林玟利，胡福良

（1.浙江大學(xué)心理與行為科學(xué)學(xué)院心理學(xué)2020 級，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

1 引言

生物節(jié)律是生物體內(nèi)生理和行為的內(nèi)在節(jié)律性，即生物可以不受環(huán)境的影響，體內(nèi)自主地形成有規(guī)律的變化，也是我們俗稱的“生物鐘”。個(gè)體的生命活動(dòng)如睡眠、學(xué)習(xí)記憶、新陳代謝、趨光性等主要都是由生物鐘所調(diào)節(jié)的。因此，研究和了解生物背后生物節(jié)律的真相具有重大的意義。此外，晝夜節(jié)律(circadian rhythms)是屬于生物節(jié)律的一部分，并普遍存在于地球上大部分生物當(dāng)中。它是一種以內(nèi)源性和持續(xù)性的形式且以24 h為一個(gè)周期的生理現(xiàn)象。晝夜生物鐘大致可分為兩大類，即中央生物鐘(central clocks) 和外周生物鐘(peripheral clocks)。中央生物鐘是指生物的細(xì)胞是具有內(nèi)源性的，而外周生物鐘是指會受到授時(shí)因子如光照、溫度等條件的影響而發(fā)生變化的。蜜蜂是社會性昆蟲，由蜂王、雄蜂和工蜂等3 種具有不同職能的個(gè)體組成，共同構(gòu)成一個(gè)迷你的小型社會。蜂王和工蜂皆為雌性蜜蜂，但他們的形態(tài)特征、生理活動(dòng)和主要職能都大不相同。蜂王的首要職責(zé)為繁衍后代，工蜂負(fù)責(zé)蜂巢內(nèi)外的大小事務(wù)如采集蜂蜜、喂養(yǎng)幼蟲、保護(hù)蜂巢等，雄蜂則負(fù)責(zé)在婚飛時(shí)與蜂王交配，提供其精液以助蜂王繁衍下一代。剛出房一周的成年工蜂通常為內(nèi)勤蜂，負(fù)責(zé)照顧蜂王；出房3 周后為采集蜂，開始由內(nèi)轉(zhuǎn)外，負(fù)責(zé)采集蜂蜜和防御的工作。在群居生活中，他們之間具有高度的配合和相互協(xié)調(diào)的能力。

2 蜜蜂的生物節(jié)律性行為和可塑性

早在20 世紀(jì)，學(xué)者們已發(fā)現(xiàn)蜜蜂出巢采集的時(shí)間觀念性極強(qiáng)，總能在最佳時(shí)間采到最多的花蜜。后來經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原來成年工蜂在采集行為上具有晝夜節(jié)律性。采集蜂能經(jīng)由生物鐘的調(diào)節(jié)譬如太陽羅盤定向機(jī)制來協(xié)助導(dǎo)航和搖擺舞來進(jìn)行交流，互相傳遞和表達(dá)相關(guān)的信息。即使將蜜蜂放在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行隔離訓(xùn)練，蜜蜂也遵守這一規(guī)律，能精準(zhǔn)地確定蜜粉源[1]。這表明了蜜蜂的晝夜節(jié)律性行為是內(nèi)源性的。此外，采集蜂在夜晚則會進(jìn)行睡眠，而睡眠也分為幾個(gè)階段，有利于緩解白天高強(qiáng)度的反應(yīng)和活動(dòng)能力[2]。然而，之后卻有學(xué)者發(fā)現(xiàn)不是所有同蜂群的蜜蜂都擁有強(qiáng)烈的晝夜節(jié)律性。這與蜜蜂之間的勞動(dòng)分工存在著密切的聯(lián)系，并且能通過與幼蜂的直接接觸來調(diào)節(jié)[3,4]。當(dāng)采集蜂短缺時(shí)，一些年幼的工蜂就會加速發(fā)育并比同齡的蜜蜂更早開始采集蜂蜜；當(dāng)內(nèi)勤蜂短缺時(shí)，一些成年的采集蜂就會返回并開始照料蜂巢內(nèi)的事務(wù)。早期承擔(dān)哺育任務(wù)的內(nèi)勤蜂不具備晝夜節(jié)律性，但當(dāng)它們開始轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉浜缶蜁憩F(xiàn)出很強(qiáng)的晝夜節(jié)律性[5]。 除此之外，也有研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)勤蜂在無蜂巢的情況下，能在16 h 以內(nèi)從無晝夜節(jié)律性轉(zhuǎn)變?yōu)橛袝円构?jié)律性，且時(shí)鐘基因也會開始被表達(dá)[4]。由此可知，蜜蜂的晝夜節(jié)律性是具備高度可塑性的。

3 蜜蜂生物節(jié)律性的分子機(jī)制

果蠅是最先被用作有關(guān)生物節(jié)律分子機(jī)理的研究。從1984 年起[6]，學(xué)者們就紛紛從果蠅中發(fā)現(xiàn)出生物節(jié)律基因，其中包括了period(per) 、Timeless1(Tim1)、Cry-d(cry1)、clock (CLK)、vrille (Vri)、PAR-domain protein 1(Pdp1)和色素分散因子(Pigment-dispersing factor, PDF)等。Cry-d (cry1) 和Tim1 基因是果蠅形成生物鐘功能的關(guān)鍵。然而，蜜蜂的基因組與果蠅卻存在著差異，除了Pdp1 和Vri 等基因是相同之外，它們編碼出了類似哺乳動(dòng)物的基因Cry-m(cry2)，并不是果蠅的Tim1 和Cry-d 基因。Cry-m 和Cry-d 的不同之處是Cry-d 有光敏性而Cry-m 沒有[7]。這或許是造成蜜蜂在明暗循環(huán)中表現(xiàn)得不敏感的原因之一。據(jù)此可得出，雖然蜜蜂為無脊椎動(dòng)物，但它的生物節(jié)律基因卻與哺乳動(dòng)物更為相似[8]。 普遍上，動(dòng)物生物節(jié)律的循環(huán)是一個(gè)基因表達(dá)的振蕩過程，屬于負(fù)反饋環(huán)路。此過程是經(jīng)由以24 h 為一個(gè)周期的相關(guān)基因以振蕩表達(dá)的形式而產(chǎn)生出相應(yīng)的變化。蜜蜂的分子機(jī)制是以轉(zhuǎn)錄反饋回路為基礎(chǔ)而進(jìn)行展開的。在蜜蜂的模型中，由Cycle (CYC)和Clock (CLK) 基因編碼的蛋白質(zhì)激活了Cry-m 和Per 基因的轉(zhuǎn)錄。經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后，Per 和Cry-m 蛋白轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中并開始抑制回CLK:CYC 蛋白復(fù)合物的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而降低自身的轉(zhuǎn)錄，形成負(fù)轉(zhuǎn)錄反饋機(jī)制[7]。

內(nèi)勤蜂和采集蜂在基因表達(dá)上的差異或許是造成它們有無晝夜節(jié)律性的原因。在采集蜂的大腦中，時(shí)鐘基因尤其是Per 和Cry-m 基因等都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的振蕩，而內(nèi)勤蜂卻只有微弱甚至沒有振蕩[9]。 再者，由于采集蜂大腦中的mRNA 水平高于內(nèi)勤蜂，因此若兩者之間相比，采集蜂明顯地表現(xiàn)出了晝夜節(jié)律性。 但是，研究者們卻發(fā)現(xiàn)若把內(nèi)勤蜂從原有的蜂巢中移到實(shí)驗(yàn)室所提供的黑暗和溫度恒定的蜂巢里，它們能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的晝夜節(jié)律性。經(jīng)過一系列的研究，F(xiàn)uchikawa 等人[10]發(fā)現(xiàn)內(nèi)勤蜂會和覓食蜂產(chǎn)生社交同步，形成節(jié)律性。換句話說，社交暗示和明暗循環(huán)(Light Dark Cycle,L-D Cycle) 這兩個(gè)授時(shí)因子相比，社交暗示的影響性更勝一籌。另外，Beer K 等人[11]的研究也發(fā)現(xiàn)從來沒有與環(huán)境接觸過的采集蜂受到社會暗示的影響比光照來得更高。光照對于大部分生物來說是最強(qiáng)的授時(shí)因子[12]，可蜜蜂卻與之相反，凸顯了它們的特別之處。

4 蜜蜂生物節(jié)律的神經(jīng)機(jī)制

蜜蜂的大腦與其身形體積一樣小，只占了1 mm3。神經(jīng)元的數(shù)量小于106，大約只占人類神經(jīng)元數(shù)量的10-6，卻有著強(qiáng)大的功能。2003 年，Bloch 等人通過對蜜蜂腦部的生物節(jié)律蛋白進(jìn)行免疫染色，初步判斷了蜜蜂生物節(jié)律系統(tǒng)所處的位置[13]。常常被學(xué)者用來標(biāo)記和辨別腦部鐘神經(jīng)元的物質(zhì)是一種神經(jīng)肽，稱為色素分散因子(PDF)。當(dāng)時(shí)，蜜蜂腦部PDF 和PER 基因共定位的神經(jīng)元并沒有被從事研究工作的學(xué)者發(fā)現(xiàn)。研究結(jié)果中所顯示的與蜜蜂腦部有關(guān)的神經(jīng)元PDF 和PER 的表達(dá)模式存在著很大的區(qū)別。正是因?yàn)槿绱?，學(xué)者當(dāng)時(shí)一致認(rèn)為昆蟲的生物節(jié)律蛋白是保守的，但它們腦部的生物節(jié)律網(wǎng)絡(luò)的普遍模式還有待驗(yàn)證其存在性。終于在2017 年時(shí)，F(xiàn)uchikawa 等人成功研制了新的蜜蜂PER 抗體，全面地揭示了蜜蜂腦部鐘神經(jīng)元的分布狀況。 研究顯示在背部和腹側(cè)等部位分布著蜜蜂的PER 陽性神經(jīng)元。在這方面，蜜蜂與果蠅相似，所以蜜蜂腦部鐘神經(jīng)元的命名方式以果蠅腦部的位置作為參考[14]。Fuchikawa 等人把一些主要的神經(jīng)元命名為DN(Dorsal Neurons)、DLN(Dorsal Lateral Neurons), LN1(Lateral Neurons)和LN2(Lateral Neurons)等。其中，LN2 是PDF 和PER 基因共定位神經(jīng)元的位置。與此同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)一些神經(jīng)元如LN2 神經(jīng)元同一時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出PER 和PDF 抗體陽性。PDF 為一種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑，能將晝夜節(jié)律信息從起搏器細(xì)胞傳遞到大腦中心。其中涉及了許多功能，包括運(yùn)動(dòng)、時(shí)間記憶和判定太陽羅盤的方向等[15]。該研究證實(shí)了與果蠅等其他昆蟲類似，蜜蜂生物節(jié)律的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與它們大致相同。這表示在大腦解剖學(xué)形式上，昆蟲生物節(jié)律系統(tǒng)都具有普遍類似的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

5 結(jié)語

綜上所述，蜜蜂是研究晝夜節(jié)律和復(fù)雜行為之間優(yōu)良的模式生物，為實(shí)驗(yàn)研究提供了寶貴的價(jià)值。所有的生物性狀會為了適應(yīng)不停變化的環(huán)境而不斷進(jìn)化，這就是自然選擇。對生物生存有利的性狀在演化的過程中被自然選擇保留下來，反之則被淘汰。生物節(jié)律也如此。與人類一樣，對蜜蜂而言，晝夜節(jié)律對行為調(diào)節(jié)是重要的，尤其是許多復(fù)雜的行為如太陽定位、勞動(dòng)分工、社會協(xié)調(diào)活動(dòng)等[5]。若不經(jīng)常遵循晝夜節(jié)律，人體和動(dòng)物都會面臨過早死亡、心血管功能障礙、免疫失調(diào)等的問題[16]。目前，人類對蜜蜂的晝夜節(jié)律所涉及的基因的周期性調(diào)控及表達(dá)和神經(jīng)機(jī)制都還需要進(jìn)一步地研究，相信在未來會有更多的發(fā)現(xiàn)。