综述：无节律区：当生物钟在寒冷中沉寂

《The FEBS Journal》：Arrhythmic zone: When circadian clocks go quiet in the cold

　　

昼夜节律时钟（circadian clocks）是内源性振荡器，它们协调生理和行为与24小时昼夜循环。温度补偿（temperature compensation）——即在温度变化范围内维持近似恒定的周期——是昼夜节律系统的一个标志，但它有一个下限。在多种生物中，昼夜节律可以在仍处于生物体更广泛的生理生存范围内的温度下减弱或消失。研究人员将这个区间称为“无节律区”（arrhythmic zone, AZ）：该温度范围的上限是昼夜节律性的下临界温度，下限是生物体的最低存活温度。这种低温时钟失效的证据已在蓝藻（cyanobacteria）、植物、真菌、昆虫、海洋无脊椎动物和哺乳动物中报道，尽管不同系统中证据的强度和机制分辨率有所不同。在蓝藻中，低温时钟失效通过约19°C时的Hopf分岔（Hopf bifurcation）发生，而在拟南芥（Arabidopsis）中，节律性时钟基因表达在4°C时被强烈抑制或破坏；在冬眠的哺乳动物视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）组织中，分子节律在约15–17°C以下停滞，这些温度都在生物体更广泛的生存范围内。本综述综合了跨模式系统的昼夜节律功能低温极限的证据，考察了时钟失效的候选机制，评估了可能适应意义的假说，并强调了真正嗜冷生物（psychrophiles）中昼夜节律数据的近乎完全缺失。

引言

昼夜节律时钟是内源性振荡器，通过预测环境周期为生物提供适应优势。真正的昼夜节律时钟需满足三个标准：恒定条件下保持近似24小时节律、可被外部授时因子（如光、温度）导引、以及温度补偿。温度补偿通常使周期在温度波动中保持稳定（Q₁₀约为0.85–1.4），但补偿范围存在下限。许多生物在仍能存活的低温下失去自主节律，这一区间被定义为无节律区（arrhythmic zone, AZ）。已有来自蓝藻、真菌、植物、昆虫、海洋无脊椎动物和哺乳动物的证据。本文通过比较分析，探讨低温时钟失效的机制、可能适应意义及嗜冷生物中的研究空白。

昼夜节律振荡器的分子结构

不同生物的时钟分子机制各异，但都依赖温度敏感的生化过程。蓝藻采用翻译后振荡器（post-translational oscillator, PTO），真核生物普遍采用转录-翻译反馈环（transcription-translation feedback loop, TTFL）。

翻译后振荡器（PTO）：蓝藻

蓝藻（Synechococcus elongatus PCC 7942）的核心时钟由KaiA、KaiB和KaiC三种蛋白组成。KaiC的磷酸化循环产生约24小时节律，KaiC的ATP酶活性具有温度补偿特性（Q₁₀≈1.0），KaiB的折叠转换动力学也参与补偿。然而，当温度降至约19°C以下时，KaiC磷酸化振荡发生超临界Hopf分岔，自主振荡消失。

转录-翻译反馈环（TTFL）

真核生物时钟依赖延迟的转录-翻译负反馈。粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）中，WCC激活frq转录，FRQ蛋白抑制WCC，温度补偿主要由FRQ-CK1相互作用、密码子使用效应和frq内含子6的可变剪接共同实现。拟南芥（Arabidopsis thaliana）的时钟由CCA1/LHY和TOC1/PRR等组成多重反馈环，低温下LKP2/SCF复合体介导PRR5和TOC1的降解，主动补偿温度变化。果蝇（Drosophila melanogaster）中，CLK/CYC激活per和tim，PER/TIM反馈抑制CLK/CYC；per内含子dmpi8的温度依赖性剪接调节冷适应，tim也存在类似剪接调控。哺乳动物的时钟与果蝇类似，但使用CLOCK/BMAL1和PER/CRY；PER2的CK1δ/ε磷酸化开关参与温度补偿，SCN神经元通过VIP信号耦合增强网络鲁棒性。

低温下的共同结构脆弱性

所有时钟机制都依赖蛋白质相互作用、构象变化和翻译后修饰，这些过程对温度敏感。温度补偿是主动分子过程，其有效缓冲范围有限，低于该范围时钟即进入AZ。不同物种补偿机制多样，但低温失效的复现提示AZ可能是生物物理约束下的涌现属性。

低温度边界：逐系统证据

蓝藻

蓝藻体内和体外的KaiABC振荡器均在约19°C发生超临界Hopf分岔，低于此温度振荡消失，而细胞在稍低温度下仍可存活。极性蓝藻含有kaiABC基因簇，但其在0–4°C的节律行为尚未被评估。

真菌

粗糙脉孢菌在16–34°C范围内保持温度补偿，但低于约10.5°C节律消失。冷适应真菌Aureobasidium pullulans在10°C仍表现昼夜节律，表明真菌时钟在接近生长温度下限时仍可工作，但低于该阈值节律受损。

植物

拟南芥时钟在12–27°C补偿良好，但在4°C下多个时钟基因表达被强烈抑制或变得无节律。低温还通过LKP2介导的PRR5/TOC1降解重塑振荡器。番茄在暗冷处理中cab和rca基因的昼夜节律停止，复温后恢复但相位延迟。栗树在冬季4°C时CsTOC1和CsLHY表达变为组成型。这些植物的存活温度远低于时钟失效温度。

昆虫

果蝇的钟在18–29°C温度补偿良好，但低温下生物体进入低温昏迷，行为节律在约15–16°C以下无法可靠测量，分子振荡器是否存在独立Tc尚不明确。南极摇蚊Belgica antarctica在极昼条件下失去昼夜节律转录振荡，表现为无节律或极弱节律。蟑螂Leucophaea maderae在17°C以下节律被抑制，复温后恢复。

海洋无脊椎动物

南极磷虾（Euphausia superba）在0–4°C具有内源时钟，但自由运行节律低振幅且快速衰减，被称为“弱而灵活”的振荡器。北极桡足类Calanus finmarchicus在2–6°C保持时钟功能，但在更冷（<0°C）的高纬度站点节律输出减弱并趋于超日节律。

哺乳动物

冬眠的欧洲仓鼠（Cricetus cricetus）在脑温约5–10°C时SCN中Per1、Per2和Bmal1的约24小时分子振荡消失。小鼠SCN切片在15°C时分子节律暂停，复温后恢复。北极地松鼠（Urocitellus parryii）在冬眠（T_b约3–4°C）时SCN时钟基因和c-FOS无节律。人U2OS细胞在约30°C时经Hopf分岔失去节律，大鼠成纤维细胞在约28°C失效。

动力学系统框架

振荡停止的两种情景

非线性动力系统中，振荡器可通过超临界Hopf分岔或鞍结分岔（saddle-node on invariant circle, SNIC）失去节律。Hopf分岔的特征是振幅随参数连续减小、周期基本不变，低于临界点后成为阻尼振荡器；SNIC分岔的特征是周期发散、振幅不变，振荡在特定相位停止。

跨系统Hopf分岔的证据

蓝藻体外KaiABC振荡器在约19°C经Hopf分岔失效，体内单细胞实验也符合超临界Hopf分岔。培养的人U2OS细胞在约30°C通过振幅逐渐减小而停止振荡，复温恢复，并表现出共振现象。拟南芥时钟模型可产生超临界Hopf分岔，但实验证据尚不具决定性。

阻尼振荡器与强制共振

低于T_c时，系统进入阻尼振荡状态，保留特征频率但无法自主振荡。若外部环境存在周期性温度波动，阻尼振荡器可与外部周期共振，恢复一定振幅。蓝藻体外实验显示，低于分岔温度后施加温度循环可在约24小时周期处最大化振幅。

为什么自然选择可能偏好Hopf分岔

Hopf分岔在临界点附近维持周期精度，保留共振驱动能力，且复温后自然恢复。这些特性可能使Hopf型失效比SNIC型更具适应优势，但目前仍属假说。

低温度下时钟停止的适应意义

能量保存

维持TTFL时钟需要持续的转录、翻译和蛋白降解，代谢成本可观。冬眠哺乳动物代谢率降低95%以上，关闭时钟可能作为整体代谢抑制的一部分节省能量。

失去外在适应价值

时钟的适应价值依赖于环境周期的可预测性。在缺乏日周期信号的栖息地（如深埋洞穴、雪下、冰下），维持强节律的选择压力降低。

时钟程序与御寒程序的冲突

拟南芥冷诱导的CBF转录因子表达受时钟门控，限制了冷防御基因的持续激活。低温导致的时钟失活可能解除这种门控，允许更持续的抗寒反应。

行为灵活性

极地物种如南极摇蚊失去明显昼夜节律，可在温度适合时随时活动。斯瓦尔巴驯鹿和雷鸟在极昼/极夜期间也失去行为节律。磷虾的弱振荡器可能更易适应极端光周期。这些代表从严格时间分到机会性利用的连续谱。

共振安全网

Hopf分岔机制使时钟停止具有内在可逆性：复温使系统重新进入极限环，而低于T_c时外部周期强迫可通过共振维持节律。冬眠动物的间歇性唤醒可重新激活SCN节律。洞穴蜘蛛的潜在时钟可被蓝光激活，表明静止而非丢失的时钟可被再次启用。

开放问题与未来方向

嗜冷生物空白

目前尚无任何真正嗜冷生物（最适生长温度≤15°C）在最佳温度下被测试过昼夜节律。南极蓝藻基因组中存在kaiABC基因簇，但其功能未知。冷适应真菌Aureobasidium在10°C显示节律，是接近嗜冷的例子。若嗜冷蓝藻存在时钟，其T_c可能低于中温物种。

时钟停止是主动调节还是被动热减慢的后果

拟南芥低温下通过LKP2主动降解PRR5/TOC1，提示主动调控；冬眠哺乳动物则伴随整体转录/翻译抑制，较为被动；蓝藻体外振荡器在恒定蛋白浓度下仍发生Hopf分岔，表明被动动力学主导。不同系统可能主动与被动成分并存。

演化意义

时钟低温失效可能源于补偿机制的固有边界，也可能在某些环境中被选择保留。极地物种中弱化或缺失的表型提示选择可削弱时钟输出，但尚不明确是否存在单一演化轨迹。

高温类似物

是否存在与T_c类似的高温临界温度尚不清楚。热胁迫、蛋白变性等是否导致可恢复的阻尼振荡或不同失效机制是开放问题。

结论

跨物种证据表明，许多昼夜节律系统在仍可生存的低温下失去或强烈抑制自主节律。Hopf分岔是目前唯一被实验支持的动力学失效途径，在蓝藻和人体细胞中均有证实。无节律区可能既是生物物理极限，也是在某些情境下具有适应意义的可逆状态。低温时钟停止可节省能量、解除御寒基因的门控、提高行为灵活性，并通过共振或复温实现恢复。嗜冷生物中时钟数据的缺失是理解生命寒冷前沿计时的重要空白。