自然的启示/中国科普大奖图书典藏书系

作者简介

王书荣，中国科学院生物物理研究所研究员，曾任该研究所所长、中国生物物理学会理事长、中科院视觉信息加工开放研究实验室主任。获中科院自然科学奖一等奖、二等奖和国家科技进步奖三等奖，被授予有突出贡献专家、成绩突出的科普作家、全国优秀科技工作者、全国优秀博士学位论文指导教师称号。培养理科博士20多名，其中8人获全国优秀博士学位论文奖、中科院院长奖学金特别奖或优秀奖。在国际学术刊物上发表论文60篇,著译科技书籍4种，其中《自然的启示》获全国“新长征优秀科普作品奖”一等奖和国家科技进步奖三等奖，并被中国科学家推介为20世纪科普佳作之一。

内容简介

但是，怎样区分是生物钟的作用，还是生物对自 然界某些因素周期性 变化的简单反应呢？为了回答这个问题，我们可以把 生物从自然环境中取 出来，将它放在实验室里，把假定它敏感的那些因素 维持在恒定的水平上。 如果生物在恒定条件下依然故我，则说明生物体具有 某种保持这种节律的 体内机构。 例如，有人把黄棕色硅藻从大海之滨，迁移到没 有昼夜交替和潮汐更 迭的环境之中。结果，令人惊奇的是硅藻仍然和生活 在海滩上一样，周期 性地上升和下潜，其时间之准确简直可以代替潮汐时 间表！砂蚤是栖居于 海滨的另一种生物，每当涨潮高峰时，它们从沙滩里 钻出来，在波涛翻滚的 大海中游泳觅食，落潮时就钻人沙滩，静候着下次高 潮的到来。如果将它 们养在海水罐中，并维持在恒定的条件下，人们发现 在涨潮的高峰时间，它 们依然在水中游泳，而其余时间则安静地在罐底休息 。 又如，在自然条件下，许多植物都有“睡眠”和 “觉醒”的周期交替现象。 如豆、豌豆和三叶草的叶子夜间垂下，白天竖起。如 果把这些植株置于黑暗 之中，人们并没发现它们的行为有丝毫改变，叶子依 然周期性地垂下和竖 起，好像植物继续在受昼夜交替的影响。 生活在恒定条件下的生物，它们的活动也会发生 变化。有一种哺乳动 物叫鼯鼠，白天躲在树洞里休息，而于黄昏时分钻出 洞穴，通宵达旦地沿树 干奔来跑去，由这棵树跳到那棵树以觅食(图3)。鼯 鼠的活动大约开始于 日落后半小时，或精确些说，当光照度降低到一定程 度，它便开始活动。这 种循环每24小时周而复始。现在我们把几只鼯鼠放在 旋转铁丝笼中，只 要动物一开始活动，笼子就旋转起来， 这样将便于我们观察，然后把它们置于 完全黑暗中。根据观察，受试动物的活 动周期逐渐发生变化，变成23小时至稍 大于24小时之间。这种偏离24小时周 期的节律，叫做近似昼夜节律。持最短 周期(23小时)的动物，每天比前一天提 前1小时开始奔跑。这样，大约经过3 个星期，生活在恒定条件下的鼯鼠的活 动，就比自由生活在森林中的鼯鼠推迟 一昼夜。有趣的是，重获自由的鼯鼠很 快又恢复正常的24小时循环。“外因通 过内因而起作用”。在自然条件下，在外界因素(例 如光照度)变化的影响 下，近似昼夜节律与严格的24小时循环是同步的。对 于鼯鼠，这种同步因 素是黄昏，即从光亮到黑暗的过渡时期。 显然，如果改变同步因素的作用时间，便可调快 或调慢生物钟。我们 可以做一个实验。蟑螂的活动周期与黑暗的到来是一 致的，但它最活跃的 时间是傍晚。假使在实验条件下，人为地颠倒白天和 黑夜的顺序，便可轻 而易举地调拨蟑螂的生物钟。现在，我们把盛放蟑螂 的笼子放人暗室，用 “电子眼”来记录它的活动。夜间用电灯照亮暗室， 每天早晨9点钟熄灯。 这样，对暗室中的蟑螂来说，白天变黑夜，黑夜变白 天(图4)。大约经过一 个星期，昆虫便改变了原来的活动顺序——在人造黑 夜时呈现活动，尽管 实际上这时实验室外面仍是白天。这时，蟑螂的生物 钟被调拨了。 目前，人们已从充塞雨滴的微生物到高等植物和 人类这些形形色色的 生物中，找到了这种无声无息的生物钟。现已发现， 许多生物学现象，不用 生物钟这个概念，就不能得到合理的解释。可以说， 生物钟已成为有机体 的一个特征。P3-5