浅谈蜜蜂的昼夜节律可塑性及其机制

林玟利，胡福良

（1.浙江大学心理与行为科学学院心理学2020 级，浙江 杭州 310058；2.浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310058）

1 引言

生物节律是生物体内生理和行为的内在节律性，即生物可以不受环境的影响，体内自主地形成有规律的变化，也是我们俗称的“生物钟”。个体的生命活动如睡眠、学习记忆、新陈代谢、趋光性等主要都是由生物钟所调节的。因此，研究和了解生物背后生物节律的真相具有重大的意义。此外，昼夜节律(circadian rhythms)是属于生物节律的一部分，并普遍存在于地球上大部分生物当中。它是一种以内源性和持续性的形式且以24 h为一个周期的生理现象。昼夜生物钟大致可分为两大类，即中央生物钟(central clocks) 和外周生物钟(peripheral clocks)。中央生物钟是指生物的细胞是具有内源性的，而外周生物钟是指会受到授时因子如光照、温度等条件的影响而发生变化的。蜜蜂是社会性昆虫，由蜂王、雄蜂和工蜂等3 种具有不同职能的个体组成，共同构成一个迷你的小型社会。蜂王和工蜂皆为雌性蜜蜂，但他们的形态特征、生理活动和主要职能都大不相同。蜂王的首要职责为繁衍后代，工蜂负责蜂巢内外的大小事务如采集蜂蜜、喂养幼虫、保护蜂巢等，雄蜂则负责在婚飞时与蜂王交配，提供其精液以助蜂王繁衍下一代。刚出房一周的成年工蜂通常为内勤蜂，负责照顾蜂王；出房3 周后为采集蜂，开始由内转外，负责采集蜂蜜和防御的工作。在群居生活中，他们之间具有高度的配合和相互协调的能力。

2 蜜蜂的生物节律性行为和可塑性

早在20 世纪，学者们已发现蜜蜂出巢采集的时间观念性极强，总能在最佳时间采到最多的花蜜。后来经过实验证实，原来成年工蜂在采集行为上具有昼夜节律性。采集蜂能经由生物钟的调节譬如太阳罗盘定向机制来协助导航和摇摆舞来进行交流，互相传递和表达相关的信息。即使将蜜蜂放在实验室里进行隔离训练，蜜蜂也遵守这一规律，能精准地确定蜜粉源[1]。这表明了蜜蜂的昼夜节律性行为是内源性的。此外，采集蜂在夜晚则会进行睡眠，而睡眠也分为几个阶段，有利于缓解白天高强度的反应和活动能力[2]。然而，之后却有学者发现不是所有同蜂群的蜜蜂都拥有强烈的昼夜节律性。这与蜜蜂之间的劳动分工存在着密切的联系，并且能通过与幼蜂的直接接触来调节[3,4]。当采集蜂短缺时，一些年幼的工蜂就会加速发育并比同龄的蜜蜂更早开始采集蜂蜜；当内勤蜂短缺时，一些成年的采集蜂就会返回并开始照料蜂巢内的事务。早期承担哺育任务的内勤蜂不具备昼夜节律性，但当它们开始转变为采集蜂后就会表现出很强的昼夜节律性[5]。 除此之外，也有研究发现内勤蜂在无蜂巢的情况下，能在16 h 以内从无昼夜节律性转变为有昼夜节律性，且时钟基因也会开始被表达[4]。由此可知，蜜蜂的昼夜节律性是具备高度可塑性的。

3 蜜蜂生物节律性的分子机制

果蝇是最先被用作有关生物节律分子机理的研究。从1984 年起[6]，学者们就纷纷从果蝇中发现出生物节律基因，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 基因是果蝇形成生物钟功能的关键。然而，蜜蜂的基因组与果蝇却存在着差异，除了Pdp1 和Vri 等基因是相同之外，它们编码出了类似哺乳动物的基因Cry-m(cry2)，并不是果蝇的Tim1 和Cry-d 基因。Cry-m 和Cry-d 的不同之处是Cry-d 有光敏性而Cry-m 没有[7]。这或许是造成蜜蜂在明暗循环中表现得不敏感的原因之一。据此可得出，虽然蜜蜂为无脊椎动物，但它的生物节律基因却与哺乳动物更为相似[8]。 普遍上，动物生物节律的循环是一个基因表达的振荡过程，属于负反馈环路。此过程是经由以24 h 为一个周期的相关基因以振荡表达的形式而产生出相应的变化。蜜蜂的分子机制是以转录反馈回路为基础而进行展开的。在蜜蜂的模型中，由Cycle (CYC)和Clock (CLK) 基因编码的蛋白质激活了Cry-m 和Per 基因的转录。经过转录后，Per 和Cry-m 蛋白转移到细胞核中并开始抑制回CLK:CYC 蛋白复合物的转录活性，进而降低自身的转录，形成负转录反馈机制[7]。

内勤蜂和采集蜂在基因表达上的差异或许是造成它们有无昼夜节律性的原因。在采集蜂的大脑中，时钟基因尤其是Per 和Cry-m 基因等都表现出强烈的振荡，而内勤蜂却只有微弱甚至没有振荡[9]。 再者，由于采集蜂大脑中的mRNA 水平高于内勤蜂，因此若两者之间相比，采集蜂明显地表现出了昼夜节律性。 但是，研究者们却发现若把内勤蜂从原有的蜂巢中移到实验室所提供的黑暗和温度恒定的蜂巢里，它们能在短时间内产生稳定的昼夜节律性。经过一系列的研究，Fuchikawa 等人[10]发现内勤蜂会和觅食蜂产生社交同步，形成节律性。换句话说，社交暗示和明暗循环(Light Dark Cycle,L-D Cycle) 这两个授时因子相比，社交暗示的影响性更胜一筹。另外，Beer K 等人[11]的研究也发现从来没有与环境接触过的采集蜂受到社会暗示的影响比光照来得更高。光照对于大部分生物来说是最强的授时因子[12]，可蜜蜂却与之相反，凸显了它们的特别之处。

4 蜜蜂生物节律的神经机制

蜜蜂的大脑与其身形体积一样小，只占了1 mm3。神经元的数量小于106，大约只占人类神经元数量的10-6，却有着强大的功能。2003 年，Bloch 等人通过对蜜蜂脑部的生物节律蛋白进行免疫染色，初步判断了蜜蜂生物节律系统所处的位置[13]。常常被学者用来标记和辨别脑部钟神经元的物质是一种神经肽，称为色素分散因子(PDF)。当时，蜜蜂脑部PDF 和PER 基因共定位的神经元并没有被从事研究工作的学者发现。研究结果中所显示的与蜜蜂脑部有关的神经元PDF 和PER 的表达模式存在着很大的区别。正是因为如此，学者当时一致认为昆虫的生物节律蛋白是保守的，但它们脑部的生物节律网络的普遍模式还有待验证其存在性。终于在2017 年时，Fuchikawa 等人成功研制了新的蜜蜂PER 抗体，全面地揭示了蜜蜂脑部钟神经元的分布状况。 研究显示在背部和腹侧等部位分布着蜜蜂的PER 阳性神经元。在这方面，蜜蜂与果蝇相似，所以蜜蜂脑部钟神经元的命名方式以果蝇脑部的位置作为参考[14]。Fuchikawa 等人把一些主要的神经元命名为DN(Dorsal Neurons)、DLN(Dorsal Lateral Neurons), LN1(Lateral Neurons)和LN2(Lateral Neurons)等。其中，LN2 是PDF 和PER 基因共定位神经元的位置。与此同时，他们还发现一些神经元如LN2 神经元同一时间内表现出PER 和PDF 抗体阳性。PDF 为一种神经调节剂，能将昼夜节律信息从起搏器细胞传递到大脑中心。其中涉及了许多功能，包括运动、时间记忆和判定太阳罗盘的方向等[15]。该研究证实了与果蝇等其他昆虫类似，蜜蜂生物节律的神经网络与它们大致相同。这表示在大脑解剖学形式上，昆虫生物节律系统都具有普遍类似的神经网络模型。

5 结语

综上所述，蜜蜂是研究昼夜节律和复杂行为之间优良的模式生物，为实验研究提供了宝贵的价值。所有的生物性状会为了适应不停变化的环境而不断进化，这就是自然选择。对生物生存有利的性状在演化的过程中被自然选择保留下来，反之则被淘汰。生物节律也如此。与人类一样，对蜜蜂而言，昼夜节律对行为调节是重要的，尤其是许多复杂的行为如太阳定位、劳动分工、社会协调活动等[5]。若不经常遵循昼夜节律，人体和动物都会面临过早死亡、心血管功能障碍、免疫失调等的问题[16]。目前，人类对蜜蜂的昼夜节律所涉及的基因的周期性调控及表达和神经机制都还需要进一步地研究，相信在未来会有更多的发现。