研究人员正在寻找能够支配生理节奏并存在于所有生物中的普适生物钟。
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25亿年前出现的能够制造氧气的原始生命或许已经开始运行最早的生物钟了。5月15日发表在《自然》Nature杂志上的一篇颇具争议的论文指出，可吸收氧呼吸作用所产生的有毒副产物——例如过氧化氢——的酶能够以周期的形式出现盈亏，并存在于生命的各种形式当中。
几乎所有的生物都能够通过被称为生物钟的生化机制来保持内在的时间。领导这项最新研究的英国剑桥大学生化学家Akhilesh Reddy表示，在缺乏外部信号，例如阳光的情况下，这些循环大约为一个周期24小时，但它们也能够通过对外部信号进行响应来加以重置。例如，一位旅客如果要从时差中恢复，则必须重新设定自己的生物钟。
生物钟被深深缠绕在一个有机体的日常生活中。它们帮助植物的叶片寻找捕获阳光的时机，并且为黑脉金斑蝶在北美洲导航。缺乏生物钟的单细胞藻类是无法存活的。
Reddy指出，尽管生物钟至关重要且普遍存在，但在不同生物体内控制生物钟的基因却不尽相同。例如，拟南芥（Arabidopsis thaliana）的生物钟基因与果蝇和哺乳动物的相关基因便相去甚远，这表明生物钟并不是从一个共同的祖先进化而来的。Reddy说：“我们似乎觉得这个周期被反复‘发明’了5次。”
在寻找一台“普适”生物钟的过程中，Reddy和同事将目光投向了一类名为抗氧化蛋白的酶，它们存在于几乎所有的生命形式中。这种酶的周期介乎于两种化学态之间，这主要取决于它是否与过氧化氢发生反应，后者是对细胞有害的氧呼吸作用的一种副产品。2011年，Reddy的研究小组报告称，在两种化学态之间的人体红细胞和海藻中的过氧化还原酶的周期约为24小时。
如今，Reddy的研究小组将他们的观测结果扩展到小鼠、果蝇和植物，以及细菌与古生菌当中，其中古生菌是30多亿年前进化出的第一种细胞生命形式。在缺乏阳光的前提下，过氧化还原酶也能够在所有这些有机体中保持时间，而这正是生物钟的一个主要特点。
研究人员发现，过氧化还原酶，或称为代谢生物钟并不依赖于其他生物钟。Reddy指出，代谢生物钟的许多内部机制还没有搞清。
但Reddy认为，过氧化还原酶是所有生物钟祖先的一个很好的候选者。他和同事假设，作为对光合作用在细菌中出现的一种响应，这种系统在约25亿年前出现。这导致了氧气在地球大气中的逐渐积累，即所谓的“大氧化事件”。
美国芝加哥市西北大学费因伯格医学院的内分泌学家Joseph Bass对这项研究表示赞赏，但他同时指出：“我认为我们依然没有完全搞清是何种支配性的压力导致了生物钟的进化。”（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature11088
PMC:
PMID:
Peroxiredoxins are conserved markers of circadian rhythms
Rachel S. Edgar, Edward W. Green, Yuwei Zhao, Gerben van Ooijen, Maria Olmedo, Ximing Qin, Yao Xu, Min Pan, Utham K. Valekunja, Kevin A. Feeney, Elizabeth S. Maywood, Michael H. Hastings, Nitin S. Baliga, Martha Merrow, Andrew J. Millar, Carl H. Johnson, Charalambos P. Kyriacou, John S. O’Neill & Akhilesh B. Reddy
Cellular life emerged ~3.7 billion years ago. With scant exception, terrestrial organisms have evolved under predictable daily cycles owing to the Earth’s rotation. The advantage conferred on organisms that anticipate such environmental cycles has driven the evolution of endogenous circadian rhythms that tune internal physiology to external conditions. The molecular phylogeny of mechanisms driving these rhythms has been difficult to dissect because identified clock genes and proteins are not conserved across the domains of life: Bacteria, Archaea and Eukaryota. Here we show that oxidation–reduction cycles of peroxiredoxin proteins constitute a universal marker for circadian rhythms in all domains of life, by characterizing their oscillations in a variety of model organisms. Furthermore, we explore the interconnectivity between these metabolic cycles and transcription–translation feedback loops of the clockwork in each system. Our results suggest an intimate co-evolution of cellular timekeeping with redox homeostatic mechanisms after the Great Oxidation Event ~2.5 billion years ago.
