我们都知道，每个活细胞中都有生物钟帮助控制生物过程，如新陈代谢、细胞分裂以及 DNA 修复等，但我们还不知道它的具体工作机制。
夜班、时差反应以及睡眠不安等因素不仅仅会影响人们的睡眠质量，而且还有更深远的影响。这是因为，这些行为扰乱了我们的生物钟。我们之所以称这种机制为生物钟，是因为它将生物过程与地球上的 24 小时日长同步，并据此控制我们身体内的基本化学机制。生物钟控制着成千上万个基因的打开和关闭，而这些反过来又会合成蛋白质，它们操纵着细胞内部机制。
每个细胞都有自己的生物钟，它控制着不同类型细胞的不同基因。无论是在细菌、真菌、植物、昆虫还是动物身上，生活都离不开非常复杂的“发条装置”。在人类和其他动物身上，大脑中都存在着中央生物钟，它受到光的影响，可以让整个身体中的所有其他生物钟保持同步。因此，当生物钟被打乱或当它不起作用时，我们的组织器官就会受到影响。
令人感到怪异的是，人们至今依然无法理解这种基本的生物过程，但事实就是如此。对细菌、果蝇、植物和小鼠进行的研究，已经帮助我们对生物钟有所了解。我们知道，在哺乳动物身上有四种中心成分、四个生物钟蛋白以及合成它们的基因，它们在反馈回路中以“正”臂和“负”臂的形式存在：蛋白质负责打开和关闭基因，从而决定生物钟蛋白的水平，比如在错综复杂的舞蹈中使生物钟蛋白保持水平波动。
我们可以将生物钟视为有两个钟摆的传统时钟。在这种情况下，钟摆的每次摆动都会影响到其他基因的整个片段，并启动其他基本过程，例如哺乳动物细胞分裂和自我复制所需的 24 小时机制，或植物身上发生的光合作用过程等。
生物钟似乎和生命本身一样古老，即使古细菌身上也有生物钟。从蜜蜂到蜥蜴再到鲸鱼，所有动物体内都发现了人类特有的生物钟蛋白，这表明在亿万年的进化过程中，这种生物机制被严密地保存下来，因此它对所有生物来说都有着非常重要的作用。
在植物中，开花受日长的控制。分子机制还不清楚，但很明显，植物传感器能够检测到可用光的质量，并与植物生物钟相互作用，后者可能控制植物中 5% 或 10% 的基因。如果我们确实理解了这种机制，也许可以改变生物钟，这样我们就可以让植物加速产果或种子，每年可以收获两到三次。或者我们能把植物移植到其他地区，例如将热带植物移植到更冷的地区，虽然可用光减少，但它们却依然能够正常生长。
也有证据表明，在蜜蜂、其他昆虫、候鸟以及其他动物寻找回家之路的过程中，生物钟也起着重要作用。在某种程度上，生物钟似乎与这类生物的特殊能力有关，这些能力可以感知地球磁场，并利用它进行空间导航或定位。帝王蝶就是其中的典型代表，它的生物钟基因与人类非常相似，或许人类也有感知地球磁场的能力！
实验室中培育的小鼠没有生物钟基因，当它们患上癌症或有其他异常时，它们的 DNA 修复机制也无法发挥作用。这就是为什么夜班工人、飞国际航线的飞行员或空间患某种癌症发病率较高的原因吗？对容易患乳腺癌的老鼠的实验表明，正常的睡眠周期会加速肿瘤的发展。因此，至少有些原因引起人们对乳腺癌家族史的关注。
我们能操纵生物钟来改善癌症的治疗吗？目前还不清楚。但我们确实知道，在每天的不同时段 DNA 修复效果不同，这表明当 DNA 修复处于最不活跃状态时，辐射或化疗的效果才会最好。生物钟也影响我们的基本代谢过程，就像我们的身体分解有机物，从我们所吃的食物中获取能量，然后利用能量来构建细胞蛋白质和其他成分那样。
但在另一方面，通过禁食一段时间，饮食有助于重置生物钟。禁食或低热量的饮食也可减缓衰老过程，这个过程也由生物钟控制。如果我们能够更多地了解生物钟机制，只需要简单地重新编程生物钟就能延缓衰老吗？我们还不知道，但可能性远远超过了想象。
除了这些潜在应用之外，研究基本上限于基础部分。生物钟可能是生命本身的最基本秘密之一。至少了解活细胞的化学特性，也意味着了解生物钟何时以及如何发挥化学功能。
为了理解生物钟是如何工作的，并回答许多关于其实际应用的问题，需要系统地绘制不同人体组织中在不同时间段中的生物钟机制。然后，科学家们就可以开始研究生物钟蛋白如何与生物钟基因和其他蛋白质进行化学和结构方面的相互作用。同样重要的是研究信号机制，包括中央生物钟如何同步单个细胞的生物钟，使它们与地球自转时间同步运行。
另一个方法可能涉及筛选数以百万计的小分子，来识别那些能改变生物钟周期节律或增加 / 减小生物钟振荡幅度的分子。这些分子可以用作研究生物钟机制的工具，也可以作为未来药物开发的潜在候选者。为了发现精确的分子机制，比如哪类蛋白质、代谢化合物和信号化学物质能够维持和调节生物钟，将需要更多的科学人才共同努力，包括遗传学、蛋白质图谱、结构测定以及蛋白质生物化学方面的人才等。
首先需要利用果蝇或老鼠等模型生物进行研究，然后观察相同的机制是否存在于人体内。最后，还需要临床调查，利用这些知识加强、纠正或微调生物钟，以设计新的疾病疗法、更多产的作物或控制有害细菌的新方法等。
这不是一个小项目。它需要设备，但更需要培养必要的科学人才，至少 10 年内多所大学都需要维持研究小组。要想取得重大进展，估计需要 10 年的努力，资金超过 1 亿美元，这远远超出正常的研究经费范畴。这类项目也不适合有专门针对特定疾病的资助。实际上，这个项目还需要细胞生物学、基因组计划以及遗传学的配合。这并不奇怪，因为中央生物钟对生命本身至关重要。
然而，同样的道理，所获得的基本知识很可能对我们解决人类行为、健康问题的能力产生深远影响。事实上，在所有其他生物体中也是如此。也许最终，我们也会明白为什么我们拥有生物钟机制，为什么生命会让时间停留在地球的节奏上呢？
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