生物钟是什么意思？人体的生物钟是什么

写在前面：

10月2日，2017年诺贝尔生理学或医学奖公布，美国遗传学家杰弗里·霍尔（Jeffrey C. Hall），迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash）以及迈克尔·杨（Michael W. Young）因在发现控制昼夜节律的分子机制上做出重要贡献，而摘得该奖。

昼夜节律这个带着学究气的词，可以简化地理解为人们常说的“生物钟”。

现任中国科学院上海药物研究所研究员的俞强早年参与生物钟的分子生物学研究。在美国留学期间，他曾在霍尔和罗斯巴什的合作科研组里工作，对生物钟基因的发现做出过重要贡献。

对于生物钟，这个常人知道又难知其理的生物学名词，俞强写下这篇科普长文，以飨读者——

世界是物质的，物质是运动的，物质的周期性运动就是钟，生命物质的周期性运动就是生物钟。

什么是钟?什么是时间?

要了解生物钟，先要了解钟。什么是钟?这听起来是一个很简单的问题。我们都知道钟是一个人造的计时工具，我们每个人也都很熟悉钟。我们家里到处摆满了大大小小、各式各样的钟，我们的身上也佩戴着千姿百态、风情万种的“钟”。我们每天早上被钟叫起了床，被钟催着去吃饭，被钟赶着去上班。晚上盼望着钟敲响下班的铃声，等待着钟告诉我们什么时候该睡觉了。我们焦急地看着钟，期盼幸福的到来，我们无奈地数着钟走向生命的终点。我们制造钟、拥有钟，是钟的主人;我们被钟安排和指挥着每天的生活，又是钟的奴隶。我们在钟声中诞生，也在钟声中消失，我们的整个生命都在钟的掌控之中。

钟到底是什么?它，为什么有那么神奇的力量?我们为什么需要钟?我们的生活为什么要让钟来安排?我们的生命为什么要被它掌控?当我们仔细地深度思考这些关于钟的问题时，想给它一个精确的、科学的定义和哲学的解释时，我们会发觉我们对钟了解得太少了。我们除了知道人造的钟是一个计时的工具之外，对自然的钟，对钟的自然本质和本原意义，对钟在我们生命中的功能和对这个世界的意义，我们知道和了解得太少了。

钟，究竟是什么呢?什么是自然的钟?什么是生物的钟?人造的钟和自然的钟又是什么关系?让我们揭开钟的神秘面纱，走进钟的内芯，去探索一下钟的本质。

我们生活的这个世界是一个物质的世界，是一个在空间和时间中充满了我们看得见和看不见、测得到和测不到、大小不同和形态各异的物质的世界。这些物质大到无边无际的宇宙，小到无限可分的原子粒子，在形态上有似乎“亘古不变”的“死物”，也有生生不息、代代相传的生物。然而不管什么物质，都在空间和时间中不停地、无休止地运动着。

物质多种多样，物质的运动形式也千变万化，其中我们最熟悉的就是物质重复性的、以一定时间为周期的、有节律的运动。我们能测到的最大的物质，如宇宙中的每个星系，都在各自轨道上有节奏地运行;我们能测到的最小的物质，如基本粒子，它也是构成世界上所有物质的基本单元，它的自旋和衰变所产生的辐射波都是律动。如果说物质的单元是基本粒子，那可以说物质运动形式的单元就是律动。这种物质周期性律动的现象、机制和功能就是“钟”。钟，既是物质，也是物质的属性和运动形式。“钟”性，即韵律、节奏，是物质的普遍属性，可以说世界上每个物质都在时间上作不同形式的、周期性的运动。这些律动的周期可以无限小，以秒、纳秒、渺秒记，也可以无限大，以年、千年、亿年记。我们人造的钟不过是人类按照自然规律，模仿自然而制造的反映物质特性和自然规律的一个测量时间的装置，是自然规律的镜子。

如果说人造的钟是模仿自然、测量自然时间的装置，那时间又是什么呢?我们该如何给时间下个定义?

时间和空间一样，是个很难定义的概念，也是让哲学家们伤脑筋的问题。时间不是一个物质，也不是一个让物质在其中运动的容器。公元5世纪，古罗马帝国的思想家、神学家和哲学家圣·奥古斯丁(St Augustine)在谈到时间时说:“如果没有人问我，我知道什么是时间;如果有人问我什么是时间，我只能回答不知道。”理论物理学家、美国哥伦比亚大学教授布莱恩·葛林(Brian Greene)说:“给时间下定义的难处在于我们很难，甚至不可能不用时间这两个字来给时间下定义。”牛顿曾给时间下了一个定义(牛顿时间):时间是物质世界的一部分，是一个事件在其中依序发生但独立于事件的维度和量度。而爱因斯坦则更喜欢“时间就是钟所测量的那个东西”(Time is whatever clocks measure)。

综合起来我们可以试着给时间下一个定义:时间是我们生活其间的四维空间中的一维，是一个与三维立体空间并存的另一个坐标轴。时间是一种度，是可以用钟来测量的度;时间也是一种力，是一种阻止事件同时发生并保持事件有序发生的力。而在实际生活中，物质重复性的运动和事件的间隔被用来定义时间与时间的单位。这个重复性的运动和事件的律动，就是韵律和节奏。有了这个可操作的时间的定义，我们就可以用这个定义来制造测量时间的钟:一个自主的、做节奏性运动的物质或装置。

人造的钟作为计时器，从最早的日晷、滴漏、沙漏、机械摆钟，到现在的石英钟和原子钟，不论其形式和构造发生了多少变化，其原理都和自然的钟一样:律动;其核心都是一个:振荡器。目前世界上人类计量时间最精确的标准钟——原子钟，就是利用自然界的原子吸收或释放能量时发出的周期性辐射波频率来计时的。1967年和1997年召开的国际度量衡大会把在绝对零度和零磁场环境下，处在基态的铯133原子在两个超精细能阶间跃迁所产生的辐射波经历9192 631770个振动周期的时间定为国际单位制(SI)中时间的基本单位——秒。这个人类计时的标准钟“铯钟”就是一个自然的钟，是自然物质的本来属性，是自然的规律。现在人们所制造和使用的钟都是以这个自然钟的韵律为标准来校时的。

因此，钟是一种物质，既是人造的物质，更是自然的物质。

钟是一种物质的运动形式，是大自然的节奏规律，是物质的普遍内在属性。

生物钟和生物钟的起源

生物，也是一种物质，只不过是一种“生”物，是能一物生一物的有“生”命的物质。生物钟，因此也就是万千自然物质钟的一种，也叫生物节律或生物韵律，是指不同生物体内各种随时间变化而做周期性变化的生理生化活动。广义的生物钟是指生物体所表现的所有的生物节律，如我们心脏的跳动、肺的呼吸，昆虫翅膀的扇动等。而平常所说的生物 钟是指地球上的生命随地球的周期性运动而产生的各种周期性变化的生理生化活动。例如，以24小时为周期的人的血压、体温、体力、情绪等生理指标的律动，植物花的开闭和叶片的光合作用等，都是随地球的自转而产生的昼夜变化律动。而众多生物以年为周期的、在春秋季的繁衍以及在冬季的冬眠则是由于光照时间随地球围绕太阳的公转而呈周期为一年的变化。绕地球旋转的月球又给地球上的环境，特别是海水的环境，造成了一个以月和半月等为周期的韵律，从而使海洋沿岸的动物产卵、排精等都具有相应的周期性。这种地球上的生命随地球和其他星球的节律性运动而表现出的节律性现象就是我们通常所说的生物钟。生物钟和非生物钟在运动形式上都是物质的周期性运动，但在机理上有着质的区别。非生物钟是物理力作用的结果，而生物钟则是生物化学反应的结果。

从生物的演化和自然选择原理来说，地球上所有的生命现象都是大自然对生物适应环境的演化选择的结果。由于生命约出现于地球形成10亿年之后，从它诞生开始，生命最简单的生物分子之间的生物化学反应就受到地球上早已存在的各种物质和环境因素的影响，其后的变化也都在地球环境的掌控之中，因此地球上生命的一切活动都受到地球周期性律动的影响，所有的生物节律也都是环境对生物演化的选择的结果。从这个角度看生命，生物的节律性运动和生物钟应该是普遍的生命现象。

地球在宇宙中最明显的律动就是围绕太阳的公转和围绕自己轴心的自转。地球自转的周期为23时56分4秒，围太阳公转的周期为365.25天(图1)。地球还有一个围着它绕转的卫星:月球。月球公转的周期为29.5天(朔望月)。这样月球绕着地球转，地球和月球一起绕着太阳转，这些地球和地球环境的旋转律动无时无刻不在影响和控制着地球上包括生物在内的一切物质和物质的运动。而太阳是地球上所有生命的能源和动力，生命的运动不能不顺从于太阳能源的周期性律动而随之律动。这就让我们不难理解生物为什么会有生物钟，为什么生物钟的律动频率与地球及月球的律动频率是同步的。只有当生命的节奏与自然环境的节奏吻合的时候，生命才能够更好地生存，才能在生物演化的过程中被自然选择而保存下来。而以24小时为周期的地球围绕太阳的律动是影响生命节奏的最重要的律动，因此地球上的生命活动也都跟随着能量

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