本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
这是由五篇博文组成的系列文章中的第二篇，最初发表于2006 年 4 月 5 日：
在前两篇博文中，这里和这里，我提到了蓝细菌中昼夜节律时钟的发现如何改变了我们对昼夜节律时钟的起源和进化的看法。在最初的发现之后不久，卡尔·约翰逊实验室的团队发表了两篇论文 [1,2]，描述了对聚球藻中昼夜节律时钟适应性功能的更直接测试。
当在光暗循环中分离培养时，野生型和各种时钟突变体聚球藻具有相当的繁殖速率。当在持续光照下培养时，它们的表现甚至更好一点，即繁殖速度更快。因此，在隔离状态下，时钟似乎没有赋予适应性优势。
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然而，当菌株一起培养时，两个菌株在同一个培养皿中生长，并暴露于光暗循环，内源周期更接近环境周期周期的菌株“赢得”了竞争。这表明昼夜节律时钟在节律环境中赋予了适应性。在持续光照下，无节律突变体优于节律菌株。
以下是约翰逊描述的实验（来自一本未在线提供的书籍章节）
“作者的实验室通过使用不同菌株的蓝细菌聚球藻之间的竞争实验来测试昼夜节律程序的适应性意义（Ouyang et al., 1998; Woelfle et al., 2004）。对于像聚球藻这样的无性微生物，一个菌株在与其他菌株竞争下的差异生长是生殖适应性的良好衡量标准。在纯培养中，由于菌株在持续光照和光暗循环中以大致相同的速率生长，因此当菌株单独生长时，具有不同的昼夜节律周期似乎没有明显的优势或劣势。适应性测试是将不同的菌株混合在一起并在竞争中培养，以确定种群的组成是否随时间变化。培养物以一定间隔稀释以允许生长继续。使用不同周期的突变体来回答问题，“具有与环境周期周期相似的周期是否会增强适应性？”所用菌株的昼夜节律表型具有约 22 小时（B22a、C22a）和 30 小时（A30a、C28a）的自由运行周期。这些菌株通过三个不同时钟基因中的点突变确定：kaiA (A30a)、kaiB (B22a) 和 kaiC (C22a、C28a)。野生型的周期在这些条件下约为 25 小时。当每个菌株与另一个菌株混合并在竞争中一起生长时，出现了一种模式，该模式取决于光暗循环的频率和昼夜节律周期。当在 22 小时周期（光暗 11:11）中生长时，22 小时周期的突变体可以在混合培养物中超过野生型。在 30 小时周期（光暗 15:15）中，30 小时周期的突变体可以击败野生型或 22 小时周期的突变体。在“正常”24 小时周期（光暗 12:12）中，野生型菌株可以过度生长任何突变体（Ouyang et al., 1998）。请注意，在许多周期中，这些光暗条件都具有相等的光照和黑暗量（这很重要，因为光合蓝细菌从光中获取能量）；只有光与暗的频率在光暗循环中有所不同。图 1 显示了野生型和突变体菌株之间竞争的结果（Ouyang et al., 1998）。显然，周期与光暗循环周期最匹配的菌株消除了竞争者。在非选择性条件下（在这种情况下，持续光照），每个菌株都能够在混合培养物中维持自身。由于突变体菌株可以在光暗循环中击败野生型菌株，在这些循环中周期与其内源周期相似，因此观察到的差异效应可能是昼夜节律时钟差异的结果。还进行了基因测试，以证明时钟基因突变是竞争实验中差异效应的特异性原因（Ouyang et al., 1998）。由于各种蓝细菌菌株在纯培养中的生长速率没有可检测到的差异，因此这些结果最有可能是一个“软选择”的例子，其中仅在竞争下才能看到一种基因型的适应性降低（Futuyma, 1998）。
在测试蓝细菌时钟系统的外在价值与内在价值时，野生型与一种明显的无节律菌株 (CLAb) 进行了竞争。如图 2 所示，在光暗 12:12 中，无节律菌株被野生型迅速击败，但在持续光照下的竞争中，无节律菌株的生长略优于野生型（Woelfle et al., 2004）。综上所述，结果表明，一个完整的时钟系统，其自由运行周期与环境协调，显着提高了蓝细菌在节律环境中的生殖适应性；然而，这个相同的时钟系统在恒定环境中不提供适应性优势，甚至可能对该生物略有不利。因此，时钟系统似乎没有为蓝细菌在恒定条件下提供内在价值。”
引人注目的是他们必须进行多少控制实验才能消除各种替代解释。他们必须证明时钟基因中的突变不会对细胞生长和繁殖能力产生额外的影响。检查。他们必须证明时钟突变不会影响细胞利用食物和光能的能力。检查。他们必须证明时钟突变不会以任何可想象的方式影响一种菌株可能通过分泌化学物质主动破坏另一种菌株的健康。检查。最后，尽管他们证明了“共振”，即环境周期和内在周期之间的相似性赋予了一些优势，但他们仍然不能肯定地说这“证明”了昼夜节律时钟具有适应性功能。
这是约翰逊 [3] 再次说道
“昼夜节律时钟的最初适应性大概是为了增强自然环境中的生殖适应性，自然环境是周期性（24 小时）条件。我们可以将这种情况称为对外部条件的适应。然而，一些研究人员提出，昼夜节律时钟可能额外提供“内在”适应性价值（Klarsfeld 1998；Paranjpe 2003 和 Pittendrigh 1993）。也就是说，昼夜节律起搏器可能已经进化成为内部时间组织的内在组成部分，因此，除了其对环境周期的原始适应作用外，可能还与其他影响生殖适应性的特征交织在一起。请注意，如果时钟最初的外在价值已经丧失，那么严格的进化生物学家将不再认为时钟的内在价值是一种适应性。然而，如果时钟保留了外在价值并且额外积累了内在价值，那么它们仍然被认为是适应性。”
测试一个性状是否是适应性是一个非常困难的任务。测试像昼夜节律时钟这样普遍存在的东西是否是适应性甚至更难。你能想象测试使用 ATP 进行能量存储或使用 DNA 进行信息存储是否是适应性吗？是否有不使用这些的生物，以便我们可以在比较或竞争研究中使用它们？
在他的书《适应与环境》 (1990) 中，罗伯特·布兰登提出了五个需要满足的标准，以确定一个性状是否是适应性（感谢罗伯特·斯基珀提醒我们这一点）
“必须具备1. 选择已经发生的证据；
2. 对某些类型比其他类型更适应这一事实的生态学解释；
3. 所讨论的性状是可遗传的证据；
4. 有关种群结构的信息，包括种群统计结构和选择性环境的结构；
5. 关于从什么进化而来的系统发育信息。”
早期的蓝细菌研究表明标准 #3 是正确的。竞争性分析研究开始破解标准 #2。在本主题的下一篇文章中，我将描述一些开始研究标准 #5 的研究，以及关于标准 #1、#2 和 #4 的一些额外证据。显然，我们还有很长的路要走。约翰逊再次说道
昼夜节律文献中“仅仅如此”故事的一个例子是蓝细菌中光合作用和固氮作用的“时间分离”，作者个人已经宣传了这一点。在固氮单细胞细菌中，固氮作用通常在夜间进行。固氮 (N2) 受到低浓度氧气的抑制，这对光合细菌提出了难题，因为光合作用产生氧气。Mitsui 等人 (1986) 提出，夜间固氮作用是对允许在光合作用不释放氧气时发生 N2 固定的适应，作者在多篇出版物中重复了这一假设（Johnson et al., 1996, 1998）。这个假设会预测，蓝细菌在持续光照下的生长速度会比在光/暗 (LD) 循环中慢，因为在这种条件下固氮作用会被抑制，因此生长的细胞可能会迅速变得缺乏代谢可用的氮。问题是蓝细菌在持续光照下生长良好——事实上，它们在持续光照下比在光暗循环中生长得更快，大概是因为它们从额外的光合作用中获得了额外的能量。这个结果与“时间分离”假设不一致。这并不意味着“时间分离”假设是不正确的——事实上，作者认为，在适当的（但尚未经过测试的）培养基、光照和二氧化碳条件下，“时间分离”假设将最终胜出。然而，这里的重点是，“蓝细菌的时间分离”是我们喜欢讲述的“仅仅如此”的昼夜节律故事的一个例子，但它并没有得到适当数据的严格支持。这是 Gould 和 Lewontin (1979) 对人口生物学领域许多研究的结论，这种批评是切中要害的。”
参考文献和图片来源
[1] YAN OUYANG, CAROL R. ANDERSSON, TAKAO KONDO, SUSAN S. GOLDEN, AND CARL HIRSCHIE JOHNSON, 共振昼夜节律时钟增强蓝细菌的适应性, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 95, pp. 8660-8664, 1998 年 7 月
[2] Mark A. Woelfle, Yan Ouyang, Kittiporn Phanvijhitsiri 和 Carl Hirschie Johnson, 昼夜节律时钟的适应性价值：蓝细菌的实验评估, Current Biology, Vol. 14, 1481-1486, 2004 年 8 月 24 日
[3] Carl Hirschie Johnson, 测试昼夜节律系统的适应性价值, Methods in Enzymology, Volume 393 , 2005, Pages 818-837