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
我最初于2010年4月13日在博客上发布了这篇文章。
每当我阅读卡尔-阿恩·斯托坎实验室的论文时（而且我已经阅读了他们的每一篇论文），无论科学语言多么晦涩难懂，我总是会想象他们奔跑在寒冷、黑暗的北极，挥舞着巨大的蝴蝶网，寻找并捕捉驯鹿（或雷鸟，无论论文是关于哪种动物）来进行他们的研究。
如果我不那么讨厌寒冷，我会认为这将是科学界最好的职业！
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
他们的最新论文——北极哺乳动物不需要生物钟（新闻稿）——被传统媒体和博客广泛报道。例如，请参阅The Scientist、BBC、《大众科学》播客和Wired Science。
相关，还是仅仅是酷？
很难找到一个科学故事比这个更明显地属于“真酷”类别，而不是“真相关”类别。关于这场辩论的背景，请阅读Ed Yong、David Dobbs、DeLene Beeland、Colin Schultz，以及科林对Carl Zimmer、Nicola Jones、David Dobbs、Jay Ingram、Ferris Jabr、Ed Yong和再次 Ed Yong 的系列采访。
我同意，这是一个很酷的故事。这是一个引人注目、有趣的故事，讲述了魅力非凡的巨型动物生活在奇异的荒野中。多年前，我在一次会议的海报展示会上首次看到了该实验室的工作，在那天我看到的所有海报中，多年后我仍然记得的正是驯鹿的那张海报。
然而，这个故事的酷炫不应掩盖这样一个事实，即这项研究也非常重要——无论对于理解进化还是对于人类医学而言。让我试着解释一下他们做了什么，以及为什么这比匆匆一瞥标题所暗示的要重要得多。几年前，当我写博客评论他们的一篇早期论文时，我只是部分地做到了这一点。但首先让我从那篇早期论文开始，作为背景和语境。
行为节律
在他们 2005 年的《自然》杂志论文（实际上只是他们几年后在其他地方发表的一篇更长、更详细的论文的一小部分子集）中，斯托坎及其同事使用无线电遥测技术来持续监测驯鹿的活动——它们何时睡觉以及何时四处觅食。
您应该记住，在北极，夏季基本上是持续数月的漫长一天，而冬季则是持续数月的漫长黑夜。在这些长时间的持续光照期间，驯鹿的活动没有表现出节律——它们几乎在无法预测的“白天”时间段内成阵发性和突发性地移动和休息。它们的行为昼夜节律消失了。
但是，在短暂的春季和秋季期间，白天和黑夜存在 24 小时的明暗周期，驯鹿（在挪威大陆的最北端，但甚至更北端的斯瓦尔巴群岛的种群仍然全年节律失调）表现出每日活动节律，这表明该物种可能拥有生物钟。
生理节律
在几项研究中，包括最新的研究，该实验室还研究了一种生理节律——松果体合成和分泌褪黑激素的节律。正如在活动节律中一样，血液中褪黑激素的浓度仅在短暂的春季和秋季期间才表现出每日（24 小时）节律。此外，在最新的论文中，他们将三只驯鹿在室内光线密封的畜栏中饲养了几天，并在白天正常的光照阶段将它们暴露于 2.5 小时的黑暗期。每个这样的“黑暗脉冲”都会导致血液中褪黑激素的急剧升高，随后一旦灯光重新亮起，褪黑激素就会同样迅速地消除。
基因表达节律
最后，在最新的论文中，他们还研究了在体外（培养皿中）培养的成纤维细胞中两种核心时钟基因的表达。成纤维细胞是在全身各处发现的结缔组织细胞，可能是通过活检从驯鹿身上取出的。在其他哺乳动物（例如，啮齿动物）中，时钟基因在培养皿中以昼夜节律周期持续循环很长时间。然而，驯鹿成纤维细胞在经过几次大致在昼夜节律范围内的非常微弱的振荡后，衰减为完全的节律失调——细胞是健康的，但它们的时钟不再滴答作响。
这些结果表明什么？
驯鹿的时钟有些蹊跷。它的工作方式与迄今为止研究的其他哺乳动物不同。例如，生活在北极的海豹和人类具有正常的褪黑激素昼夜节律。一些其他动物表现出行为的每日节律。但在驯鹿中，只有当环境也具有节律性时，才能观察到行为和褪黑激素的节律。在持续的光照条件下，时钟似乎不起作用。但是，真的是这样吗？我们怎么知道？
在漫长的冬夜和漫长的夏日，驯鹿的行为并非完全随机。它呈阵发性，表现出一定的规律性——这些是周期远小于 24 小时的超昼夜节律。如果时钟在驯鹿中不起作用，即，如果该物种中没有时钟，那么超昼夜节律在春季和秋季也会持续存在。然而，我们在这些季节看到了昼夜节律——那里存在一个潜在的时钟，它可以被同步到 24 小时的明暗周期。
这论证了这样一种观点，即除非被 24 小时的外部周期强制同步，否则鹿的生物钟会经历一种称为频率分频的现象。其思想是，潜在的细胞时钟以 24 小时周期运行，但它会向下游发送时钟信号，在每个周期内多次触发表型（可观察到的）事件。事件总是发生在周期的相同相位，并且通常每 12 小时、8 小时、6 小时、4 小时、3 小时、2 小时或 1 小时发生——24 的除数（不一定是整小时，例如，90 分钟的爆发也是可能的）。同样，时钟可以仅每隔一个周期触发一次事件，从而导致 48 小时的可观察行为周期。
如果我们暂时忘记时钟的比喻，而想到自动钢琴，那就好像这个装置每个周期多次演奏 G 音符，总是在每个周期中的相同时刻，但没有必要将每个音符限制为每个周期只出现一次。
另一方面，活动和褪黑激素的节律似乎都是由光和暗直接驱动的——就像秒表一样。在昼夜节律术语中，这被称为“沙漏时钟”——需要环境触发器来翻转它，以便它可以重新开始测量时间。黎明和黄昏似乎直接停止和开始行为活动，而黑暗的开始刺激褪黑激素的分泌，而光照的开始抑制褪黑激素的分泌。“沙漏时钟”是具有非常低振幅的昼夜节律时钟的极端示例。
虽然我们主要关注周期和相位，但我们不应忘记振幅很重要。是的，振幅很重要。它决定了环境线索将时钟重置到新相位有多容易——时钟的振幅越低，就越容易移动。在一个非常低振幅的振荡器中，光照（或黑暗）的开始可以立即将时钟重置为零相位，并重新开始计时——“沙漏”行为。
对驯鹿成纤维细胞的分子研究也表明时钟的振幅较低——在节律完全消失之前，可以看到几次微弱的振荡。
对于观察到的数据可能还有其他解释，例如，掩蔽（光对行为的直接影响绕过时钟）或相对协调（微弱且短暂的同步），但我们现在不要过于陷入晦涩的昼夜节律学中。现在，我们先说驯鹿的时钟是存在的，它是一个非常低振幅的时钟，可以轻松且立即地同步到明暗周期，而在长时间的恒定条件下，它会分裂或分频。
为什么这对驯鹿很重要？
在漫长的冬夜和漫长的夏日，驯鹿以 24 小时周期行为没有意义。它们这样做的内在驱动力，由时钟驱动，应该被灵活性的需求所压倒——在如此恶劣的环境中，行为需要是机会主义的——如果视野中有捕食者：移开。如果视野中有食物——去获取它。如果您吃饱了并且没有危险，那么现在是小睡的好时机。实现这一目标的一种方法是将行为与时钟脱钩。另一种策略是拥有一个对这种机会主义行为非常宽容的时钟——一个非常低振幅的时钟。
但是为什么要拥有时钟呢？
斯托坎及其同事强调，春季的昼夜周期有助于驯鹿安排季节性事件，最重要的是繁殖。小牛/小鹿应该在天气最好、食物最充足的时候出生。驯鹿利用春季（和秋季）的几周时间来测量日长（光周期），从而安排它们的季节性——或者换句话说，重置它们的内部日历：周年节律时钟。
但是，这一切意味着什么？
以上所有内容仅涉及关于昼夜节律时钟的适应性功能（以及因此的进化）的两种假设之一。这就是外部同步假设。这意味着生物体与其外部环境同步（在其生物化学、生理学和行为方面）是适应性的——在安全时睡觉，在不受干扰时进食等等。就驯鹿而言，由于一年中的大部分时间环境中没有每日周期，因此保持 24 小时的行为节律没有适应性价值，因此没有观察到。但由于北极具有高度的季节性，并且由于昼夜节律时钟通过日长测量（光周期现象）来安排季节性事件，因此时钟作为一种适应性结构被保留下来。
这并不是什么新鲜事——在洞穴动物以及社会性昆虫中也观察到了类似的情况。
本文没有涉及的是另一个假设——昼夜节律时钟存在的内部同步假设——同步内部事件。因此，靶细胞不需要持续产生（和浪费能量）来产生激素受体，除非在内分泌腺分泌激素时。这是一种让身体在时间上划分可能冲突的生理功能的方式，以便那些需要同时发生的生理功能能够同时发生，而那些相互冲突的生理功能则在时间上分开——不要同时发生。在这个假设中，时钟是所有生理过程的协调中心。即使环境中没有要适应的周期，时钟也是必要的，并且无论如何都会为了这种内部功能而被保留下来，尽管周期现在不需要接近 24 小时了。
接下来可以做什么？
不幸的是，驯鹿不是果蝇或小鼠或大鼠。它们并非濒危物种（据我所知），但它们不容易在实验室中以大量理想的受控条件下长期饲养。
在野外，一个人可以做的事情是有限的。可以在野外长期监测的时钟的唯一输出是总体运动活动。然而，虽然最容易做到，但这可能是时钟工作原理的最不可靠的指标。行为太灵活且可塑，太容易受到环境的直接影响（例如，天气、捕食者等）的“掩蔽”。并且仅测量总体运动活动并不能告诉我们动物正在从事哪些特定行为。
如果能将一群驯鹿带入实验室，并在受控的光照条件下放置一年就好了。首先，可以监测几种不同的特定行为。例如，如果进食、饮水和排便是节律性的，那将表明整个消化系统都受到昼夜节律控制：胃、肝脏、胰腺、肠道及其所有酶。饮水和排尿也是如此——它们可以间接指示肾脏和其余排泄系统的节律性。
在实验室中，还可以使用简单的非侵入性技术持续监测一些生理参数。例如，可以监测体温、血压和心率，这是昼夜节律输出的更可靠的指标。还可以更频繁地采集血液样本（这些是大型动物，它们可以承受）并测量包括褪黑激素在内的大量激素，例如，皮质醇、甲状腺激素、孕酮、雌激素、睾酮等（也适用于测量季节性反应）。可以测量尿液和粪便中的代谢物，并深入了解内部生物化学和生理节律。所有这些都无需手术，也不会给动物带来不适。
然后可以将驯鹿置于持续的黑暗中，看看所有这些节律是否持续或随着时间推移而衰减。然后可以制作一个相位-响应曲线，从而测试潜在振荡器的振幅（或者使用同步到 T 周期来做到这一点，如果您一直点击链接，您就会知道我在说什么）。也可以用这种方式测试它们对光周期的生殖反应。
最后，成纤维细胞是外周细胞。人们不能期望该小组解剖驯鹿的视交叉上核来检查主起搏器本身的状态。在如此阻尼的昼夜节律系统的情况下，测试外周时钟可能没有太多信息量。有成纤维细胞总比没有好，但使用它们存在很大的警告。
请记住，昼夜节律系统分布在全身，每个细胞都包含一个分子时钟，但只有视交叉上核中的起搏器细胞充当网络。在像驯鹿这样的昼夜节律系统中，该系统的振幅一开始就很低，几乎可以预料到从身体中取出并在培养皿中分离的外周时钟将无法长时间维持节律。然而，这些相同的细胞，当在体内时，可能作为所有体细胞的集合的一部分而完美地具有节律性，每个细胞每天都向其他细胞发送同步信号，因此整个系统作为一个整体运行良好，就像一个全身性的昼夜节律时钟。这可以在转基因小鼠中实时监测，但在驯鹿中实现这一技术还需要几年时间。
最后，人们可以通过比较在一年中不同时间从动物身上取出的成纤维细胞（以及可能是一些其他外周细胞）的性能来检验驯鹿时钟的组织在其分子水平上经历季节性变化的假设。
这与医学相关之处是什么？
但是，为什么这一切都很重要？为什么对小鼠的研究还不够，而需要关注像驯鹿这样奇怪的实验室动物模型呢？
首先，与啮齿动物不同，驯鹿是一种大型的、主要是昼行动物。就像我们一样。
其次，驯鹿通常生活在让人类生病的环境中，但它们仍然安然无恙，谢谢。它们是怎么做到的？
即使是不住在北极圈（或南极洲）的人类，也倾向于生活在 24 小时社会中，光照和社交线索都会扰乱我们内在的节律。
我们有复杂的昼夜节律系统，很容易被打乱。我们上夜班和轮班，并且环球飞行，导致时差。时差不是时钟与环境之间的不同步，而是我们身体中所有细胞时钟之间的内部不同步。
在我们许多人生活的几乎永久的时差状态下，很多事情都会出错。我们患上睡眠障碍、饮食失调、肥胖症、免疫力受损导致癌症、生殖问题、精神问题增加、季节性情感障碍、胃溃疡和乳腺癌在夜班护士中的患病率等等。
为什么我们会遇到所有这些问题而驯鹿不会？它们进化出什么诀窍才能在让我们发疯和生病的环境中保持健康？我们可以学习它们的诀窍，将其应用于我们自己的医疗实践并加以利用吗？这些是小鼠和大鼠无法提供答案的问题，但驯鹿可以。我想不出还有哪种动物物种可以为我们做到这一点。这就是为什么我很高兴斯托坎和朋友们在冬季的黑暗中挥舞着巨大的蝴蝶网在北极荒原上追逐驯鹿 ;-)
参考文献
Lu, W., Meng, Q., Tyler, N., Stokkan, K., & Loudon, A. (2010). 北极哺乳动物不需要生物钟 《当代生物学》, 20 (6), 533-537 DOI: 10.1016/j.cub.2010.01.042
图片：驯鹿绘画 - EnchantedLearning.com；驯鹿照片 - 驯鹿牧场和经济效益，作者：Emma Englesby、Kimberly Richards 和 Stephanie Bell；图表来自 Lu 等人，2010 年。
大众科学的相关内容：
鲁道夫会从圣诞老人那里逃跑，作者：Jason G. Goldman
比鲁道夫的技能更好的技能，作者：Anne-Marie Hodge
驯鹿如何读取和了解其内部时钟，作者：Christopher Itagliata（播客）
鲁道夫如何在重要的夜晚保持炯炯有神，作者：David Biello
努力防止鲁道夫和他的驯鹿伙伴们被载入史册，作者：John R. Platt
卫星雪图帮助驯鹿牧民适应不断变化的北极，来自欧空局。
美国寻求保护森林以拯救野生驯鹿，作者：Laura Zuckerman