怀揣“时钟”的动物们

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  从古老的日晷(利用太阳位置的变化测定并划分时刻)到漏刻(利用水滴速度计时),再到今天的各式各样的钟表,人类可谓想尽办法来观察、利用我们的时间。然而,许多动物却拥有它们与生俱来的天然的“时钟”。
  招潮蟹的“劳力士”
  在西部非洲、大西洋西部、东太平洋和印度洋的泥质海滩上,生活着一种人们很容易辨识的小蟹——招潮蟹。别看这种蟹的个头很小,却生有一只大大的螯(在夜深时看起来就像一个大嘴巴,故它们也被称为“大嘴蟹”)。除了外形独特,招潮蟹令人惊讶的还有:它们总是能预知潮汛。每当潮水上涨之前十分钟,它们就停止觅食,快速返回栖息的洞穴,还机智地用贝壳或石块等坚硬物质堵住洞口。一当潮水退却,它们又大摇大摆地爬出洞口四处活动。
  千万不要惊讶,包括招潮蟹在内的海洋中的虾兵蟹将都身怀“劳力士”,这些无形的“钟表”的“滴答声”和海浪拍打的节拍出奇的一致。海浪拍打的节拍在月球和太阳等天体的引力作用下,造成海水的涌动:海水迅猛上涨时,出现高潮;过一段时间,海水自行退去,出现低潮。这种海面上周期性的涨落现象就是潮汐。
  招潮蟹怎么知道潮水会在什么时候到来呢?科学研究发现,即使把招潮蟹养在实验室里,让它们远离潮汛的影响,它们的活动规律仍然会保持与潮水同步。虽然远离了海岸线,无法用肉眼看到或感知到潮水的变化,但每到涨潮时,它们照样会提前10分钟迅速地寻找掩体把自己藏起来。每次都是10分钟,分毫不差。科学家认为,在招潮蟹的体内一定有一个“计时器”,而且是一个十分精确的“计时器”,否则这种现象无法解释。
  包括招潮蟹在内的生活在潮汐带中的生物,它们之所以能预知潮涨潮落,是基于它们所拥有的24小时一次的节律。这就是它们的“劳力士”。试想,如果没有“掐表”功能,退潮对这些动物来说就是致命的。为了避免脱水状况的发生,这些神算手们练就了毫不费力预知潮汛的“超能力”。
  鲎的“闹钟发条”
  科学家认为,许多海洋生物的活动,尤其是生殖活动,都与月亮和太阳运动规律有着相当密切的关系。一种源自远古的动物——鲎,总是在夏季满月时分登上北美海岸,然后进行一场自恐龙时代起就未曾改变的“仪式”。
  早在泥盆纪(距今4亿年前),一种与今天的鲎长相类似的生物就已经出现了,它被认为是鲎的祖先。鲎的甲壳的形状很像马蹄,因而也被叫做马蹄蟹。其实,鲎并不是蟹,鲎与蜘蛛、蝎、扁虱、螨等蛛形纲生物以及已绝灭的三叶虫有着亲缘关系。
  鲎的颜色从蟹青色到深棕色不等。身体主要由三部分构成:头部(也称前体)、腹部(也称后体),以及被称为“尾剑”的脊柱状尾巴。正是由于其尾部的独特性,鲎被归于剑尾纲生物。单从外表形状看,很难区分鲎的性别,但雌性鲎要比雄性大很多。
  太阳的引力会影响潮汐。一些大潮每月发生两次,一次在满月时,一次在新月时。每隔半个月,月球和太阳的引力会互相抵消,从而形成小潮汐。许多海洋生物的生活规律都受到这一循环的支配,鲎也不例外。鲎的比较典型的特征就是在夏季满月或新月之夜,准时踏浪而来,它们利用月圆后的大潮,趁着高潮时的大浪集体冲上海滩。成千上万只鲎就像是事先约好似的同时出现,数量之多,令人瞠目结舌。尤其是在满月的那天夜晚,鲎的活动最为频繁。它们会在海滩上挖洞,寻找虫子、海藻以及一些软体动物作为食物。那么,鲎发起如此声势浩大的“狂欢聚会”,仅仅只是为了品尝虫子或者堆沙丘玩吗?
  答案当然是否定的。每当春夏季的满月或新月,在大潮发生的几个小时之内,成年鲎大量迁徙到沙滩,并在浅水区聚集,这说明它们的行为与农历和潮汐周期密切相关。原来,它们是利用潮汐上岸产卵。它们的行动与最大的大潮同步,所以总是能将卵产在高潮线。有沙子作为保护,而且远离海水,因此不用太担心卵被鱼类掠食。雌性鲎在产卵前,会在海滩上挖一个约15厘米深的坑,然后将卵产在里面,雄性鲎则马上就给卵受精。一窝卵有2000~20000粒。通常,每个雌鲎有多个雄鲎相伴。当潮水快要淹没沙滩时,鲎的大军就马不停蹄地迁回了大海。
  一个多月后,黏黏的卵孵化出来。黏糊糊的幼虫们将经历一场巨变,这也和月相周期有关,但整个过程主要取决于温度的高低。在下次大潮汛来临前,大量的鲎的幼虫会在沙子里呆上数周。待到潮汛来临时,它们已经完全长大成形。由于是同时孵化的,大潮会将它们全部都卷进海里。一旦被冲进海里,这些幼鲎便会铆足了劲儿展开一场疯狂的、不间断的游泳比赛。
  就这样,鲎一代接着一代、周而复始地繁衍至今。可以毫不夸张地说,鲎的“闹钟发条”早在2.3亿年前就已经开启,至今依然活力不减。
  多边膝沟藻的“计时器”
  让科学家难以置信的是,单细胞生物也有自己的“计时器”。可以说,缺乏生物钟的单细胞生物是无法存活的。藻类如黄棕色硅藻、眼虫属(具有植物和动物两种特征的单细胞生物)、衣滴虫和多边膝沟藻具有趋光性昼夜节律(所谓趋光性,是指生物体发出可见光的行为)。多边膝沟藻的昼夜生理过程更是典型的昼夜节律性生物发光过程。在日本海,科学家观察到一种非常有趣的现象:在日出前一个小时,生长在几百米深海中的多边膝沟藻就会如火箭般浮上水面,形成密密的厚厚的一片,然后进行光合作用。到日落之时,它们又抓紧时间潜回深海。到了夜晚,它们借助荧光素酶发出生物光,以驱赶它们的天敌——挠足亚纲。多边膝沟藻的这种昼夜节律受光线强弱的影响,在条件有利的情况下,甚至会形成红潮这一壮观景象。
  最新研究表明,无论有没有光线来源,多边膝沟藻在实验室里同样会进行相应的垂直升降运动,而且保持同样的垂直运动节律。这正好说明多边膝沟藻除了具有趋光性能力,其自身内部也牢牢地被“计时器”所控制。
  蝉的生命“钟摆”
  辛辛那提的地下世界里住着一种堪称时间观念最强的动物,这些动物在度过整整17年的地下生涯后,才会第一次也是唯一一次爬出地面。17年前,它们在孵化之后就离开了树,进入地下。自那以后,它们体内的“钟摆”开始摆动并自动计算度过的年数。这就是生命周期长达17年的“17年蝉”,生活在北美地区的一种蝉。17年蝉也被称为“周期蝉”,因为它们在北美洲的任何一个地方都是同步生长——在同一年的同一时间破蛹而出。它们的生命周期达17年之久,简直让人难以置信。其他种类的蝉(全球大约有3000种蝉)都不是同步生长的。   在17年的蛰伏中,蝉的幼虫生活在地下30厘米或更深的地方,以森林植物根的汁液为食。生活在地下的幼虫会不断地往下蠕动以寻求更大的植根。经过漫长的17年幼年期后,蝉蛹会在土壤温度约7℃时,从地下大约20厘米的地方破蛹而出,然后羽化,实现17年后的首要目标——变成成虫。多年以来,这样的蜕变都发生在4月末到5月初的美国南部地区以及5月末到6月初的美国东部地区。
  刚出来的蝉会爬到附近的植被上寻找一个舒适的地方完成最后的蜕变。羽化是完美蜕变的关键。只需要20分钟,它们一生中的最后一次蜕皮就完成了。它们依附在树上,直到身体的颜色完全变暗,外骨骼完全变硬(刚刚完成蜕变的幼蝉是白色的,但会在一个小时内变暗)。至此,它们的“成人礼”算是完成了。只可惜,它们离见上帝的时刻也不远了。它们的交配时间只有短短几分钟,雌蝉用锋利的产卵器割开树皮,将卵产在沟槽中,然后死亡,纷纷落到地上,成为一大片枯竭的尸体。直到17年后,蝉才会再次出现。
  试想,当我们开始新的一天生活的时候,数以百万计的蝉在欢快地举行着“狂欢集会”。然而,在我们看来只一会儿的功夫,它们的一生就结束了。被生物钟深深缠绕的“钟摆”就这样停止了摆动。
  可以肯定的是,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自身内在的时间。但是,许多生物内部机制的深奥问题,科学家们至今尚未搞清楚。
  植物的生物钟
  春夏时节,一种星星点点的小黄花以其貌不扬的姿态花开花谢着,它们遵循着朝九晚五的上下班时间,每天早上9点左右绽放,下午3~5点闭合。最奇特的是,数量众多的花儿们几乎同时花开花谢。这就是产自南美洲热带地区的“时钟花”。这种属于时钟花科的草本植物有多个品种,它们的花朵常见的有黄色的和白色的。
  时钟花之所以会按时开放,是因为它们拥有自己的生物钟。有研究表明,时钟花开花的规律与日照和温度的变化密切相关。此外,时钟花的开花时间还受体内一种特殊物质——时钟酶的控制。这种酶调节着时钟花的生理机能并控制着开花时间。当太阳升起,气温逐渐升高时,酶便活跃起来,促使花朵开放;当气温下降到一定程度,酶的活性便渐渐减弱,花朵也就凋谢了。与时钟花相类似的还有鹅鸟菜、蛇床花、紫茉莉等。
  哺乳动物的“时装周”
  冬季,西伯利亚仓鼠和北极兔开始为自己越冬做“变装”准备。随着天气越发寒冷,它们纷纷脱下深色的外套,换上厚重的白色皮毛。它们一年一度定期举办“冬季时装周”的奥秘何在呢?这依赖于它们大脑中的松果腺细胞——松果体。松果体是位于第三脑室后壁的如松果般大小的分泌器官,一到夜里它就会分泌褪黑激素,用以控制哺乳动物的“变装”活动。褪黑激素的大量释放,加上与荷尔蒙的相互作用,导致了这些动物的“外套”颜色的变化。冬季,随着黑夜越来越长,白天越来越短,褪黑激素的酶类活性增强,褪黑激素分泌量相应增多,再加上光刺激减弱等外部环境的变化,这些都在提醒动物们:得为冬季做好伪装了。科学家发现,西伯利亚仓鼠和北极兔的松果腺细胞具有记忆明暗规律的功能。其中,光线是关键条件,光线可以改变松果腺细胞膜内外的电位,进而产生一系列化学反应。
  昆虫的“计时器”
  生活在我们身边的蜜蜂之类的昆虫也有它们自己的“计时器”,只不过它们的“计时器”要和有个性的植物配合才起作用。很多植物会控制植物花瓣的运动,在特定的日子里花朵相继开放,在特定的钟点合成香料和花蜜。而虫媒如小蜜蜂等会恰在此时到访。蜜蜂怎么知道花儿在什么时候会开放?它们怎么不在花闭合之后才出动?神奇之处就在于它们的生物钟能“牢记”不同的开花时段,并能准确地将采蜜时间安排在开花时段。
  蜜蜂和鸟一样会利用太阳进行导航,它们的时间感不仅能矫正由太阳方位变化带来的误差,还能凭借超强的记忆力在特殊时段采集到花蜜。植物的开花时间各有不同,许多花一过授粉时间便闭合,而蜜蜂敏锐的时间感让它们的行动与植物开花紧密相关。
  鸟类的“钟表”对许多鸟类来说,也有一只“钟表”负责支配它们的行为(包括季节行为和飞行行为)。毛脚燕每年春天从非洲飞到东南亚、印度或尼泊尔,依靠的就是体内的一年敲一次的生物钟。有趣的是,有些鸟儿如雀鹰, 会在每年的同一天下蛋,它们把握时间的准确度着实让人难以置信,堪比人类发明的各种同步装置。
  椋鸟每天归巢的时间也相当精准,它们的昼夜周期误差常常可以精确到秒。每当新的一天随着太阳升起开始时,椋鸟的生物钟就安排它们启航。它们把太阳当作航标,虽然太阳在空中沿着弧线移动,但椋鸟精确的时间感能够矫正太阳的位置变化。在白天的任何时间,它们都能非常清楚地知道太阳在什么方位,这就像古人用罗盘指明方向一样。如果没有太阳作为参照物,椋鸟的生物钟就会失准,就会偏离24小时的周期规律。
  对于沙丘鹤、印加燕鸥和灰色海豹这些季节性移民来说,它们又是如何跨越数千千米到达精确的目标位置的呢?它们的行为和椋鸟相似,稍有不同的是,除了利用内部“闹钟”和太阳来确定纵向(东-西)位置外,它们还利用恒星的方位或地球的磁场来判断纬度(北-南)位置。它们就这样夜以继日地完成了从筑巢到繁殖再到迁移的为时整整一年的庞大项目。
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