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
這是由五篇博文組成的系列文章中的第二篇，最初發表於2006 年 4 月 5 日：
在前兩篇博文中，這裡和這裡，我提到了藍細菌中晝夜節律時鐘的發現如何改變了我們對晝夜節律時鐘的起源和進化的看法。在最初的發現之後不久，卡爾·約翰遜實驗室的團隊發表了兩篇論文 [1,2]，描述了對聚球藻中晝夜節律時鐘適應性功能的更直接測試。
當在光暗迴圈中分離培養時，野生型和各種時鐘突變體聚球藻具有相當的繁殖速率。當在持續光照下培養時，它們的表現甚至更好一點，即繁殖速度更快。因此，在隔離狀態下，時鐘似乎沒有賦予適應性優勢。
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然而，當菌株一起培養時，兩個菌株在同一個培養皿中生長，並暴露於光暗迴圈，內源週期更接近環境週期週期的菌株“贏得”了競爭。這表明晝夜節律時鐘在節律環境中賦予了適應性。在持續光照下，無節律突變體優於節律菌株。
以下是約翰遜描述的實驗（來自一本未線上提供的書籍章節）
“作者的實驗室透過使用不同菌株的藍細菌聚球藻之間的競爭實驗來測試晝夜節律程式的適應性意義（Ouyang et al., 1998; Woelfle et al., 2004）。對於像聚球藻這樣的無性微生物，一個菌株在與其他菌株競爭下的差異生長是生殖適應性的良好衡量標準。在純培養中，由於菌株在持續光照和光暗迴圈中以大致相同的速率生長，因此當菌株單獨生長時，具有不同的晝夜節律週期似乎沒有明顯的優勢或劣勢。適應性測試是將不同的菌株混合在一起並在競爭中培養，以確定種群的組成是否隨時間變化。培養物以一定間隔稀釋以允許生長繼續。使用不同週期的突變體來回答問題，“具有與環境週期週期相似的週期是否會增強適應性？”所用菌株的晝夜節律表型具有約 22 小時（B22a、C22a）和 30 小時（A30a、C28a）的自由執行週期。這些菌株透過三個不同時鐘基因中的點突變確定：kaiA (A30a)、kaiB (B22a) 和 kaiC (C22a、C28a)。野生型的週期在這些條件下約為 25 小時。當每個菌株與另一個菌株混合並在競爭中一起生長時，出現了一種模式，該模式取決於光暗迴圈的頻率和晝夜節律週期。當在 22 小時週期（光暗 11:11）中生長時，22 小時週期的突變體可以在混合培養物中超過野生型。在 30 小時週期（光暗 15:15）中，30 小時週期的突變體可以擊敗野生型或 22 小時週期的突變體。在“正常”24 小時週期（光暗 12:12）中，野生型菌株可以過度生長任何突變體（Ouyang et al., 1998）。請注意，在許多週期中，這些光暗條件都具有相等的光照和黑暗量（這很重要，因為光合藍細菌從光中獲取能量）；只有光與暗的頻率在光暗迴圈中有所不同。圖 1 顯示了野生型和突變體菌株之間競爭的結果（Ouyang et al., 1998）。顯然，週期與光暗迴圈週期最匹配的菌株消除了競爭者。在非選擇性條件下（在這種情況下，持續光照），每個菌株都能夠在混合培養物中維持自身。由於突變體菌株可以在光暗迴圈中擊敗野生型菌株，在這些迴圈中週期與其內源週期相似，因此觀察到的差異效應可能是晝夜節律時鐘差異的結果。還進行了基因測試，以證明時鐘基因突變是競爭實驗中差異效應的特異性原因（Ouyang et al., 1998）。由於各種藍細菌菌株在純培養中的生長速率沒有可檢測到的差異，因此這些結果最有可能是一個“軟選擇”的例子，其中僅在競爭下才能看到一種基因型的適應性降低（Futuyma, 1998）。
在測試藍細菌時鐘系統的外在價值與內在價值時，野生型與一種明顯的無節律菌株 (CLAb) 進行了競爭。如圖 2 所示，在光暗 12:12 中，無節律菌株被野生型迅速擊敗，但在持續光照下的競爭中，無節律菌株的生長略優於野生型（Woelfle et al., 2004）。綜上所述，結果表明，一個完整的時鐘系統，其自由執行週期與環境協調，顯著提高了藍細菌在節律環境中的生殖適應性；然而，這個相同的時鐘系統在恆定環境中不提供適應性優勢，甚至可能對該生物略有不利。因此，時鐘系統似乎沒有為藍細菌在恆定條件下提供內在價值。”
引人注目的是他們必須進行多少控制實驗才能消除各種替代解釋。他們必須證明時鐘基因中的突變不會對細胞生長和繁殖能力產生額外的影響。檢查。他們必須證明時鐘突變不會影響細胞利用食物和光能的能力。檢查。他們必須證明時鐘突變不會以任何可想象的方式影響一種菌株可能透過分泌化學物質主動破壞另一種菌株的健康。檢查。最後，儘管他們證明了“共振”，即環境週期和內在週期之間的相似性賦予了一些優勢，但他們仍然不能肯定地說這“證明”了晝夜節律時鐘具有適應性功能。
這是約翰遜 [3] 再次說道
“晝夜節律時鐘的最初適應性大概是為了增強自然環境中的生殖適應性，自然環境是週期性（24 小時）條件。我們可以將這種情況稱為對外部條件的適應。然而，一些研究人員提出，晝夜節律時鐘可能額外提供“內在”適應性價值（Klarsfeld 1998；Paranjpe 2003 和 Pittendrigh 1993）。也就是說，晝夜節律起搏器可能已經進化成為內部時間組織的內在組成部分，因此，除了其對環境週期的原始適應作用外，可能還與其他影響生殖適應性的特徵交織在一起。請注意，如果時鐘最初的外在價值已經喪失，那麼嚴格的進化生物學家將不再認為時鐘的內在價值是一種適應性。然而，如果時鐘保留了外在價值並且額外積累了內在價值，那麼它們仍然被認為是適應性。”
測試一個性狀是否是適應性是一個非常困難的任務。測試像晝夜節律時鐘這樣普遍存在的東西是否是適應性甚至更難。你能想象測試使用 ATP 進行能量儲存或使用 DNA 進行資訊儲存是否是適應性嗎？是否有不使用這些的生物，以便我們可以在比較或競爭研究中使用它們？
在他的書《適應與環境》 (1990) 中，羅伯特·布蘭登提出了五個需要滿足的標準，以確定一個性狀是否是適應性（感謝羅伯特·斯基珀提醒我們這一點）
“必須具備1. 選擇已經發生的證據；
2. 對某些型別比其他型別更適應這一事實的生態學解釋；
3. 所討論的性狀是可遺傳的證據；
4. 有關種群結構的資訊，包括種群統計結構和選擇性環境的結構；
5. 關於從什麼進化而來的系統發育資訊。”
早期的藍細菌研究表明標準 #3 是正確的。競爭性分析研究開始破解標準 #2。在本主題的下一篇文章中，我將描述一些開始研究標準 #5 的研究，以及關於標準 #1、#2 和 #4 的一些額外證據。顯然，我們還有很長的路要走。約翰遜再次說道
晝夜節律文獻中“僅僅如此”故事的一個例子是藍細菌中光合作用和固氮作用的“時間分離”，作者個人已經宣傳了這一點。在固氮單細胞細菌中，固氮作用通常在夜間進行。固氮 (N2) 受到低濃度氧氣的抑制，這對光合細菌提出了難題，因為光合作用產生氧氣。Mitsui 等人 (1986) 提出，夜間固氮作用是對允許在光合作用不釋放氧氣時發生 N2 固定的適應，作者在多篇出版物中重複了這一假設（Johnson et al., 1996, 1998）。這個假設會預測，藍細菌在持續光照下的生長速度會比在光/暗 (LD) 迴圈中慢，因為在這種條件下固氮作用會被抑制，因此生長的細胞可能會迅速變得缺乏代謝可用的氮。問題是藍細菌在持續光照下生長良好——事實上，它們在持續光照下比在光暗迴圈中生長得更快，大概是因為它們從額外的光合作用中獲得了額外的能量。這個結果與“時間分離”假設不一致。這並不意味著“時間分離”假設是不正確的——事實上，作者認為，在適當的（但尚未經過測試的）培養基、光照和二氧化碳條件下，“時間分離”假設將最終勝出。然而，這裡的重點是，“藍細菌的時間分離”是我們喜歡講述的“僅僅如此”的晝夜節律故事的一個例子，但它並沒有得到適當資料的嚴格支援。這是 Gould 和 Lewontin (1979) 對人口生物學領域許多研究的結論，這種批評是切中要害的。”
參考文獻和圖片來源
[1] YAN OUYANG, CAROL R. ANDERSSON, TAKAO KONDO, SUSAN S. GOLDEN, AND CARL HIRSCHIE JOHNSON, 共振晝夜節律時鐘增強藍細菌的適應性, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 95, pp. 8660-8664, 1998 年 7 月
[2] Mark A. Woelfle, Yan Ouyang, Kittiporn Phanvijhitsiri 和 Carl Hirschie Johnson, 晝夜節律時鐘的適應性價值：藍細菌的實驗評估, Current Biology, Vol. 14, 1481-1486, 2004 年 8 月 24 日
[3] Carl Hirschie Johnson, 測試晝夜節律系統的適應性價值, Methods in Enzymology, Volume 393 , 2005, Pages 818-837