揭秘生物体内的神奇“时钟”

□ 本报记者 谢诗涵 实习生 江舒庭
受精、发育、生长、衰老、死亡，人体如同一部复杂而精密的仪器，从诞生到消逝，一切生命活动的背后都有内在规律可循。时间，推拨身体内众多神秘的“钟”，在悄无声息间留下痕迹。然而，熬夜、夜宵、喝咖啡强行提神……现代人的很多行为与体内固有节律背道而驰。“生命时钟”被打乱了“步伐”，有人甚至为此付出沉重代价。
胚胎期的“节拍器”
“分秒不差”调控体节形成
两栖动物、哺乳动物……尽管数量众多、结构最复杂的脊椎动物在不同物种间肉眼直观可辨，但实际上都始于外观大同小异的脊椎动物胚胎。人类的胚胎细胞为何会发育成人类婴儿，而非小鼠或者猩猩？生物躯体各部位的发育速度不同，深刻影响其最终形态。现代生物学家从椎骨等重复的体节入手，发现了早期胚胎里身体分节的“节拍器”——分节时钟，其每一次的“滴答声”都会促进体节的形成。
“体节是所有脊椎动物胚胎发育早期的一个暂时性的结构，是在准体节中胚层内沿从头到尾的方向按固定时间间隔不断重复形成的上皮细胞团。随着胚胎的持续发育，体节会逐渐分化成生骨区、生皮区、生肌区，继而形成骨骼、内皮、真皮、肌肉、肌腱和软骨等组织。”苏州大学生物钟研究中心主任王晗在接受《科技周刊》记者采访时表示，体节的形成正是由分节时钟所调节，并且分节时钟只在胚胎期出现，它每运转一次就会形成一对体节。
通过激活和关闭基因，敲打出规律的节奏——虽然分节时钟并没有齿轮和弹簧，而是由基因和蛋白质组成，但却“一丝不苟”地履行自身“职责”。体节时钟的出现是为了控制体节的生长，最终形成脊椎骨，在这一过程中，时间和空间都受到严格调控。“每对体节都应在固定时间间隔、在正确的位置生成，否则便会出现体轴缺陷，导致身体发育异常，进而产生先天性疾病。”王晗解释。
在过去的几十年中，众多生物学家不断尝试，成功从鸡胚胎、斑马鱼胚胎和小鼠胚胎等将分节时钟“分离”出来，分析研究其运作背后的“起搏器”，然而人类胚胎发育中是否存在类似的分节时钟却始终是个谜。直到2019年和2020年，数个实验室证实，通过培养干细胞使其发育成体节形成组织，就能够在体外重现人类的分节时钟，第一次证实人体内也有分节时钟的存在。
哈佛医学院的发育生物学家Olivier Pourquié团队的实验表明，小鼠在约2.5小时的周期内可以形成一对体节，而人类则需要约两倍时间，即约5小时才能形成一对体节。“人类的分节时钟‘运行’得比小鼠要慢，实际上这也与两个物种的胚胎发育速度相吻合。”王晗表示，人的身体结构更为复杂，其胚胎发育阶段整个过程都要比小鼠慢得多，因此着眼于胚胎发育中的体节发育环节上时，人类体节的形成时间也相较小鼠要慢。