地球上很多生命，从细菌、真菌、植物、动物以及人类，都有内在的生物钟，调节着它们的生理、代谢和行为，也具有接近24小时的周期，可以与环境同步并适应环境[1,2]。当生物节律出现紊乱，生物就会难以适应24小时的环境周期，生理、代谢都会受到影响，甚至损害健康、危及生存[3]。很多人平时会生物钟乱了，据统计，在现代社会里约1/3的人存在程度不同的节律紊乱，节律紊乱会引发代谢失衡、心血管疾病、睡眠障碍、情感性疾病（如季节性抑郁）以及肿瘤发生率增加等[4]。

地球每24小时转一圈，造成了地球上光照与黑暗昼夜交替的周期也是24小时。但是，由于月球的引力，地球的自转是越来越慢的。在20亿年前，地球自转周期为6小时；在大约10亿年前，地球自转一圈的时间大约为18小时，也就是说，那个时候一昼夜比现在短6个小时左右[5]。

在大约9.5亿年前的地球上，几乎所有的生命都生活在海洋里，包括原核生物和早期的真核藻类。那么，在那个时候，远古的生物是否也具有生物钟？如果有，它们的生物钟的周期是否接近18小时而非现在的24小时呢？色情小说网站 生物节律实验室郭金虎教授团队近期在EMBO J杂志发表了题为Reconstruction of the ancient cyanobacterial proto-circadian clock system KaiABC的论文（图1），对9.5亿年前的远古蓝藻生物钟进行了研究[6]。

图1 9.5亿年前，地球的自转周期为18小时左右，当时蓝藻的生物钟核心蛋白还不具备内在的节律性振荡特征，但仍有助于它们适应当时18小时的昼夜环境周期。现在地球的自转周期为24小时，现代的一些蓝藻具备内在生物钟系统，周期接近24小时[6]。

为了探究这些问题，色情小说网站 生物节律实验室郭金虎教授十多年前就开始思考如何构建远古生物钟这一有趣问题，经过多年探索，合成了大约9.5亿年的远古蓝藻生物钟系统，发现这一系统虽然不具有内在的振荡特性，但可能也有助于远古蓝藻适应当时的昼夜环境变化。

要合成远古生物钟，从化石里寻找DNA是不现实的，因为时间过于久远，DNA早已不复存在。经过长期思考，郭金虎教授决定以蓝藻为对象，开展这项研究。蓝藻是地球上最古老的生物，可以追溯到35亿年前，而其他动植物出现得都很晚，它们祖先的生物钟可能和现在相差不大。另一方面，蓝藻（Synechococcus elongatus PCC 7942）的生物钟有一个奇特之处：它的核心生物钟基因只有三个，分别编码KaiA、KaiB和kaiC三个蛋白，合称KaiABC。其中KaiC是一个自激酶，也是一个自磷酸酶，同时还是一个ATP水解酶。KaiA可以促进KaiC的磷酸化，而KaiB则可以促进KaiC的去磷酸化，因此KaiC具有磷酸化/去磷酸化周期，这个周期大约为24小时[7]。更为神奇的是，Kondo实验室发现，KaiABC三个蛋白即使在体外，不依赖细胞的情况下也可以互相调控，产生KaiC的磷酸化周期[8]。因此，如果知道远古蓝藻KaiABC基因的序列，就可以把它们合成出来，并对它们的功能进行分析。

图2 蓝藻生存竞争实验示意图。远古生物钟蓝藻和现代蓝藻混合后，分别在12小时光照/12小时黑暗（模拟现代的24小时昼夜周期）以及9小时光照/9小时黑暗（模拟约远古时期前的18小时昼夜周期）条件下生长2周。2周后，在前一种条件下的培养瓶里现代蓝藻更多，而在后一种条件下远古生物钟蓝藻更多。

论文作者先根据现存蓝藻的基因组数据库找出不同蓝藻的KaiABC序列，绘制进化树并推断出了大约9.5亿年前KaiABC的祖先序列，通过合成生物学的方法合成这些基因的祖先序列，然后进行蛋白表达和纯化。研究发现，与现代蓝藻的KaiABC相比，祖先KaiABC蛋白仅具有部分蛋白激酶、磷酸及ATPase的活性，并且在体外无法产生KaiC的磷酸化振荡节律。对祖先KaiC蛋白采用冷冻电镜及小角中子散射分析，揭示祖先KaiC具有与现代KaiC相似的六具体结构，但在电荷分布及结构上存在一些差异，其中一些氨基酸位点与它们的功能差异有关。

将祖先KaiABC基因转入敲除了KaiABC基因的现代蓝藻里（以下称为“祖先生物钟蓝藻”），发现祖先生物钟蓝藻也不具有内在的节律性，但可以被光照/黑暗的交替环境所导引。通过绘制生长曲线发现，与现代蓝藻相比，祖先生物钟蓝藻在18小时昼夜周期条件下生长约2周后的生长、藻胆素和叶绿素a含量等方面更具有优势，并且显微结构形态异常的细胞比率较低。但是，在24小时昼夜周期条件下，现代蓝藻在这几个指标上更具优势。将两种蓝藻进行混合，然后分别在24小时和18小时周期下培养2周，结果显示在24小时周期下混合液里的现代蓝藻数量更多，而在18小时周期下祖先生物钟蓝藻数量更多（图2）。这些结果说明尽管祖先KaiABC系统不具备内在振荡特性，但可能仍然有助于蓝藻适应远古时期的18小时环境周期[6]。

论文第一作者为色情小说网站 已毕业的研究生黎思麟，色情小说网站 研究生周曾瑄、色情小说网站 2008级本科生万宇峰、色情小说网站 贾旭东老师为并列第一作者，色情小说网站 等多个单位的老师和学生为共同作者。论文工作得到国内外多个单位研究人员的指导和帮助，蓝藻的菌株和质粒由范德堡大学的Carl H. Johnson惠赠，河南大学谢启光教授和徐小冬教授，安徽大学秦曦明教授，西北大学赵宇炜教授，中国散裂中子源中心程贺研究员和左太森副研究员，广州健康研究院的何俊研究员和董淑琦博士，色情小说网站 张鹏教授、梁丹副教授、张勤奋副教授指导和参与了这一工作。本文的通讯作者是色情小说网站 郭金虎教授，长期从事生物钟的调节机制及载人航天等特殊环境下的生物节律研究。

参考文献：

[ 1 ]    Bell-Pedersen D, Cassone VM, Earnest DJ, Golden SS, Hardin PE, Thomas TL, Zoran MJ. Circadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms. Nat Rev Genet. 2005;6(7):544-56.

[ 2 ]    郭金虎. 生命的时钟.上海科技教育出版社. 2020.

[ 3 ]    Jabbur ML, Dani C, Spoelstra K, Dodd AN, Johnson CH. Evaluating the Adaptive Fitness of Circadian Clocks and their Evolution. J Biol Rhythms. 2024;39(2):115-134.

[ 4 ]    Bechtold DA, Gibbs JE, Loudon AS. Circadian dysfunction in disease. Trends Pharmacol Sci. 2010;31(5): 191-198.

[ 5 ]    Sonett CP, Kvale EP, Zakharian A, Chan MA, Demko TM. Late Proterozoic and Paleozoic Tides, Retreat of the Moon, and Rotation of the Earth. Science. 1996;273:100-104.

[ 6 ]    Silin Li, Zengxuan Zhou, Yufeng Wan, Xudong Jia, Peiliang Wang, Yu Wang, Taisen Zuo, He Cheng, Xiaoting Fang, Shuqi Dong, Jun He, Yilin Yang, Yichen Xu, Shaoxuan Fu, Xujing Wang, Ximing Qin, Qiguang Xie, Xiaodong Xu, Yuwei Zhao, Dan Liang, Peng Zhang, Qinfen Zhang, and Jinhu Guo Reconstruction of an ancient cyanobacterial proto-circadian clock 2025, online, //doi.org/10.1038/s44318-025-00425-0

[ 7 ]    Ditty JL, Mackey SR, Johnson CH. Bacterial circadian programs. 2009;pp 241-258. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

[ 8 ]    Nakajima M, Imai K, Ito H, Nishiwaki T, Murayama Y, Iwasaki H, Oyama T, Kondo T. Reconstitution of circadian oscillation of cyanobacterial KaiC phosphorylation in vitro. Science.2005;308:414-415.