本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
首次發表於2007年1月28日
考慮到我一直在撰寫教科書般的教程，關於時間生物學，總是試圖儘可能簡單明瞭地寫作，甚至寫了一篇基本概念和術語的文章，我很驚訝我之前從未真正定義過“生物鐘”這個術語本身，儘管我一直在使用它。
自從科學博主們開始撰寫“基本概念和術語”文章以來，我一直在思考定義“生物鐘”的最佳方式，這並不容易！讓我嘗試一下，在摺疊處展開。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於發現和塑造我們當今世界的想法的有影響力的故事。
生物鐘是一種結構，它在恆定的環境條件下，定時生物體內生化、生理和行為事件的規律性再現。
解釋這一點的最佳方式或許是逐字解剖定義，解釋我選擇包含（和省略）在定義中的詞語。但首先，我需要明確宣告，我並非試圖發明一個新的定義，也不是將我的觀點強加於他人。相反，我試圖捕捉該術語在該領域從業者實際使用的意義，以及這種用法可能隨時間變化的方式。
生物鐘不是什麼
- 我需要再次強調，“生物鐘”這個術語不是一個真實存在的實體，而是一個研究人員用來簡略描述真實實體的隱喻。這個隱喻在整個歷史領域中非常有用，儘管有時它會將人們鎖定在思維框架中，可能阻止他們像本可以的那樣清楚地看到問題。
- 生物鐘當然不應被字面理解為一臺真實的機器，齒輪或擺錘在生物體內某處滴答作響。
- 生物鐘並非指生物節律的偽科學，這是一種從容易上當受騙的人身上榨取金錢的眾多方式之一，無論是最初的威廉·弗利斯版本，還是最近更受歡迎和更刺激的東方變體。
- 通俗地說，人們經常使用“生物鐘”這個術語來表示“我的鐘在滴答作響”，意思是生育孩子的時間快要到了。這在談話中可以，但這不是該術語的科學用法。
- 生物鐘不應與分子鐘混淆，分子鐘是衡量DNA中核苷酸替換速率的指標，用於推斷譜系之間分歧的時間。
...在生物體內...
自然界中存在高於生物體水平的節律，例如，生態學中種群繁榮和衰退的週期（野兔和猞猁的例子最著名）。在科學文獻中，這些節律從未被稱為由任何型別的時鐘驅動。“生物鐘”一詞有時與“生理時鐘”一詞互換使用。
這也是我將任何關於適應性或進化因素的參考排除在定義之外，而專注於該術語在文獻中的使用方式——作為生理機制的來源的原因。
...在恆定的環境條件下...
如果我每兩小時給你一次電擊，你就會表現出2小時的抽搐週期。但這並不意味著你的節律是由內部生物鐘內源性產生的。它是由環境中重複發生的事件直接誘導的。生物體內的許多節律是某些環境因素直接影響的結果。生物鐘僅負責非環境週期直接響應的重複事件。
然而，我沒有使用“環境獨立”或類似的短語，因為內源性時鐘產生的節律易受環境因素影響，特別是光（以及極少數的激素和其他化學物質）——節律的相位、週期和幅度可以被環境線索修改。一旦生物體在完全恆定的條件下保持足夠長的時間（至少比單個週期的時間長2-3倍），它們就不會消失。
...生化、生理和行為事件...
我不想說“一切”，儘管實際上它接近。同樣，這排除了生態週期。它也有些模糊地留下了發育事件是否應包括在內的問題，這是一件好事，因為一些發育事件是（例如，昆蟲羽化、鳥類孵化、體節發育、線蟲的發育時間），而另一些則不受各種生物鐘的調節。
此外，身體中的每個時鐘並非控制每個事件。肝臟中的時鐘定時肝臟中的事件，肺中的時鐘控制肺中的事件。只有起搏器透過同步外周時鐘來控制一切，而外周時鐘又驅動區域性節律。
哺乳動物大腦視交叉上核 (SCN) 中的起搏器可能會驅動大腦中其他區域性時鐘，而這些時鐘又驅動各種行為的節律。
...定時規律性再現...
我並不真正想使用“節律”這個詞，因為它可能只暗示高頻率的節律（如音樂節律）。我也不想將定義僅限於每日/晝夜節律。其他型別的節律，例如潮汐、月球和年節律，也是由生物鐘驅動的。“日曆”一詞有時在科普文章中看到，但不是作為一個特定的科學術語，僅在參考光週期現象時使用。
...結構...
這是制定定義中最難的部分。什麼是時鐘？一種機制？一個器官系統？
在整個20世紀，這很容易。你取一個生物體，把它放在某種裝置中，你可以在其中連續監測某種輸出（通常是行為活動），並記錄在恆定條件下的節律。然後你係統地損傷或移除大腦中的各種器官或核，直到節律消失。你發表文章稱，當移除導致心律失常的器官是該生物體內的生物鐘。因此，你發現了哺乳動物中的SCN，或非哺乳動物脊椎動物中的松果體或視網膜，無脊椎動物中的各種腦核、視葉或眼睛等。
但世界已經改變了。我們現在正在分子水平研究生物鐘。轉錄-翻譯反饋迴路在十幾個左右的經典時鐘基因中本身就是一個時鐘嗎？不，因為它只是時鐘的必要但不充分的部分。或者，包含這種分子機制的細胞是一個時鐘嗎？我會說是的。或者，由這些細胞組成的組織是一個時鐘嗎？該領域的不同人士對這個術語的使用方式不同，因此我想保持模糊。但它是一種結構。
與此同時，時鐘和起搏器之間的區別變得越來越重要，但也越來越難以定義。
肝臟每個細胞中的時鐘都受到來自SCN起搏器的訊號的驅動。SCN又受到眼睛在環境中檢測到的明暗週期的驅動。起搏器和外周時鐘之間的唯一區別是否在於直接（與間接）獲取環境資訊的能力？這是否意味著我們有起搏器和時鐘，而果蠅和斑馬魚只有起搏器，因為它們身體的每個細胞都是直接受環境驅動的起搏器？這些是該領域當前面臨的一些問題。這就是為什麼越來越多的時間生物學家傾向於使用“晝夜節律系統”而不是“晝夜節律時鐘”這個術語，以便暗示潛在的複雜性。
在許多動物中，不僅身體的每個細胞都有時鐘，而且還有多個起搏器，每個起搏器都從環境中獲取資訊。這些多個起搏器相互影響，也影響外周時鐘，並且還受到來自外周的反饋的影響。
而這僅僅是脊椎動物！我們對無脊椎動物、真菌和植物中的時鐘和晝夜節律組織知之甚少。
然後，還有單細胞生物，包括細菌和原生生物，其中許多都包含生物鐘，或者我們應該說，本身就是生物鐘。在那裡，時鐘與細胞所做的一切之間沒有區別。
最近，人們發現生物鐘（或至少是時鐘基因）也直接參與調節（而不僅僅是定時）發育、新陳代謝、食慾、體溫調節、生殖、睡眠、可卡因成癮和行為。因此，晝夜節律系統與其他器官系統之間的界限變得越來越模糊。
因此，無論何種結構（細胞或更高階），只要它控制著身體中發生的一切震盪的時間，並且不受環境線索的影響，它就是一個生物鐘。
相關閱讀