淺談蜜蜂的晝夜節(jié)律可塑性及其機制

林玟利，胡福良

（1.浙江大學心理與行為科學學院心理學2020 級，浙江 杭州 310058；2.浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

1 引言

生物節(jié)律是生物體內生理和行為的內在節(jié)律性，即生物可以不受環(huán)境的影響，體內自主地形成有規(guī)律的變化，也是我們俗稱的“生物鐘”。個體的生命活動如睡眠、學習記憶、新陳代謝、趨光性等主要都是由生物鐘所調節(jié)的。因此，研究和了解生物背后生物節(jié)律的真相具有重大的意義。此外，晝夜節(jié)律(circadian rhythms)是屬于生物節(jié)律的一部分，并普遍存在于地球上大部分生物當中。它是一種以內源性和持續(xù)性的形式且以24 h為一個周期的生理現象。晝夜生物鐘大致可分為兩大類，即中央生物鐘(central clocks) 和外周生物鐘(peripheral clocks)。中央生物鐘是指生物的細胞是具有內源性的，而外周生物鐘是指會受到授時因子如光照、溫度等條件的影響而發(fā)生變化的。蜜蜂是社會性昆蟲，由蜂王、雄蜂和工蜂等3 種具有不同職能的個體組成，共同構成一個迷你的小型社會。蜂王和工蜂皆為雌性蜜蜂，但他們的形態(tài)特征、生理活動和主要職能都大不相同。蜂王的首要職責為繁衍后代，工蜂負責蜂巢內外的大小事務如采集蜂蜜、喂養(yǎng)幼蟲、保護蜂巢等，雄蜂則負責在婚飛時與蜂王交配，提供其精液以助蜂王繁衍下一代。剛出房一周的成年工蜂通常為內勤蜂，負責照顧蜂王；出房3 周后為采集蜂，開始由內轉外，負責采集蜂蜜和防御的工作。在群居生活中，他們之間具有高度的配合和相互協(xié)調的能力。

2 蜜蜂的生物節(jié)律性行為和可塑性

早在20 世紀，學者們已發(fā)現蜜蜂出巢采集的時間觀念性極強，總能在最佳時間采到最多的花蜜。后來經過實驗證實，原來成年工蜂在采集行為上具有晝夜節(jié)律性。采集蜂能經由生物鐘的調節(jié)譬如太陽羅盤定向機制來協(xié)助導航和搖擺舞來進行交流，互相傳遞和表達相關的信息。即使將蜜蜂放在實驗室里進行隔離訓練，蜜蜂也遵守這一規(guī)律，能精準地確定蜜粉源[1]。這表明了蜜蜂的晝夜節(jié)律性行為是內源性的。此外，采集蜂在夜晚則會進行睡眠，而睡眠也分為幾個階段，有利于緩解白天高強度的反應和活動能力[2]。然而，之后卻有學者發(fā)現不是所有同蜂群的蜜蜂都擁有強烈的晝夜節(jié)律性。這與蜜蜂之間的勞動分工存在著密切的聯(lián)系，并且能通過與幼蜂的直接接觸來調節(jié)[3,4]。當采集蜂短缺時，一些年幼的工蜂就會加速發(fā)育并比同齡的蜜蜂更早開始采集蜂蜜；當內勤蜂短缺時，一些成年的采集蜂就會返回并開始照料蜂巢內的事務。早期承擔哺育任務的內勤蜂不具備晝夜節(jié)律性，但當它們開始轉變?yōu)椴杉浜缶蜁憩F出很強的晝夜節(jié)律性[5]。 除此之外，也有研究發(fā)現內勤蜂在無蜂巢的情況下，能在16 h 以內從無晝夜節(jié)律性轉變?yōu)橛袝円构?jié)律性，且時鐘基因也會開始被表達[4]。由此可知，蜜蜂的晝夜節(jié)律性是具備高度可塑性的。

3 蜜蜂生物節(jié)律性的分子機制

果蠅是最先被用作有關生物節(jié)律分子機理的研究。從1984 年起[6]，學者們就紛紛從果蠅中發(fā)現出生物節(jié)律基因，其中包括了period(per) 、Timeless1(Tim1)、Cry-d(cry1)、clock (CLK)、vrille (Vri)、PAR-domain protein 1(Pdp1)和色素分散因子(Pigment-dispersing factor, PDF)等。Cry-d (cry1) 和Tim1 基因是果蠅形成生物鐘功能的關鍵。然而，蜜蜂的基因組與果蠅卻存在著差異，除了Pdp1 和Vri 等基因是相同之外，它們編碼出了類似哺乳動物的基因Cry-m(cry2)，并不是果蠅的Tim1 和Cry-d 基因。Cry-m 和Cry-d 的不同之處是Cry-d 有光敏性而Cry-m 沒有[7]。這或許是造成蜜蜂在明暗循環(huán)中表現得不敏感的原因之一。據此可得出，雖然蜜蜂為無脊椎動物，但它的生物節(jié)律基因卻與哺乳動物更為相似[8]。 普遍上，動物生物節(jié)律的循環(huán)是一個基因表達的振蕩過程，屬于負反饋環(huán)路。此過程是經由以24 h 為一個周期的相關基因以振蕩表達的形式而產生出相應的變化。蜜蜂的分子機制是以轉錄反饋回路為基礎而進行展開的。在蜜蜂的模型中，由Cycle (CYC)和Clock (CLK) 基因編碼的蛋白質激活了Cry-m 和Per 基因的轉錄。經過轉錄后，Per 和Cry-m 蛋白轉移到細胞核中并開始抑制回CLK:CYC 蛋白復合物的轉錄活性，進而降低自身的轉錄，形成負轉錄反饋機制[7]。

內勤蜂和采集蜂在基因表達上的差異或許是造成它們有無晝夜節(jié)律性的原因。在采集蜂的大腦中，時鐘基因尤其是Per 和Cry-m 基因等都表現出強烈的振蕩，而內勤蜂卻只有微弱甚至沒有振蕩[9]。 再者，由于采集蜂大腦中的mRNA 水平高于內勤蜂，因此若兩者之間相比，采集蜂明顯地表現出了晝夜節(jié)律性。 但是，研究者們卻發(fā)現若把內勤蜂從原有的蜂巢中移到實驗室所提供的黑暗和溫度恒定的蜂巢里，它們能在短時間內產生穩(wěn)定的晝夜節(jié)律性。經過一系列的研究，Fuchikawa 等人[10]發(fā)現內勤蜂會和覓食蜂產生社交同步，形成節(jié)律性。換句話說，社交暗示和明暗循環(huán)(Light Dark Cycle,L-D Cycle) 這兩個授時因子相比，社交暗示的影響性更勝一籌。另外，Beer K 等人[11]的研究也發(fā)現從來沒有與環(huán)境接觸過的采集蜂受到社會暗示的影響比光照來得更高。光照對于大部分生物來說是最強的授時因子[12]，可蜜蜂卻與之相反，凸顯了它們的特別之處。

4 蜜蜂生物節(jié)律的神經機制

蜜蜂的大腦與其身形體積一樣小，只占了1 mm3。神經元的數量小于106，大約只占人類神經元數量的10-6，卻有著強大的功能。2003 年，Bloch 等人通過對蜜蜂腦部的生物節(jié)律蛋白進行免疫染色，初步判斷了蜜蜂生物節(jié)律系統(tǒng)所處的位置[13]。常常被學者用來標記和辨別腦部鐘神經元的物質是一種神經肽，稱為色素分散因子(PDF)。當時，蜜蜂腦部PDF 和PER 基因共定位的神經元并沒有被從事研究工作的學者發(fā)現。研究結果中所顯示的與蜜蜂腦部有關的神經元PDF 和PER 的表達模式存在著很大的區(qū)別。正是因為如此，學者當時一致認為昆蟲的生物節(jié)律蛋白是保守的，但它們腦部的生物節(jié)律網絡的普遍模式還有待驗證其存在性。終于在2017 年時，Fuchikawa 等人成功研制了新的蜜蜂PER 抗體，全面地揭示了蜜蜂腦部鐘神經元的分布狀況。 研究顯示在背部和腹側等部位分布著蜜蜂的PER 陽性神經元。在這方面，蜜蜂與果蠅相似，所以蜜蜂腦部鐘神經元的命名方式以果蠅腦部的位置作為參考[14]。Fuchikawa 等人把一些主要的神經元命名為DN(Dorsal Neurons)、DLN(Dorsal Lateral Neurons), LN1(Lateral Neurons)和LN2(Lateral Neurons)等。其中，LN2 是PDF 和PER 基因共定位神經元的位置。與此同時，他們還發(fā)現一些神經元如LN2 神經元同一時間內表現出PER 和PDF 抗體陽性。PDF 為一種神經調節(jié)劑，能將晝夜節(jié)律信息從起搏器細胞傳遞到大腦中心。其中涉及了許多功能，包括運動、時間記憶和判定太陽羅盤的方向等[15]。該研究證實了與果蠅等其他昆蟲類似，蜜蜂生物節(jié)律的神經網絡與它們大致相同。這表示在大腦解剖學形式上，昆蟲生物節(jié)律系統(tǒng)都具有普遍類似的神經網絡模型。

5 結語

綜上所述，蜜蜂是研究晝夜節(jié)律和復雜行為之間優(yōu)良的模式生物，為實驗研究提供了寶貴的價值。所有的生物性狀會為了適應不停變化的環(huán)境而不斷進化，這就是自然選擇。對生物生存有利的性狀在演化的過程中被自然選擇保留下來，反之則被淘汰。生物節(jié)律也如此。與人類一樣，對蜜蜂而言，晝夜節(jié)律對行為調節(jié)是重要的，尤其是許多復雜的行為如太陽定位、勞動分工、社會協(xié)調活動等[5]。若不經常遵循晝夜節(jié)律，人體和動物都會面臨過早死亡、心血管功能障礙、免疫失調等的問題[16]。目前，人類對蜜蜂的晝夜節(jié)律所涉及的基因的周期性調控及表達和神經機制都還需要進一步地研究，相信在未來會有更多的發(fā)現。