全球污染飙升50倍！生物节律揭示生态系统危机

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编读到一篇于2024年1月30日发表在《PLoS Biology》上的最新研究，题为《时不我待：在日益污染的世界中考虑生物节律的重要性》。来自瑞典农业科学大学的研究团队的这项研究，突显了在化学污染研究中亟需整合“生物节律”的紧迫性。

通过探讨生物节律在塑造生物学和生态学中的关键作用，研究指出光污染已被证实干扰这些节律，而化学污染也可能引起类似的干扰。相反，生物节律也能影响化学物质的效应和毒性。通过借鉴生物医学和光污染研究中对生物节律的深入研究，该研究强调整合生物节律对于深刻理解化学污染对野生动植物和生态系统影响的重要性。尽管历史上存在一些障碍，但最新的实验和技术进展为在生态毒理学中整合生物节律提供了可能，为跨时空尺度提供了前所未有的高分辨率数据。因此，认识到生物节律的重要性将是理解、预测和缓解化学污染复杂生态影响的关键。

为助力全球环境治理、并供我国学者了解最新研究动态信息，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。

【关键数据】

全球化学品生产和释放，自1950年以来已增加50倍。预计到2050年，将再次比2010年增长三倍。

生态毒理学家和监管机构正在努力解决化学污染问题，但我们对其对生态系统影响的理解仍然有限。

生物节律研究的起源可以追溯到20世纪60年代，早期研究表明昼夜变化影响野生动物对杀虫剂的敏感性。

研究人员呼吁整合生物节律到化学污染研究中，因为它对生物和生态功能的适应性、相互影响和结果解释的复杂性都具有重要作用。

化学污染与生物节律

化学污染问题迫在眉睫。自从1950年以来，全球化学品的生产和释放已经增加了50倍，预计到2050年将再次增长三倍，这可能会深刻地改变野生动植物的生活和生态系统，对生物多样性造成极大威胁。然而，我们对化学污染对生态系统的影响理解仍然相当有限。

现在，生态毒理学家和监管机构正在努力寻找解决方案，但自然的内在复杂性使我们评估化学污染风险的能力受到挑战。时间在构建生物模型和过程方面起着至关重要的作用，尤其是野生动物如何受到和应对环境变化。生物节律是生命的一个基本而普遍的特征，但我们对其在生态和进化方面的基础及其后果的理解仍然相当有限。

生物节律是指重复出现的分子、生理和行为过程，这些过程发生在对周期性环境变化的期望或响应中。这些生物节律在自然界中极为多样，可以以微秒到小时（超昼夜节律）、天（昼夜节律）或甚至周、月或年（长周期节律）的频率重复。它们存在于生命的各个层次，并且涉及包括潮汐动态、植物叶片运动、睡眠-觉醒周期、动物在海洋和湖泊中的昼夜垂直迁移、月经周期、鸟类年度迁徙和季节性冬眠等过程。生物节律可以由环境信号或内部生物钟调节，其中最著名的是大约在24小时周期内运行的生物钟，即昼夜节律。生物节律在生命的各个方面起着协调重要生物过程的作用。

上图：生物节律将生物学与周期性的无生物环境变化同步。(A) 环境周期，如季节变化、月相周期、昼夜变化和潮汐活动，以周期性变化的方式表现出光照、温度、盐度和氧气供应等方面的变化。(B) 生物节律管理生物圈。它们贯穿整个生命之树，跨足生物组织的各个层次。图片来源：Eli S. J. ThoréAnne E. Aulsebrook等人

尽管生物钟研究最初起源于20世纪中叶的生态和进化生物学领域，但很快便将关注点转向了生物钟的机制，尤其是昼夜节律。然而，由于生物钟学和生态学分道扬镳的发展，导致我们在生态和进化生物学、全球变化和化学污染研究中对生物节律的作用缺乏充分的整合。

在上个世纪六十年代，科学家们开始深入研究生物节律和化学毒性的关系。他们发现，生物节律实际上会影响杀虫剂的效果，就像成虫棉铃虫和两斑蜘蛛螨在一天内对杀虫剂的敏感性有昼夜变化一样。这些研究让人们认识到，在生态毒理学中考虑“生物节律”是相当重要的。不过，有关这方面的研究相对较为有限，而对超过一天的、或者更长周期的生物节律的研究则更是罕见。这确实是一个引起担忧的问题，因为如果我们不把生物节律考虑进化学污染的研究中，就会严重限制我们对这种全球变化对生态和进化产生的影响以及可能的后果的理解。

上图：污染如何与生物节律相互作用的例子。尽管迄今为止接受的研究相对较少，但少数已经测试化学污染暴露与生物节律潜在相互作用的研究表明，这些因素可以在不同的时空尺度和多样的生物系统中相互作用（A-C）。虽然我们的重点是化学污染研究，但显然生物节律与所有形式的环境变化都相关（例如，光污染，D）。图片来源：Eli S. J. ThoréAnne E. Aulsebrook等人

这项研究最后得出结论说，将生物节律整合到化学污染研究中的必要性有三个相互关联的原因：一是生物节律具有适应性，不同步的生物节律可能导致生物和生态功能的紊乱；二是化学物质可以影响生物节律，而这些生物节律反过来也能影响化学物质的影响；另外，生物节律引入了使结果解释复杂化的变异。该研究呼吁要认识到生物节律的重要性，以更全面地了解化学污染对野生动植物和生态系统的影响，从而更好地预测和缓解其带来的复杂生态影响。

野生生物的生物钟及行为举例
生物钟在协调生物体与周围环境周期性变化方面发挥着关键作用，比如光线、温度、潮汐和季节变化等。有些动物更喜欢在白天活动，有些在夜晚更活跃，还有一些在黎明和黄昏时分更为精神焕发。这些规律的生物活动被称为生物节律，它们如同生命的旋律，与动植物的繁衍和生存息息相关。

在上面的研究中提到了一些例子，比如以褐鳟 (英文名Brown trout, 拉丁学名Salmo trutta）为例，它们在白天相对较少活动，而在傍晚到黎明时分，它们会变得非常活跃，专心觅食。这是为了最大程度地获取食物，同时减少被其他掠食者捕食的风险。有趣的是，当资源竞争激烈时，主导地位的鳟鱼和次级地位的鳟鱼的觅食时间会更加有区别。

相似地，褐鼠 (英文名Brown rat，拉丁学名Rattus norvegicus）通常是夜行性动物，但为了躲避夜行性的赤狐（Vulpes vulpes），它们也可以变成白天活动。

然而，并非所有动物都能如此灵活地调整它们的生物钟以适应环境的变化。正如人类穿越多个时区时会感到时差一样，这种不适感也会出现在动物身上。尽管人类的时差只是暂时的，但动物的生物钟如果长时间与环境脱节，可能会对它们的健康产生影响，加速衰老进程，缩短寿命。

总的来看，生物节律在生命之树上普遍存在，并跨足各个生物层次。由于其在塑造物种生物学和生态学中的基本作用，作者指出，将生物节律性整合到化学污染研究中是必要的。更广泛地将生物节律性纳入生态和进化框架将对充分理解、预测和缓解化学污染的生态影响至关重要。这尤为重要，因为化学物质可能破坏生物节律，而反过来，生物节律也会调节化学物质的效力和毒性。此外，对生物时间学的更深入了解，包括超昼夜、昼夜和长周期节律及其组合，将有助于将数据收集与生物节律相一致，使化学污染研究中的效应方向和幅度能够得到准确推断。

感兴趣的读者可参看全文：Thoré ESJ, Aulsebrook AE, Brand JA, Almeida RA, Brodin T, Bertram MG (2024) Time is of the essence: The importance of considering biological rhythms in an increasingly polluted world. PLoS Biol 22(1): e3002478. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002478

海洋与湿地·小百科

生物节律（Biological Rhythms）重复发生的分子、生理和行为过程，以对周期性环境变化的期望或响应为特征。它们在自然界中广泛存在，包括昼夜节律、超昼夜节律、昼夜节律等，是协调和调控生物重要生命过程的基本特征。生物节律作为生命中无处不在的律动，由植物生理学研究的一个分支——即生物钟生物学（chronobiology）来进行研究，在生化背景中也被称为“生化振荡”（biochemical oscillations）。某些类型的生物节律已被描述为“生物钟”。它们的频率范围可以从微秒到每十年少于一个重复事件。光照、污染、饮食习惯和其他环境提示可以维持或干扰生物节律，而对生物节律的干扰可能导致严重的健康问题。

生物活动的时间和持续时间的变化在许多基本的生物过程中都存在。这些过程包括（a）在动物中（进食、睡眠、交配、冬眠、迁徙、细胞再生等），（b）在植物中（叶片运动、光合反应等），以及在真菌和原生生物等微生物生物体中。甚至在细菌中也发现了这些节律，尤其是在蓝细菌中（又称蓝藻，参见细菌的昼夜节律）。

思考题 | 举一反三

Q1. 生物节律在化学污染研究中的整合对我们理解和应对生态影响有何关键作用？

Q2. 化学物质如何影响生物节律，而生物节律又如何调节这些化学物质的效力和毒性？

Q3. 远程感测和生物记录技术的发展如何帮助研究者更好地理解生物节律对化学污染的响应？

Q4. 对于生态系统和野生动植物而言，生物节律被破坏可能导致怎样的生存和繁衍问题，以及这可能对人类社会产生什么样的影响？

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编译 | Wendy

审核 | Moretti

排版 | Moretti

【参考资料】

1.https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002478

2.https://www.webmd.com/a-to-z-guides/what-are-biological-rhythms

3.https://www.nigms.nih.gov/education/fact-sheets/Pages/circadian-rhythms.aspx