综述：揭秘进食时间的奥秘：对昼夜节律物种行为、代谢与繁殖的深远影响及潜在机制

为探究进食时间对昼行性物种的影响，研究人员开展了相关研究。结果发现进食时间影响生物钟控制的行为、代谢和繁殖，还涉及多种机制。该研究对理解动物生理调节及人类健康有重要意义，值得科研读者一读。

　　

摘要

对于大多数（即便不是全部）物种而言，食物的可获取性在时间、质量和数量上都存在每日和季节性的波动。因此，食物可获取性与食欲（进食冲动）共同作用，形成了特定物种的觅食（进食或摄食）模式，这一模式是影响动物行为和生理几乎所有方面的生态决定因素。进食时间通过影响代谢稳态（直接效应）和 / 或对潜在的昼夜节律产生同步化效应（间接效应），进而相互关联地控制着生理活动。实验表明，在一天中不适当的时间进食（即相对于内部生物钟而言的错误时间）会对昼夜稳态产生负面影响，从而影响动物的行为、代谢和繁殖。食物可获取的时间作为一种条件环境，会影响表观遗传学，在多个物种的基因组水平上，染色质的激活 / 沉默现象就是证据。在此，研究人员简要回顾了主要来自鸟类和哺乳动物的实验证据，以深入了解每日进食时间何时以及如何影响昼行性物种中由生物钟控制的行为、代谢和繁殖适应性。

引言

食物摄入的时间（进食或就餐时间）是每日禁食期（进食时间间隔）与觅食成本（获取食物所需的时间和精力）之间的权衡。因此，为了维持代谢稳态，存在个体和 / 或物种特异性的觅食模式，以确保在食物可获取且充足时进行进食 。然而，对于大多数物种来说，食物的可获取性在时间（何时可获取）、数量（可获取多少）和质量（大量可获取的食物种类）上都存在每日和季节性的波动。食物可获取性 / 进食的时间变化可能是生物钟效应和非生物钟效应的重要驱动因素。这些变化涉及对下丘脑释放的级联效应，进而影响下游的多种机制途径，控制从生长发育、能量稳态、生理机能到代谢和繁殖适应性等诸多生物学功能。

进食时间在代谢稳态中的作用，在将食物获取限制在一天中的特定或偏好进食时间段时体现得最为直接。实验中，通过基于 “一天中何时可获取食物” 和 / 或 “从获取的食物中可获得多少能量” 的食物限制方案可以证明这一点。在前者中，食物可随意获取（拉丁语 “ad libitum”，意为随意、自由），但仅在特定时间段内；这被称为限时进食（TRF）。后者涉及热量限制进食，与随意进食相比，所摄入食物的热量显著降低（20 - 40%）。使用这两种进食方案的实验均显示出对食物消耗的有益影响。例如，采用限时进食方案喂食高脂肪饮食的夜行性大鼠，尽管摄入的热量与随意进食的大鼠相同，但既未出现肥胖，也未表现出任何与肥胖相关的代谢紊乱。同样，热量限制进食增强了火鸡母鸡（Meleagris gallopavo）的繁殖活动和繁殖寿命。

周围环境可作为一种条件作用因子，诱导基因组水平的染色质激活 / 沉默。这被称为表观遗传修饰，其中环境因素在不改变核苷酸序列的情况下，影响调节组织（如下丘脑）和效应组织（如肝脏、性腺）中的基因表达，从而导致表型改变。越来越多的证据表明，在哺乳动物和鸟类中，食物获取的质量、数量和时间与表观遗传修饰之间存在功能联系。

本综述主要聚焦于研究进食时间如何在表型和分子水平上影响昼行性脊椎动物中由生物钟控制的行为、生理学、代谢和繁殖性能。讨论主要围绕两条证据线索展开。第一条证据来自在正常 24 小时明暗（LD）周期中施加食物限制期的实验。这种每日限时进食方案已广泛用于研究哺乳动物（大鼠、小鼠和人类）以及斑胸草雀（Taeniopygia guttata）食物消耗的昼夜节律效应。第二条证据来自因昼夜时间划分被打乱而导致进食时间改变的实验。在城市化环境中，夜间人造光的使用日益增加，模糊了 24 小时昼夜中光暗成分的明显区分。这导致了夜间啮齿动物和鸟类对昼夜成分的主观感知受到干扰，进而影响了它们的日常进食模式。最后，研究人员还对食物可获取性和进食时间在包括人类在内的高等脊椎动物中的生态和进化意义提出了展望。

每日进食模式（24 小时进食 - 禁食周期）是由生物钟控制的行为

昼夜光照和黑暗周期导致其他环境变量出现相应的周期变化，例如温度：白天总是比夜晚温暖，日照时间短的冬季比日照时间长的夏季凉爽。在这种周期性环境中生存的基本能力是，生物体能够在活跃期（清醒；进食时间）以较少的努力获取食物，并将一部分食物储存（同化）起来，以便在休息期（睡眠、禁食或不进食时间）使用。不出所料，无论是昼行性动物还是夜行性动物，每日食物消耗（觅食）都以规律且重复的进食 - 禁食周期进行，与 24 小时的活跃期和休息期周期相吻合。昼行性动物仅在白天活跃（或清醒）时进食，而在夜间休息（或睡眠）时大多禁食；因此，进食期和活动期完全重叠（图 1a）。相反，夜行性物种在白天休息（睡眠）和禁食，在夜间清醒 / 活跃期进食。有趣的是，在迁徙期间，昼行性迁徙鸣禽（雀形目）的进食期和活动期几乎处于相反的相位，此时鸟类在夜间飞行。

代谢稳态需要每日进食 - 禁食周期提供持续的能量供应，这就要求食欲与觅食和食物可获取期相吻合。这是通过内部生物钟实现的，生物钟表现为昼夜节律。与作为生物钟活动可靠标志的运动（活动）一样，每日进食 - 不进食（进食 - 禁食）周期也符合昼夜节律（图 1）。在正常的 LD 环境中，它与 24 小时周期同步，在恒定条件下（24 小时弱光（LLdim）或完全黑暗（DD））则以昼夜周期自由运行（图 1）。

进食的昼夜节律与其他昼夜活动保持稳定的相位关系，欧洲椋鸟（Sturnus vulgaris）在不同时间和光照条件下，运动（活动）、进食和褪黑素分泌模式之间的高相关系数证明了这一点（图 1a）。有趣的是，在椋鸟中，褪黑素分泌节律与进食的关联比与运动更为紧密（图 1b），这表明每日进食时间在身体节律的内部组织中起着至关重要的作用。然而，研究人员在对椋鸟的实验中表明，生物钟独立地控制着相互耦合的每日行为节律。在此实验中，椋鸟暴露于由 12 小时光照期和每天稳定延长或缩短 4 分钟的黑暗期组成的 LD 周期中，直到 T（LD 周期的周期）分别达到 26.5 小时和 21.5 小时。由于其对施加的不同 T 的同步速率存在差异，这导致了潜在的昼夜振荡器的相位关系发生改变。当 T 超过同步极限时，运动和进食节律脱离 LD 周期，随后彼此不同步，并以各自的昼夜周期自由运行。

LD 周期中光照和黑暗期的相对照度会影响昼夜节律之间的相位关系。只要潜在的昼夜振荡器能够根据光照强度和 / 或光相对比度主观地解释并清晰区分 24 小时昼夜的光暗阶段，各种节律就会紧密耦合。当 24 小时昼夜的光暗成分的时间划分变得模糊，例如在夜间暴露于弱光（dLAN），或者在无夜（LL，持续光照）环境中不存在这种划分时，控制行为和生理的昼夜节律就会出现失调（不同步）。有趣的是，研究人员发现，处于 dLAN 环境中的雌性斑胸草雀的行为、生理学以及肝脏核心时钟基因的表达发生了变化（图 2a - i）。

昼夜进食行为的一个有趣方面在很大程度上尚未得到充分研究，即它可以从两个不同维度进行描述：昼夜节律和昼夜模式。昼夜节律是指沿 24 小时时间尺度的重复进食 - 禁食周期，而昼夜模式是指 24 小时内重复进食行为的结构（例如，食物摄入量低和高的时间），可能存在物种和个体差异。昼夜进食模式可能代表了对外部和内部变化（应激源）的反应；例如，面临热应激的昼行性猪会将大部分进食时间转移到夜间。同样，迁徙鸣禽在迁徙期和非迁徙期的昼夜进食行为存在季节性差异。

食物可获取性和进食时间：对代谢的影响

交替的进食和禁食期分别与代谢的合成代谢和分解代谢阶段相吻合，这是潜在的昼夜节律同步的结果。食物供应不规律、相对于昼夜节律在不适当的时间进食，和 / 或每日清醒 - 睡眠周期与进食 - 禁食周期之间的分离，都会破坏这种同步。由此产生的昼夜节律失调会影响葡萄糖和脂质稳态。在持续常规条件下，进餐时间延迟会导致人类血浆葡萄糖水平的昼夜节律出现相应的相位延迟。这种干扰最常见的症状是人类的肥胖及相关健康问题。

限时进食范式设定了时间上规律且重复的禁食期，从而影响代谢稳态。例如，在 12 小时光照：12 小时黑暗的环境中，小鼠在光照期（生物夜间和休息阶段）进食会损害代谢稳态并导致肥胖，尽管其总热量摄入与仅在夜间（生物白天和活动阶段）进食的小鼠没有差异，且两组的身体活动也没有差异。值得注意的是，即使在限时进食条件下，食物获取的时间也至关重要；例如，在 12 小时光照：12 小时黑暗（12:12D）的环境中，昼行性斑胸草雀在光照期的错误时间进食会对身体代谢和繁殖产生负面影响（图 2、图 3）。更具体地说，研究人员报告称，与在光照开启时间提供 4 或 5 小时食物相比，在黑头鹀（Emberiza melanocephala）、家麻雀（Passer domesticus）和斑胸草雀中，在光照关闭时间提供相同时长的食物会产生负面的繁殖效应。

LD 环境的时间划分被打乱（例如 dLAN）会影响代谢稳态。研究人员在暴露于 12L:12D 且伴有 dLAN 的昼行性斑胸草雀中对此进行了研究。在时间被打乱的 dLAN 环境中，原本仅在白天进食的斑胸草雀出现了夜间睡眠紊乱，血浆草酸盐水平降低表明其出现睡眠不足（图 2a），日常进食模式改变，夜间也会进食，但 24 小时总食物摄入量没有显著变化（图 2b - d；研究人员，2019）。结果，斑胸草雀出现代谢受损，表现出肥胖和体重增加（图 2e，f），以及肝脏脂质积累。同时，参与碳水化合物和脂肪代谢的基因在肝脏中的表达也受到负面影响（图 4），这表明糖异生增强，脂肪酸合成受损。

许多（即便不是全部）由进食引起的负面影响源于肝脏的功能受损。这体现在肝脏中脂质的显著细胞积累，以及与葡萄糖和脂肪代谢相关基因（例如葡萄糖 - 6 - 磷酸酶（g6pc）、叉头盒 - O 1（foxo1）、沉默调节蛋白 1（sirt1）；图 4）表达的负面变化。尽管有转录变化的证据，但食物引起的影响很可能是转录后或涉及基因编码蛋白的翻译后修饰。它们也可能代表了参与调节身体代谢和能量稳态的多个遗传途径的累积反应。

此外，研究人员探讨了一个关键问题，即在 dLAN 环境中，在 “正常” 时间（即昼行性物种的白天）限制进食是否能减轻在一天中 “错误” 时间进食的负面影响。为了回答这个问题，研究人员让处于 dLAN 环境中的斑胸草雀在 12 小时光照期自由进食，对照组则在全天 24 小时自由进食。尽管两种条件下的食物摄入量相似，但限制进食期（即仅在 12 小时光照期进食）的鸟类代谢受损明显减轻。这表现为脂肪积累和体重增加显著减少，以及参与碳水化合物和脂肪代谢的肝脏基因表达变化得到逆转。

食物可获取性和进食时间：对睡眠的影响

进食时间会对昼行性物种的清醒 - 睡眠模式产生不利影响。已知午夜进食会干扰睡眠（导致频繁觉醒），从而缩短人类的睡眠时间。尽管晚餐时间可能对整体夜间睡眠结构没有显著的不利影响，但它可能会影响人类睡眠阶段的分布。研究人员在非模式动物印度家鸦和斑胸草雀中，在 dLAN 或 LL 环境下进一步研究了这一问题。在一项对斑胸草雀的研究中，研究人员通过行为学和生理学（血浆草酸盐水平，一种睡眠干扰的生物标志物）检测，以及测量下丘脑中参与睡眠（细胞因子通路基因：Toll 样受体 4（tlr4）、肿瘤坏死因子 - α（tnf - α）、白细胞介素 - 1β（il - 1β）、一氧化氮合酶（nos）；钙依赖性通路基因：钙 / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（camk2）、盐诱导激酶 3（sik3）、N - 甲基 - D - 天冬氨酸受体亚型 3a（nr3a））和清醒（胆碱能毒蕈碱受体亚基 3（achm3））状态的调节基因的表达，评估了 dLAN 对夜间睡眠的影响。斑胸草雀表现出睡眠片段缩短、入睡潜伏期延长、夜间总睡眠时间减少、血浆草酸盐水平降低，以及昼夜节律时钟基因 24 小时节律的相位和振幅变化（图 2a）。随后的研究探讨了夜间进食（而非仅 dLAN）是否是斑胸草雀睡眠障碍的原因。为了解开这个问题，研究人员比较了处于 dLAN 环境中的斑胸草雀在自由进食和限制进食（仅在 12 小时光照期）条件下的睡眠效应。尽管两种进食条件下的食物消耗量相似，但仅在 12 小时光照期获取食物的鸟类，其 dLAN 诱导的睡眠效应以及日常活动行为都出现了逆转。积极的睡眠效应表现为睡眠片段长度和总睡眠时间增加，以及血浆草酸盐水平升高。与此一致的是，在 dLAN 环境下，仅在白天 12 小时获取食物的斑胸草雀，其下丘脑中促进睡眠的 sik3 和 camkii 基因的 mRNA 表达较高，而促进清醒的 achm3 基因的表达较低。

食物可获取性和进食时间：对繁殖的影响

充足的食物供应对于繁殖成功绝对关键，繁殖成功是繁殖对的繁殖能力（配对配偶的性腺成熟）、繁殖性能（后代存活）和繁殖适应性（最大化有利的繁殖成功）的累积结果。这在季节性繁殖的鸟类和哺乳动物中广泛可见，它们在繁殖季节来临前完成性腺成熟，并在食物供应最有利于后代存活的时候进行交配。

繁殖能力

繁殖能力的终点是性腺成熟，最终导致繁殖对交配，随后根据物种不同进行产卵或怀孕。下丘脑 - 垂体（HP）轴通过改变促卵泡激素和促黄体生成素的分泌来控制性腺成熟，同时提高性腺激素水平；雄性亲本的睾酮（T）和雌性亲本的雌二醇（E2）。越来越多的证据表明，进食时间对定义繁殖能力的多个参数有影响。例如，食物限制会降低雄性斑胸草雀的血浆 T 水平。研究人员对维持在 12 小时光照（12L:12D）条件下的斑胸草雀繁殖对进行了更详细的研究，以探讨 4 小时限时进食对其繁殖能力的影响（图 3）。与在早晨（第 0 - 4 小时；第 0 小时 = 光照开启）进食 4 小时的配对相比，在晚上（第 8 - 12 小时）进食 4 小时的配对，雄性的循环 T 水平、雌性的 E2 水平以及两性的中催产素（一种亲和力指标，即参与性行为的渴望程度）水平均降低。值得注意的是，血浆 T 和 E2 水平与繁殖能力显著相关；例如，E2 水平较低的雌性产卵延迟（图 3）。因此，限时进食对斑胸草雀的繁殖健康和能力产生了不利影响。（与持续繁殖的斑胸草雀类似，长日照繁殖的黑头鹀（Emberiza melanocephala）和家麻雀（Passer domesticus）在 16 小时长日照条件下，晚上（第 11 - 16 小时，第 0 小时 = 光照开启）进食 5 小时，而非早晨（第 0 - 5 小时）进食，其睾丸成熟度几乎降低了一半。食物限制还会延迟和 / 或导致欧洲椋鸟和艾伯氏唧鹀（Melozone aberti）在刺激性光周期下性腺成熟不完全。

繁殖性能

研究人员证明了白天食物获取时间对繁殖性能的影响。斑胸草雀在 12L:12D 环境中孵化和饲养，约一年时间内接受限时进食方案，即仅在早晨（第 0 - 4 小时，FA - M）或晚上（第 8 - 12 小时，FA - E）的 4 小时内获取食物。将限时进食配对的繁殖性能测量结果与自由进食方案的对照组（FAL）进行比较（图 3、图 4）。FA - M 配对的繁殖力与 FAL 配对相似，但卵的质量较差，导致后代质量较低；例如，FA - M 配对的后代体型较小，骨骼生长不良，因此成年后比自由进食配对的后代更瘦，体重也更低。相比之下，FA - E 配对的产卵明显延迟，但卵的质量更好。FA - E 配对的后代虽然数量较少，但体型较大，骨骼生长良好，因此成年后比 FA - M 配对的后代体重更重（图 4）。

研究人员认为，限时进食方案可能会导致斑胸草雀出现稳态适应。将暴露于 12L:12D 的鸟类在 1 或 3 周内进行 4 小时晚上限时进食（24 小时中的第 8 - 12 小时）；对照组自由进食。与自由进食相比，晚上限时进食 1 周后，睾丸体积较小，血浆 T 水平较低，但 3 周后则没有这种差异。同时，繁殖基因的 mRNA 表达也发生了变化。特别是，下丘脑中促性腺激素释放激素（GnRH）基因以及下丘脑和睾丸中雄激素受体（AR）和雌激素受体（ER - alpha）基因的 mRNA 表达同时发生变化。重要的是，在限时进食实验的第 3 周，第 1 周出现的负面分子效应在很大程度上得到了缓解。