生物體運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏和規(guī)律，以及與晝夜交替和四季更迭有關(guān)的生命現(xiàn)象，如同鐘表報(bào)時(shí)一樣定時(shí)發(fā)生。因此，人們把控制生命體各種節(jié)律的時(shí)間機(jī)構(gòu)稱為“生物鐘”。

通過對(duì)生物節(jié)律的研究發(fā)現(xiàn)，生物體確實(shí)存在與日常意義的時(shí)鐘相類似的管理機(jī)制，它們使晝夜周期的誤差常常可以精確到數(shù)分鐘。例如，在危地馬拉有一種第納鳥，它每過30min就會(huì)叫一陣，誤差只有15 s，被稱為“鳥鐘”；在非洲的密林里有一種報(bào)時(shí)蟲，它每過1h就變換一種顏色，被稱為“蟲鐘”；在南非有一種樹，它的葉子每隔30min就翻動(dòng)一次，被稱為“活樹鐘”；在阿根廷有一種野花，每到初夏20:00左右便紛紛開放，被稱為“花鐘”。

人類正常的生理活動(dòng)也有節(jié)律性波動(dòng)，不僅有高頻節(jié)律（周期從毫秒到秒的節(jié)律，如腦電、心電），也有低頻的節(jié)律（周期可以是晝夜、月、年的節(jié)律）。在形態(tài)結(jié)構(gòu)上，細(xì)胞的形態(tài)組分、細(xì)胞增殖及細(xì)胞內(nèi)RNA、DNA、cAMP類都有節(jié)律性變化；在生理指標(biāo)上，體溫、睡眠、心功能、肺功能、動(dòng)脈血壓、排尿量、心理行為等均表現(xiàn)出節(jié)律性特征；在生物化學(xué)水平，各種激素的血漿濃度（包括皮質(zhì)醇、促腎上腺皮質(zhì)素、胰島素、腎素、血管緊張素、腎上腺素、去甲腎上腺素、甲狀腺素、褪黑素、內(nèi)啡肽、性激素、中樞神經(jīng)遞質(zhì)等）都呈現(xiàn)節(jié)律性變化。這種與生物體共同存在的節(jié)律性是生命的基本特征之一。

生物體的節(jié)律特征是長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的，與外界環(huán)境有關(guān)。但在人工模擬的實(shí)驗(yàn)條件下，許多生物節(jié)律仍保持原有的節(jié)律性。提示機(jī)體內(nèi)部存在控制生物節(jié)律的時(shí)間機(jī)構(gòu)。在探討生物節(jié)律形成機(jī)制的過程中，許多學(xué)者提出了各種“生物鐘”學(xué)說。

（一）關(guān)于生物節(jié)律產(chǎn)生機(jī)制的學(xué)說

1．外源性假說　無論是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)理論還是現(xiàn)代時(shí)辰生物學(xué)對(duì)生物節(jié)律的認(rèn)識(shí)，都注意到生物節(jié)律的一個(gè)普遍特征，即在正常生活環(huán)境中，生命活動(dòng)的原節(jié)律一般都與環(huán)境的某種節(jié)律性變動(dòng)有相同或相似的周期，并形成比較穩(wěn)定的相位關(guān)系。這些復(fù)雜的宇宙信息是構(gòu)成控制生命節(jié)律現(xiàn)象的動(dòng)因。生物體生存環(huán)境中的電場(chǎng)、地磁、重力場(chǎng)、宇宙射線，行星運(yùn)動(dòng)周期、光照及月球引力等的規(guī)律性變化，導(dǎo)致了機(jī)體的生命節(jié)律周期性。因此，認(rèn)為生物的周期性直接受環(huán)境條件周期性變化的調(diào)制，體內(nèi)并不存在定時(shí)機(jī)制，即生物節(jié)律是外源性的，這就是所謂的“外生鐘假說”。

外源性假說認(rèn)為生物的擬晝夜節(jié)律并不能證明是內(nèi)源的，因?yàn)檫€有許多其他能夠影響節(jié)律的物質(zhì)力量在自然環(huán)境中起作用，其中還可能存在目前科學(xué)界還不清楚的有節(jié)律的力量。外源論的一個(gè)重要根據(jù)是從馬鈴薯的實(shí)驗(yàn)中得到的。當(dāng)馬鈴薯被保存在恒壓、恒溫條件下時(shí)，其代謝率仍隨月球和大氣壓的各種變化而改變；馬鈴薯所消耗的能量也可以反映外界的平均溫度；馬鈴薯的呼吸變化與宇宙射線的變化是有關(guān)聯(lián)的。

2．內(nèi)源性假說　生物節(jié)律是在億萬年生物進(jìn)化中形成的，因?yàn)樯镞M(jìn)化是在地球這一特定環(huán)境中，它有晝夜、四季和年等的周期性變化，各種生物為了生存而逐漸形成了適應(yīng)這種節(jié)律性變化的能力，并將這種信息通過遺傳因子代代相傳，構(gòu)成了現(xiàn)在具有的生物節(jié)律。生物時(shí)間節(jié)律又與各個(gè)細(xì)胞有關(guān)，在晝夜不同時(shí)間中，各種細(xì)胞生成的蛋白質(zhì)不一致，因此，機(jī)體中每個(gè)細(xì)胞都是生物節(jié)律的基本結(jié)構(gòu)。而機(jī)體的晝夜節(jié)律由腎上腺等器官為起點(diǎn)，經(jīng)視交叉上核（可能是腦的時(shí)間信號(hào)來源）等校正器進(jìn)行調(diào)整，使生物節(jié)律能夠隨外界因素（如明暗周期、進(jìn)食次數(shù)等）多種因素而變化。由此得出的結(jié)論：盡管在生命起源和生物進(jìn)化的早期，天體和地球物理因素的周期性變化是生物節(jié)律形成的根本起因，而且至今對(duì)生物節(jié)律仍存在重要的影響，但現(xiàn)存生物的絕大多數(shù)生理節(jié)律已由機(jī)體中有測(cè)時(shí)功能的機(jī)構(gòu)所發(fā)動(dòng)和控制，稱為生物體本身的內(nèi)源性節(jié)律，即機(jī)體生命活動(dòng)主動(dòng)變化的固有規(guī)律，此為“內(nèi)源鐘假說”。

內(nèi)源學(xué)說的觀點(diǎn)認(rèn)為，生命的有機(jī)體能自我預(yù)知時(shí)間，完全不依賴環(huán)境中的周期性變化。精確的生物節(jié)律依賴不斷得到生存環(huán)境中光、溫度、潮汐等節(jié)律的校正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)和外界環(huán)境的節(jié)律保持同步。因此，生物鐘運(yùn)轉(zhuǎn)的速度在改變環(huán)境條件（溫度、光照強(qiáng)度等）時(shí)會(huì)被調(diào)快或撥慢。

將在自然條件下生活的生物（動(dòng)物或植物）分別移到人工創(chuàng)造的永遠(yuǎn)是白天和永遠(yuǎn)是黑夜的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室里觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物依然保持它們?cè)械臅r(shí)間規(guī)律，少則數(shù)日，多則幾個(gè)月。對(duì)動(dòng)物晝夜活動(dòng)節(jié)律的研究還發(fā)現(xiàn)，許多動(dòng)物在活動(dòng)時(shí)間內(nèi)為雙高峰活動(dòng)型，雙高峰之間的不活動(dòng)階段通常和環(huán)境中一些對(duì)機(jī)體不利的因素相關(guān)。這段不活動(dòng)時(shí)期對(duì)晝行性動(dòng)物而言是在正午以后，對(duì)夜行動(dòng)物而言是在午夜以后。第一活動(dòng)高峰與黎明或黃昏的朦朧之光有關(guān)，所以有些人認(rèn)為這些活動(dòng)高峰是環(huán)境刺激的直接結(jié)果。但是，在恒溫和人工光照（明暗變化是迅速的）條件下，這些活動(dòng)高峰并未消失。提示雙峰形活動(dòng)節(jié)律是內(nèi)源性的，已不受環(huán)境條件變化的影響。

生物體內(nèi)具有產(chǎn)生并控制生物節(jié)律的機(jī)制，其核心是一組能自律性地產(chǎn)生振蕩信號(hào)的腦內(nèi)神經(jīng)結(jié)構(gòu)，即振蕩器（oscillator），其中具有主導(dǎo)作用的被稱為起搏器或起搏點(diǎn)（pacemaker）。振蕩器通過特定的感受器和感覺傳入通路，接受環(huán)境授時(shí)因子的影響，以調(diào)整自身的振蕩節(jié)律，使其與環(huán)境節(jié)律同步；同時(shí)，它發(fā)出振蕩信號(hào)（周期性變化的神經(jīng)信號(hào)或體液因素）影響機(jī)體的生理功能，使它們的活動(dòng)按特定的節(jié)律進(jìn)行，形成生物測(cè)時(shí)機(jī)制和生物節(jié)律振蕩系統(tǒng)（oscillatory system）。

最近的研究表明，除了中樞的視交叉上核起搏作用外，其他內(nèi)在的振蕩器在外周組織（如心、肝、腎等器官）也表達(dá)，在胚胎組織和孤立的細(xì)胞中也有表達(dá)。由此認(rèn)為細(xì)胞的自主節(jié)律生物鐘在機(jī)體的每個(gè)細(xì)胞中存在。外周生物鐘不是獨(dú)立于視交叉上核的，而是由視交叉上核的調(diào)控來完成各自的節(jié)律。視交叉上核控制外周生物鐘的機(jī)制仍不清楚，可能是神經(jīng)和體液信號(hào)的綜合作用。

內(nèi)源性生物鐘應(yīng)當(dāng)由三部分組成：①中央晝夜節(jié)律振蕩器，自發(fā)產(chǎn)生有節(jié)奏的信號(hào)；②聯(lián)系振蕩器和外界時(shí)間信號(hào)的輸入通道；③使生理過程和行為同步化的輸出通道。在哺乳動(dòng)物主要由位于下丘腦基底部的視上核控制晝夜起搏器。晝夜循環(huán)產(chǎn)生的光線變化是設(shè)定動(dòng)物視上核活動(dòng)的主要因素。因此晝夜節(jié)律時(shí)間是用光照后時(shí)間（hours after light onset，HALO）來表達(dá)，而不是用時(shí)鐘時(shí)間來表達(dá)。

3．第二生物鐘學(xué)說　區(qū)別于人體最初形成的和總體的生物鐘節(jié)律（又稱第一生物鐘節(jié)律，或主節(jié)律）。機(jī)體的細(xì)胞幾乎都具有第二生物鐘，按照太陽的升落來制造蛋白質(zhì)。比如，強(qiáng)迫一只大鼠連續(xù)數(shù)天由晚間進(jìn)食改為白天進(jìn)食，其肝臟生物鐘就會(huì)逐漸放慢制造幫助消化解毒酶的周期，以適應(yīng)新的作息時(shí)間。程序的顛倒只會(huì)發(fā)生在肝臟、腎臟和胰腺中。因?yàn)槿梭w的主生物鐘仍然按照最初的節(jié)律發(fā)揮作用。提示主生物鐘通過確定的“化學(xué)和激素信號(hào)”來調(diào)節(jié)第二生物鐘的時(shí)間。

（二）昆蟲的生物鐘

研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲的生物鐘有兩種，包括光授時(shí)因子感受器，即復(fù)眼中視網(wǎng)膜的生物鐘，稱為“具有視網(wǎng)膜性光感受器的生物鐘”，以及光感受器，即腦內(nèi)一些具有感光功能神經(jīng)元的生物鐘，稱為“具有視網(wǎng)膜外光感受器的生物鐘”。

1．具有視網(wǎng)膜性光感受器的生物鐘　生活史中發(fā)生不完全變態(tài)昆蟲的生物鐘多屬此類。蟑螂的活動(dòng)具有明顯的晝伏夜行節(jié)律，這種晝夜節(jié)律是由腦內(nèi)生物鐘控制的。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，破壞蟑螂腦的視葉或間腦，其活動(dòng)的晝夜節(jié)律消失；破壞復(fù)眼或視神經(jīng)，其活動(dòng)仍保持近似晝夜節(jié)律，但此節(jié)律不能與環(huán)境的晝夜明暗節(jié)律同步，即呈自激振蕩狀態(tài)，破壞單眼則無此效應(yīng)。由此進(jìn)一步研究得知，蟑螂活動(dòng)生物鐘的振蕩器位于視葉髓區(qū)，該區(qū)發(fā)出的神經(jīng)性振蕩信號(hào)首先傳至間腦，間腦中有內(nèi)分泌細(xì)胞，它們分泌的激素對(duì)蟑螂活動(dòng)有抑制作用。來自視葉的神經(jīng)性振蕩信號(hào)，使間腦神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞的分泌呈晝高夜低的節(jié)律性變動(dòng)，從而把神經(jīng)性振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w液性振蕩信號(hào)，由此來控制蟑螂的活動(dòng)，使其呈現(xiàn)晝伏夜行的節(jié)律。來自復(fù)眼視網(wǎng)膜性光感受器（retinal photoreceptor）的環(huán)境授時(shí)因子信息，經(jīng)視神經(jīng)纖維傳至視葉髓區(qū)，影響和調(diào)制其振蕩節(jié)律，使之與環(huán)境晝夜節(jié)律同步。

2．具有視網(wǎng)膜外光感受器的生物鐘　生活史中發(fā)生完全變態(tài)的昆蟲，其復(fù)眼是在成蟲階段才出現(xiàn)的器官，而其生物節(jié)律在幼蟲階段即已開始，因此，其生物鐘的光感受器不可能是復(fù)眼，而是那些在幼蟲階段就已具備的器官或神經(jīng)組織，即視網(wǎng)膜外的光感受器（extraretinal photoreceptor）?？刂菩Q蛹羽化節(jié)律的生物鐘，就是具有視網(wǎng)膜外光感受器的生物鐘。昆蟲由蛹變態(tài)為成蟲的過程稱為羽化（eclosion）。很多昆蟲的羽化，僅發(fā)生在一天中的某一特定時(shí)刻。就群體而言，是集中發(fā)生在一天中的某一段時(shí)間內(nèi)。羽化的這種時(shí)間規(guī)律稱為羽化節(jié)律（emergence rhythm）。將發(fā)生羽化的這一特定時(shí)間稱為羽化的時(shí)間閘門（circadian gate）。時(shí)間閘門有種屬特異性，并受光、溫度、濕度等因素的影響。例如，柞蠶（Antheraea pernyi）羽化的高峰出現(xiàn)于下午（明期后半），而天蠶（Hyalophora cecropia） 的羽化高峰出現(xiàn)于上午（明期前半）。如將腦摘除后，兩種蠶的羽化節(jié)律都消失，羽化隨機(jī)地發(fā)生于一天中的任何時(shí)間；如將腦取出后移植到同一個(gè)體的腹部，則可在很大程度上保持原有的羽化節(jié)律；如將兩種蛹的腦摘出后做交互移植，則其羽化各自呈現(xiàn)出供腦者的節(jié)律特征。這種羽化節(jié)律表明控制羽化節(jié)律的生物鐘存在于腦內(nèi)。

（三）鳥類的生物鐘

鳥類具有感知和測(cè)定時(shí)間的能力，鳥類的活動(dòng)也具有與環(huán)境晝夜交替同步的節(jié)律。比如雄雞唱曉等。

1．視交叉上核　有些鳥類，在摘除松果體后其活動(dòng)的近日節(jié)律并不完全消失（如鴿和白頭翁），或者完全不受影響（如雞等），說明除松果體外，鳥類還有其他生物節(jié)律振蕩器存在。

破壞文鳥（mannikin）的視交叉上核而保存松果體，在無明暗交替的恒定條件下，它們的近日節(jié)律也會(huì)消失。鳥類的視交叉上核接受直接來自視網(wǎng)膜的神經(jīng)纖維，它們可通過這些纖維獲得環(huán)境明暗節(jié)律的信息。能夠獲得環(huán)境節(jié)律的時(shí)間信息是作為生物節(jié)律振蕩器所必須具備的條件之一。因此，鳥類的視交叉上核被認(rèn)為是除松果體外的另一個(gè)近日節(jié)律振蕩器。

2．松果體　許多實(shí)驗(yàn)研究表明，鳥類松果體褪黑素的分泌具有自動(dòng)節(jié)律性。孵化后即被置于明暗交替條件下的日齡為10～14d的雛雞，其褪黑素合成酶的活性呈現(xiàn)明顯的夜高晝低的節(jié)律變化；在離體培養(yǎng)的雞松果體的褪黑素合成酶的活性仍然具有明顯的晝夜節(jié)律；給因松果體摘除而消失活動(dòng)節(jié)律的文鳥重新移植一個(gè)松果體后，其活動(dòng)的近日節(jié)律會(huì)得到恢復(fù)，而且這種新恢復(fù)的節(jié)律具有供體的節(jié)律和相位特征（如供體的節(jié)律與受體摘除松果體前的節(jié)律是反相的，那么移植松果體后受體出現(xiàn)的節(jié)律也與其原有節(jié)律相反）。此外，摘除松果體后的動(dòng)物，活動(dòng)量往往增加，而注射褪黑素后則活動(dòng)減少。因此，褪黑素很可能就是松果體發(fā)出的近似晝夜節(jié)律的振蕩信號(hào)。

Gwinner等認(rèn)為鳥類的生物鐘由兩級(jí)振蕩器組成：第一級(jí)為主振蕩器，又稱為主鐘（master clock），如自動(dòng)節(jié)律性很強(qiáng)的松果體；第二級(jí)為多個(gè)相互偶聯(lián)的從動(dòng)振蕩器（slave oscillator），如視交叉上核、視網(wǎng)膜、下丘腦等，它們也有一定的自律性。主振蕩器通過其振蕩信號(hào)去調(diào)制各從動(dòng)振蕩器的振蕩，使它們的節(jié)律一致并與環(huán)境節(jié)律同步。當(dāng)主振蕩器失去作用時(shí)（如破壞松果體后），生物節(jié)律由各從動(dòng)振蕩器協(xié)調(diào)控制，此時(shí)機(jī)體的節(jié)律能否保持正常，則視各從動(dòng)振蕩器之間的偶聯(lián)關(guān)系是否牢固。此模型能較合理地解釋摘除松果體對(duì)各種鳥類的不同影響。

3．鳥類的光感受器　除視覺器官外，鳥類的松果體既有內(nèi)分泌功能，又有感光功能。鳥類生物鐘用以調(diào)整振蕩節(jié)律使之與環(huán)境節(jié)律同步的環(huán)境光信息既來自視網(wǎng)膜，也來自松果體和下丘腦等處的視網(wǎng)膜外光感受器。McMillan等發(fā)現(xiàn)，在LD 12:12（明期照度僅為0.03 lx）的情況下，75%的正常家雀可與環(huán)境明暗節(jié)律同步；其余25%則可能因?yàn)閷?duì)光的敏感性較差，未與環(huán)境節(jié)律同步。如將后者頭頂部的毛拔去，以增加直接進(jìn)入顱內(nèi)的光量，它們的活動(dòng)即可與上述明暗節(jié)律同步。而在前者的頭皮下注入墨汁，以阻止光線由此進(jìn)入顱內(nèi)，結(jié)果又使得它們與上述明暗節(jié)律失同步。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，家雀腦內(nèi)的神經(jīng)結(jié)構(gòu)可能具有直接感受光刺激的能力。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明，這些神經(jīng)結(jié)構(gòu)是松果體或下丘腦。如將松果體離體培養(yǎng)，松果體細(xì)胞的活動(dòng)（褪黑素的合成與分泌）仍能與環(huán)境明暗節(jié)律同步；如把發(fā)光小體埋植于鳥的下丘腦可影響其光周反應(yīng)。提示松果體和下丘腦等可能就是顱內(nèi)的視網(wǎng)膜外光感受器。

（四）哺乳動(dòng)物的生物鐘

時(shí)間機(jī)構(gòu)是證明生物節(jié)律具有內(nèi)源遺傳性的物質(zhì)基礎(chǔ)，它存在于機(jī)體內(nèi)部，是推動(dòng)和組合各種節(jié)律活動(dòng)的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)起搏點(diǎn)或稱起搏器。系統(tǒng)可以接受環(huán)境明暗變化的信息，或環(huán)境明暗周期相位發(fā)生改變時(shí)（如跨時(shí)區(qū)旅行）調(diào)控起搏點(diǎn)振蕩，經(jīng)神經(jīng)和體液途徑把調(diào)整后的信號(hào)傳至各器官，以控制機(jī)體各種生命過程的節(jié)律活動(dòng)，使之與環(huán)境同步；在機(jī)體與環(huán)境明暗周期變化隔絕時(shí)（如使動(dòng)物致盲等），仍可維持各種節(jié)律活動(dòng)，即自激節(jié)律。現(xiàn)已證實(shí)哺乳動(dòng)物的起搏點(diǎn)位于下丘腦視交叉上核。破壞大鼠等嚙齒類動(dòng)物的視交叉上核后，各種生命活動(dòng)的近日節(jié)律即消失。提示哺乳動(dòng)物視交叉上核可能作為晝夜節(jié)律的振蕩器，接受來自視網(wǎng)膜的光授時(shí)因子。同時(shí)也證明生物節(jié)律是由基因決定的，運(yùn)用遺傳工程基因移植和重組技術(shù)，可消除或重現(xiàn)果蠅的孵化和運(yùn)動(dòng)等晝夜節(jié)律。

1．視交叉上核　與鳥類相反，包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物的松果體和下丘腦不可能成為視網(wǎng)膜以外的光感受器。人類對(duì)于光的感受主要來源于視網(wǎng)膜（當(dāng)然有實(shí)驗(yàn)顯示人體的其他部位也具有光感效應(yīng)并可影響生物鐘，但那些部位不可能作為正常的光信號(hào)接收器官）。視網(wǎng)膜接受光刺激，通過視網(wǎng)膜下丘腦束將信號(hào)傳遞到生物節(jié)律中樞——視交叉上核。接受光刺激的是位于視網(wǎng)膜深層的含有視黑素（melanopsin）的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。視黑素和其他視蛋白一樣，在第7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的賴氨酸殘基上，存在11-順-視黃醛（11 cis retinaldehyde）。視黑素作為視蛋白的光色素，光照可以使11-順-視黃醛異構(gòu)化，從而激活G-蛋白信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。視黑素神經(jīng)節(jié)細(xì)胞與其他視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞分離時(shí)也能夠?qū)猱a(chǎn)生反應(yīng)。這些細(xì)胞對(duì)光的反應(yīng)在許多方面與視錐和視干細(xì)胞不同。首先，視黑素的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)光的反應(yīng)為去極化，而視錐、視干細(xì)胞為超極化；其次，分離培養(yǎng)的視黑素神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)光刺激的反應(yīng)曲線為視蛋白介導(dǎo)的反應(yīng)，其最敏感的波長(zhǎng)大約為484nm，明顯與視錐細(xì)胞和視干細(xì)胞不同。此外，含視黑素的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)持續(xù)光照的反應(yīng)呈明顯的持續(xù)性，而視錐、視干細(xì)胞在這種情況下則具有適應(yīng)性。視黑素神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)光的反應(yīng)比視錐和視干細(xì)胞的域值高，而且反應(yīng)速度很慢，在光照1min后才出現(xiàn)去極化。

（1）視交叉上核的解剖關(guān)系：視交叉上核是下丘腦前方的核團(tuán)，位于視交叉上方、第三腦室底的兩側(cè)。其傳入纖維中有直接來自視網(wǎng)膜的纖維和來自外側(cè)膝狀體腹側(cè)部的纖維，這些纖維使視交叉上核能夠獲得環(huán)境授時(shí)因子的信息。來自下丘腦其他部位的纖維、來自中腦中縫核的5-羥色胺能纖維、來自黑質(zhì)的多巴胺能纖維、來自腦干的去甲腎上腺素能纖維和來自大腦邊緣系統(tǒng)（如海馬）的纖維等，使視交叉上核能夠廣泛地獲取腦內(nèi)其他系統(tǒng)的信息。視交叉上核的傳出纖維可分為四路：第一路向后下方行走，主要到弓狀核；第二路向兩側(cè)到視上核及其周圍；第三路從背側(cè)發(fā)出，到室旁核等部；第四路向前方投射到視前區(qū)。通過這些纖維，視交叉上核可將其振蕩信號(hào)傳給其他功能系統(tǒng)。

（2）視交叉上核的生理作用：實(shí)驗(yàn)顯示，視交叉上核電位活動(dòng)具有明顯的晝夜節(jié)律，無論晝行動(dòng)物和夜行動(dòng)物，這些電位活動(dòng)的節(jié)律都是晝強(qiáng)夜弱。盡管中腦網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、丘腦內(nèi)側(cè)核、丘腦、黑質(zhì)等神經(jīng)元的活動(dòng)也具有晝夜節(jié)律，但這些部位的活動(dòng)節(jié)律與視交叉上核的節(jié)律相位相反，且振幅也小。如果將包括視交叉上核在內(nèi)的下丘腦區(qū)域與腦的其他部位間的聯(lián)系切斷，制備成所謂的“下丘腦島（hypothalamic island）”，此時(shí)視交叉上核神經(jīng)元的活動(dòng)仍保持原有節(jié)律不變，而島外其他腦區(qū)的活動(dòng)則不再具有晝夜節(jié)律。這些結(jié)果提示視交叉上核具有自主發(fā)生節(jié)律性振蕩的能力，并且是腦內(nèi)節(jié)律性活動(dòng)的起搏點(diǎn)。

（3）破壞視交叉上核對(duì)機(jī)體近似晝夜節(jié)律的影響：有實(shí)驗(yàn)顯示，在破壞視交叉上核后，大鼠飲水行為的近日節(jié)律消失。此后，許多研究者使用電解法、化學(xué)方法或免疫學(xué)方法破壞視交叉上核后，機(jī)體幾乎所有生命活動(dòng)的近日節(jié)律都會(huì)發(fā)生紊亂甚至消失。提示視交叉上核是哺乳動(dòng)物近日系統(tǒng)（circadian system）的重要組成部分。

2．松果體　哺乳動(dòng)物松果體中褪黑素的合成與分泌也具有明顯的晝夜節(jié)律。位于丘腦背面結(jié)締組織中的松果體可看作為一個(gè)重要的神經(jīng)內(nèi)分泌器官。該腺體有兩大特點(diǎn)：①5-HT含量高，比其他腦區(qū)高100～200倍。原因在于松果體含有合成5-HT所需的全部酶系，且色氨酸羥化酶活性特別活躍。松果體還含有進(jìn)一步處置5-HT的酶系，即SNAT和羥化吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（hydro-xyindole-O-methyltransferase，HIOMT），能夠生成褪黑素。②5-HT代謝酶類活性可受許多外部因子控制，尤其交感神經(jīng)系統(tǒng)。當(dāng)交感神經(jīng)興奮時(shí)，釋放的去甲腎上腺素作用于松果體的β受體，激活腺苷酸環(huán)化酶，使cAMP生物合成增加，后者激活SNAT，促進(jìn)褪黑素的合成。

5-HT是睡眠清醒節(jié)律中的重要遞質(zhì)。在白晝，松果體中5-HT水平高而SNAT的活性低；當(dāng)轉(zhuǎn)為黑暗時(shí)，SNAT活性迅速增強(qiáng)。5-HT和褪黑素具有明顯的近日節(jié)律，即使處于持續(xù)黑暗環(huán)境時(shí)，此節(jié)律仍然存在。但是，由于此節(jié)律可因視交叉上核的破壞而消失，所以一般認(rèn)為，在鳥類以下的脊椎動(dòng)物，曾經(jīng)由松果體擔(dān)任的生物鐘功能，在哺乳動(dòng)物已轉(zhuǎn)由視交叉上核承擔(dān)。盡管如此，松果體在哺乳動(dòng)物的近日系統(tǒng)中仍然具有重要作用。例如，松果體可通過褪黑素對(duì)下丘腦促性腺區(qū)活動(dòng)的抑制作用參與對(duì)性腺活動(dòng)近似晝夜節(jié)律、年節(jié)律的調(diào)節(jié)。最近的研究認(rèn)為，松果體以其節(jié)律性分泌的褪黑素作為一種內(nèi)源性授時(shí)因子或同步因子，對(duì)機(jī)體某些生理功能的近日節(jié)律起導(dǎo)引作用。例如，有研究結(jié)果表明，褪黑素與腦內(nèi)的阿片肽系統(tǒng)相互作用，從而調(diào)節(jié)機(jī)體鎮(zhèn)痛機(jī)制的近日節(jié)律；外源性褪黑素可使機(jī)體節(jié)律的相位發(fā)生改變，并有穩(wěn)定和恢復(fù)機(jī)體近日節(jié)律的作用等。

通過對(duì)高等動(dòng)物所表現(xiàn)的晝夜節(jié)律多樣性的分析，除了明暗變化外，進(jìn)食和社會(huì)因素等的作用也很重要。事實(shí)上，僅靠視上交叉核是不可能控制生物體所有節(jié)律的，許多學(xué)者認(rèn)為動(dòng)物體內(nèi)生物鐘不止一個(gè)。改變大鼠喂料時(shí)間所致的晝夜節(jié)律變化和應(yīng)用甲基苯異丙胺（methylamphetamine）所誘導(dǎo)的晝夜節(jié)律改變都與視交叉上核無關(guān)。即使除去視交叉上核，這兩個(gè)節(jié)律仍然存在。這意味著，哺乳動(dòng)物體內(nèi)的視交叉上核，不是起搏點(diǎn)所在的唯一部位，起搏點(diǎn)還可能存在于生物體的其他層次。

（五）生物鐘的分子生物學(xué)

控制生物體節(jié)律的生物鐘由三部分構(gòu)成：①生物振蕩器由呈節(jié)律性表達(dá)的基因及其編碼的蛋白質(zhì)組成。節(jié)律基因啟動(dòng)后，經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯生成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。當(dāng)該蛋白質(zhì)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，反饋?zhàn)饔糜谧陨砘虻膯?dòng)部位，使該蛋白質(zhì)濃度高低以24h周期進(jìn)行振蕩。在晝夜振蕩反饋回路中，正調(diào)節(jié)因子（positive element）啟動(dòng)生物鐘基因，使之進(jìn)行表達(dá)；負(fù)調(diào)節(jié)因子（negative element），阻斷正調(diào)節(jié)因子的作用，使相關(guān)基因的表達(dá)減弱或停止。振蕩器是生物鐘運(yùn)行的核心元件，通過接收外界授時(shí)因子的傳入信號(hào)，引起相應(yīng)的基因表達(dá)，進(jìn)而控制生物鐘信號(hào)的輸出，使生物體的活動(dòng)呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性。②輸入系統(tǒng)（input pathway）由感受器和傳入路徑組成，將授時(shí)因子的信號(hào)傳入振蕩器，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，矯正節(jié)律位相。最重要的授時(shí)因子為光照和溫度變化。③輸出系統(tǒng)（output pathway）包括與信號(hào)輸出有關(guān)的鐘基因和鐘控基因（clock-controlled gene，CCG），將母鐘節(jié)律振蕩信號(hào)，經(jīng)體液和神經(jīng)通路送達(dá)效應(yīng)器，調(diào)節(jié)生理、生化和行為的晝夜節(jié)律。

在視交叉上核的神經(jīng)元中有一組與生物節(jié)律有關(guān)的基因，通過自身表達(dá)和調(diào)控形成一個(gè)自激振蕩的環(huán)路而持續(xù)自激振蕩，稱為中央生物鐘（central clock）。中央生物鐘完成該自激振蕩過程的一個(gè)周期約24h，形成了近日節(jié)律，然后通過傳出途徑將這種自激振蕩產(chǎn)生的近日節(jié)律傳導(dǎo)出去，形成機(jī)體各生物變量的近日節(jié)律。近年來還發(fā)現(xiàn)這種生物鐘基因不僅在中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，而且在外周組織中同樣存在生物鐘自激振蕩，稱為外周生物鐘（peripheral clock）。但是外周生物鐘的近日節(jié)律通常受中央生物鐘的調(diào)控，進(jìn)而與中樞的近日節(jié)律保持同步。對(duì)生物鐘模型的研究得知，晝夜生物鐘是細(xì)胞自主的，即某些細(xì)胞具有生物鐘的特征。在對(duì)生物鐘的微觀研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)生物鐘的調(diào)控基因和壽命基因，并在哺乳動(dòng)物（包括人體）中定位和克隆出調(diào)控晝夜節(jié)律的生物鐘基因（也稱鐘基因，circadian clock gene）。隨著近日鐘系統(tǒng)不斷有新的基因發(fā)現(xiàn)，使近日鐘學(xué)說得到不斷完善。

1．生物鐘基因　現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在大量的近日節(jié)律基因。在眾多的近日節(jié)律基因中，有一些基因參與生物鐘的調(diào)控，并且這些基因的改變將引起生物節(jié)律的異常，我們把這些對(duì)維持生物體節(jié)律起關(guān)鍵性作用的近日節(jié)律基因稱為生物鐘基因，其表達(dá)產(chǎn)物稱為鐘蛋白（circadian clock protein）。

目前發(fā)現(xiàn)的對(duì)哺乳動(dòng)物的生物鐘調(diào)控起著重要作用的基因有Clock、Npas2、Mop3（Bmal1）、Mop9（Clif）、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2、Dec1、Dec2、Timless、Rev-erbα、Dbp和E4bp4等。這些基因的轉(zhuǎn)錄-翻譯活動(dòng)是形成日節(jié)律的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

（1）Per基因：Per是果蠅的主控基因，影響晝夜節(jié)律和超日節(jié)律。Per經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯后，形成PER蛋白，組成鐘的反饋回路。但其須與另一種鐘蛋白組成異二聚體后，才能作為負(fù)性成分發(fā)揮作用。Per有3個(gè)變異的等位基因。第一種（Per1）為Pershort，其并不遵循24h節(jié)律，而是19h，其后代也如是；第二種（Per2）為Perlong，其周期為29h；第三種（Per3）為Per-，沒有節(jié)律。鼠和人的Per1、Per2、Per3三種基因型在表達(dá)的部位和時(shí)相上存在差異。Per1在中樞表達(dá)，Per2在中樞和外周組織都有表達(dá)，Per3只在胚胎期有表達(dá)。另有研究認(rèn)為，Per3基因可能不是維持近日節(jié)律環(huán)路所必需的，因?yàn)镻er3基因被破壞的小鼠，并不影響其他近日節(jié)律基因的正常表達(dá)。

（2）Timeless基因：Tmeless首先在果蠅中被發(fā)現(xiàn)，在小鼠和人存在著與果蠅Timeless同源的基因，但它們并不具有果蠅Timeless的功能。后來發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的Timeless與果蠅的另一新基因Timeout（Tim-2）同源。最近的研究表明，哺乳動(dòng)物的Timeless（dTim）在生物鐘基因的核心調(diào)控環(huán)路中有反饋調(diào)節(jié)作用。

（3）Cry基因：Cry（cryptochromes）基因包括Cry1和Cry2，屬于植物藍(lán)光感受器（blue light receptor）和光解酶Cry2基因缺陷（photolyase）家族的成員。CRY蛋白在果蠅體內(nèi)只作為光感受器存在。哺乳動(dòng)物的CRY蛋白曾被認(rèn)為是光感受器分子之一，與近日節(jié)律的光導(dǎo)引途徑有關(guān)。但近來的研究發(fā)現(xiàn)，在全黑暗條件（DD）下Cry1或Cry2基因缺陷分別導(dǎo)致小鼠轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)的近日節(jié)律縮短和延長(zhǎng)；在黑暗-光照交替條件（LD）下，兩種缺陷型小鼠都表現(xiàn)為正常的24h節(jié)律；Cry1和Cry2基因都缺陷的小鼠，在DD條件下節(jié)律性消失。雙缺陷型小鼠的mPer1在LD或DD條件下持續(xù)高水平表達(dá)但無節(jié)律性；mPer2的表達(dá)在LD條件下有節(jié)律性，但在DD條件下其表達(dá)呈現(xiàn)為非節(jié)律性的中間水平。根據(jù)上述觀察認(rèn)為，Cry1和Cry2是近日節(jié)律分子機(jī)制的重要組成成分。Cryl和Cry2的表達(dá)產(chǎn)物為核蛋白，具有穩(wěn)定PER蛋白和介導(dǎo)PER蛋白入核的功能。

（4）Tim基因：Tim負(fù)責(zé)對(duì)Per轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)，如細(xì)胞核內(nèi)定位、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮作用。Per和Tim從午后開始轉(zhuǎn)錄水平提高，至黃昏時(shí)mRNA達(dá)高峰，PER和TIM蛋白的積累峰在6h后出現(xiàn)，兩者形成異二聚體進(jìn)入核內(nèi)，作為負(fù)性成分發(fā)揮作用。黎明后光照作用使TIM降解，導(dǎo)致PER穩(wěn)定性下降，致使PER：TIM對(duì)CLOCK：CYC的抑制作用降低，新的一輪循環(huán)開始。時(shí)辰生物學(xué)研究表明，光-暗周期可導(dǎo)引晝夜節(jié)律使其位相重調(diào)（reset）。如在Tim mRNA處于高峰穩(wěn)定期的黑夜早期給果蠅光照，TIM被光解后可能迅速被新合成的TIM替補(bǔ)，系統(tǒng)推遲節(jié)律后再回到光照前的位點(diǎn)上，可使晝夜周期延長(zhǎng)。在夜間晚期給予光照，由于大多TIM被光降解，此時(shí)正處于節(jié)律的低谷期，很少或無Tim mRNA替補(bǔ)，所以晝夜節(jié)律縮短。

（5）Rigui基因：在發(fā)現(xiàn)小鼠鐘基因之后，美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院（Baylor College of Medicine）的研究人員在研究人17號(hào)染色體短臂上編碼調(diào)節(jié)蛋白的DNA序列時(shí)克隆到一個(gè)新基因，其表達(dá)具備上述節(jié)律基因的基本特征并命名為日晷基因（rigui gene）。Rigui基因是一個(gè)單拷貝基因，但由于轉(zhuǎn)錄后的不同拼接，能產(chǎn)生3種不同大小的mRNA，分別是3.0，4.7和6.6 kb。用Northern雜交分析證明，Rigui基因具備生物鐘基因應(yīng)有的特征。用4.7 kb mRNA的cDNA作為探針在小鼠腦cDNA文庫中得到m-Rigui基因，編碼1 291個(gè)氨基酸殘基，與人的RIGUI蛋白有92%的同源性。

生物鐘基因在機(jī)體生理過程中發(fā)揮重要作用。例如在家族性提前睡眠時(shí)相綜合征（familial advanced sleep phase syndrome，F(xiàn)ASPS）中，PER2磷光體受體位點(diǎn)發(fā)生突變，導(dǎo)致睡眠、體溫和褪黑素的節(jié)律變化提前4h。在PER3的基因編碼序列中發(fā)現(xiàn)多態(tài)現(xiàn)象，其中一個(gè)單倍型與延遲睡眠時(shí)相綜合征有明顯的關(guān)系。

2．生物鐘基因的調(diào)控　對(duì)于生物鐘基因控制的研究還較少，主要是對(duì)下丘腦視交叉上核的研究。目前的研究認(rèn)為，分子時(shí)鐘的調(diào)控是基于幾個(gè)時(shí)鐘基因的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路完成的。在哺乳動(dòng)物生物鐘的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)中，Clock基因和Bmal1基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子CLOCK和BMAL1，它們均具有堿性螺旋-環(huán)-螺旋-PAS（basichelix-loop-helix-PAS，bHLH-PAS）結(jié)構(gòu)域，是近日節(jié)律分子機(jī)制的關(guān)鍵性組成成分，以異源二聚體的形式在反饋環(huán)中發(fā)揮重要的正調(diào)節(jié)作用。CLOCK-BMAL1異源二聚體與Per1、Per2、Per3、Cry1和Cry2基因啟動(dòng)子區(qū)的E-box（CACGTG）結(jié)合，以啟動(dòng)這些基因的轉(zhuǎn)錄，經(jīng)翻譯得到的PER、CRY蛋白將抑制CLOCK-BMAL1異源二聚體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄。

以bHLH-PAS為基本結(jié)構(gòu)的CLOCK與BMAL1蛋白是正調(diào)節(jié)因子，啟動(dòng)并促進(jìn)一些節(jié)律基因的表達(dá)；CRY1、CRY2、PER1、PER2蛋白為負(fù)調(diào)節(jié)因子，抑制正性調(diào)節(jié)因子的作用，減弱這些節(jié)律基因的表達(dá)。

近日節(jié)律的自激振蕩由多個(gè)反饋環(huán)組成，其中有2個(gè)環(huán)路是最主要的：①轉(zhuǎn)錄因子CLOCK和BMAL1通過bHLH與PAS（Per，Ahr/ARNT，Sim）結(jié)構(gòu)域形成異二聚體，作為正性元件結(jié)合到節(jié)律基因Per1-3和Cry1-2上游啟動(dòng)子的E-box，從而激活基因轉(zhuǎn)錄，其表達(dá)產(chǎn)物PER和CRY系列蛋白質(zhì)從胞漿轉(zhuǎn)移至核內(nèi)，PER和CRY蛋白可作為負(fù)性元件，與CLOCK和（或）BMAL1直接作用，抑制CLOCK-BMAL1的活性，從而抑制Per1-3和Cry1-2的轉(zhuǎn)錄，最終產(chǎn)生細(xì)胞新陳代謝和靜止-活動(dòng)循環(huán)（rest-activity cycle）的晝夜節(jié)律。②CLOCK和BMAL1異二聚體在激活Per和Cry的同時(shí)，也激活孤核受體（orphan nuclear receptor，ONR）rev-erbα基因轉(zhuǎn)錄，其表達(dá)蛋白R(shí)EV-ERBα可與Bmal1啟動(dòng)子結(jié)合，阻遏Bmal1的轉(zhuǎn)錄。由于基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)入核需一定時(shí)間，使生物節(jié)律分子振蕩的周期正好維持在24h左右。這種分子振蕩不但使許多節(jié)律基因Per1-3和Cry1-2等的表達(dá)呈現(xiàn)生物節(jié)律，而且使CLOCK和BMAL1異二聚體的轉(zhuǎn)錄活性也具有生物節(jié)律的特征。目前研究認(rèn)為，正是CLOCK-BMAL1異二聚體通過調(diào)節(jié)和控制下游的鐘控基因，使其呈現(xiàn)節(jié)律性表達(dá)，從而使生物節(jié)律的節(jié)律信號(hào)得以輸出。