时间、周期与生物节律

公元5世纪的圣奥古斯丁（Saint Aurelius Augustinus）说：“我的灵魂在燃烧，因为我想知道时间是什么。”那么，时间是什么？圣奥古斯丁又说：“关于时间是什么这个问题，假如没有人问我，我是知道的；假如有人问我，我就回答不出。”

既然时间那么重要，古时候人们便总是倾向于认为有神灵掌管时间。在中国古代传说里，有一些时间之神，如噎鸣、羲和、常羲等。《山海经·海内经》云：“共工生后土，后土生噎鸣。噎鸣生岁十有二。”在古代神话中，羲和是太阳神之母的名字，传说她是帝俊的妻子，与帝俊生了十个儿子，都是太阳（金乌），这些太阳儿子住在东方大海的扶桑树上，轮流在天上值日。羲和还有另一个名字叫日御，她既是太阳儿子们的母亲，也是他们的车夫——太阳的使者。这个传说倒是和古希腊的太阳神驾着金马车巡视天宇的神话故事有些许相通之处。不过，羲和的十个太阳儿子后来不守法令，被后羿射掉了九个。常羲是羲和的妹妹，与羲和同为帝俊之妻。常羲是中国神话传说中的月亮之母，生了十二个月亮，象征着一年里的十二个月份。生下月亮后，常羲经常在日月山里给她的月亮孩子们洗浴。

这些上古时代神话中的人物，要么生太阳要么生月亮，迥非凡人。实际上，他们很可能是当时负责制定历法的官员，后来被尊崇和神化了，这一点从《尚书·尧典》“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授民时”的说法里也可以看出。

在希腊神话里，柯罗诺斯（Chronos）是时间之神，到了希腊罗马的艺术作品中，他被描述成一个转动黄道带的神，而且罗马人给他取了个新的名字“伊恩”（Aeon）。Aeon翻译为中文是“永世”的意思，也表示极长的时间，同时也是一个时间单位，一个Aeon表示10亿年。在近代艺术作品中，伊恩通常以手执镰刀的老者形象出现。在神话里，时间之神拿着镰刀，而死神手里也拿着镰刀，但是两者存在明显不同。时间之神是人脸而非死神的骷髅脸，时间之神像天使一样长着翅膀，手里还拿着个计时用的沙漏。

比利时文学家梅特林克（Maurice Maeterlinck）在剧作《青鸟》里，把时间具象化了：在主人公的梦境里，所有物体都有了生命和灵魂，其中也包括时钟。故事里，一个老钟露出了慈祥的笑脸，钟摆下面的一扇门打开，象征着不同钟点的人手牵手走出来，在音乐声里翩翩起舞。

怎么标记时间

尽管我们难以说清楚时间的概念，但是在生活里我们都要通过各种计时手段来计量和利用时间。从古至今，人类的计时手段和技术也是不断进步的。古代的计时工具有日晷、滴漏等。到了现代，计时方法和技术不断飞跃，有机械计时甚至原子钟计时。

历史上的一些计时方法非常有趣。燃烧蜡烛或焚香计时在古代是很常用的计时方法，尽管不太准确。今天，我们经常网购然后让快递公司给我们寄送东西，快递哥每天辛勤忙碌，通过接力将邮件从出发地送至目的地。在我国古代，快递哥被称为邮差或驿使，他们靠走路、骑马运送邮件。由于工作非常辛苦，这些古代的快递哥们常会抽空打个盹，然后继续赶路。为了不睡过头，他们睡觉时会点燃一截香，夹在脚指头之间，这样当香烧完时就会痛醒，不会耽误工作。但是香燃烧的速度很不稳定，因此用烧香来计时很不准确，只能用于非常粗略的计时。

明代抗倭英雄戚继光平时对军队训练非常严格，即使军士伤痕累累也在所不惜。但是在战斗时他非常谨慎、细致，他的军队里备有不同月份每天的日出和日落时间表。当时还没有钟表，他用740颗念珠作为代用品，按标准步伐的频率每走动一步就移动一颗念珠，作为计算时间的根据。740难以被12个时辰整除，不过只要军队内部统一使用这种计时方法那就问题不大。戚家军战无不胜，在各种致胜因素当中，遵从时间进行军事行动也非常重要。

在英国伦敦海事博物馆里，陈列着中国古代一个简单而精美的计时工具，外形如同龙舟的香槽，在香槽里从前到后平铺一层香末，在香槽等距离挂上两端用丝线系住的小铁球。在龙背的香槽里点燃香，香从头部慢慢烧向尾部，在燃烧过程中会依次烧断上方的丝线，两端的小铁球便会掉落，根据烧到第几根丝线或落下小铁球的数目就可以推断过了多少时间。这个计时工具看起来非常美观，准确性可能就差强人意了。

时至今日，在南方的一些寺庙里，还可以看到螺旋状的盘香，每个盘香可以燃烧很长时间，长达十天半个月之久。当然，现在燃这种香的目的是为了保持宗教或传统的仪式感，而不是为了计时。与焚香计时类似，古人也用蜡烛燃烧来计时。例如古罗马人制作带有刻度线的烛台，在蜡烛后面从上到下标有数字，可以通过蜡烛烧剩的长度来判断时间。

早在公元前3世纪，古希腊工程师斐洛（Philo）就发明了擒纵器用于洗脸台上控制水流。李约瑟（Joseph Needham）认为，中国早在唐朝，僧人一行和画家、天文仪器制造家梁令瓒就已经设计出具有擒纵器功能的装置，并将之运用在古老的水运浑天仪中，但由于资料记载非常少，至今难以确认。到了宋代，苏颂制造的水运仪象台也包含了具有擒纵器功能的装置，并被广为记载。从字面上看，擒纵是收放的意思。我们都知道诸葛亮对孟获七擒七纵，就是抓住了七次，又释放了七次。各种钟表的工作原理不尽相同，以机械表为例，里面的擒纵器机构的主要功能是调控齿轮旋转的速度，维持稳定的转速，使之不至于越来越快或越来越慢，从而保证计时的准确性。

一定长度的钟摆、厚薄和尺寸恒定的石英片，都有其固定的振荡频率，因此可以用它们制造钟表，作计时之用。用于制作石英表的石英片被做成微小音叉的形状，受到电脉冲时每秒钟会产生32 768（2 ¹⁵ ）赫兹的振动。由于石英的振荡频率精确，石英钟表的误差一般每天不超过半秒。目前世界上最为精确的是原子钟，利用电子的能量跃迁来计时，最早由美国科学家拉比（Isodor Rabi）发明。同种物质原子的电子在从一个能量态跃迁至较低的能量态时，会释放电磁波，而这种电磁波的频率是固定的，称为共振频率。例如，铯133的共振频率为每秒9 192631 770次，可以据此计时。我国“天宫二号”空间站里搭载的冷原子钟精度可以达到每3000万年误差不超过1秒。现在甚至出现了量子钟，2010年美国国家标准技术研究院制造的量子钟，其精度据称可达每37亿年误差不超过1秒。

生活在地球上不同时区的人使用不同的时间，我们也知道不同时区之间的时间差一定是小时的整数倍。例如：伦敦位于零时区，北京位于东八时区，两个地区相差8个时区即8个小时，那么扣除这8小时，两个地方的时间就是一样的。当然，在计算时也要注意英国使用夏令时，可能会使计算结果多出或减少1个小时。但是，无论怎样，北京和伦敦时间差总是小时的整数倍。那么，排除了时区这个因素，人们使用的时间就是相同的吗？

我以前也是这么认为的，直到2015年我去法国波尔多做抛物线飞机实验，发现飞机上使用的GPS（全球定位系统）时间与当地所在时区的时间（地方标准时）并不对应，而且相差并非小时的整数倍。之后我又发现，除GPS时间外，还有协调世界时（UTC）、国际原子时（TAI）等。即使刨去时差因素，它们中的一些计时方式与当地标准时间相差也并不是小时的整数倍，例如GPS时间与地方标准时大约相差18秒，而国际原子时与地方标准时相差大约33秒。当时，幸亏我发现了时间的不同，否则我们的数据分析就会出现很大偏差。

我们有着共同的时间，却又使用不同的计时方式。不管使用何种计时方式，我们都离不开时间。

时间的周期

当我们在远离城市的地方仰望星空，一年中多数时间都可以看到乳白色的银河跨过天际。在深邃而浩淼的宇宙里，银河系只不过是无数星系中的一个，而在银河系中，太阳系这样的小星系数不胜数，我们所生活的地球便是太阳系里的一颗行星。银河系像个大转盘，包括太阳系在内的很多小星系围绕银河系的中心高速旋转。太阳系绕银河系一圈要花上两亿两千六百万年，这个周期可真是名符其实的天文数字，大到我们难以想象。与之相比，从人类在地球上出现至今，也不过大约20万年而已。

我们再来看比较短的周期。有一颗围绕太阳系运转的哈雷彗星，大约每76年转一圈，如果你刚好在年幼时见过哈雷彗星并且寿命足够长，那么就有机会在年老时再次看见它。如果寿命不到76年或者运气不好，那么一生就只能看到一次哈雷彗星，甚至无缘与它相见。

空间站绕地球转一圈的时间大约为90分钟，118号元素奥（Og）的半衰期大约为0.89毫秒，中性π介子（π ⁰ ）的寿命大约为8.4×10 ^-17 秒。最令人惊讶的是Z粒子的寿命，只有3×10 ^-25 秒，短到无法想象，弹指间可以有无数的中性π介子或Z玻色子灰飞湮灭。

在动画片《阿森一族》（ The Simpsons ）里，有一段情节是，从主人公辛普森（Homer Simpson）开始，尺度不断扩大，从他的一根头发到地球，太阳系，银河系，星云，宇宙。然后出现戏剧性的转换：宇宙成了一个粒子，粒子再扩大到原子、分子，扩大到染色体，扩大到细胞，最后扩大为另一个维度的辛普森的一根头发。

宏观尺度太大，难以想象，而微观尺度看不见、摸不着，很抽象，感觉距离我们也非常遥远。

只有那些尺度不太大也不太小的周期与我们人类的生活有着比较紧密的关系，我们对它们也有比较直观的感受。例如，我们熟知的地球绕太阳公转一周需要一年时间，月亮阴晴圆缺的周期是大约28天，日出日落是一天的时间，潮起潮落同样有着自己的周期，等等。美国黄石公园是世界上第一个国家公园，地貌独特。公园里有一眼名为老忠实（Old Faithful）的间歇热泉，这个热泉每隔90分钟左右喷发一次，喷发时阵阵炙热的水汽从地下冒出来，直冲云霄。“老忠实”这个名字就来自它喷发的规律性，每年都有无数游客前来观看，称奇不已。如果运气好，游客到达时老忠实刚好就要喷发；如果运气不好，游客到达时老忠实刚喷发完，那么就得等上一个半小时。

日中则移，月满则亏。物盛则衰，天地之常数也。星体、环境具有各自的运行周期。相应地，也就存在各种各样的节律。在人类的生活里，我们最为熟悉的莫过于每天的节律、潮汐的节律、每个月的节律以及一年四季的节律了。

形形色色的生物节律

四时天之吏，日月天之使。诚如美国历史地理学家房龙（Hendrik WillemVan Loon，1882—1944）所言：在与我们毗邻的数百万个天体中，有两个对我们的生存有着最为直接和显著的影响，那就是太阳和月亮。加上地球在内，这三个星球的运转周期会造成地球上光照、温度、湿度、潮汐、引力、磁场等环境因素呈现出各种不同的周期性变化，受此影响，地球上包括人类在内的很多生物生理和行为也会表现出时间上的规律性，也就是说，具有周期性的节律特征，科学家称之为“生物节律”。

花朵是植物美丽的婚房，色彩鲜艳，气味芬芳。自古以来，人类为之倾倒，或采撷以赠佳人，或作文以赞美之，或以丹青描绘之。植物不仅光合作用等重要生理过程具有昼夜和季节的周期性，花朵的开放也具有周期性。邓椿在《画继》一书中记载，宋徽宗赵佶召画师作画，对众人的作品都不满意，唯独重赏一位画月季的画家。他解释了其中的原因：“月季鲜有能画者，盖四时、朝暮、花、蕊、叶皆不同。此作春时日中者，无毫发差。”这位画师准确地描绘出了月季花在春日正午时的形态。

严复在《天演论》中说：“怒生之草，交加之藤，势如争长相雄，各据一抔壤土，夏与畏日争，冬与严霜争，四时之内，飘风怒吹，或西发西洋，或东起北海，旁午交扇，无时而息。”这段文字反映了两个事情，一是在一年四季中，气候是周期性变化的，夏天有烈日，冬天有霜雪，不同季节风向也不同。第二个事情是，草藤等植物为了生存，面临四季变化的巨大环境压力。只有能适应季节性的环境变化，植物和其他生物才能生存下来，否则只能被无情淘汰。

古希腊的亚里士多德（Aristotle）在他的巨著《动物志》里提到，一切动物的生活习性之养成均与生殖育幼或寻觅所需食料两事有关。亚氏还指出：这些习性又因适应其所处环境的冷暖与季节的更替而有所变化。一切动物对于温度的变化皆具有感应的本能，恰如人类于冬季则避风雪于房屋之中，如富有庄园的人消暑于清凉境界或到阳光充足的地区过冬，各种动物之善于行动者也随季节更换而频迁其居处。亚氏在这里所说的，就是动物及人的季节性迁徙节律。

燕子可谓季节性迁徙的代表动物，绘制出植物花钟的瑞典植物学家林奈（Carl von Linné）看到燕子在秋天消失，春天重现，便认为燕子到了秋天就会沉入江河，在水下过冬。这种想法当然是错误的，是当时知识的局限造成的。燕子是候鸟，冬天飞至南方越冬，春天返回。以前房屋的封闭性没那么好，家燕经常在百姓屋中的房梁上构巢筑窝。唐朝文学家王维在《春中田园作》一诗中写道：“屋上春鸠鸣，村边杏花白。持斧伐远扬，荷锄觇泉脉。归燕识故巢，旧人看新历。临觞忽不御，惆怅远行客。”从这首诗可以看出，北归的燕子不但认得方向，甚至还识得旧巢，第二年仍然会回到原来的人家。

人虽然是恒温动物，但实际上在一天当中体温是有变化的。1845年，英国内科医生大卫（John Davy，1790—1868）连续测量了一个月体温，发现自己的体温在白天时较高，而在夜晚时较低，白天与夜晚相差大约1℃。1868年，文德利希（Carl Wunderlich）继续了这一实验，检测和记录了25 000个人的腋窝温度，总共采集了超过100万个数据，他的分析结果证实，体温确实存在昼夜的节律性变化，晚上7:00—8:00体温最高，在凌晨5:00左右体温最低。

大卫

文德利希

除了体温，人的血压、脉搏、呼吸、血糖浓度，以及血液中血红蛋白的含量、氨基酸含量、肾上腺素等激素的含量等生理指标，都会表现出昼夜变化的规律。早在1965年，研究生物钟的一位先驱阿朔夫（Jürgen Aschoff）曾经断言：无论检测什么生理指标，我们都会发现该值在一天当中某段时间出现最大值，而在一天当中另外某个时段出现最小值。

人的体温昼夜相差约1℃，振幅不是很大，有些动物的体温振幅比人明显得多。沙漠之舟骆驼的体温在白天时可高达41℃，而在夜间可降至34℃。骆驼白天体温高，不需要像体温低的动物那样通过排汗蒸发大量水分才能维持低温，因此较高的体温有利于保持体内的水分，这对于骆驼适应沙漠的严酷环境是具有重要意义的。

人的体温不仅表现出昼夜的节律性变化，还会表现出其他形式的节律特征。例如，成年女性的体温还会随月经周期表现出月节律的特征。月节律控制着许多生物的节律，早在古希腊时代，亚里士多德就发现每个月满月的时候海胆的卵巢尺寸最大。西塞罗（Marcus Tullius Cicero，前106—前43）发现牡蛎的肉随着月盈月缺而增加和减少。

一些爬行动物、两栖动物的体色在一天中会发生变化，夜晚颜色深，白天颜色浅。这当然是与环境相适应的：白天光线强，较浅的体色更接近环境景物，难以被天敌或猎物发现；而夜晚光线很微弱，体色较深才不易被发现。蜥蜴或蟾蜍的体色在白天和夜晚会变化，这是否只是对环境简单的反应呢？将这些动物养在持续黑暗或者持续光照的环境下，它们的体色仍然会表现出明显的节律，虽然体色的变化差异没有昼夜条件下那么明显。

鸵鸟的体色不像两栖、爬行动物那样可以变化，但是鸵鸟也会利用体色来保护自己。雄性鸵鸟的体色是深黑色的，而雌性鸵鸟的体色是棕灰色的。在孵蛋期间，雌雄会进行分工，雌鸟白天孵蛋而雄鸟夜晚孵蛋，这样不容易被其他动物发现，可以减少孵蛋期间的干扰。

球孢水玉霉（ Pilobolus umbonatus ）是一种生活在食草动物粪便上的真菌，晶莹剔透，如玉如珠，可谓“出污粪而不染”。菌柄的上部膨成椭圆形，称为孢子囊泡，晶莹剔透，顶端有个黑色的孢子囊。水玉霉每个孢子囊可以射出一个小黑球似的孢子团，孢子团里有很多孢子，可以无性繁殖。孢子囊总是向着有光的方向生长。水玉霉射出孢子团的速度惊人，可以达到每秒5—10米，相当于每小时18—36千米，比一般人骑自行车的速度还快，就像植物大战僵尸里的豌豆射手。水玉霉的孢子释放也是有节律的，总是在每天清晨发育成熟，每天中午前后向着光源喷射。

黑色小球即是孢子囊，里面有很多孢子。水玉霉（左）及其喷射孢子团的示意图（右）（左图由周晴烽拍摄并授权使用）

节律的周期有长有短，有周期大于24小时的各种节律，也有很多周期小于24小时的节律，比如我们上面提到的潮汐节律、心跳的节律、神经细胞放电的节律，等等。其中潮汐节律、昼夜节律、季节节律等，都是与我们所处的自然环境密不可分的。 es9ZtCvL0AvrLzJnfiI/k2TV+f5ZLxnQ/nP+DEgaRuQ2JStDBwU9+mwo/crAaCja