内的情况更有可能波动，你就需要一个沙漏时钟。
在一组细胞中，当细胞增加“噪音”时，时钟就会失去同步。
“这有点令人惊讶，因为人们已经从一个角度研究生物波动很长时间了。这里有两种不同波动的鲜明例子，它们不能同时解决。”“具体的生物钟是如何工作的并不重要——如果它是许多细胞，比如人类的细胞，或者是一个细胞内的细菌——它只是振荡的物理本质和潜在动力系统的几何结构。”
发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这项实验研究由鲁斯特教授的实验室的贾斯汀·周(Justin Chew)领导，其他合著者包括尤金·雷朋斯基(Eugene Leypunskiy)和林燕妮(Jenny Lin)。
引文:“抑制蓝藻昼夜节律时钟的随机性需要高蛋白拷贝数。Chew等人，《自然通讯》，2018年8月1日。DOI: 10.1038 / s41467 – 018 – 05109 – 4
“生物物理时钟面临着内部和外部噪声阻力之间的权衡。Pittayakanchit et al, eLife, 2018年7月10日。DOI: 10.7554 / eLife.37624
资助:生命研究:西蒙斯基金会。自然传播研究:美国国立卫生研究院，皮尤生物医学学者奖。