（生命科学引论）7、生物的节律生物钟.pptx

生命的节律生物钟,2013年11月郭金虎教授生命科学学院生物昼夜节律实验室（东校生科楼438房间）e-mail:guojinhulabpage:,生物钟基础研究生物钟调控的分子机制生物钟蛋白的新功能研究,生物钟应用研究太空飞行环境中生物钟的变化与机制生物钟与生殖,研究方向,研究对象,粗糙链孢霉(n.crassa)人及其他研究对象,研究方法,生化、分子、细胞、遗传生理、代谢、行为,生物昼夜节律实验室,circadianrhythmlaboratory,labpage:,e-mail:guojinhu,提纲,一、时间、节律与生物钟二、生物钟的生理功能三、昼夜节律（近日节律）四、生物钟的分子基础五、生物昼夜节律与人类健康六、生物钟与太空旅行,一、时间、节律与生物钟,郭金虎摄于美国glenrose恐龙谷,什么是时间？,物质运动中的一种存在方式，由过去、现在、将来构成的连绵不断的系统。是物质的运动。变化的持续性、顺序性的表现。辞海的解释,什么是时间呢?假如无人问我，我知道。如果要我作出解答，那我要说不知道。圣奥古斯都,thepersistenceofmemorybydali,日晷,铯原子钟：它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到350万年才相差1秒。,时间（秒）的定义,9192631770periodsoftheradiationcorrespondingtothetransitionbetweenthetwohyperfinelevelsofthegroundstateofthecaesium-133atom.13thgeneralconferenceofweightsandmesures1967-definitionofasecond,周期性节律无所不在!,节律：某些物体运动的节奏和规律,跳动的心脏,太阳绕太阳一圈需要两亿两千六百万年,哈雷彗星,76年一次！,神奈川冲浪图,葛饰北斋（17601849）是浮世绘的主要代表画家,招潮蟹,十足目沙蟹科,退潮时在泥滩上奔跑、觅食，涨潮时便迅速钻进洞穴中,旋涡虫（convolutaroscofensis）,旋涡虫的潮汐节律,春牛首，秋栖霞,非洲野翁鸟的近年节律.实线表示鸟的睾丸宽度的变化情况，虚线表示血清中lh的激素浓度，黑条表示飞羽的换毛时间，斜纹条表示体羽的换毛时间,dogstar(sirius),ancientegypt,5000yearsago.,日再旦,日再旦夏商周断代工程,周懿王是西周王朝从武王算起的第七位天子，竹书纪年中记载，西周“懿王元年天再旦于郑”，据此科学家们确定了“周懿王元年”为公元前899年4月21日清晨5时30分。,女曰：“鸡鸣”士曰：“昧旦”子兴视夜,明星有烂。,诗经,节律使我们感受到时间的存在！,与生命有关的时间周期,光线,温度,潮汐,养分,环境影响,重力,太阳、地球、月亮的周期性运动,体温的昼夜节律性,体重的近年节律,一只饲养在实验室恒温条件下4年的金毛地松鼠的体重变化，该松鼠的松果体也被切除，目的是为了消除光的影响。,食物摄入的近年节律,地球的自转造成光线、温度、磁场等的周期性变化,关于植物节律的观察记录,罗望子(tamarindusindicus)，为苏木科罗晃子属常绿乔木。,罗望子树叶的运动androsthenesatalexanderthegreattime,androsthenesofthasos,ivbc随亚历山大大帝远征，记录了在波斯湾现巴林地区tyros岛上观察到罗望子叶片的节律性运动,1614年，意大利医生sanctoriussantorio(1561-1636)设计并制造了一个很大的台秤，并在秤盘上建了一个简易的小房间，可供人坐在里面进行日常生活。他在这个装置里，对饮食量的变化、人体的体重、尿液混浊度等指标进行了长达30年的检测。,thefirstpersontostudybiologicalclockscientifically.,mimosaplant,renjoachimhenridutrochet(november14,1776february4,1847)法国自然学家贡献：胚胎学、发现真正的细胞、渗透压、光对植物的影响等,wilhelmfriedrichphilipppfeffer(9march1845-31january1920)德国植物学家贡献：现代植物生理学先驱，植物渗透压,svanteaugustarrhenius(19february18592october1927)瑞典生理学家和化学家贡献：温室效应等,charlesrobertdarwin,frs(12february180919april1882),植物叶片的运动引起了当时一些科学家的兴趣,(brady1979,biologicalclocks,edwardarnold,london),in1962,michelsiffre,recordedhissleep-wakedatainadeepcavefor62days,whichshowsa25-hperiodapproximately.,gonyaulaxpolyedra,甲藻,培养基中的ph值在光照下会呈现出24小时的节律变化在光下会升高,而在黑暗下则降低.但如在连续的黑暗下则没有变化,因此不是circadian变化.,11月27日，澳大利亚悉尼clovelly海滩，海中红藻泛滥,地球的自转造成光线、温度、磁场等的周期性变化,光照,温度,湿度,噪声,气压,地磁场,食物,社会因素,背景辐射,重力,静电场,自然因素,季节节律,昼夜节律,季节节律,昼夜节律,潮汐节律,昼夜节律,昼夜节律,一些生物在恒定环境里的节律周期这些节律通常是在25恒定温度测量出来的。,不同周期的生物节律,周期长度,24小时,circadian,infradian,ultradian,近日节律,超日节律,亚日节律,翻译参照陈善广、王正荣等译近日生理学,超日节律：比近日节律高的节律称为超日节律，即周期短于近日节律。近日节律：周期接近于一天（24小时）的节律。亚日节律：以低于近日节律的频率循环的生物学过程，即周期长于近日节律。,什么是生物钟?,coleman定义biologicalclockbinkleys1990theclockworksparrow:aninnatephysiologicalsystemcapableofmeasuringthepassageoftimeinalivingorganism活的生物体内在的一种可以测定时间的生理系统.,时间生物学chronobiology,相位,生物钟的参数,振幅,周期,家鼠与田鼠的活动节律,生物钟的特点,内在性持续性可设置性非温度依赖性(温度补偿机制),因此，生物钟是内在的、可持续的机制,内在性持续性可设置性非温度依赖性(温度补偿机制),人的节律并非与生俱来,褪黑素可以调整人的睡眠节律,arthurt.winfreee1987年说过：“一个时钟如果没有龙芯，不能对时间进行设置和校准，那这个时钟就没有什么用处”naylor2010。,光对麻雀活动节律的影响,温度补偿,温度系数q10：温度变化10度引起生化反应的效率改变温度补偿的定义：生物钟对温度具有补偿机制，在较大的温度范围内周期基本不变恒温动物也有温度补偿机制,鸡在不同温度下褪黑素的分泌周期,粗糙链孢霉生物钟的温度补偿,中国的“时间女神”：常羲,二、生物钟的生理功能,straybirdsofsummercometomywindowtosingandflyaway.andyellowleavesofautumn,whichhavenosongs,flutterandfalltherewithasign.,夏天的飞鸟，来到我的窗前，歌唱，又飞走了。秋天的黄叶，它们没有什么曲子可唱，一声叹息，飘落在地上。,-byrabindranathtagore,动物冬眠,karbanetal2002,circannualrhythmsoftesticularwidth(curves)andmolt(blackbars:flightfeathermolt;hatchedbars:bodyfeathermolt)inanafricanstonechatkeptfromfledgingforover10yearsinaconstantequatorialphotoperiod.,gwinnere1996circannualclocksinavianreproductionandmigration.ibis138:47-63.,野翁鸟,候鸟迁徙,鲸鱼洄游,monarchbutterfly黑脉金斑蝶,迁徙图,触角中的生物节律对定位很重要,merlinetal2009science,植物的罗盘,生物钟的一个令人惊叹的之处在于它们可以预测天体的运动。klaushoffmann,1982,三、昼夜节律(近日节律)circadianrhythms,circadianclockcircadian:circa,about+diem,aday,昼夜节律；近日节律,flowerclock,aclockmadeofplants.caroluslinnaeus,an18thcenturyswedishnaturalist,developedthegenusandspeciesnamingsystemfororganisms.healsodevisedalivingclockoftenillustratedthoughperhapsneveractuallyplantedwhichusedtheopeningandclosingofflowersonlivingplantstomarkthehoursoftheday.,carlvonlinn(swedennaturalist,thisstatuelocatedinthecampusoftheuniversityofchicago),commonfouroclock,morningglory,生物节律研究学会,uv,z.zz.zz,divideintotwodaughtercells,patriciaj.decourseydistinguishedprofessorph.d.,1959,universityofwisconsin,植物生物钟的生理功能,生物钟的组成,哺乳动物的生物钟系统由主生物钟及外周生物钟组成,ishidaetalpnas1999,input,主生物钟,外周生物钟,output,oscillator震荡子,richter,curtpaul20feb1894-21dec1988johnshopkinsuniversityschoolofmedicine,natrevgenet.2005jul;6(7):544-56,scn:suprachiasmaticnuclei，视交叉上核,urjneurosci.2003jul;18(1):125-33.lightdoesnotdegradetheconstitutivelyexpressedbmal1proteininthemousesuprachiasmaticnucleus.vongallc,notone,leec,weaverdr.,earnestetal1999,切除scn使节律丧失,移植scn后又可使节律恢复.,一个scn部位缺失的患者,cohenetal1991neurology.,四、生物钟的分子基础,aroseisnotnecessarilyandunqualifiedlyarose;thatistosay,itisaverydifferentbiochemicalsystematnoonandatmidnight.colinpittendtrigh,1993,everyonehasaclock!composedofnegativefeedbackloop!mechanismconserved!,研究生物钟常用的一些模式生物。依次是果蝇、粗糙链孢霉、小鼠、拟南芥、麻雀、黑脉金斑蝶、光合细菌、金黄仓鼠、甲藻和招潮蟹。,生物钟的分子通路由正调节元件和负反馈回路组成,dunlap1999cell,正调控元件,负调控元件,输出钟控基因,生物钟基因,代谢和行为的节律,拟南芥生物钟基因的节律性表达,敲除per1,per2基因使小鼠活动的节律缺失,粗糙链孢霉neurosporacrassa,粗糙链孢霉neurosporacrassa,印尼食品oncham,from/initiatives/models/,gfp:greenfluorescentprotein,georgebeadle(left),edwardlawrietatum(right)thenobelprizeinphysiologyormedicine1958,beadleandtatumexposedn.crassatox-rays,causingmutations.theythenobservedfailuresinmetabolicpathwayscausedbyerrorsinspecificenzymes.thisledtotheonegene,oneenzymehypothesisthatstatesthatspecificgenescodeforspecificproteins.,fromthewebsiteofnobelprize(/),(from/jdunlap/),24h,frq2,frq+,frq7,1stday,2ndday,1stday,2ndday,1stday,2ndday,neurosporacircadianclocknetworktranscriptionalnegativefeedbackloop(转录水平的负反馈调节通路),frq,frqmrna,frq,frh,neurosporacircadianclocknetworktranscriptionalnegativefeedbackloop(转录水平的负反馈调节通路),frq,frqmrna,frq,frh,neurosporacircadianclocknetworktranscriptionalnegativefeedbackloop(转录水平的负反馈调节通路),frq,frqmrna,frq,frh,转录水平,翻译水平,neurosporacircadianclocknetworktranscriptionalnegativefeedbackloop(转录水平的负反馈调节通路),frqmrna,体外合成生物钟,蓝藻的体外生物钟,光合细菌中生物钟基因的节律性表达,science.2005apr15;308(5720):414-5.reconstitutionofcircadianoscillationofcyanobacterialkaicphosphorylationinvitro.nakajimam,imaik,itoh,nishiwakit,murayamay,iwasakih,oyamat,kondot.,生物节律研究学会,美国佛罗里达sandestin,生物节律研究学会,五、生物昼夜节律与人类健康,生物钟的紊乱严重损害健康,遗传因素fasps(per2,ck1)dsps(per3)环境因素行为失同步化睡眠受限轮班工作生理因素衰老,睡眠障碍,肿瘤,情感性疾病,代谢综合症,免疫系统疾病,plasmodium,alexanderthegreat,olivercromwell,infected300-500millionpeople,ofwhomabout200milliondied,mostwerechildren.(who1992),生物钟与健康,2005年度诺贝尔生理或医学奖得主沃伦（左）与马歇尔多年合作，并获得突破性的重大成果,helicobacterpyloriistheculpritbehindmostulcers.au,bipolardisorders,neuropsychologicaldysfunction躁狂症,这种疾病使人的情绪摇摆于极度高涨（或者易怒，或二者兼有）和悲伤失望之间，在这两种状态之间会存在情绪正常的时间。在美国，有两百万以上的人受到双相情感障碍的困扰，对患者及他们的配偶、家庭成员、朋友和雇主带来极大的痛苦和破坏性,早晨6:00服用阿霉素晚上6:00服用顺铂,早晨6:00服用顺铂晚上6:00服用阿霉素,副作用低,副作用高,阿霉素(adriamycin)顺铂(cisplatin),hrushesky1985science.,123,iny.touitouthenuclearaccidentchernobylat1:23am;theindianunioncarbideplantexplodedat12:15am,核电站里复杂的仪表,动物的时差,whenyougotoeurope,thesoultakesaboutthreedayslongertogetthere.golomberk342(6154):85-90.,城市夜景光污染,ourlossofsleeptimeandnaturalsleeprhythmsisthetragiclegacyofasingleandprofoundtechnologicaladvancethelightbulb.williamc.dementandchristophervaughan,thepromiseofsleep,1999.,六、生物钟与太空旅行,太空飞行,太空环境与地面环境因子的差异性太空环境下的生理变化昼夜时长重力辐射磁场狭小空间、孤独、噪音等,人生物钟近24小时周期的稳定性,21或27小时一天的手表,黑暗的帐篷,北极夏季极昼,27h,27h,1h,27/24h,改变作息规律不能改变人体的24小时温度节律,生物钟与睡眠调控人的操作效率与反应速度,重力和光照对沙漠甲虫生物钟的影响changeofgravityaffectsthecircadiancloc