【科學實驗室】生物時鐘被實驗室的研究所誤導了

■果蠅的日週行為在自然環境中的表現跟在實驗室裡面是截然不同的結果。

編譯│黃佳欣

      首次在自然環境下紀錄果蠅行為的實驗挑戰了四十年來對於日週時鐘（circadian clock）的推論。

      這項研究發表在今年四月四日的《自然》（Nature），暗示著科學家目前對於果蠅（Drosophila）日週行為節律的認識很可能都是錯誤的。同時也強調在自然環境下進行生物研究的重要性。

      美國德州農工大學（Texas A&M University）生物時鐘研究中心的主任保羅‧哈汀（Paul Hardin）尚未參與這項研究，他提到：「關於果蠅在野外的行為一直以來都是一個謎題。這項研究的確是新的發現。比其他的研究都還要清楚地揭開果蠅在自然環境中的活動行為模式。」

      義大利帕多瓦大學（University of Padova）的生物學家同時是這篇研究的通訊作者羅多佛‧寇斯塔（Rodolfo Costa）說：「這是第一篇關於果蠅在複雜的自然環境下進行生物時鐘的研究，而且你會找到那些不可能會在實驗室這種單調的環境條件下所出現的特性。果蠅在野外的行為模式跟你在實驗室控制的環境下有很大的差別。」

      日週節律（circadian rhythm）廣泛地存在於各種生物，包括人類甚至是細菌，藉由生物化學反應的震盪而產生24小時間行為與生理上的改變。人體許多健康的問題都跟節律的表現脫離不了關係，例如睡眠失調、時差、甚至肥胖與心血管疾病。

      由於昆蟲跟人類許多時鐘基因同源，過去40年來，科學家都以果蠅（Drosophila）作為模式系統進行日週時鐘的研究。但是幾乎所有的實驗都在實驗室裏面以固定的人造環境進行。每天早上電燈會啪擦一聲地打開，晚上突然就關掉，也就沒有所謂黎明與黃昏的時刻。以往果蠅是被飼養在固定的溫度環境下，但是相對在自然環境下的果蠅卻可以感受到溫度在下午時會有上升的變化。

      在2006年，寇斯塔與英國萊斯特大學（University of Leicester）的夏拉藍波斯‧奇里考（Charalambos Kyriacou），把果蠅放置在自然環境下做觀察。他們的研究是EUCLOCK計畫的一部分，這項跨國計劃是由來自11個歐洲國家的34位時間生物學家共同參與，針對各類群生物的日週時鐘來作多種面向的主題研究。

      研究人員在兩個地方擺放果蠅活動偵測的戶外裝置，可以讓果蠅察覺到日光與溫度的改變，但是提供遮罩能夠遮風避雨。一個是擺在兒童玩具屋裡，位於英國萊斯特郡濕冷的環境下；另一個是設置在義大利溫暖的花園天台。長期記錄溫度、光照強度、濕度與果蠅的活動行為，從2007年到2009年之間的四月至十一月，共持續了三年。

      結果相當的戲劇化。許多以往在實驗室記錄到果蠅的行為都跟在野外環境中有截然不同的表現。首先，野外環境的果蠅在白天中午的時候最為活躍，反而跟在實驗室裡觀察到在黎明與黃昏比較活躍的狀況有所差別，這個結果說明果蠅的活動模式是偏好在日正當中時出沒，而不是在拂曉微光時分。這種差異源自於部分的事實在於果蠅並不像實驗室所觀察到在一天的中間會減少活動量，出現類似睡午覺（sieta）的行為。相反的，他們在日正當中的時候特別活躍。而其他兩個EUCLOCK計畫的研究也有類似的發現：小鼠和倉鼠在自然環境下為日行性，但是在實驗室裡則是夜行性。

      第二，傳統的概念認為早晨與傍晚的日週節律器控制果蠅的行為表現。但是自然環境的實驗顯示，黎明的活動表現只是對於溫度改變的物理性反應，並不是受到生物時鐘所控制的行為表現。

      最後，或許是最讓人感到驚訝的地方，時鐘基因突變的果蠅在自然環境下，活動行為的表現都出現正常的規律性。寇斯塔說：「這真的超出預期。」在實驗室的環境下，時鐘基因突變的果蠅會表現出跟正常果蠅截然不同的行為模式。但是在戶外環境下反而無法觀察到這種差異性。寇斯塔提到：「這可能是因為果蠅接受到複雜的環境訊息而不受到單一個時鐘基因突變的干擾，但是還需要做更多的研究才能夠解釋這項機制。」

      寇斯塔強調：「這些行為上的發現還無法推斷時鐘的分子機制在生理層面上的改變，例如代謝反應。目前我們所知道的是，在生理層次上早晨與傍晚的節律器仍然持續地調整果蠅體內的生化反應。」

      在這項研究的最後，寇斯塔跟他的同事設法在實驗室裡模擬義大利的自然環境下之光照與溫度條件。他們很高興地能夠順利地在實驗室利用新的環境模擬設定而觀察到如自然環境下的行為節律表現，但是寇斯塔仍然相信野外的實驗才會得到最具說服力的結果。

      寇斯塔提到：「假如我們想要了解生物時鐘到底如何運作，我們認為建立好的方法去觀察處在自然環境中生物的反應將會非常有幫助。我們不能夠簡單地把實驗室得到的結果直接套用在自然環境的狀況。」
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 研究出處：Lab Studies Lie about the Clock

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責任編輯：Nita Hsu