《生物時鐘解析》
植物生理步調 與環境同步
【本報記者陳幸萱】
和動物一樣，植物也有生物時鐘。最早在植物上觀察到的生物時鐘，是葉子會隨著日夜變化而擺動，即使去除光照之後，彷彿「還記得」之前的環境變化一般，葉子還會持續以過去的規律擺動一段時間。
中央研究院植物暨微生物學研究所副研究員吳素幸說，植物無法像動物一樣自由移動，所以對環境變化有更敏銳的反應。
植物細胞內有特殊的蛋白質，可以接收特定波長的光，判斷外在環境是可見光、紫外光多的白天，或遠紅光較多的傍晚，或是沒有光線的晚上。吳素幸說，這些蛋白質會收集解讀環境的光特性及訊息，透過基因表現，「告訴」植物體內的細胞現在該做什麼。
雖然在果蠅、哺乳類身上都同時存在正向、負向的回饋圈來調控生物時鐘，但根據過去的研究結果，植物家普遍認為，植物的生物時鐘主要由三個負向回饋圈組成，完成周期約24小時的持續循環。
植物會利用生物時鐘和環境進行同步化，將生理的步調調整至最佳狀態。藉由感受日光長短，植物可以知道什麼時候該儲存養分、傳粉者出現的季節是否到了、什麼時候可以結果等。
吳素幸說，農作物等到適合的時間進行開花結果，也會有比較好的產量。
科學家發現，如果以人為方式增加或減少植物每天的光照時間，可以改變植物開花的時間。農民也會利用光照時間的改變來調整花卉的花期。科學家也發現，當生物時鐘相關基因發生突變時，植物也會改變開花的時間。
吳素幸的研究團隊發現，基因可以控制阿拉伯芥生物時鐘的穩定性，當這個基因產生突變時，概日韻律（circadian rhythm）變成是18 小時，而非一般的24小時。
由於植物和環境互動大，生物時鐘穩定性的瓦解，也造成這個植物出現提早開花的現象。
吳素幸團隊從細胞學和分子機制，研究「1天只有18小時」的阿拉伯芥，發現阿拉伯芥生物時鐘的中心節律器（central oscillator）中，存在一正向迴饋的調控迴圈（positive feedback loop），由LWD1、PRR9兩個時鐘蛋白質（clock proteins）組成。
LWD1蛋白質會與PRR9之啟動子結合，促進PRR9基因表現；PRR9的基因表現量增加，也會促進LWD1基因表現，形成相互促進的正向迴圈，這個正向迴圈可以穩定植物以一天24小時為單位持續運作的生物時鐘。
吳素幸表示，這個研究結果有別於先前認知植物只有負向回饋圈的概念，經過近一年反覆驗證，研究團隊才提出找到第一個正向回饋圈研究結果。該論文已於今年2月刊載在美國植物科學期刊《植物細胞》（The Plant Cell）。
【2011-05-30/聯合報/AA3版/新聞中的科學】
光訊息、壓力 都會影響約日節律
【本報記者陳幸萱】
來自環境的訊息，例如光照或飲食，會校正並維持我們體內的生物時鐘。
長庚大學基礎醫學研究所副教授黃榮棋說，光訊息是生物時鐘最主要的校準機制。在人類視網膜上，有少數的特殊節細胞具有感光物質，可以將光線明暗、長短的訊息送給大腦中的視叉上核（SCN），控制約日節律的SCN，會再將約日訊息傳出去，轉給腦中控制不同生理參數活性的區域。
他解釋，每個器官都有約日節律的指揮，全身上下加起來，就如同多個指揮、各自指導其下的樂團合奏。而SCN就像是這些小樂團的「總指揮」，接到來自環境的訊息後，馬上往下送。但不同器官「會意過來」的時間不同，從幾小時到幾天都有。如果坐飛機到不同國家，肝臟大約需要2周才跟得上。身體器官、系統的不同步，最後反映在人體上，就成了時差。
不同的生物，感應光照的器官也不同，例如麻雀是在頭頂，植物的細胞內則有特殊的蛋白質和化合物做為光受體，記錄環境中的光照長短，送給支配約日節律的中心。
人體存在著許多約日節律，例如清晨血壓會迅速上升、到傍晚6時至7 時間達到最高，晚上9時，使人容易進入睡眠的褪黑激素開始分泌，到了清晨6時至8時間，褪黑激素分泌停止，人因此甦醒。黃榮棋提醒：「有沒有注意到，許多世界紀錄都是在傍晚時打破的？」這是因為血壓、體溫在傍晚時最高，心血管效率及肌肉張力在那時也最佳。
除了光訊息以外，飲食習慣也被認為是影響生物時鐘的重要的「非光訊息」。黃榮棋解釋，如果晚上找不到食物，也需要在白天出來攝食，可能會因此影響到生物時鐘。其他非光訊息還包括運動、壓力、代謝和環境溫度，最特別的是，社交生活也會影響人的約日節律。
【2011-05-30/聯合報/AA3版/新聞中的科學】
基因轉譯蛋白質 控制生物時鐘
【本報記者陳幸萱】
植物怎麼知道何時該開花、結果，飛雁為何在入秋後南飛，動物如何知道生殖季節到來？生物學家說：「時間就在我們的基因裡。」
從細菌、昆蟲、鳥、魚到人類，生物時鐘（biological clock）無所不在，彷彿烙印在生物體內，感受日、夜長短的變化及明暗的更迭，牽動各種節律。
人們坐飛機到不同的國家，身體會產生時差；值大夜班工作或熬夜，特別容易有心血管疾病或高血脂、肥胖等問題，這些都和生物時鐘有關。
經過許多觀察和實驗，發現即使沒有光照，生物體內的節律還是很明顯。生理學研究先驅里奇特（Curt Richter）隔絕陽光、聲音和其他外界刺激，研究大鼠的行為，發現在全黑的環境中，主要在夜裡活動的大鼠，活動高峰還是會維持在夜晚達12天之久。1990年代初，科學家也發現不管在恆暗或恆亮的環境下，猴子的體溫都維持24小時的節律。
透過生理學、分子生物學等研究，科學家發現，生物體內有一種「時鐘基因（clock gene）」，DNA經過轉譯後，開始生產特定的蛋白質，控制下游蛋白質執行功能，改變生理參數。當時鐘基因產生的蛋白質達到一定的量，則會開始抑制基因轉譯，等到蛋白質的量降低到一個程度，轉譯又再度開始。
長庚大學基礎醫學研究所副教授黃榮棋指出，這樣一個「迴圈」大約是24小時，稱為「約日時鐘（circadian clock）」。蛋白質的增加會使基因轉譯朝原本的反方向進行，因此稱為「負回饋圈」。人體的溫度在傍晚時分比較高，在清晨4、5時之間體溫最低，高低循環的周期大約24小時，就是這些迴圈作用的結果。
透過時鐘基因，蛋白質可以有負回饋圈或正回饋圈，環環相扣、形成複雜而和諧的生物時鐘。黃榮棋說，人類下視丘內的神經細胞的脈衝在白天高、晚上較低，神經脈衝送到腦核後，以此調控人體中其他器官的日夜節律。目前他正投入影響神經脈衝的蛋白質通道研究，希望能找出神經脈衝具有約日節律的原因。
【2011-05-30/聯合報/AA3版/新聞中的科學】
延伸閱讀
【本報訊】
1.潘震澤，《生活無處不科學》，三民出版。
2.Peretz Lavie著，潘震澤譯，《睡眠迷人的世界》（The Enchanted World of Sleep），遠流出版。
3.Jonathan Weiner著，莊安琪譯，《果蠅．基因．怪老頭：生物行為起源的探尋》，時報出版。
4.Russell G. Foster、Leon Kreitzman著，黃榮棋譯，《現在幾點鐘？：麻雀、黃金鼠以及所有生物都知道的事》，天下文化出版。
【2011-05-30/聯合報/AA3版/新聞中的科學】
必學單字大閱兵
【本報訊】
biological clock 生物時鐘
circadian rhythm 概日韻律，約日節律
circadian clock 概日時鐘，約日時鐘
suprachiasmatic nucleus，SCN 視叉上核
【2011-05-30/聯合報/AA3版/新聞中的科學】