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
這篇關於生物鐘的起源、進化和適應性功能的文章最初是為1999年我認為的一門課程撰寫的論文。我於2004年12月在這裡重新刊登，作為四部分帖子的第三部分（第四部分包含所有參考文獻）。後來，我在2005年這裡和2009年這裡重新發布。因此，一些資訊已經過時，寫作風格仍然非常“學術”，但主要觀點仍然成立，我希望/認為如此。
三、時鐘從何而來？
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生物鐘的起源、進化和適應性功能
關於早起的鳥兒有蟲吃的古老諺語恰恰表明，蟲子應該待在床上。（海因萊因，1973年）
現在夜幕降臨。
鵪鶉鳴叫。
鷹眼有何用？
（芭蕉）
區域性/暫時的和全球/普遍的環境。
在適應性功能的研究中，通常會詢問物種 X 中的功能 A。這意味著物種 X 進化出功能 A，以響應近期和當前的區域性選擇環境 a。然後，研究環境 a 的相關方面、功能 A 在野外和實驗室中的 X，以及，或許，相似物種 Y 在相似環境 a2 中的相似功能 A2。
然而，並非所有適應性功能都是對區域性環境的適應。環境的某些方面是全球性的。地球上所有生物都適應了地球的重力。可以安全地假設，即使是地球上的第一個生命形式也具有這種適應性。一些環境因素現在是全球性的，但在整個地球歷史上可能並非如此，例如大氣中氧氣、氮氣和其他氣體的比例。一些適應性非常普遍，儘管它們似乎與外部環境沒有關聯——例如有性繁殖。這些適應性是地球上進化變化機制的特殊性的結果，如果地球上的生命最初採用不同的進化機制，可能就不會進化出來。其他適應性與大量（但不是全部）非常不同的生物體的全球性環境因素相關，例如海洋環境的特性。
環境的時間結構。
地球、月球和太陽相對於彼此的運動，以及地球繞傾斜軸的自轉，對地球陸地和海洋表面或近表面棲息地的所有生物產生切實的影響。只有深層土壤古菌和深海生物可能設想逃脫地球表面的所有天文節律：晝夜迴圈、月相、潮汐和季節。
所有這些迴圈的共同特性是它們的精確性和規律性——它們是高度可預測的。生物體無法進化出對罕見且不可預測的事件（例如，隕石撞擊）的適應性，但可以很容易地適應環境中可預測且快速的週期性事件（Bornemisza 1955）。
為什麼生物體需要適應自然迴圈？簡而言之：因為它們需要適應其環境，而迴圈的影響是每個生物體都需要適應不止一個環境。對於兔子來說，草地是一個單一的空間環境。然而，它包含許多時間環境。白天的草地和夜晚的同一片草地是兩個非常不同的世界。如果我們將其乘以四個季節（春季、夏季、秋季和冬季環境）以及夜晚至少兩個極端強度的月光值，我們得出的結論是，兔子需要適應十二種不同的環境！
在整個地球歷史上，所有這些迴圈都相當穩定。晝夜交替甚至影響了最簡單的單細胞生物，這些生物在地球歷史的大部分時間裡是地球上唯一的居民，因為它們依賴陽光作為新陳代謝和複製的能量來源。隨著生物體變得更大、壽命更長併入侵其他環境，更長的迴圈也變得越來越重要。晝夜時長的季節性變化在兩極附近非常顯著，而天氣條件的年度變化在赤道附近非常劇烈。
對環境迴圈的適應。
生物體可能有哪些方式來適應時間變化？當然，生物體可以使用其感覺機制來對正在發生的變化做出行為反應。當早晨太陽昇起時，動物感知到光和溫暖，醒來並外出覓食（或進入洞穴睡覺）。當春天來臨，天氣晴朗，食物充足時，動物交配並撫養幼崽。原則上，這種安排可以奏效，因為每個物種都會進化出自己的刺激-反應時間表以適應線索。
然而，極其可預測的變化是一種資訊形式，而資訊是一種重要的資源，因為它創造了可以利用的機會。生物體能夠預測即將發生的變化可能是有利的。如果一隻鳥在晚上睡覺時讓體溫下降，並在黎明時分開始升溫，那麼它的體溫可能需要一到兩個小時才能達到覓食和躲避捕食者的最佳溫度。另一隻能夠預測黎明時間的鳥可以在外面仍然黑暗的時候開始升高體溫。黎明時分，它準備出發——早起的鳥兒有蟲吃！早起的鳥兒留下後代——另一隻鳥兒滅絕。
另一個鳥類例子：一隻鳥透過在冬季保持其生殖系統退化來節省能量。當春天帶來晴朗天氣時，這隻鳥會長出性腺，這個過程需要幾周時間（哺乳動物需要更長時間）。當生殖系統準備就緒時，前提是潛在的配偶也做出了同樣的反應，鳥類交配、產卵並撫養雛鳥。
另一隻鳥透過測量晝夜時長的延長（光週期）來預測春天的到來。在天氣晴朗的第一天，這隻鳥就準備好交配了。這隻鳥沒有浪費最初幾周的豐盛食物和溫暖空氣。幾周後，它的小雞外出覓食，並在競爭中勝過第一隻鳥的更年輕、更小的雛鳥。第二隻鳥還可以將其範圍擴充套件到兩極，因為它可以在非常短的時間視窗內完成整個繁殖過程，而第一隻鳥在惡劣天氣已經返回時才會產下第一枚卵。
很明顯，我喜歡鳥類，所以請允許我再沉迷於另一個鳥類例子。隨著冬季臨近，但天氣仍然晴朗，食物充足，一隻鳥測量光週期的縮短，並預測天氣將會變化。它提前停止繁殖工作，儲存大量脂肪儲備，縮小許多內部器官，脫落舊的破損羽毛，並長出新的、健康的、不那麼有性吸引力的羽毛。它與該地區其他同類聚集在一起，這些同類在此之前一直具有強烈的領地意識。它們一起進行飛行鍛鍊和健身計劃。在一年中的特定一天，整個鳥群向南飛往遙遠的溫暖越冬地。在它們的旅途中，鳥類利用太陽的位置來定向。太陽的位置在一天中會發生變化，但由於這些鳥類具有時間感，它們可以補償太陽在天空中的移動，並且不會在途中迷路。它們將使用相同的方法來準備、準確計時和精確地追蹤春天返回家園的路線。另一隻被動地對環境做出反應的鳥類將待在家裡直到第一次霜凍，並將與它最後一窩新孵出的雛鳥一起凍死。如果它試圖遷徙，它將不得不獨自遷徙，沒有準備，能量儲備不足，也不知道如何導航到目標環境並返回。
時鐘作為適應性。
擁有內部預期系統的競爭優勢在生物鐘的進化中發揮了作用（Pittendrigh 1965, 1967, 1993, DeCoursey 1990）。每日生物鐘，或稱晝夜節律鍾，是內生的、遺傳的計時裝置，控制著許多生理和行為功能的節律。時鐘可以計時在一天中的任何有利時機發生的各種過程的變化，以及將每日變化轉化為週期更長或更短的節律。時鐘作為有機結構，並非絕對精確，因此它們已經進化出外部計時線索（如黎明和黃昏）可以將時鐘的相位同步到當地時間的方法。
擁有內部計時機制還將使生物體能夠入侵新的生態位，例如，極地地區、潮間帶地區、遷徙生活方式等。隨著捕食者和獵物進化出生物鐘，其他生物體也面臨著進化出生物鐘的選擇壓力，因為環境的生物方面在選擇性意義更大的方面變得更加時間複雜。這可能會導致圍繞晝夜節律鐘的共同進化軍備競賽，因為捕食者試圖入侵，而獵物則試圖逃脫特定的時間生態位。與其他軍備競賽不同，這種軍備競賽不會導致新性狀的失控選擇，因為時鐘是一個閉環（它們可能會永遠互相追逐）。然而，這可能會導致向更復雜和靈活的計時機制的適應性趨勢，包括多振盪器系統、受內部狀態調節的時鐘、週年節律鍾等。
時鐘在適應外部環境的時間變化中的功能並非其唯一功能。另一種假設認為，計時機制的重要作用之一是生理和代謝功能的內部協調。一些細胞和生物體過程彼此不相容。如果兩個過程不可能在空間上分離，那麼它們的時間隔離是唯一剩下的解決方案。各種理論在分配兩個功能的相對重要性以及說明哪個功能在進化中首先出現方面存在差異（Winfree 1990, pp.387-394, Edmunds 1988, pp.368-370, Pittendrigh 1961,1967, 1981, 1993, Enright 1970, 1975）。
另一種假設是，晝夜節律鍾是時間感官器官（Daan 1995, Enright 1975）。與其他感覺方式不同，時鐘不對來自環境的任何形式的能量做出反應。它在內部測量時間的流逝，並透過存在於活生物體中賦予無方向性的物理時間一個方向（“箭頭”）（Frazer 1996）。因此，時鐘是時間的內部表示，類似於認知空間地圖的認知時間地圖。這允許生物體執行間隔時間測量、區分先後、測量事件持續時間以及學習一天中的當地時間（Shettleworth 1998, pp.333-378）。據推測，只有最後一個功能才需要時鐘透過其他感覺方式間接同步到當地時間。
計時機制的起源。
關於生物鐘的起源、進化和適應性功能，主要有三種思想流派（Winfree 1990）。第一種觀點假設，最初生物體是無節律的。能量可用性的週期性性質以及太陽紫外線對特定色素酶的潛在降解效應週期，提供了選擇性環境。具有計時器的細胞可以預測變化並調整其代謝活動，以最大限度地減少能量和物質損失。這種細胞將在太古代海洋中勝過其他細胞（Pittendrigh 1967）。這種系統在生命進化早期出現，預示著晝夜節律的分子機制將在所有生物體中高度保守（Winfree 1990, p.389）。
第二種觀點假設，環境本身將節律性強加於早期單細胞生物（Goodwin 1966）。為了節約浪費，細胞進化出修飾基因。這些基因產物中的每一個都將在促進從週期的一個階段平穩過渡到下一個階段中發揮作用。隨著越來越多這樣的基因進化，週期的每個狀態都受到遺傳控制。三十億年後，“當一些科學家第一次將其置於恆定條件下時，細胞可能會驚奇地發現……它幾乎自發地完成了相同的週期”（Winfree 1990, p.390）。因此，即使所有的齒輪和輪子都在，整個時鐘本身也從未被選擇過。
第三種觀點認為，所有生化過程都是週期性的。此外，這種週期性是生命定義的一部分。一些週期是規則的，自然選擇可以修改這種振盪的週期性（Winfree 1990, pp.391-392）。在抵消穩定穩態機制方面的靈活性可以增加另一個自由度，以便在其中尋找最佳化。第二種和第三種觀點期望看到幾乎與物種一樣多的晝夜節律機制。如果人們推測生命起源於淺潮汐池，那麼潮汐節律可能是在晝夜節律鍾之前或同時產生的。
這三種觀點之間沒有任何不相容之處。它們可能都對計時機制的出現做出了貢獻。然而，這三種觀點都沒有解釋為什麼會進化出自持時鐘。為什麼晝夜節律在恆定條件下持續數天、數月和數年？生物體的選擇僅僅是為了在規則迴圈的環境中迴圈的能力。為什麼時鐘不是沙漏機制，可以每天被環境線索翻轉？Enright (1970, 1975) 認為，時鐘在獲取時間記憶中的作用可能產生了影響。Aschoff（引用於 Enright 1970）認為，能夠進行少量迴圈的振盪器在天氣災難、躲藏和穴居以及冬眠期間將具有適應性。這樣的計時器，憑藉少量振盪的能力，不可避免地可以無限期地迴圈。
時鐘研究中的比較方法。
由於時間結構是全球環境的屬性，因此對時間測量機制的研究將取決於我們對晝夜節律鐘的起源、進化和適應性功能的理解。我們應該期望一種像糖酵解一樣保守的機制，還是使用 ATP 作為能量，還是 DNA 轉錄機制？或者我們應該期望每個狹隘的生物群體都進化出不同的機制？或者介於兩者之間的東西？我們如何研究時鐘，以便區分系統發育保守的普遍性和生態學決定的新穎特殊性？
比較方法是“透過比較進化在這種情況下的產物與在其他情況下的產物來推斷生物體如何進化的一系列技術……比較方法……有三個重要的應用……首先，它使我們能夠直接檢驗適應主義假設中隱含的歷史假設。其次，它使我們能夠檢驗環境特徵與適應性狀之間提出的聯絡。第三，我們可以用它來理解關於選擇的解釋優先順序的適應主義主張”（Sterelny and Griffiths 1999, pp.243-244）。
適應主義假設（例如，關於晝夜節律鐘的適應性功能）可以透過檢查實際的進化變化序列，看看它是否是假設所假定的序列來檢驗。一個假設可能提出，某個特定性狀在另一個性狀之前出現（例如，沙漏在時鐘之前，晝夜節律在潮汐節律之前，單振盪器系統在多振盪器系統之前等）。該假設可以透過比較譜系中早期和晚期代表的性狀來檢驗（在時鐘作為對環境一般特徵的響應的情況下——整個生命之樹）。
比較方法還可以直接檢驗適應主義假設，即適應性性狀是對特定環境特徵的響應，方法是測量特定環境與特定性狀之間是否存在緊密相關性（例如，深海生物或洞穴和地下動物是否無節律；晝夜節律幅度的魯棒性程度與定居性與遷徙性習性或穴居性與開闊地棲息地之間是否存在相關性）。
適應主義極端主義立場是，趨同進化說明了自然選擇相對於所有其他進化機制（遺傳漂變、性選擇等）的壓倒性力量。但是，除非我們能夠以某種方式計算所有未發生的趨同進化——所有歷史“獲勝”的時刻，否則趨同進化不會告訴我們選擇和歷史的相對力量。一個性狀在許多生物體中存在是趨同進化的結果嗎？這隻能透過廣泛使用比較方法來回答。如果沒有系統發育樹，就無法知道某件事是否是趨同進化。如果對樹的分析表明該性狀反覆從頭出現，那麼它就是趨同進化，自然選擇的力量是主要的解釋。如果對樹的分析表明譜系的所有成員都擁有該性狀，那麼它就不是趨同進化。該性狀可能對共同祖先具有適應性，但今天可能根本不具有適應性。它仍然可能是一種適應性，因為它可能在不同的物種中服務於許多不同的適應性（外適應性）功能，並且僅僅作為系統發育慣性而存在於其他物種中。
適應性假設要求時鐘可以被環境線索進行相位移動，並且具有溫度補償功能。這是其正常執行的兩個絕對要求。無論潛在機制是什麼，每個計時系統都將滿足這些最低要求。因此，這兩個屬性不能提供有關機制的資訊，並且如果“我們要檢驗共同機制的命題，並且只使用形式屬性，那麼這些屬性的性質必須是選擇可以合理地被排除為導致它們與細胞時鐘系統普遍關聯的代理；簡而言之，這些屬性必須缺乏適應性價值”（Pittendrigh 和 Bruce 1959）並且“對似乎沒有任何生存價值的特徵的研究……可能表明系統的結構特性”（Pavlidis 1971）。
那麼，晝夜節律鍾是普遍適應、趨同進化的案例，還是根深蒂固的歷史遺蹟？在這裡，需要明確區分晝夜節律鍾，即單個細胞中的計時分子機制，以及晝夜節律系統，其中包括所有細胞時鐘、所有通往時鐘的感覺輸入通路以及將時鐘狀態轉化為整個生物體的明顯節律的所有機制（Underwood et al. 1997a）。時鐘是一種分子機制，而系統使用分子機制來產生明顯的節律。
晝夜節律系統。
迄今為止的資料表明，所有研究過的生物節律都具有同步性和溫度補償的基本特性。我已經收集了關於數百甚至數千種單細胞生物、植物、真菌和動物的觀察和實驗的文獻，但時間和空間的限制阻止我在此摘要中全部呈現它們，因此我將不得不將它們留待以後的出版物。所有計時系統都可以調整以匹配當地時間，並且將在一定溫度範圍內以精確的方式進行調整（如果它們不能，它們將是溫度計，而不是時鐘）。果蠅的溫度補償隨緯度而變化（Sawyer et al. 1997）。哺乳動物和鳥類繁殖誘導的關鍵光週期，以及鳥類一窩蛋的數量，這兩個性狀都受晝夜節律系統調節，與許多物種的緯度相關（Baker 1937, 1938a,b., Daan and Aschoff 1975, Bronson and Heideman 1994）。這表明晝夜節律鍾（和所有其他近似節律）是一種適應性，因為該性狀與環境緊密相關。
有趣的是，許多生活在洞穴和地下的生物仍然具有晝夜節律。例如，地中海盲鼴鼠具有可被光同步的晝夜節律（David-Gray et al. 1998），非洲裸鼴鼠的自然或誘導分散表型也是如此（Goldman 1999，與 Davis-Walton 和 Sherman 1994 相反）。穴居蟋蟀具有晝夜節律，但不能被光同步，而是被噪音/沉默週期同步（Marques 和 Hoenen 1999）。
穴居鯰魚顯然是無節律的，但如果將魚暴露在明暗迴圈中，就會出現節律（Trajano 和 Menna-Barreto 1999）。明顯的行為節律性取決於日本蠑螈（Nagai 和 Oishi 1999）和豹紋壁虎（Chris Steele，未發表資料）的光強度和溫度水平。這些資料表明，這些生物體中的晝夜節律系統是“退化的器官”，在它們從地面棲息的祖先進化而來的過程中並未完全喪失。或者，可以認為時鐘在這些生物體中持續存在是由於它們在協調體內無數生理事件中的效用，並且行為輸出的永續性只是過去遺留下來的東西。
晝夜節律系統的一些湧現特性只有在需要它們時才會再次出現，據推測是因為重新發明它們相對容易，因為所有的時鐘部件都已經存在。例如，在鳥類和蜥蜴中發現了潮汐節律（Daan 和 Koene 1981, Sawara et al. 1990, Wikelski 和 Hau 1995）。月球週期出現在一些陸生物種的植物、無脊椎動物、哺乳動物、鳥類和爬行動物中（Abrami 1972, Skutelsky 1996, Brigham et al. 1999, Chris Steele，未發表資料）。
晝夜節律性在人為施加的寬鬆選擇性環境中不會消失。在恆定條件下經過 600 代後，果蠅在行為和蛹羽化方面仍保持精確的晝夜節律性（Sheeba et al. 1999），這表明節律性在調節個體果蠅體內的週期性生化過程中以及在與環境週期適當同步方面同樣重要。可以從這樣一個事實得出類似的結論：透過實驗操作或基因選擇，很容易消除鵪鶉的行為晝夜節律，但不能消除生理晝夜節律（Guyomarc'h' et al. 1998, Zivkovic et al. 1999）。
有趣的是，花了很長時間才在實驗室線蟲秀麗隱杆線蟲中發現晝夜節律。在這種動物中，所謂的“時鐘基因”是存在的，PER 的直系同源物以大約 6 小時的超晝夜節律迴圈，並被認為調節發育事件的時間（Jeon et al. 1999）。這種動物的晝夜節律性並沒有透過多代實驗室飼養實踐完全消除，然而，晝夜節律時鐘基因參與發育時間顯然與它們用於晝夜行為時間是相容的。
古菌和大多數真細菌是無節律的。對於古菌，解釋可能在於它們的生態——它們通常棲息在地球上最不適宜居住的地區，包括深海熱液噴口、深層土壤、岩石、鹽礦床、極地地區、地下熱水泉，行星表面的節律可能對它們的生存沒有任何直接影響。一些藍藻具有晝夜節律，因為它們需要暫時分離光合作用和固氮作用的不相容反應（Johnson 和 Golden 1999）。真正的細菌，作為原核生物，可能僅僅能夠對直接的環境通量做出快速反應，計時器可能會在其規模上施加過於嚴格的控制，本質上是不可預測的環境。
細胞時鐘。
分子時鐘對於選擇是不可見的。晝夜節律系統與環境直接相互作用，更可能表現出與環境的相關性，並且在進化時間尺度上變化速度更快。可以完全安全地宣告，所有哺乳動物系統基本上以相同的方式構建，這與鳥類、爬行動物、昆蟲或植物系統不同。一些資料也表明某些形式晝夜節律特性與特定生態位之間存在相關性。
所有晝夜節律系統都包含細胞晝夜節律鍾作為其組成部分。沒有任何先驗規定細胞時鐘需要或不需要具有完全相同的節律分子機制。可以想象，細胞時鐘可以只是一個基本的計時器，甚至是沙漏，並且系統的多細胞組織提供溫度補償和同步特性。此外，即使機制的動力學相同，實際的分子參與者也不必保持相同。
實際的分子資料表明什麼？所有生物體中的每個晝夜節律時鐘細胞都是一個自持的晝夜節律振盪器，可以直接或間接地被光重置，並且具有溫度補償功能（Dunlap 1999 年綜述）。在藍藻、植物、真菌、昆蟲和哺乳動物中，機制的動力學非常相似。分子時鐘是所有研究過的生物體中基於轉錄-翻譯的負反饋振盪器。真菌、昆蟲和哺乳動物使用含有 PAS 結構域的蛋白質作為正元件。昆蟲和哺乳動物有成對或成族的負元件。在果蠅和小鼠中都可以找到幾個基因，例如，果蠅中的 per、tim、clk 和 cyc 在小鼠中具有同源物 per1、per2、per3、tim、clock 和 bmal。果蠅 dbt 是酪蛋白激酶 1 的序列同源物。
這些是相似之處。差異呢？在真菌和昆蟲中，所有負元件都在迴圈（表達），但在小鼠中只有一些。真菌中沒有正元件迴圈，果蠅中有一個，小鼠中有一個不同的正元件迴圈。元件起作用的階段發生了變化——真菌和哺乳動物具有晝相時鐘，而果蠅具有夜相時鐘——被光重置的內部邏輯完全改變。
因此，看起來大自然正在使用一些高度保守的主題，但正在混合和匹配細節。今天對地球上晝夜節律功能的進化有共識嗎？過去五年見證了大量新的分子資料。似乎每隔幾周就會發表一篇論文，這會導致人們對時鐘的進化保守主義的看法發生變化。在兩個非常不同的生物體中發現相似的基因或功能，表明機制總體上非常相似。下一篇論文發現了相對密切相關的生物體之間機制中看似無法解釋的差異，並表明每個物種都有自由修改基本的時鐘機制。整個領域都在這個問題上搖擺不定。如果說有什麼共識的話，那就是時鐘始終在執行並且充滿了冗餘元件。只要可以移除或更換輪子或齒輪而不會停止時鐘，整體機制就會保持不變，儘管個別參與者可能會隨著漫長的進化時間而被逐一替換。
然而，存在資料挑戰了時鐘基因的轉錄/翻譯環路是晝夜節律所有方面的機制的觀點（Hall 1996, Lakin-Thomas 和 Johnson 1999, Lakin-Thomas 2000）。在藻類 Acetabularia 中，從細胞中去除細胞核並且藥物阻止了非核 DNA 的轉錄後，晝夜節律仍然存在。然而，這種節律在幾個週期後會減弱，並且重新引入細胞核會以細胞核決定的相位重新啟動節律（Edmunds 1988）。這些資料表明，該生物體中的晝夜節律鍾由兩部分組成——核（轉錄/翻譯環路）和細胞質時鐘。這兩個時鐘相互作用。開發了一個計算機模型（Roenneberg 和 Merrow 1998, 1999），該模型展示了兩個振盪器的這種反饋系統如何解釋週期的穩定性、長時間恆定條件下節律的永續性、溫度補償、抗環境噪聲以及細胞時鐘的同步特性。
還有資料表明，一些晝夜節律受“時鐘基因”控制，而另一些則不受控制。果蠅中 per 基因的無效突變、缺失和持續過表達並不能完全消除晝夜節律。果蠅的行為活動節律以兩個峰值為特徵。晚峰被認為是昆蟲覓食的時間。早峰是昆蟲參與繁殖活動的時間：尋找、求偶和交配。
消除 PER 蛋白的迴圈消除了晚峰。然而，早峰持續了幾個週期，然後週期變短（超晝夜節律），最後溶解成無節律（Renn et al. 1999, Helfrich-Forster 2000, Gvakharia et al. 2000, Kaneko et al. 2000）。
在巨型蠶蛾中，PER 蛋白從未進入負責明顯行為節律性的起搏細胞的細胞核。然而，它確實進入了一些外周組織的細胞核（Sauman 和 Reppert 1996），這表明轉錄/翻譯環路是一些但不是所有細胞晝夜節律鐘的一部分。
在某些物種的雌鳥中可以觀察到兩個獨立的晝夜節律系統。一個系統驅動諸如運動活動、攝食活動、體溫、耗氧量和褪黑激素釋放等節律，對光和褪黑激素敏感，並且可以很容易地同步到明暗迴圈。另一個晝夜節律系統驅動所有提到的明顯節律，但也驅動排卵和產卵的晝夜節律。這種節律不受光週期直接同步。它傾向於在一天中的一部分時間自由執行。由於這兩個系統相互作用，並且由於它們表現出兩個不同的週期（同步系統為 24 小時，另一個系統為其他值），因此這兩個節律不斷變化相互相位關係。一些相位關係是“允許的”，而另一些是“禁止的”。當排卵節律侵入“禁區”時，它與另一個系統的相互作用使其相位跳回到起始（預設）相位，並從中再次開始自由執行。兩個時鐘之間的相互作用可能是神經性的（例如，兩個下丘腦核對之間）或激素性的（可能是性類固醇激素）。主要系統由松果體、視網膜和一對下丘腦核組成。大腦時鐘不是自持振盪器——它們需要每天從眼睛或松果體輸入，具體取決於物種。視網膜/松果體時鐘是否是長期自持振盪器尚不清楚。它們的存在對於晝夜節律性是必要的，但也可能需要從下丘腦到這些結構的反饋訊號。迄今為止的資料無法區分視網膜或松果體中的細胞時鐘是自主時鐘，可以同步系統的其他部分，還是中心和外周阻尼振盪器之間的反饋環路對於持續的晝夜節律輸出是必要的。同樣，排卵晝夜節律可能涉及大腦和卵巢中的細胞晝夜節律鍾之間的相互作用，或者甚至不利用任何時鐘基因並且沒有單個細胞充當時鐘的激素反饋環路。
晝夜節律或類似的機制參與生物計時的其他方面的觀點很強烈，並且已經建立了一些聯絡，特別是與發育事件的計時有關。 per 基因的突變影響果蠅的發育時間（Kyriacou et al. 1990）。事實證明，秀麗隱杆線蟲中的所謂異時基因是 per 和 tim 的直系同源物（Jeon et al. 1999），這是一種沒有晝夜節律的生物。然而，chairy 的 90 分鐘週期，它控制著雞胚中體節的形成，不涉及蛋白質合成（Palmeirim 和 Pourquie，引用於 Pennisi 1997）。
總而言之，目前關於生物節律發生機制的觀點是，它是一個時鐘基因及其蛋白質產物之間的轉錄/翻譯反饋環。然而，對這種觀點的挑戰來自該領域內部。一些生物節律可能由細胞時鐘產生，這些時鐘由兩個相互作用的環組成，一個在細胞核內，另一個在細胞質內。由於這些時鐘細胞組織在組織中，組織中單個細胞之間的通訊賦予了生物節律系統新的特性，而單個細胞不具備這些特性。由於大多數生物，甚至單細胞生物，都擁有不止一個生物節律時鐘，不同時鐘組織之間的相互作用使得更復雜的時間現象得以進化，包括光週期時間測量、月球、潮汐和週年節律，以及持續諮詢的時鐘。一些生物節律系統甚至可能不利用單個時鐘細胞，而可能是兩個或多個時鐘或非時鐘組織之間神經內分泌反饋環的特性（Cassone 和 Menaker 1984）。
從已發表的資料中很難辨別是否如此，但可以假設，整個生物節律系統的特性個體差異遠大於分子生物節律時鐘的特性個體差異。同一群體中個體細胞的生物節律週期可能非常相似，但外顯節律的週期差異很大，湧現的特性，例如光週期敏感性或臨界光週期（例如，Heideman 和 Bronson 1991，Heideman 等人 2000）也是如此，這歸因於整個生物節律系統的發育差異以及激素對其特性的影響。如果這個假設是正確的，那麼自然選擇將不得不更多地作用於整個系統整合的機制，而不是時鐘基因本身的序列。如果將細胞時鐘視為樂高積木，將生物節律系統視為用這些積木構建的結構，那麼很明顯，大多數進化變化將發生在積木的組裝方式上，而不是積木本身的形狀、大小和顏色上。
從脊椎動物化石推斷節律行為和生理。
我想起了他對松果體的描述，並想知道他用這隻超自然的眼睛看到了什麼。（H.P.洛夫克拉夫特，《來自異界》）
從古生物學家的角度來看，一個問題出現了，是否可以從動物骨骼的化石遺骸中推斷出該動物所表現出的節律型別。人們會問，化石能否告訴我們特定動物是晝行性還是夜行性，以及它們的繁殖和遷徙是否是季節性的。
在開始假設恐龍的睡眠習慣之前，對現存脊椎動物的研究是必要的。在一個過度簡化（且以歐洲為中心）的方案中，大多數現存哺乳動物是夜行性的，鳥類是晝行性的，爬行動物是雙峰性的（黎明和黃昏）。但仔細觀察例外情況可能會更有啟發。熱帶地區的爬行動物更可能發展出夜行性習性，而在較高緯度和/或海拔地區，晝行性可能更常見。許多晝行性鳥類在遷徙期間暫時轉變為夜行性，因為能量產生有利於涼爽的夜晚。在哺乳動物中，主要是小型動物是夜行性的。
極地地區的大型哺乳動物，如海豹和海象是晝行性的，而塞倫蓋蒂的大型哺乳動物通常是雙峰性的。
如果將晝行性作為預設條件，那麼要問的問題是：在動物的骨骼中可以看到哪些適應夜間生活的特徵。適應夜間活動的特徵包括適應寒冷和適應黑暗。
如果我們假設恐龍是外溫動物，那麼幾乎所有恐龍都應該是夜行性的，因為它們體型龐大。龐大的身體質量散熱較慢，更容易過熱。內溫動物產生自身的熱量，但也認為擁有更復雜的方法來去除多餘的熱能，因此如果一些恐龍是內溫動物，它們也可能是晝行性的。此外，最大的熱帶哺乳動物，如大象，其核心體溫遠低於哺乳動物的平均水平（20-30 攝氏度，而非 37 攝氏度）。沒有恐龍小到可以表現出每日蟄伏。
適應黑暗涉及感覺系統。有三種可能的適應黑暗生活的方式
- 進化出非常靈敏的眼睛，
- 進化出非常靈敏的聽覺和嗅覺，甚至可能是回聲定位，以犧牲很大程度上退化的視覺為代價，以及
- 同時進化出非常靈敏的視覺和其他感覺方式。
在三種情況中，第一種和第三種在夜行性脊椎動物中反覆觀察到。想想貓頭鷹、狐猴和貓。第二種解決方案被居住在洞穴、空心樹或地下隧道中的動物採用。恐龍對於這種穴居棲息地來說太大了。
在所有這些感覺中，敏銳度的提高可能與該器官相對大小的增加有關。在化石骨骼中，擴大的耳朵不太可能被識別出來。此外，在一個捕食者和獵物的運動都會產生輕微地震的世界中，聽覺敏銳度的重要性可能很小。在很遠的距離探測敵人可能更重要，因此發出和聽到次聲（如大象和長頸鹿）可能在恐龍中進化出來。強烈的嗅覺將導致擴大的嗅球，這將在顱骨內部留下印記。大眼睛需要大的眼眶。雙目視覺也會轉化為更復雜的視覺資訊中央處理機制。在霸王龍的頭骨中發現了具有大視覺場重疊的大眼眶以及大的嗅球。大多數類鳥恐龍（例如，傷齒龍）也具有不成比例的大眼睛。它們是夜行性的嗎？它們在夜間捕獵誰？它們的獵物當時在睡覺嗎？腕龍會在哪裡藏身過夜？是否總有一個守衛保持清醒？仔細分析特定時間特定區域的生態學可能會為這些問題提供一些啟示，因為晝夜時間生態位可能都被填滿了。
至於年度節律，它們可能會作為骨骼中的生長環儲存下來，反映食物或礦物質供應、紫外線輻射、疾病或活動的季節性變化（Hermann 和 Danielmeyer 1994）。季節性繁殖和遷徙的時間很可能由光週期反應決定。不幸的是，現存脊椎動物的光週期系統具有可變的解剖學組織。雖然松果體及其激素褪黑激素似乎對哺乳動物是必要的，但在其他脊椎動物中，松果體、副松果體器官、眼睛、下丘腦和性腺可能參與也可能不參與。然而，在脊椎動物進化中，松果體和副松果體器官逐漸失去感光功能並獲得分泌功能的趨勢。
在魚類、兩棲動物和爬行動物中，松果體是一個完全發育的感光器官。在鳥類中，它仍然對光敏感，但組織學表明它是一個神經內分泌器官，而不是感光器。哺乳動物的松果體已完全喪失感知光的能力。
副松果體器官是在大多數魚類、兩棲動物和一些爬行動物（蜥蜴、楔齒蜥）中具有晶狀體的非常發達的“第三隻眼”。在其他爬行動物以及所有鳥類和哺乳動物中，副松果體消失了。甚至在一些生物中，如鱷魚、儒艮、犰狳、食蟻獸、樹懶和穿山甲中，松果體本身也缺失，或者在如大象、犀牛、海牛、鯨魚、單孔目動物、有袋動物和蝙蝠中非常小。松果體和/或副松果體器官的存在和大小似乎與氣候和緯度密切相關。
全球物種，如馬、牛、羊和兔子，具有大的松果體。極地動物，如海豹、海獅和海象，往往具有最大的松果體。這一事實，再加上松果體以某種方式參與體溫調節的假設，促使 Roth 和 Roth (1980) 認為恐龍是冷血動物，並且僅限於熱帶氣候，因為大多數恐龍頭骨沒有顯示松果體-副松果體複合體存在的證據。在除靈長類動物外的所有脊椎動物中，松果體在顱骨內部大腦頂部的留下印記。副松果體位於顱骨上的一個孔中，稱為松果體孔。只有在樑龍科動物中發現了副松果體器官存在的證據，並且僅在一些類鳥恐龍中發現了松果體本身。無論如何，松果體孔的存在很容易在化石頭骨中被感知到，並且需要將對現存生物這些器官作用的研究與晝夜和季節節律以及體溫調節相關聯。
松果體是其中的一部分的生物節律時鐘也參與太陽羅盤定向、夜空定向和磁感應。這些機制雖然對所有動物都有用，但對於遠距離遷徙者尤其必要，正如一些恐龍被證明是的那樣。各種各樣的動物都有被認為與磁感應有關的磁性氧化鐵沉積物（Wiltschko 和 Wiltschko 1995）。在脊椎動物中，這些沉積物通常集中在篩骨內，在那裡它們受到三叉神經眼支的支配。恐龍很可能擁有這些沉積物，比較不同物種在生物磁鐵礦的數量、位置、粒徑和方向方面的情況將非常有趣。不幸的是，對現存動物中這種現象的研究仍處於起步階段，因此任何關於恐龍的理論仍然是純粹的推測。
總而言之，根據感覺器官（包括眼睛、嗅球、松果體和副松果體器官以及磁鐵礦顆粒）的相對大小分析脊椎動物化石頭骨，可以讓我們深入瞭解恐龍和其他已滅絕脊椎動物的時空生理學、生態學和行為。
適應性功能測試。
由於關於生物節律的適應性功能有兩個主要假設，因此也有兩條研究路線參與測試這些假設。生物節律時鐘的主要作用是協調體內生理和生化功能和事件的假設通常透過觀察放置在非自然光週期中的正常或時鐘改變的生物體的壽命來測試。例如，據報道，在不同光暗週期下飼養的果蠅以及各種時鐘突變體具有不同的壽命長度（Pittendrigh 和 Minis 1972）。從對倉鼠的研究中獲得了類似的發現（Hurd 和 Ralph 1998）。在持續黑暗中繁殖 600 代並沒有導致果蠅失去任何生物節律功能這一事實為支援這一假設增加了另一個論點（Sheeba 等人 1999）。
最近也探討了對環境事件時間（包括天敵的時間組織）的行為適應的假設。在藍細菌中，各種週期突變體的菌落在不同長度的光暗週期中進行了競爭分析（Ouyang 等人 1998）。不變的是，內源週期與環境週期更接近的菌株贏得了競爭。
在齧齒動物中，視交叉上核的損傷使得這些動物即使在光暗週期中也變得無節律。在野外條件下，受損個體比同一區域的完整同種更容易受到捕食。當捕食壓力更大時，這種影響更大（DeCoursey 等人 1997, 2000）。這些資料表明，活動時間的正確性對於獵物物種的生存至關重要。然而，這些研究並沒有解決在沒有時鐘的情況下，生物體是否可以進化出時間控制的替代機制的問題。
在我看來，研究生物節律時鐘適應性功能的最佳方法是研究兩種或多種天敵物種的時間引數的共同進化。例如，可以研究毒蛇（例如，響尾蛇）及其抗毒獵物（地松鼠）的生物節律。在同域分佈區域，這兩個物種在一天中的什麼時間活躍，這與異域分佈區域的種群有區別嗎？蛇的毒液產生、毒液成分和毒性、咬傷時注射的毒液量、對刺激做出咬傷反應的傾向是否存在生物節律？同樣，松鼠對毒液的抵抗力和逃避行為是否存在生物節律？這些節律在異域分佈區域是否不同？誰在“獲勝”：捕食者還是獵物？
同樣的問題可以應用於其他系統，例如，抗性捕食者和有毒獵物（束帶蛇和虎蠑螈）；抗性捕食者和毒液獵物（沙漠鼠和蠍子）；毒液防禦者和非抗性入侵者（守衛蜜蜂和鬼臉天蛾）；非抗性宿主和毒液寄生蜂（美洲蟑螂及其黃蜂獵物）等。總的來說，這些實驗的結果將深入瞭解生物節律時鐘特性在其適應性環境中的進化動態。
一個更復雜的系統，涉及兩個以上物種的系統，可能更難研究，但會更具資訊量。例如，有一個案例（Sara Oppenheim，個人通訊），一種單一的專業黃蜂寄生蜂 (Cardiochiles nigriceps) 將卵產在兩種密切相關的蛾類物種 Heliothis virescens (HV) 和 Heliothis subflexa (HS) 的幼蟲中。這兩種蛾棲息在兩種非常不同的植物宿主上：HV 以菸草、番茄和棉花為食，HS 僅以酸漿植物為食。寄主植物在整天均勻地合成其威懾化學物質（例如，尼古丁）。然而，它們表現出由昆蟲草食性誘導的揮發性化合物合成的生物節律。這些揮發物將黃蜂吸引到攜帶蛾幼蟲的植物上。植物根據攻擊它們的蛾類物種發出不同數量和成分的揮發物。反過來，黃蜂在白天是雙峰活躍的——僅在早上和晚上。HV 生活在葉片表面，非常容易受到寄生蜂的攻擊。另一方面，HS 迅速鑽入植物的種子燈籠中，黃蜂無法到達那裡。菸草植物有足夠的葉片表面來容納大量 HV，但酸漿植物在任何時候可用的燈籠數量有限。尚不清楚，但如果發現這兩種蛾類物種進化出不同的生物學時間方面，那將非常有趣。例如，HV 幼蟲是否會同時大量出現並從數量中找到安全，而 HS 是否會一次出現一個，因為每個個體都需要時間來搜尋和找到燈籠？幼蟲在一天中的什麼時間出現、爬行、進食、掉到地上和化蛹？兩種物種對光的敏感性是否存在差異，因為隱藏在燈籠中的 HS 比暴露在外的 HV 更受環境光的保護？如果時鐘特性存在差異，它們是否也會轉化為發育時間、求偶歌曲頻率、光週期時間測量以及其中一個物種入侵更高緯度的能力方面的差異？植物、黃蜂和兩種蛾類在時間上是如何相互追蹤的——誰在“贏得”圍繞生物節律時鐘的競賽？生物節律特性的變化是否可以被認為是兩種蛾類物種在相對較近的過去彼此分化的機制的一部分？這些問題和類似問題的答案將為生物節律系統的進化和適應性功能提供深刻的見解。
時鐘對進化的影響。
到目前為止，我們已經看到，時間機制存在個體差異（Aschoff 1998）；這種差異是可遺傳的；時間是一個重要的適應性功能，因此時鐘是自然選擇進化的產物。現在讓我們看看，擁有時鐘是否反過來會指導或限制進一步進化變化的可能路徑。
如上所述，生物時鐘機制，甚至可能是與生物節律相同的機制，也參與發育事件的時間控制（Saunders 1972，Kyriacou 等人 1990，Moore 等人 1998）。由此可以預測，生物節律時鐘特性的變化也會對胚胎髮育產生影響，反之亦然。因此，行為時間的適應性變化可能會受到正常發育需求的制約，並且異時性進化機制可能會由於生理或行為同步的變化而影響成年個體的適應性。
在昆蟲中，發育事件受涉及前胸腺和性腺的激素通訊控制（Nijhout 1994, 1999）。前胸腺在一些昆蟲中是生物節律時鐘的位點（Vafopolou 和 Steel 1991, 1998）。在某些系統中，黃蜂寄生蜂將病毒注入其蛾類受害者（卵或幼蟲）中，導致性腺切除。結果是發育事件的時間發生變化，最終導致蛹化中斷。是否有可能性腺激素的缺乏破壞了負責發育的計時器反饋環的一部分？
正如我們到目前為止已經多次注意到的，生物節律時鐘也參與從小時到年的其他時間尺度的時間測量。例如，果蠅 per 基因的突變不僅改變了行為生物節律的週期，也改變了求偶歌曲的超短週期頻率（Dowse 等人 1987，Kyriacou 和 Hall 1980，Kyriacou 等人 1993）。同樣，對嗅覺線索的敏感性也受到生物節律控制（Krishnan 等人 1999）。雖然這些突變可能不會改變白天求偶活動的時間（這種早晨性活動高峰似乎不受基於 PER 的機制控制），但歌曲頻率的變化、對歌曲頻率的感受性以及對資訊素敏感性時間的變化可能會大大降低野生型和突變型在混合種群環境中實際相互識別為配偶並交配的機會，從而導致透過行為和時間隔離引起的同域物種形成，而這僅僅是因為單個核苷酸的變化。
在光譜的另一端，有可能構建一個模型，其中一個測量光週期的雙振盪器系統（Warman 和 Lewis 1997）和另一個控制自由執行週年節律的三振盪器系統相互作用，以控制 17 年和 13 年週期性蟬的精確出現時間（Williams 和 Simon 1995）。
同樣，各種動物在馴化過程中經歷的許多變化，例如，白化病、性情、季節性喪失、發育時間和成熟速度的變化等，都表明人工選擇下時鐘系統的變化（例如，Trut 1999）。
我們可以更進一步嗎？生物節律時鐘在所有多細胞生物和許多單細胞生物中普遍存在。它們提供了一系列涉及發育、生理和行為的適應性機制。沒有時鐘有可能存在生命嗎？在我看來，並且需要資料來反駁它，如果沒有多振盪器生物節律系統，生命就不可能入侵海洋表面、潮間帶和陸地環境。某些元件可能會繼發性丟失，但入侵過程需要功能性生物節律、月球、潮汐和光週期時鐘的存在。回到海洋深處，某種時鐘，不一定是生物節律，對於複雜生物體的內部同步是必要的，並且沒有這樣的計時器，地球上就不會有複雜的多細胞動物。這使得底棲微生物成為唯一不需要時鐘的生物，但仍會表現出某些型別的生化週期，因為生命本身是由週期定義的（Bonner 1993，Kauffman 1993, 1995，Goodwin 1963，Maynard-Smith 和 Szathmary 1999）。
如果我們去另一個星球並發現一些可能活著的東西，我們如何判斷它是否真的是活著的。它是否從環境中獲取能量，儲存能量，迴圈能量，使用能量並耗散能量？它是否生長和繁殖？後代是否與父母相似？星球上是否存在生物多樣性？還有一個問題：它的環境是否是週期性的，它是否具有與環境週期週期相對應的內在週期？如果是，那麼它是活著的，因為它擁有非生命無法獲得或進化的普遍適應性。內源性節律是生命的診斷性特徵，比潛在的化學性質更重要，因為即使不使用 DNA 作為遺傳物質，甚至不是碳基的生命形式，仍然會與其原生行星的恆星和月球同步迴圈。
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