超過10%的生命形式是由細菌組成的，但直到最近我們才了解到，與人類類似，土壤細菌也擁有內部時鐘。這些晝夜節律使它們的活動與地球的24 小時晝夜週期保持一致。新的研究表明，這些細菌的晝夜節律鐘是多麼複雜和精密，為一個令人興奮的新研究階段掃清了道路。這項工作將提供多種機會，從抗生素使用的精確計時，到更智能的腸道和土壤微生物組的生物工程。

枯草芽孢桿菌生物發光的圖像資料來源：Ella Baker – Jack Dorling 約翰-英納斯中心

慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學（Ludwig Maximillian University Munich，LMU Munich）、約翰-英納斯中心（The John Innes Centre）、丹麥科技大學（The Technical University of Denmark）和萊頓大學（Leiden University）的國際合作團隊通過探測廣泛存在於土壤中的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的基因表達作為時鐘活動的證據，取得了這一發現。主要作者Francesca Sartor 博士（慕尼黑大學）報告說：”這種微生物的晝夜節律鐘無處不在：我們看到它調控著多個基因和一系列不同的行為”。約翰-英納斯中心的安東尼-多德（Antony Dodd）教授補充說：”令人吃驚的是，一個基因組如此小的單細胞生物，其晝夜節律鐘的某些特性卻能喚起更複雜生物的時鐘。”該合作團隊之前的工作已經證明，在這種細菌的實驗室衍生菌株中存在晝夜節律鐘。這是首次在枯草桿菌中觀察到晝夜節律鐘。研究人員利用一種技術，插入一種叫做熒光素酶的酶，當基因表達時，這種酶就會發光。這種生物發光引導研究小組監測細菌時鐘的變化情況。這篇論文的資深作者、慕尼黑大學的瑪莎-梅羅（Martha Merrow）教授說：”這項研究表明，晝夜節律鐘廣泛存在於枯草芽孢桿菌中。我們或許可以利用時鐘知識來改善健康狀況，提高食品生產或生物技術的可持續性。”這項新研究是向前邁出的重要一步，原因是多方面的。它揭示了這些時鐘存在於從自然環境中收集的菌株中，因此可能在這種細菌中廣泛存在。此外，枯草桿菌在恆定黑暗和恆定光照條件下都能持續顯示晝夜節律，研究人員揭示了許多其他生物的晝夜節律鐘中存在的細微反應。在晝夜節律生物學領域，這些反應被稱為”後效”和”阿肖夫法則”。綜合來看，這表明細菌能像更複雜的生物一樣，隨著光照和溫度條件的變化，使其生理和新陳代謝與一天中的不同時間同步。這一發現為生物技術、人類健康和植物科學提供了機遇。了解細菌晝夜節律鐘的特性可能有助於我們對微生物學的工業應用；它可能使我們對微生物組是如何形成的有一個新的認識，並可能表明抗生素在一天中的某些時間對病原菌的破壞作用有多大。這些知識還可以幫助我們保護農作物。枯草芽孢桿菌是一種有益的土壤細菌，農民用它來幫助養分交換、植物生長和抵禦病原微生物。研究小組正在開發枯草芽孢桿菌，作為研究細菌晝夜節律鐘的模式生物。下一步的工作之一是找出構成時鐘機制的基因。研究小組還對枯草芽孢桿菌晝夜節律鐘如何依賴多細胞組織實現其全部功能感到好奇。晝夜節律鐘是一種內部振盪器，能使生物的生理和新陳代謝適應24小時的環境變化，如光照、溫度或捕食者行為的變化，從而為生物提供選擇性優勢。當我們進入不同的時區時，它們就會產生令人不安的時差效應。萊頓大學和丹麥技術大學的Ákos T. Kovács 教授說：”法國生物學家雅克-莫諾曾說過一句名言：’大腸桿菌的真實情況就是大象的真實情況’。’當時，他指的是分子生物學的普遍規則–DNA 和蛋白質。同樣，枯草桿菌–一種只有四千個基因的細菌–體內的晝夜節律鐘竟然有一個複雜的晝夜節律系統，讓人聯想到蒼蠅、哺乳動物和植物等複雜生物體的晝夜節律鐘。’