新的研究表明，一个简单的昼夜节律钟如何具有强大的噪音过滤能力，从而加深了我们对生物回路如何在动态自然环境中保持其准确性的理解。这项研究强调了昼夜节律钟在保持其准确性的同时适应环境波动的非凡能力。这些发现对于理解从细菌到人类的生物体如何测量时间以应对地球24小时自转引起的光照和温度等外部变化非常重要。

这项发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究由剑桥大学塞恩斯伯里实验室、伦敦帝国理工学院、华威大学和尤利希研究中心的研究人员共同完成，他们发现昼夜节律钟会选择性地过滤环境信号的波动，例如光照时间和强度的变化。这使得时钟能够忽略微小的干扰，同时对重大的环境变化做出反应。

昼夜节律钟能区分有意义的刺激和环境噪声

任何跨越过多个时区并经历过时差的人都知道，生物钟对我们的影响有多大。事实上，人体的每一个细胞都有自己的分子钟，在 24 小时内调节着每日的周期。重要的是，细胞的内部时钟不仅要长期保持同步，还要能够适应环境的变化。时差症状的逐渐消失说明了我们的内部时钟是如何适应这种新环境的–根据不同时区的新昼夜周期调整我们的昼夜节律表。

大多数生物体也有控制生物功能的内部时钟。例如，植物需要知道何时为黎明的到来做好光合作用的准备。由于从春季到夏季，黎明每天都会提前到来，因此植物的昼夜节律钟必须适应不同的日长。但是，它们绝不能被一朵飘过的云所诱惑而停止光收集过程。为了了解昼夜节律钟是如何区分有意义的刺激和环境噪声（如光照的暂时变化）的，剑桥大学塞恩斯伯里实验室的洛克研究小组使用了已知最简单的昼夜节律钟生物–一种名为 “细长蓝藻 “的蓝藻菌。这种单细胞淡水生物具有光合作用，与植物一样，需要掌握时间，以便充分利用光照时间。

蓝藻钟非常坚固耐用

该研究的第一作者萨沙-埃雷米娜博士（Sasha Eremina）说：”我们首先研究了连续光照下昼夜节律的内在准确性。为此，我们开发了一种名为’绿色母机’的微流体设备，将原始母细胞保持在生长室的顶部，这样我们就可以使用长期延时荧光显微镜对细胞进行成像。有了我们的装置，我们就能在数天内精确地观察到单个细胞的生长和基因表达，这是以前的研究无法做到的。

该团队于2016年开始研究绿色母机，其基础是早期为非光合细菌开发的母机设计。结果发现，蓝藻比其他微生物更难在这些微环境中生长。”华威大学的布鲁诺-马丁斯（Bruno Martins）博士说：”我们花了数年时间进行实验，以克服技术上的挑战，确保我们拥有正确的管材、正确的芯片设计以及与光控制系统的正确集成，从而不损害光合作用和细胞膜。研究人员发现，尽管时钟元件和调控机制不断受到细胞噪声的干扰，蓝藻时钟仍然异常稳健。这种稳健性使细胞能够同步运行数百天。

生物回路如何在自然环境中精确运作

蓝藻的时钟由三种凯氏蛋白组成，它们在一种叫做磷酸化的生化过程的影响下不断结合和分离，从而形成有节奏的 24 小时周期。研究人员利用数学模型和诱变技术证明，这种稳健性植根于基于 Kai 蛋白的振荡器核心，而不是更广泛的基因调控网络。这一发现对于那些致力于合成生物学应用的人来说大有希望，因为在合成生物学应用中，稳定的计时系统是必不可少的。

研究人员还将蓝藻时钟暴露在复杂的光暗周期（包括人工和自然环境）中，以了解它如何应对每天的天气变化。值得注意的是，他们复制了来自加勒比海的真实气象光照模式，细胞钟以数学模型预测的方式对此做出了反应。尽管光照条件不同，但蓝藻时钟显示出了过滤环境噪声的卓越能力，同时对环境变化保持了一定的敏感性。研究人员表示，他们的研究结果说明了一个简单的时钟网络是如何表现出复杂的噪声过滤特性的，并加深了我们对生物回路如何在自然环境中精确运作的理解。