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2017年10月2日卡罗琳斯卡研究所的诺贝尔大会决定将“2017年诺贝尔生理学或医学奖”颁给Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young，以表彰三人发现了控制昼夜节律的分子机制。他们在果蝇体内分离出一个控制日常生物节律的基因，该基因编码一种夜间积聚在细胞中的蛋白质（PER蛋白），然后在白天降解，随后，他们发现了这个机制能影响其他蛋白质组分。生物钟就是靠着这种机制影响着其他多细胞生物（包括人类）。
一、什么是“昼夜节律”？
“昼夜节律”，即是指生命活动以24小时左右为周期的变动。人体的各种生理机能随之建立了有规律的昼夜周期，睡眠和醒觉节律就是一例。
人体的一些生理活动昼夜之间有周期性变化。人的体温早晨稍低，白天逐渐上升，到黄昏又高一些。新陈代谢活动，白天分解过程旺盛，晚间则同化过程增强。白天交感神经活动占优势，夜晚副交感神经活动占优势。人体的肾上腺素含量在白天某一时刻达到一定水平，然后逐渐下降，12小时后再度上升。这些生理变化，一天之中的波动范围是恒定的，周期和时钟相似，又称生物钟。
二、发现昼夜节律机制的简要过程
1984年，洛克菲勒大学迈克尔·杨以及布兰戴斯大学的杰弗理·霍尔和迈克尔·罗斯巴殊团队先后独立地成功克隆了per基因。自此，科学家们开始逐步揭开昼夜节律的神秘面纱。霍尔和罗斯巴殊的团队随后发现per基因的表达产物是一种转录抑制因子，通过抑制自身的表达而产生周期约24小时的表达节律。而杨的实验室则对7000多个果蝇突变株进行分析，在1994年发现了另一个核心生物钟基因Timeless（tim）。 这个基因的表达产物TIM蛋白，与PER蛋白之间有着重要的相互作用。后来，霍尔、罗斯巴殊与杨进行合作，获得了更多关于生物钟分子调节机制的关键信息。他们以果蝇为模式生物，分离出控制生物钟的基因。
三、昼夜节律的机制
在转录因子激活下，per与tim基因不断表达。而随着它们的表达产物PER和TIM蛋白的增多，这两种蛋白结合成异二聚体，在夜间进入细胞核，抑制转录因子转录活性，从而抑制per与tim自身的转录。而随着PER和TIM的降解，转录因子的激活功能在黎明时得以恢复，激活per和tim进入新的表达周期。
从真菌到昆虫、到哺乳动物，生物钟的运作机制本质上都是相似的。
四、高中生物相关试题分析
【例1】果蝇的羽化（从蛹变为蝇）时间有一定昼夜节律。影响昼夜节律的野生型基因per及其三个等位基因per5、perL、per01都仅位于X染色体上，突变基因pers、perL、per01分别导致果蝇的羽化節律的周期变为19h（pers）、29h（perL）和无节律（per01）。图1所示为野生型及纯合突变体l、2、3的羽化节律，对此分析不正确的是（ ）
A. 由于基因突变的多方向性导致pers、perL、per01出现
B. 突变体1与野生型正交或反交，F1羽化周期均为24h
C. 突变体2雌雄个体相互交配，F1羽化周期大约为19h
D. 突变体3与2杂交，F1雄性的羽化周期与野生型不同
【解析】本题关键是几个曲线对应，野生型四天出现四个波峰，对应羽化周期为24h；突变体1周期不明显，对应无节律；突变体2三天出现四个波峰，对应羽化周期为19h；突变体3四天出现三个波峰，对应羽化周期为29h。由于基因突变是不定向的，其多方向性导致pers、perL、per01出现，A正确；由于控制昼夜节律的基因位于X染色体上，且突变体1导致果蝇的羽化节律的周期变为无节律，所以突变体1与野生型正交或反交，F1羽化周期有的为24h，有的无节律，B错误；突变体2导致果蝇的羽化节律的周期变为19h，所以雌雄个体相互交配，F1羽化周期大约为19h，C正确；突变体3与2杂交，F1雄性的羽化周期为19h和29h，与野生型24h不同，D正确。
【答案】B
【例2】下列关于哺乳动物下丘脑的叙述，不正确的是
（ ）
A. 能控制昼夜节律
B. 能感应细胞外液渗透压的变化
C. 能分泌促性腺激素
D. 能调控体温稳定
【解析】下丘脑中存在控制昼夜节律的调节中枢，A正确；下丘脑内有渗透压感受器，能感应细胞外液渗透压的变化，B正确；促性腺激素由垂体产生，而不是下丘脑，C错误；下丘脑内有维持体温相对恒定的体温调节中枢，能调控体温稳定，D正确。
【答案】C
【例3】科学家把蟑螂放在实验室里，人为地将实验室的白天和黑夜加以颠倒，大约经过一个星期，蟑螂就在人造的“黑夜”时间活动（尽管实际上是白天），这种现象不能说明（ ）
A. 动物能感受昼夜节律信息
B. 光照时间长短对生物活动会造成一定影响
C. 信息传递可以影响动物的行为
D. 蟑螂可以感受一切信息刺激
【解析】本实验只说明蟑螂能够感受光信息，不能证明其他信息能否被感知。
【答案】D
【例3】人的多种生理生化过程都表现出一定的昼夜节律。研究表明，下丘脑SCN细胞中PER基因表达与此生理过程有关，其表达产物的浓度呈周期性变化，下图为相关过程。据此判断，下列说法错误的是（ ）
A. 垂体细胞也含有PER基因，图3过程的原料为核糖核苷酸
B. PER基因的表达过程存在反馈调节
C. 图4中核糖体沿着mRNA从右往左移动
D. 由图4可知，决定“天”氨基酸的密码子为GAC
【解析】由于细胞的全能性，per基因存在于包括垂体细胞在内的所有正常细胞中。图3过程为转录，原料为核糖核苷酸，A正确；据图2中的过程③可知，PER蛋白的合成调节机制为（负）反馈调节，B正确；核糖体在图中移动的方向是从左向右，C错误；密码子是mRNA上的三个相邻的碱基，因此图4中决定氨基酸“天”的密码子是GAC，D正确。 【答案】C
【例5】松果体是人体的一种内分泌腺，能够分泌褪黑素。该激素的分泌呈现明显的昼夜节律变化，白天分泌减少，黑夜分泌增加。在人和哺乳动物，生理剂量的褪黑素具有促进睡眠的作用。
（1）褪黑素是人体的一种重要激素，它是色氨酸的一种衍生物。在植物体中也有一种由色氨酸经过一系列反应转化生成的激素，其化学本质是________。
（2）切除啮齿类动物的松果体后，该动物的胸腺和脾脏功能被抑制，主要表现在T细胞介导的免疫功能的变化。若再给该动物注射褪黑素，则其免疫功能又会恢复。由此推测，褪黑素会影响________免疫。
（3）褪黑素能促进垂体对________激素的分泌，进而影响人体的生长发育。垂体分泌的这种激素与________激素存在协同作用。
（4）细胞衰老时，细胞膜的通透性发生改变，使物质运输功能________。褪黑素具有抗细胞衰老作用，其抗细胞衰老是通过抗自由基的作用来实现的。
（5）科学研究发现，褪黑素对下丘脑-垂体-性腺轴的功能活动有抑制作用。现提供若干只健康的幼年雄性小鼠，请设计实验加以验证。实验操作：将小鼠平均分成两组，实验组________，对照组假手术处理，将实验组和对照组的小鼠都放在适宜且相同的环境下饲养一段时间，测定各组的睾丸重量。
【解析】（1）在植物体中由色氨酸经过一系列反应转化生成的激素——生长素，其化学本质是吲哚乙酸。（2）与T细胞有关的免疫有体液免疫和细胞免疫。（3）影响人体的生长发育且由垂体分泌的激素是生长激素。生长激素与甲状腺激素在促进生长发育中存在协同作用。（4）细胞衰老时，细胞膜的通透性发生改变，使物质运输功能降低。（5）根据实验目的“验证褪黑素对下丘脑-垂体-性腺轴的功能活动有抑制作用”，设计实验的思路應是实验组切除松果体，切断褪黑素的来源，对照组保留松果体，在相同环境条件下饲养，测定两组动物的睾丸重量。
【答案】（1）吲哚乙酸 （2）体液免疫和细胞免疫（特异性免疫） （3）生长激素 甲状腺激素 （4）降低 （5）切除松果体
【例6】褪黑素是哺乳动物和人类的松果体产生的一种内源激素，其分泌有昼夜节律，晚上分泌得多，白天分泌得少，具有调整睡眠的作用。如图所示为光周期信号通过“视网膜→松果体”途径对生物钟的调控。请回答下列问题：
（1）结合图中信息可知褪黑素的分泌是由反射活动产生的结果，此反射弧的效应器是________，调节生物钟的中枢是________。
（2）褪黑素由松果体分泌后，经_______运输到下丘脑视交叉上核，褪黑素会反过来影响下丘脑视交叉上核的活动，此过程中存在的调节是__________。
（3）有人喜欢长期熬夜玩手机或电脑，从而扰乱了生物钟，推测其原因是_______。
熬夜时还会导致免疫力下降，褪黑素能通过多种途径来调节免疫功能，研究表明在淋巴细胞中含有特异性褪黑素受体，说明褪黑素能________，从而影响免疫力。
【解析】结合图解分析，光周期信号刺激视网膜上的感受器，产生兴奋，传到下丘脑视交叉上核（SCN），经分析和综合，将兴奋传到效应器，支配松果体分泌褪黑素，褪黑素经体液运输，再反馈抑制神经中枢——SCN，使褪黑素不再继续分泌增多。（1）结合前面的分析可知，褪黑素的分泌是由反射活动产生。此反射的反射弧上效应器包含传出神经末梢及其支配的松果体，调节生物钟的中枢是下丘脑视交叉上核（SCN）。（2）褪黑素由松果体分泌后，经体液运输到下丘脑视交叉上核，褪黑素会反过来抑制下丘脑视交叉上核的活动，此过程中存在的调节是负反馈调节。（3）长期熬夜玩手机或电脑，可扰乱了生物钟，原因最可能是手机或电脑的光线抑制了褪黑素的分泌，进而影响睡眠。根据题意“熬夜时还会导致免疫力下降，在淋巴细胞中含有特异性褪黑素受体”可知，褪黑素能直接作用于淋巴细胞，从而影响免疫力。
【答案】（1）传出神经末梢及其支配的松果体 下丘脑视交叉上核（或SCN）（2）体液 （负）反馈调节 （3）手机或电脑的光线抑制了褪黑素的分泌，进而影响睡眠 （直接）作用于淋巴细胞
一、什么是“昼夜节律”？
“昼夜节律”，即是指生命活动以24小时左右为周期的变动。人体的各种生理机能随之建立了有规律的昼夜周期，睡眠和醒觉节律就是一例。
人体的一些生理活动昼夜之间有周期性变化。人的体温早晨稍低，白天逐渐上升，到黄昏又高一些。新陈代谢活动，白天分解过程旺盛，晚间则同化过程增强。白天交感神经活动占优势，夜晚副交感神经活动占优势。人体的肾上腺素含量在白天某一时刻达到一定水平，然后逐渐下降，12小时后再度上升。这些生理变化，一天之中的波动范围是恒定的，周期和时钟相似，又称生物钟。
二、发现昼夜节律机制的简要过程
1984年，洛克菲勒大学迈克尔·杨以及布兰戴斯大学的杰弗理·霍尔和迈克尔·罗斯巴殊团队先后独立地成功克隆了per基因。自此，科学家们开始逐步揭开昼夜节律的神秘面纱。霍尔和罗斯巴殊的团队随后发现per基因的表达产物是一种转录抑制因子，通过抑制自身的表达而产生周期约24小时的表达节律。而杨的实验室则对7000多个果蝇突变株进行分析，在1994年发现了另一个核心生物钟基因Timeless（tim）。 这个基因的表达产物TIM蛋白，与PER蛋白之间有着重要的相互作用。后来，霍尔、罗斯巴殊与杨进行合作，获得了更多关于生物钟分子调节机制的关键信息。他们以果蝇为模式生物，分离出控制生物钟的基因。
三、昼夜节律的机制
在转录因子激活下，per与tim基因不断表达。而随着它们的表达产物PER和TIM蛋白的增多，这两种蛋白结合成异二聚体，在夜间进入细胞核，抑制转录因子转录活性，从而抑制per与tim自身的转录。而随着PER和TIM的降解，转录因子的激活功能在黎明时得以恢复，激活per和tim进入新的表达周期。
从真菌到昆虫、到哺乳动物，生物钟的运作机制本质上都是相似的。
四、高中生物相关试题分析
【例1】果蝇的羽化（从蛹变为蝇）时间有一定昼夜节律。影响昼夜节律的野生型基因per及其三个等位基因per5、perL、per01都仅位于X染色体上，突变基因pers、perL、per01分别导致果蝇的羽化節律的周期变为19h（pers）、29h（perL）和无节律（per01）。图1所示为野生型及纯合突变体l、2、3的羽化节律，对此分析不正确的是（ ）
A. 由于基因突变的多方向性导致pers、perL、per01出现
B. 突变体1与野生型正交或反交，F1羽化周期均为24h
C. 突变体2雌雄个体相互交配，F1羽化周期大约为19h
D. 突变体3与2杂交，F1雄性的羽化周期与野生型不同
【解析】本题关键是几个曲线对应，野生型四天出现四个波峰，对应羽化周期为24h；突变体1周期不明显，对应无节律；突变体2三天出现四个波峰，对应羽化周期为19h；突变体3四天出现三个波峰，对应羽化周期为29h。由于基因突变是不定向的，其多方向性导致pers、perL、per01出现，A正确；由于控制昼夜节律的基因位于X染色体上，且突变体1导致果蝇的羽化节律的周期变为无节律，所以突变体1与野生型正交或反交，F1羽化周期有的为24h，有的无节律，B错误；突变体2导致果蝇的羽化节律的周期变为19h，所以雌雄个体相互交配，F1羽化周期大约为19h，C正确；突变体3与2杂交，F1雄性的羽化周期为19h和29h，与野生型24h不同，D正确。
【答案】B
【例2】下列关于哺乳动物下丘脑的叙述，不正确的是
（ ）
A. 能控制昼夜节律
B. 能感应细胞外液渗透压的变化
C. 能分泌促性腺激素
D. 能调控体温稳定
【解析】下丘脑中存在控制昼夜节律的调节中枢，A正确；下丘脑内有渗透压感受器，能感应细胞外液渗透压的变化，B正确；促性腺激素由垂体产生，而不是下丘脑，C错误；下丘脑内有维持体温相对恒定的体温调节中枢，能调控体温稳定，D正确。
【答案】C
【例3】科学家把蟑螂放在实验室里，人为地将实验室的白天和黑夜加以颠倒，大约经过一个星期，蟑螂就在人造的“黑夜”时间活动（尽管实际上是白天），这种现象不能说明（ ）
A. 动物能感受昼夜节律信息
B. 光照时间长短对生物活动会造成一定影响
C. 信息传递可以影响动物的行为
D. 蟑螂可以感受一切信息刺激
【解析】本实验只说明蟑螂能够感受光信息，不能证明其他信息能否被感知。
【答案】D
【例3】人的多种生理生化过程都表现出一定的昼夜节律。研究表明，下丘脑SCN细胞中PER基因表达与此生理过程有关，其表达产物的浓度呈周期性变化，下图为相关过程。据此判断，下列说法错误的是（ ）
A. 垂体细胞也含有PER基因，图3过程的原料为核糖核苷酸
B. PER基因的表达过程存在反馈调节
C. 图4中核糖体沿着mRNA从右往左移动
D. 由图4可知，决定“天”氨基酸的密码子为GAC
【解析】由于细胞的全能性，per基因存在于包括垂体细胞在内的所有正常细胞中。图3过程为转录，原料为核糖核苷酸，A正确；据图2中的过程③可知，PER蛋白的合成调节机制为（负）反馈调节，B正确；核糖体在图中移动的方向是从左向右，C错误；密码子是mRNA上的三个相邻的碱基，因此图4中决定氨基酸“天”的密码子是GAC，D正确。 【答案】C
【例5】松果体是人体的一种内分泌腺，能够分泌褪黑素。该激素的分泌呈现明显的昼夜节律变化，白天分泌减少，黑夜分泌增加。在人和哺乳动物，生理剂量的褪黑素具有促进睡眠的作用。
（1）褪黑素是人体的一种重要激素，它是色氨酸的一种衍生物。在植物体中也有一种由色氨酸经过一系列反应转化生成的激素，其化学本质是________。
（2）切除啮齿类动物的松果体后，该动物的胸腺和脾脏功能被抑制，主要表现在T细胞介导的免疫功能的变化。若再给该动物注射褪黑素，则其免疫功能又会恢复。由此推测，褪黑素会影响________免疫。
（3）褪黑素能促进垂体对________激素的分泌，进而影响人体的生长发育。垂体分泌的这种激素与________激素存在协同作用。
（4）细胞衰老时，细胞膜的通透性发生改变，使物质运输功能________。褪黑素具有抗细胞衰老作用，其抗细胞衰老是通过抗自由基的作用来实现的。
（5）科学研究发现，褪黑素对下丘脑-垂体-性腺轴的功能活动有抑制作用。现提供若干只健康的幼年雄性小鼠，请设计实验加以验证。实验操作：将小鼠平均分成两组，实验组________，对照组假手术处理，将实验组和对照组的小鼠都放在适宜且相同的环境下饲养一段时间，测定各组的睾丸重量。
【解析】（1）在植物体中由色氨酸经过一系列反应转化生成的激素——生长素，其化学本质是吲哚乙酸。（2）与T细胞有关的免疫有体液免疫和细胞免疫。（3）影响人体的生长发育且由垂体分泌的激素是生长激素。生长激素与甲状腺激素在促进生长发育中存在协同作用。（4）细胞衰老时，细胞膜的通透性发生改变，使物质运输功能降低。（5）根据实验目的“验证褪黑素对下丘脑-垂体-性腺轴的功能活动有抑制作用”，设计实验的思路應是实验组切除松果体，切断褪黑素的来源，对照组保留松果体，在相同环境条件下饲养，测定两组动物的睾丸重量。
【答案】（1）吲哚乙酸 （2）体液免疫和细胞免疫（特异性免疫） （3）生长激素 甲状腺激素 （4）降低 （5）切除松果体
【例6】褪黑素是哺乳动物和人类的松果体产生的一种内源激素，其分泌有昼夜节律，晚上分泌得多，白天分泌得少，具有调整睡眠的作用。如图所示为光周期信号通过“视网膜→松果体”途径对生物钟的调控。请回答下列问题：
（1）结合图中信息可知褪黑素的分泌是由反射活动产生的结果，此反射弧的效应器是________，调节生物钟的中枢是________。
（2）褪黑素由松果体分泌后，经_______运输到下丘脑视交叉上核，褪黑素会反过来影响下丘脑视交叉上核的活动，此过程中存在的调节是__________。
（3）有人喜欢长期熬夜玩手机或电脑，从而扰乱了生物钟，推测其原因是_______。
熬夜时还会导致免疫力下降，褪黑素能通过多种途径来调节免疫功能，研究表明在淋巴细胞中含有特异性褪黑素受体，说明褪黑素能________，从而影响免疫力。
【解析】结合图解分析，光周期信号刺激视网膜上的感受器，产生兴奋，传到下丘脑视交叉上核（SCN），经分析和综合，将兴奋传到效应器，支配松果体分泌褪黑素，褪黑素经体液运输，再反馈抑制神经中枢——SCN，使褪黑素不再继续分泌增多。（1）结合前面的分析可知，褪黑素的分泌是由反射活动产生。此反射的反射弧上效应器包含传出神经末梢及其支配的松果体，调节生物钟的中枢是下丘脑视交叉上核（SCN）。（2）褪黑素由松果体分泌后，经体液运输到下丘脑视交叉上核，褪黑素会反过来抑制下丘脑视交叉上核的活动，此过程中存在的调节是负反馈调节。（3）长期熬夜玩手机或电脑，可扰乱了生物钟，原因最可能是手机或电脑的光线抑制了褪黑素的分泌，进而影响睡眠。根据题意“熬夜时还会导致免疫力下降，在淋巴细胞中含有特异性褪黑素受体”可知，褪黑素能直接作用于淋巴细胞，从而影响免疫力。
【答案】（1）传出神经末梢及其支配的松果体 下丘脑视交叉上核（或SCN）（2）体液 （负）反馈调节 （3）手机或电脑的光线抑制了褪黑素的分泌，进而影响睡眠 （直接）作用于淋巴细胞