通过人工化学钟模仿昼夜节律的神秘特性

昼夜节律是自然的内部振荡，可使生物体的行为和生理过程与其环境同步。这些节律通常有24小时的周期，并由内部化学时钟调节，这些化学时钟响应来自身体外部的提示，例如光。

尽管对动物、植物和细菌进行了充分的研究，但昼夜节律都有一个神秘的特性——振荡周期不受温度的显着影响，尽管大多数生化反应的速率随温度呈指数变化。这清楚地表明某种温度补偿机制在起作用。有趣的是，一些科学家已经设法在某些振荡化学反应中复制这种温度不变的特性。然而，这些反应往往很麻烦，需要对反应的化学物质进行极其精确的调整。

但是，如果有一种更简单的方法可以在振荡化学反应中实现温度补偿呢?在最近发表在《科学报告》上的一项研究中，包括日本东京工业大学(TokyoTech)助理教授YuheiYamada在内的一组研究人员提出了一个巧妙的想法，即使用称为Belousov-Zhabotinsky的反应来实现温度补偿机制(BZ)振荡反应。

他们方法的关键在于由聚(N-异丙基丙烯酰胺)或简称PNIPAAm制成的柔软的温度响应凝胶，其中可以发生BZ反应。这些凝胶由可容纳一定体积溶剂的聚合物链组成。然而，由于这些凝胶会随着温度升高而收缩，因此凝胶中所含的溶剂量会随着温度升高而减少。

研究人员通过在其组成聚合物上添加钌(Ru)位点来利用PNIPAAm凝胶的这一特性。研究人员研究的特定BZ反应的周期性部分依赖于钌(Ru)离子的反复氧化和还原。因此，该反应的速度受溶剂和Ru的相对浓度影响。由于PNIPAAm凝胶在收缩时可以容纳较少的溶剂，因此凝胶中Ru的相对浓度会随着温度的升高而增加。

正如研究团队通过实验测量和全面的数学分析所证明的那样，上述效应结合形成了一种温度补偿机制，使BZ反应的周期不受温度变化的影响。“制备的BZ凝胶表现出温度补偿能力，就像在生物体中观察到的昼夜节律一样，”山田说。

总的来说，这项研究展示了一种基于周期性反应在人工生物钟中实现温度补偿的全新方法。有趣的是，自然界中的生物系统中甚至可能存在使用温度响应软体的类似温度补偿机制，正如Yamada解释的那样：“我们的研究表明，温度补偿可以通过昼夜节律机制的输出系统自然地自我维持。这可以解释为什么温度补偿是动物、植物和细菌昼夜节律的普遍特性，无论所涉及的分子种类如何。”