首次發現，科學家確認細菌具有24小時生物鐘

在同類的首次發現中，科學家發現，一種非光合作用細菌受到與其他許多生命形式息息相關的晝夜節律的調節。

在人類中，我們的晝夜節律就像細胞中的生物鐘一樣，控制著我們體內幾乎所有的過程，影響我們的睡眠和起床時間，以及新陳代謝和認知過程的功能。
這種內部計時大約需要24小時運轉，這是由我們的生物鐘驅動的，並且在許多其他種類的生物中也觀察到了相同的核心現象，包括動物、植物和真菌。
然而，很長一段時間以來，尚不清楚整個細菌是否也受晝夜節律的支配。這種現象已在光合細菌中得到證實，該光合細菌利用光來產生化學能，但至於其他種類的細菌是否也具有晝夜節律，至今仍是一個謎。

“我們首次發現了非光合細菌可以告訴時間。”慕尼黑路德維希馬克西米連大學的時間生物學家瑪莎·梅羅（Martha Merrow）解釋說，“他們通過讀光線或溫度環境下的循環，使分子工作適應一天中的時間。”
在一項新的研究中，梅羅和他的研究人員檢查了枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），這是一種在土壤和許多動物（包括人）胃腸道中發現的適應能力、經過充分研究的細菌。
儘管枯草芽孢桿菌不能進行光合作用，但由於受光感受器的作用，它對光很敏感，而且先前對微生物的觀察提供了線索，表明其基因活性和生物膜形成過程可能會響應環境線索而遵循每日週期，也許是基於光照水平或溫度變化。

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為了進行調查，研究人員測量了細菌的基因表達活性，這些培養物在暴露於持續的黑暗或每天交替的12小時光循環，然後是12小時的黑暗中。
在交替的明暗循環中，一種稱為ytvA的基因（一種編碼藍光感光體）的表達在黑暗階段增加，在光照階段減少，這表明細胞夾帶了晝夜節律生物鐘。
當受到持續的黑暗時，枯草芽孢桿菌仍然存在該循環，儘管週期延長了，但嚴格遵循24小時週期，沒有光信號關閉。
在另一個實驗中，研究人員進行了溫度循環實驗，這是刺激晝夜熱變化的另一種方法。

再次，隨著溫度在25.5°C（77.9°F）下的12小時和28.5°C（83.3°F）下的12小時之間的溫度循環，ytvA的表達減弱並流動，並且如同光照一樣，該循環持續自由運行實驗（與環境提示不同步），儘管週期較長。
綜合所有結果，研究人員得出結論，枯草芽孢桿菌具有晝夜節律，表現為自由運行的晝夜節律和系統性地夾帶稱為生物鐘循環的環境線索。
雖然目前的發現僅涉及一種細菌，但這是首次在任何非光合作用細菌中出現這種現象，這可能對我們對整個細菌的理解產生巨大的影響：大約佔細菌總數的15％地球上的生物。

來自英國約翰·英內斯中心的晝夜節律研究人員安東尼·多德說：“我們的研究為研究跨細菌的晝夜節律打開了大門。”
“現在我們已經確定了非光合細菌可以告訴我們何時需要找出導致這些節律發生的細菌過程，並瞭解為什麼節律為細菌提供了優勢。”
目前，研究小組推測晝夜節律可能以某種方式受轉錄-翻譯反饋系統調控，或者可能與代謝週期有關。

目前還不清楚一種整體的“主時鐘”是否能以某種方式控制枯草芽孢桿菌的晝夜節律，儘管該小組指出這是可能的。
這組作者在論文中寫道：“研究溫度和光是否是一個主起搏器的輸入，或者枯草芽孢桿菌是否可能具有多個振盪器，對各種單細胞和多細胞生物來說，這將是有益的。”
“枯草芽孢桿菌也可能具有一個主振盪器或一個或多個下游振盪器，它們耦合到主起搏器並被其帶動。”

無論如何，細菌24小時生物鐘研究成果可能會產生巨大的影響——不僅是對細菌生物學的科學理解，而且還包括其在生物醫學、農業、工業等領域的潛在利用。
“枯草芽孢桿菌用於從洗衣粉生產到作物保護……以及人類和動物益生菌的各種應用。”丹麥技術大學的生物工程師科斯科維奇（ÁkosKovács）說，“因此，這種細菌的生物鐘工程將在不同的生物技術領域達到高潮。”