自然界中普遍存在着周期性的环境变化，生命进化出生物钟用以感知并追踪环境时间，将自己的生命活动与环境周期同步，来更好地适应环境[1, 2]。尽管大约24小时周期的昼夜节律已被广泛研究，但人们对非昼夜主导环境（如地下、洞穴和深海等）中的生物节律仍知之甚少[3, 4]。深海没有光照的影响，但受到潮汐作用的影响，深海中的很多环境变化都具有潮汐周期，这一特点在在热液和冷泉等典型深海化能合成生态系统中尤为明显。[5, 6]。深海动物强烈依赖于当地环境资源进行生存繁衍，因此也很可能受到潮汐的影响，进化出独特的生物节律。
近日，孙进教授团队通过72小时的自由运行节律实验，发现冲绳海槽热液区特有的阿尔文虾Rimicaris leurokolos（原为Shinkaicaris leurokolos）在实验室恒定条件下表现出显著的内源性12小时周期基因表达，与当地热液喷口环境中的半日潮周期相一致，相关成果于2025年2月5日以“Circatidal control of gene expression in the deep-sea hot vent shrimp Rimicaris leurokolos”为题，在线发表于Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences（《英国皇家学会会刊B：生物科学》）期刊。
本研究聚焦于冲绳海槽伊平屋北热液区（深度为982米），这里的温度变化有着明显的12.4小时半日潮周期，Rimicaris leurokolos（下文以阿尔文虾代称）栖息于靠近热液喷口的中心区域，热液喷发时的温度很高，可达几百摄氏度。因此当喷发出来的高温热液与周围海水发生混合时，会产生非常剧烈的温度梯度变化。除此之外，热液的喷发还伴随有大量的硫化物、重金属等物质，因此阿尔文虾很可能对当地剧烈的环境变化敏感，所以它很可能依靠内源生物钟整合环境信息，以适应并同步于环境变化。为了探究阿尔文虾是否存在任何的内源生物节律，154只成体阿尔文虾被采集并用于自由运行节律实验。具体来说，在黑暗、4℃的实验室恒定条件下，在连续的72小时内，每隔4小时随机选取多只阿尔文虾进行解剖及固定，测定其在不同时间点的基因表达水平。
基于转录组分析及多种基因表达节律检测算法，发现阿尔文虾的时间转录组由周期为12±2小时的潮汐节律基因所主导，而周期为24±2小时的昼夜节律基因数量相对很少（图1）。就ECHO算法而言，仅仅只有14个转录本被鉴定出具有昼夜节律，而鉴定出的潮汐节律转录本数量为6361，占整个转录组的26.6%。这些大约12小时周期的基因表现出反相的表达模式，分为两个明显不同的簇，分别与细胞核和细胞质中广泛的生物过程相关。由于在热液中心区域，潮汐周期对温度、水化学及水动力等环境因素有很强的影响，阿尔文虾很可能会在一个潮汐周期中经历两种截然不同的环境，一种是低潮时的相对高温、高硫、低氧等，另一种是高潮时的相对低温、低硫、高氧等。推测这种内源的双峰节律表达模式有助于阿尔文虾在热液潮汐周期的不同阶段安排不相容的生命活动，并在过渡期为两种环境做出准备，从而带来内在的适应性，正如在人类等陆地生物昼夜节律中发现的黎明与黄昏前的转录高峰期一样[7]。
图1. 深海热液特有阿尔文虾的时间转录组分析。
本研究进一步鉴定了经典昼夜生物钟基因在阿尔文虾中的同源物，包括Clock，Period，Timeless，Cryptochrome等。这些基因参与调控昼夜节律的转录翻译负反馈回路，在果蝇、小鼠等模式生物中均表现出恒定条件下的24小时昼夜节律[8]。然而在阿尔文虾中，所有鉴定到的经典昼夜生物钟基因均未表现出24小时的内源昼夜节律，同时也几乎未表现出12小时的内源潮汐节律，尽管在某些潮间带生物中，昼夜生物钟基因可以调节至潮汐周期[9]。这表明昼夜节律的衰退甚至消失，独特的潮汐生物钟的形成，有助于阿尔文虾在黑暗的深海热液中适应周期性的环境变化。而潮汐生物钟的分子组成可能与传统的昼夜生物钟有异。
近日有研究发现果蝇、小鼠和人类等陆生动物不光有着24小时的昼夜节律，还表现出强大的12小时超日节律，并假设12小时超日节律与海洋生物的潮汐节律在进化上保守[10, 11]。由于阿尔文虾栖息于隔离光照的深海，所以为检验这一假设提供了新的机会。通过将阿尔文虾的潮汐节律基因与Bmal1敲除的小鼠肝脏、果蝇S2细胞中约12小时周期的节律基因相比较，鉴定出了21个在三个物种中都具有12小时节律的直系同源基因，这些基因高度参与中心法则信息流相关的过程，支持12小时周期基因表达的进化保守性（图2）。
图2. 阿尔文虾、小鼠和果蝇中保守的12小时节律直系同源基因。
这项研究发现深海热液阿尔文虾在恒定条件下表现出由大约12小时潮汐周期为主的内源性节律基因表达，扩展了对黑暗生物圈中生物节律的认识，为深海生物适应性提供了新的见解（图3）。考虑到深海化能合成生态系统的环境特殊性，建议将热液冷泉生物作为时间生物学研究的新模型，这对于破译潮汐生物钟，以及陆生动物中的12小时超日节律的进化与分子机制具有重要意义。
图3. 深海化能合成生态系统作为时间生物学研究的新视角。
孙进教授为该论文的通讯作者，课题组硕士毕业生张弘引和东京大学大气海洋研究所助理教授Yahagi Takuya为该论文的共同第一作者。日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）的Miyamoto Norio研究员、陈充研究员以及孙进课题组本科毕业生姜晴秋对本文亦有贡献。该项工作得到了崂山实验室科技创新项目、山东省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项项目、山东省青年泰山学者项目等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1098/rspb.2024.2970
文章上线以后获得了境外多家媒体的报道：
自由撰稿人：Life on alien planets probably wouldn’t experience day and night—Here’s how that may change evolution（系外生命或缺乏昼夜周期：昼夜节律缺位对生物演化的潜在影响）
https://singularityhub.com/2024/09/10/life-on-alien-planets-probably-wouldnt-experience-day-and-night-heres-how-that-may-change-evolution/
丹麦媒体：
https://illvid.dk/naturen/i-det-moerke-dybhav-har-forskerne-opdaget-at-et-saerli gt-dyr-opfoerer-sig-usaedvanligt
参考文献：
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