这种微型水母以自己的方式计时

一种新发现的水螅水母物种拥有独特的计时方式。

太阳在天空中的轨迹——黎明、白天、黄昏、夜晚——驱动着生命的生物钟。有些物种随日出而作，随月升而息；有些则恰恰相反，还有少数物种的作息时间非常奇特。这些受自然驱动、以 24 小时为周期的生物循环被称为昼夜节律（circadian rhythms）。它们的作用不仅仅是提示就寝时间，还调节着激素、新陈代谢、DNA 修复等生理过程。当生命活动与环境步调失调时，健康、繁殖和生存都会受到严重影响。

由于没有手表，许多物种利用一套内部系统来计时——这套系统由一组相互作用的基因及其蛋白质产物组成，能够有效地跟踪 24 小时的周期，并由阳光进行校准。这种昼夜节律钟广泛存在，甚至在单细胞藻类中也能找到，这表明生物计时机制在数十亿年前就已经进化出来了。在动物界，大多数物种拥有相同的遗传系统，使用被称为 CLOCK、BMAL1 和 CRY 的基因或可识别的同源基因。这种形式的生物钟机制甚至出现在古老的生物谱系中，包括海绵和某些水母。

但这是否是唯一的计时方式？在日本海岸附近发现的一种豌豆大小的水母中，生物学家正在研究一种截然不同的计时机制。

在进化过程中的某个阶段，水螅纲（Hydrozoa）——包括某些种类的水母、水螅，以及像僧帽水母（Portuguese man-of-war）这样的群体性管水母——丢失了在动物界其他物种中运行昼夜节律钟的基因。然而，一种新发现的水螅水母物种却拥有一种神秘的昼夜节律钟，它能定期跟踪 20 小时的周期，这表明其机制是独立进化出来的。这项研究于 2026 年 1 月发表在《公共科学图书馆·生物学》（PLOS Biology）杂志上，它突破了时间生物学家（chronobiologists）对“昼夜节律”定义的传统认知。

“我们一直在想，水母有真正的生物钟吗？”伍兹霍尔海洋研究所的安·塔兰特（Ann Tarrant）说，她研究海葵的昼夜节律，并未参与这项研究。“这项研究非常令人兴奋，因为它展示了这种动物体内存在生物钟，尽管它已经丢失了一些我们认为对大多数其他动物的昼夜调节至关重要的基因。”

在这种新发现的水母中发现的生物钟不同寻常，不仅因为它跟踪的是 20 小时（而非地球 24 小时的昼长），还因为它似乎与一个分子计时器配对，该计时器从日出开始倒计时，直到水母产卵的时间。这种令人惊讶的机制表明，科学家可能忽略了生命树中存在的非常规生物钟。

“类似的系统可能更加普遍，只是我们没有去寻找，因为我们只关注这些遗传组分（即动物的 CLOCK 基因），”莱斯特大学的时间生物学家埃齐奥·罗萨托（Ezio Rosato）说，他为这项工作撰写了科学评论。“你可以用任何分子机制来制造一个生物钟。你所需要的只是一系列按某种方式组织的反应。”

如开关般的日出

出口隆作（Ryusaku Deguchi）每季度都会带他在宫城教育大学的学生前往出岛（Izushima），这是日本东北部海岸附近仙台湾内一个仅 1 平方英里的小岛。在那里，数千个比豌豆还小的半透明球体在渔港码头下的水柱中沉浮。他和学生们收集这些代表了十几个物种的水母标本，并在实验室中饲养它们，以研究它们的繁殖周期。

从出岛俯瞰日本东北部海岸附近的仙台湾。出岛是一个近海小岛，仅居住着几十名渔民和贝类养殖户。出口隆作 摄

当橘井流歌（Ruka Kitsui）还是大一新生时，他就是这些学生中的一员。在显微镜下观察水母配子（gametes）发育的过程，将他从物理和化学的严密逻辑中吸引到了生机勃勃的生物学领域。后来，他加入了出口隆作的实验室研究无脊椎动物的发育，并将硕士论文致力于研究水母的繁殖，重点关注标本中一个不寻常的群体。出口隆作收集的大多数水母每天都会产卵，通常在日出后不久将卵子和精子排入水中。但这些水母很奇怪：它们在晚上产卵。

对于包括某些珊瑚和水母在内的群体产卵物种来说，精确的计时至关重要。它们直接将配子排入水中，受精完全依靠运气：如果卵子排入水中时没有精子存在，就不会产生下一代。因此，这些物种进化出了各种分子机制来同步产卵，通常使用能够感知并响应光信号的视蛋白（proteins）。

橘井知道，他的水母所拥有的“日落钟”背后一定有某种分子机制。但由于没有明显的引光触发信号，这种夜间产卵行为成了一个谜。

在日本宫城教育大学选修了出口隆作（左）的课程后，橘井流歌（右）被水母发育的机制深深吸引。 Yu Murakami 摄

他从一系列光照实验开始。首先，他将雌性水母置于 12 小时人工光照和 12 小时黑暗的循环中——大致反映了出岛自然的昼夜循环。每一次，水母都会在“黄昏”后正好两小时将卵子排入水中。

起初，橘井和出口认为从亮到暗的转变就是产卵信号。但是，当他们提前两小时开灯，使“黎明”更早发生，但保持“黄昏”时间不变时，水母也提前两小时产卵了。

在持续光照下，这些水母会怎么做？令橘井惊讶的是，在没有任何特定提示的情况下，水母每隔 20 小时就会自主产卵。这表明这种此前未知的物种——在获得正式名称前被暂称为 Clytia sp. IZ-D——拥有某种内部驱动的昼夜节律。“在那一刻，我感受到了研究核心真正的喜悦：揭开了世界上从未有人知晓的秘密，”他说。

橘井知道，C. sp. IZ-D 的生物钟并非由动物中普遍存在的生物钟基因构成；水螅纲谱系在进化过程中已经丢失了这些基因。然而，它几乎符合时间生物学家对昼夜节律钟描述的所有要求。

新发现物种 C. sp. IZ-D 的微小水母在圆形水箱中巡游（左）。法国国家科学研究中心的发育生物学家百濑刚（Tsuyoshi Momose，右）借出了他在相关物种方面的专业知识，以研究这种新型计时机制的工作原理。由 Tsuyoshi Momose 提供

昼夜节律钟必须是自维持且由内部驱动的，就像水母 20 小时的产卵周期一样。它还必须受光照等环境刺激的调节；虽然在实验室的持续光照下，水母的产卵钟可以按 20 小时的周期运行，但在自然界中，它每天都会重置。此外，真正的昼夜节律（如人类的节律）不应受温度影响。然而，在橘井的实验中，较温暖的水会让 20 小时钟变快，而较冷的水会让它变慢。它是一个分子生物钟，但并非按照科学家通常定义的方式运作。

“我想知道时间生物学界会如何看待（这种现象），”阿尔弗雷德·魏格纳研究所和维也纳大学的时间生物学家克里斯汀·泰斯马尔-莱布尔（Kristin Tessmar-Raible）说，她并未参与这项研究。如果它打破了三条规则中的任何一条，它还算真正的昼夜节律吗？“或者我们这个群体，会把它归为（其他的）东西？”

然而，20 小时的昼夜节律钟并不能完全解释水母在日落后产卵的行为。这个钟表机制中一定还有另一块碎片。

产卵倒计时

为了进一步了解这个新物种的情况，出口和橘井转向了它的近亲——Clytia hemisphaerica（半球拟青铃水母）。C. hemisphaerica 在外观上与 C. sp. IZ-D 几乎一模一样，都有透明的伞部和长长的触手。至关重要的是，它是一种研究透彻的动物模型，其产卵和繁殖的细节已广为人知。为了寻求答案，他们邀请了朋友百濑刚，他是法国国家科学研究中心的发育生物学家，也是该物种的专家。

拟青铃水母（Clytia hemisphaerica）是无脊椎动物繁殖的模式物种，有两个阶段：固着的固着阶段（左）和自由漂浮的侧向阶段（右）。

每天日出两小时后，C. hemisphaerica 就会产卵。这一过程始于当天的第一缕阳光，当性腺（gonads）中被称为视蛋白的光感受蛋白探测到阳光时，就会触发一种激素的产生，使发育中的配子成熟。

研究团队推测，新物种 C. sp. IZ-D 拥有一种略微调整过的机制，其中激素是随着时间缓慢释放的，将配子成熟过程拖长到大约 14 小时。一旦积累了足够的激素且配子完全发育，水母就会同步产卵——大约在日落后两小时，就像钟表一样精准。

“作为一名时间生物学家，看到一个系统利用几乎相同的工具却获得了不同层次的组织形式，这非常有趣，”罗萨托说。“仅仅一点点改变”——更缓慢的激素积累，从而导致更慢的配子成熟过程——“就创造了一个复杂得多的组织层次。”

接下来，百濑、出口和橘井计划比较 C. hemisphaerica 和 C. sp. IZ-D 的基因组，以探索其 20 小时准昼夜节律钟和 14 小时日出倒计时器背后的分子机制。2026 年 4 月，橘井将在东北大学开始他的博士课程，专注于研究蛤蜊的繁殖，在那里他可以继续描述无脊椎动物发育中的种种奇特现象。

他偶然发现的这个不寻常的生物钟已经对该领域产生了影响。“这是一项非常漂亮的研究，将激发更多的后续工作，”塔兰特说。“它突显了生物界存在着新颖性、多样性，甚至是完全不同的路径，并为我们提供了在研究这些机制时如何保持创造力的范例。”

---

重要术语翻译对照表

英文术语	中文翻译	备注
Circadian rhythms	昼夜节律 / 生物钟	以约 24 小时为周期的生物过程
Hydrozoan jellyfish	水螅水母	刺胞动物门水螅纲的一类水母
Clock genes	生物钟基因	调控生物钟的核心遗传组分，如 CLOCK, BMAL1
Chronobiology	时间生物学	研究生物体计时机制和节律的学科
Mass spawning	群体产卵 / 大量产卵	许多个体在短时间内同步释放配子
Gametes	配子	生殖细胞（精子或卵子）
IZ-D (Clytia sp. IZ-D)	出岛拟青铃水母（暂称）	本文研究的新物种
Opsins	视蛋白	一类对光敏感的蛋白质
Gonads	性腺	产生配子的生殖器官
Countdown timer	倒计时器	文中描述的从日出开始计算直至产卵的机制
Self-sustained	自维持的	在没有外部提示下仍能运行
Entrainment	调控 / 同步	生物钟通过环境信号（如光照）进行校准的过程