天文学家的生物钟实验

在广袤无垠的宇宙里，有许多绚丽而奇幻的星云，其中包括猎户座大星云。在猎户座大星云里，有一个编号为M43的星云，也称为梅西尔43、迪马伦星云（theGreat Orion Nebula M43，或De Mairan’s Nebula）。M43星云最早是由法国天文学家迪马伦（Jean-Jacques Dortous de Mairan）在1731年之前发现的，所以这个星云也以他的名字命名。

迪马伦是一位卓越的天文学家，作出过许多重要的科学发现。为了纪念迪马伦，月球上虹湾和露湾之间的一座环形山以他的名字命名，称为迪马伦环形山（Mairan Crater）。在离迪马伦环形山不远的地方，还有一条南北长约100千米的月谷，也以他的名字命名，称为迪马伦裂缝（Rima Mairan）。

迪马伦的含羞草实验

我们在这里不是要跳出生物钟，来谈天文学，之所以提到迪马伦，是因为他不仅是天文学家，也被认为是生物钟研究的先驱人物。他在发现M43星云前两年，于1729年时“心血来潮”拿含羞草做了一个生物节律的实验。含羞草在白天时需要进行光合作用，羽状叶片都是舒张开来的，而我们都知道含羞草很“害羞”，当我们用手指碰它时它的羽状叶片就会收缩、合拢，过一会儿叶片又会重新张开。到了傍晚，即使不去碰它，含羞草的叶片也会合拢起来，直到第二天早晨才又张开。也就是说，含羞草在自然的昼夜交替环境里，其叶片的运动具有24小时的周期。

实际上，人们在远古时代就已经注意到了植物叶片的运动节律。古希腊萨索斯岛的安德罗斯申尼斯（Androsthenes of Thasos）曾经作为一名战船指挥官，跟随马其顿国王亚历山大大帝征战印度，亚历山大大帝还曾派他从印度河前往波斯湾地区，在这一地区他看见一种植物的叶片会在夜间合拢，而在白天舒展，他记录了这一现象：“……另一种树树叶茂盛……它的树叶在夜晚合拢，而在日出后开始舒展，到中午时充分展开，傍晚时又开始合拢。到了夜晚时完全合拢，当地人说这种植物睡觉了。”

安德罗斯申尼斯所记述的树木名叫罗望子，也称酸角，果肉可以加工成酸角糕等食品。很多植物都有与罗望子类似的现象，即叶片在夜晚合拢而在白天张开，包括常见的含羞草、酢浆草、马齿苋等。其他很多植物叶片也存在白天与夜晚的运动变化，只是没有那么明显。

植物叶片的昼夜运动现象很多人都注意到，并被深深吸引，其中包括大名鼎鼎的达尔文。1880年，达尔文还和他的儿子合写了一本书，名为《植物运动的力量》，里面提到了植物叶片的昼夜运动。但是，尽管这些科学家对植物的运动很感兴趣，他们却都未能找到有效的途径对生物节律的现象进行深入研究。

迪马伦也知道含羞草的这些特征，但他没有局限于此，而是更进了一步，做了一个具有开创意义的实验。他将一株含羞草放到避光的柜子里，然后观察它叶片的张开、合拢情况。结果出乎迪马伦的预料：在黑暗的柜子里，含羞草仍然像在自然的光暗交替环境里一样，在柜子外面是白天的时候叶片张开，在夜晚时叶片合拢，仿佛黑夜是一只手，不停地抚摸含羞草，使它的叶片合拢。迪马伦在1729年夏天时把这个实验重复了几次，屡试不爽。

迪马伦的实验说明，并非是黑夜之手的触摸使得含羞草的叶片在夜晚始终处于合拢状态，而可能是由于含羞草具有自发、内在的生物钟，可以感知外界的昼夜变化。更难能可贵的是，迪马伦在做了含羞草实验后，还联想到一些常年卧床的病人即使生活在用厚厚窗帘遮挡住户外光线的室内，也能够判断出是白天还是黑夜。尽管在那个时代他的这个想法还处于萌芽阶段，很不完善，但后来的研究确实表明，生物钟的调控机制在动物、植物和微生物等不同生物中是高度相似的。

迪马伦是法国杰出的地球物理学家、天文学家以及时间生物学家。除了猎户座M43星云外，迪马伦还对其他很多问题感兴趣，包括极光和地球的形状等。如果说一个没有做过生物钟实验的天文学家不是一个好的地球物理学家，那么这句话对迪马伦是不适用的，他在这几个领域都作出过杰出贡献。迪马伦还长期担任皇家科学院的重要职务。那么，这位天文学家怎么“不务正业”，做起生物钟的实验来了呢？

尺表能审玑衡之度，寸管能测往复之气。小小的含羞草叶片的昼夜运动节律所反映的正是地球自转的周期，这也可能是迪马伦这个天文学家研究含羞草叶片运动节律的原因。

生活在18世纪的迪马伦还曾经思考过与中国古代科技发展有关的一些问题。20世纪30年代，英国科学史家李约瑟曾提出这样一个问题：近代科学为什么只在17世纪伽利略时代的西方发展，而没有在中国文明中产生？事实上早在18世纪，迪马伦就提出了类似的问题。迪马伦认为导致近代中国科技落后的原因有两个，一是知识分子从事科学研究难以得到认可；二是中国处于封闭环境里，缺乏刺激与竞争。

迪马伦曾经生活的地方位于现在法国南部的贝济耶，市中心有一条名为Mairan的街道。这个小城市附近还有一个名为迪马伦的酒庄（Domaine de Mai-ran），出产的葡萄酒也是以de Mairan命名。我曾通过电子邮件联系这个酒庄的老板，酒庄老板在回信中解释说他并不是迪马伦的后代，但是他的祖先买下了这块迪马伦曾经生活过的土地，建立了葡萄园，迄今已有130多年。酒庄老板希望我有机会前去访问，在酒庄里走走，品尝他们的葡萄酒。酒庄老板还不无幽默地说，去他那里品尝美酒或许对推动我的生物钟研究工作有所裨益，因为这酒是用迪马伦曾经走过的土地上种植的葡萄酿造出来的。

节律的内源性

迪马伦的实验意味着含羞草可能存在内在的时钟，即使在持续的黑暗条件下仍然会控制叶片的张开和合拢，并保持24小时的周期。但是，这样下结论是有漏洞的，因为迪马伦的实验尽管保持了持续的黑暗条件，但环境的温度仍然有昼夜变化，白天温度高而夜晚温度低。此外，空气中的湿度以及大气压等因素的昼夜变化在迪马伦的实验里都未能加以排除。因此，含羞草的叶片运动节律可能是因为感知到了温度等因素的昼夜变化。那么，如果这些环境因素也保持不变，含羞草的叶片是否还会表现出昼夜运动的节律呢？

法国植物学家迪蒙索（Henri-Louis Duhamel du Monceau）在1758年重复了迪马伦的实验，他对迪马伦的实验结果有所怀疑，认为可能是由于光泄漏而造成的假象。为了验证这一想法，迪蒙索在1758年重复了好几次实验。起初，他把植物放在葡萄酒的酒窖里，酒窖里没有通风口，这样就不会有光泄漏进来。他每次带着蜡烛进去看叶片的状态，连续观察了好几天，含羞草叶片都会表现出张开、合拢的节律。他仍然怀疑存在光泄漏的可能性，于是他把含羞草放到一个大箱子里，裹上毯子，再把箱子放到酒窖中的一个柜子里，在黑暗的层层包裹下，含羞草的叶片仍然有运动节律。

在排除了光泄漏的可能性后，迪蒙索又想到地窖里的温度在白天和夜晚会有微弱的变化，那么含羞草的叶片运动节律有没有可能是温度变化引起的呢？如果是，那么含羞草的叶片运动节律就并非是自发的。为此，他在一间温室里重复了这个实验，这间温室能够保持恒定温度，结果是含羞草叶片运动仍有节律。至此，他完全相信了迪马伦的实验结果。迪蒙索这种大胆怀疑和小心求证的不懈精神，正是从事科学研究所必备的基本素质。1759年，德国植物学家齐恩（Johann G.Zinn）也重复了迪马伦的实验，取得了与杜·迪蒙索一致的结果。

在迪马伦的含羞草实验差不多169年之后，又有一个天文学家对生物钟发生了浓厚兴趣。阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）是化学家和物理学家，也被认为是天文学家。他认为，尽管光照、温度、湿度等条件可以保持恒定，但其他环境因子像大气的电场等的变化可能起作用，而这些环境因素的昼夜变化可能是引起叶片的节律性运动的原因，如果这一说法成立，那就意味着植物的生物节律仍然是外源而非内源的。此外，地球的自转还会造成气压、辐射、磁场、引力的改变，尽管这些因素当中有些变量的昼夜变化幅度很小，但是生物有可能具有感受到这些变化的能力。就辐射而言，白天太阳产生的紫外线和其他射线是地表辐射的主要来源，夜晚没有太阳，这些辐射自然就大幅度减少了。引力在昼夜间的细微变化是月球绕地球的运转产生的，当夜晚月球转到我们上方的天空时，月球对地球上物体的引力会抵消一小部分地球的引力。总之，我们很难找到一个真正的恒定环境，让所有的环境因子都保持不变。

进化论的创立者达尔文则持相反观点，他在《植物的运动》一书里认为，植物自己可以产生节律。19世纪最有名的植物学家普里弗（Wilhelm Preffer）起先是节律外源说的代表人物。他认为，前人的实验可能还是存在微量的光泄漏，于是他自己设计并做了更为精密的实验，发现植物仍然有节律。于是他抛弃了外源说的观点，转而接受和支持节律的内源说。

小弗朗克·布朗是认为生物节律来自外在的代表人物。他曾在1959年说：由于缺少远在地球之外的空间实验，所以无法避免地球表面各种地理和物理因素昼夜变化的影响，那就无法排除节律是外源而非内源的这种可能性。在地球上是难以摆脱地球昼夜环境变化的影响的，但是如果在南极点或北极点做实验可以抵消很多因地球自转而产生的环境变化。

1962年，为了探索节律究竟是内源还是外源的，有人把果蝇、真菌、植物和仓鼠带到南极的阿蒙森-斯科特科考站做实验。研究人员在南极点摆了张桌子，这张桌子是特制的，可以转动，每天转一圈，也就是周期为24小时，与地球的自转周期相同。但是桌子转动的方向是从东向西，与地球自转的方向刚好相反，可以抵消地球自转的影响。他们把生物放在这张桌子上的培养箱里，培养箱可以保持光照和温度的恒定。在这种条件下，果蝇、真菌、植物和仓鼠仍然具有节律，所以排除了地球自转对节律的影响。

后来，一种名叫粗糙链孢霉的真菌、沙漠里的一种甲虫以及眼虫藻等生物陆续被人类带上太空，人类在空间站里观察它们是否还有节律。在空间站的环境里，可以排除重力的变化，气压也不受地球的影响。在空间站里，这些生物仍然表现出明显的节律，尽管节律的振幅有所减弱。说明少了那些细微的环境变化，包括大气压、湿度、磁场、辐射等的变化，植物仍有节律。这些实验更为有力地支持了节律可能是内源的，而不是对环境的简单应激反应。

关于生物节律是内源还是外源的争论是不同科学观点的争论，这样的争论有利于推动科学的发展。不过既然生物钟是客观存在的，并且对各种生物的生理、行为都有重要的调节作用，与其无休止地争辩还不如花更多精力去研究生物钟的功能和调节机制。内源与外源之争从19世纪一直持续到20世纪70年代，此后人们都倾向于认为节律是内源的，但也会受到环境的影响。 71ehux01zucOz6hqU61wQ9fbUv5o/JJuhYRJ6e10I5X7uYhyYYBgMX+5SnLYrRR5