（１）恒常的条件の下で約２４時間周期のリズムを示す。

�@概日リズムは生物リズムである(発振源が生物に内在的である)(リズムの駆動力は生物内部にある)

生物にはミリ秒オーダーの周期を示す神経放電のリズムから、秒のオーダーの心拍のリズム、、、という具合に、様々な周期の生物リズムが折り重なっています(生物リズムのスペクトル図)(私たちのリズムと鞭毛藻ユーグレナ)。

こうした生物リズムの内因性を疑う学者は殆どいないと思いますが、こと概日リズムに関しては、未だに懐疑的な人たちがたくさんいると思います。懐疑を誘う最も基本的な原因は、概日リズムの周期が約２４時間である、という点にあります。

生物には、概日リズム、概潮汐リズム、概月リズム、と概年リズムなど、一括して概リズムと呼ばれる生物リズムがあります。これらは、どれも、環境適応のためのリズムであり、その周期は天体運動の周期と密接に関係しています。

神経放電や心拍のリズム等の周期は、天体の運動周期とは全く無縁ですから、これらのリズムの発振源の内因性を疑う余地は全くありません。概リズムは、この点で対照的です。
　

いずれにせよ、問題としているリズムが、恒常的条件の下で約２４時間の周期を示すなら、そのリズムの内因性を疑うことはできないでしょう。

まず第一に、生物に周期性を与える因子（後述のような同調因子、Zeitgeber）が恒常的環境のもとでは取り除かれているので、そのリズムの周期は生物自身のものに由来することが明らかです。

第二に、周期が丁度２４時間ではなく２４時間より少しずれているという点も、リズムの内因性を証明するものです。恒常的環境を与えたつもりが、未知の２４時間環境因子（測定器の２４時間変動だったりする)を取り除くことを完全にできないということは大いにありうることです（だからこそ、「未知」の因子というのです)。しかし、生物の示す周期が２４時間からずれているならば、この心配は要りません。
　

概日リズムのときだけ、わざわざこのように呼ぶのは、神経放電のリズムや心拍のリズムにはもともと外部環境に同調因子がないからです。

概日リズムの周期は約２４時間で、遺伝的に決められています。つまり、種に固有な値をとると同時に、種内でも個体に応じてバリエーションがある、ということです。すべての遺伝的形質がそうであるように、遺伝的な概日周期も、具体的に現われる場合には、環境条件による微妙な修飾を受けて発現します。
　

概日リズムの研究によく使われる生物は、ショウジョウバエ、アカパンカビ、マウス、ハムスター、ラット、シロイヌナズナ、クラミドモナス、ユーグレナ、、、などで他の生物学研究にもよく使われている、いわゆる実験生物です。

こうした実験生物の場合には、多くの場合個体差をなくすことがエッセンシャルな課題となります。全く同じゲノムセットを共有する個体たちは互いにクローン系を構成し、株strainと呼ばれます。例えば、私の実験生物は Euglena gracilisのＺ株、という具合です。

このような特別な条件を除き、自然条件のもとで自然に生息する生物たちは、同一種であろうとお互いに個体差があるのがふつうです（非性的生物を除く)。概日周期についても例外ではありません。
　

→時計遺伝子に関する総説と文献集(日本時間生物学会のページ)
　

ふつう、概日周期というと、２０時間〜３０時間を目処に考えますが、より厳密に言えば、どのような遺伝的周期であれ、そのリズムが２４時間の明暗周期に同調できるもの(後述)であるならば、その周期を概日周期と呼ぶべきでしょう。

また、概日周期が環境依存的であるということにも注意する必要があります。ひとの概日周期が２５時間であるとか、２４．３時間である、という表現は、実は厳密には正しくありません。概日周期が、恒常的環境の具体的条件によって微妙に異なるからです(後述)。
　
例えば、Euglena gracilis Z　では、同じ株が恒常的環境の違いに応じて、２１〜３２時間の周期を示します。
上のアカパンカビの例では、あくまでも野生株のリズムを測定するふつうの条件（２５℃、ＤＤ）で測定してみると、色々な周期のミュータントが採れた、ということなのです。

�B概日周期はなぜちょうど２４時間ではないのか？

個々の生命現象には【機能】が備わっていることが普通です。概日周期が２４時間から少しずれていることにも、機能的意義があることが知られています。

• 【機能】とは、【全体】を構成している各々の【部分】が【全体】を構成するうえで果たす役割や作用のことです。生命について言えば【適応的役割】のこと、つまり、適応度を上げるうえでもつ作用のことです。

約２４時間であることの機能については、（３）２４時間明暗周期に同調する�C昼夜周期の季節変化に対する適応

（２）自由継続周期の温度補償性

�@生命現象速度の温度依存性

一般に生命現象の速度は周囲温度に強く依存して変化します。

私たちに最も馴染みの深い温度調節は、鳥類や哺乳類など恒温動物(内温動物)の体温維持機構であろうと思われます。寒冷条件の下でも高い活動性を保つ、ということがこの機構の基本です。
　

私たちは、外温の高低にかかわらず主観的には殆ど同じ生命活動を営んでいます。また、外温に応じて熱を放出したり生産したりする生命活動は、意識下で静かに進行します。このため、私たちは、私たち(人間の)の生命活動が外温によらない、と錯覚し勝ちというか、外温の重要性を忘れ勝ちです。

しかし、生命現象が温度に強く依存するからこそ、恒温動物は体温を維持するための機構を備えて、外温にかかわらず高い活動性を維持しようとするのです。

温度Ｔ_１の時の反応速度をｖ_１、温度Ｔ_２の時の反応速度をｖ_２としています。温度差（Ｔ_２−Ｔ_１）を１０度とすればＱ_１０は単に反応速度の比を表しています。したがって、最も単純に温度係数は次のように述べることができます。
温度係数は、反応温度を１０℃上げたとき、反応速度は何倍になるかを表す指標である。
　
物理的過程の場合温度係数は１前後の値をとります。物体が落下する速度とか、原子核が崩壊する速度とか、色素が光を吸収する速度とか、殆ど温度に依存しません。

これに対し、純粋に化学的な反応の場合には、温度係数は２〜４の値をとります。「純粋に」ということは、酵素のような生体触媒が介在しない化学反応、という意味です。

一方、生化学反応(酵素反応など)や細胞活動の場合には、その温度範囲に応じて温度係数が大きく異なるのが普通です。
　

横軸に温度、縦軸に反応速度をとると、ベル状のカーブを描きます。このベルの頂上付近、つまり最適温度の周辺では、反応速度が温度変化に最も鈍感な領域です。温度係数は１前後の値になります。この最適温度を超えると、温度上昇に応じて反応速度が低下していく領域ですから、温度係数は１未満の値をとり、限りなく０に近づいてきます。

最適温度に至るまでは、温度上昇に応じて反応速度は増加していきます。このため、温度係数は１より大きな値をとります。ある臨界温度以下では反応速度がゼロのような反応がたくさんありますが、その温度領域から臨界温度を超えたところを温度範囲にとれば、温度係数は無限大の値となります。

いわゆる、生理学的な温度範囲で、かつ、最適温度より下の領域でみると温度係数は２〜４ということになります。
　

一般の生命活動が温度に大きく依存するのに対し、概日リズムの周期は殆ど温度に依存しません。温度係数は大体 0.85〜1.15の範囲に納まるのです。

この「温度に対する不依存性｣を、温度補償性と表現します。それは、概日周期の温度不依存性が、純粋に物理的な過程の温度不依存性とは性質が全く異なるからです。言い換えると、概日周期の温度不依存性は、外温変化に対して概日周期を一定に保とうとする安定性を表しているのです。恒温動物の体温調節と、中身は全く異なりますが、外温変化に対する安定化メカニズムという形式においては同じことなのです。

事実、アカパンカビでは、温度補償性を欠いたミュータントが知られています。

当然のことながら、概日周期の温度係数も、概日周期の長さと同じように、遺伝的であると同時に環境条件にも微妙に左右されます。

この温度補償の具体的な分子メカニズムは全く未知ですが、概日リズムが生物時計として機能的であるためにはエッセンシャルな性質であろうと思われます。温度変化に応じてリズムのテンポが変わっていたのでは、時計としては信頼を置けないからです。

自由継続周期の温度補償性は、あるリズムを概日リズムと認定するための試金石の一つとされてきた重要な性質です。しかし、このほかの様々な環境因子の変動に対しても概日周期は極めて安定です。概日周期の温度係数の場合と同じように、環境変動に対して全く反応しない、というわけではないことに注意して下さい。

種に固有な仕方で反応するのですが、概日周期の変動幅が小さくなるように抑えられているということです。
　

面白い例として、アショフの法則があります。節足動物の一部や昼行性哺乳類に例外があるので厳密には法則と呼べませんが、何らかの傾向があるのかもしれない、というほどの意味で受け取って下さい。

昼行性動物の場合、τ_DD＞τ_LL　τ_弱光＞τ_強光　という関係が多くの場合成り立ち、夜行性動物の場合は、逆の関係が成り立つことが多いのです。　言い換えると、昼行性動物の場合は、光が強いほど概日リズムの速度が速くなり、夜行性動物の場合は逆に、光が強いほど概日リズムの速度が遅くなります。ただし、何度も言うように、速度の変動幅はごく小さいことに注意して下さい。
　

例えば、下記の Ashoff(1979)の文献で示されている哺乳類のうち、最高の変動幅をもつものの一つはハツカネズミ Mus musculus ですが、０．０１ルックスや０．１ ルックスの光照度（光強度の一つの尺度、室内は約３００ルックス、月光の最高は約０．２ルックス、炎天下で最高約１０万ルックス)で約２３．５時間の周期を示すのに対し、１００ルックスで約２６．５時間になるのに過ぎません。つまり、光強度を千倍〜一万倍あげても周期の延長は１３％ (３／２３．５）に過ぎないわけです。因みに、このハツカネズミの完全暗黒中での周期は約２３．５時間です。

詳細なデータと議論は、J. Aschoff (1979) Z. Tierpsychol. 49: 225-249, Circadian Rhythms: Influencec of Internal and External Factors on the Period Measured in Constant Conditions. に譲ります。
　

一方、概日周期を変える分子の探索は４０年以上も続けられています。その主な目的は、概日リズムのペースメーカー(駆動体、オッシレーター、ギア系などとも呼ぶ)の分子的実体を探ることにあります。周期を変えることのできる薬剤のターゲットはペースメーカーと強く関係しているだろう、というわけです。この点については、概日リズムのメカニズムのセクションで考察することにして、ここでは、
　
重水やアルコール類を始め様々な化合物が概日周期を変えることができますが、その変動幅が小さく抑えられている、という点で、温度変化や光環境の変化に対する安定性と共通している、という点を指摘しておきたいと思います。

（３）２４時間明暗周期に同調する

概日リズムは遺伝的に固有な周期を示す、内因的な生物リズムです。しかし、昼夜の自然サイクルに同調することがなければ、むしろ厄介な代物になるはずです。このことは、時差ボケや夜勤症候群を思い浮かべれば（或いは実際に経験すればもっと）簡単に肯けるでしょう。

生物学的慣性
重いものほど動かしにくいということは日常的に経験することです。その動かしにくさを、物理学では慣性、慣性質量、或いは質量(この三つはどれも同じ)として表現します。 力＝（慣性質量)×(加速度) 重さ＝(慣性質量)×(重力加速度)

私たちが、昼夜の交替に直接的に反応しているだけならば、時差ボケや夜勤症候群などは起こり得ません。しかし、事態は全く逆です。私たちの生理状態は、私たちの体内で自発的に(無意識的に)刻まれる概日リズムの状態によって決まるのです。昼夜の信号は、概日リズムの「時刻あわせ｣に使われているだけです。

急激な昼夜サイクルの変化に、概日リズムの「時刻あわせ｣が間に合わないという状態が、時差ボケです。

概日リズムが外の周期条件に合わせることを同調 synchronization とかエントレインメント entrainment といい、環境中の周期因子を同調因子 synchronizer とか　Zeitgeber (時刻告知因子)　或いは単に a time cue といいます。

同調状態では、概日リズムの周期は同調因子の周期と一致し、したがってまた概日リズムの位相は同調因子の位相と一致します。

あとで詳しく述べますが、両者の位相が一致するとは、例えば先の例では、昼行性動物の覚醒度の最高が、自然における真昼に訪れ、植物の光合成能力の最高が自然における真昼に訪れるということです。

殆どすべての生物にとって、最も強力な自然同調因子は、２４時間の明暗周期です。人間も例外ではありません。昼夜の交替の中で最も確実な信号は明暗のサイクルですから、このことは驚くにあたりません。湿度や温度も日周変動しますが、不規則な変動(ノイズ)が混じりすぎているのです。これに引き換え、日の出や日没の時刻は、毎日規則的に変化していくので、生物にとっては信頼に足る日周信号と言ってよいでしょう。

尤も、２４時間の温度周期も、概日リズムの同調因子となることができます。が、２４時間の明暗周期と比べた場合には弱い同調因子なのです。つまり、互いに矛盾したサイクルを同時に与えられたとき、生物は明暗周期の方に優先的に同調するのです。

以下、同調のメカニズムについて説明します。

�@概日リズムの位相

どのような周期現象も、振幅、周期、位相、波形という四つのパラメータを示します。このうち、特に周期と位相がよく研究されています。もちろん、振幅や波形も重要なパラメータであることは心拍リズムを想定するだけで容易に分かるでしょう。概日リズムの場合には、波形の重要性まで研究するに至っていない場合が大半だ、というのが現状です。

さて、一周期のどこにあるかという状態を表す言葉が位相 phase です。数学や工学では位相角とも呼び、一周期を３６０度で表現するのが普通ですが、生物リズム学ではこの位相角の代わりに概日時刻（または概日時間) circadian time という言葉を用い、一周期を２４時間で表します。
　

リズムは、位相角０゜から３６０゜まで連続的に変化し、その間には無数の状態があります。生物の状態を表すために実際上は、０．１゜単位で表現すれば十分すぎます（というか、それ以上の精度の研究は現実的でない)。

このことを、概日時間（ＣＴ）で表現してみましょう。生物は、ＣＴ００からＣＴ２４の間を（無数の状態をとりながら)連続的に変化していきます。しかし、実際問題としては、ＣＴｘｘ．ｙｙの桁（或いは秒のオーダー）まで表現すれば十分でしょう。

生物の状態は概日リズム的に時々刻々と連続的に変化していきます。その各状態を表す言葉が位相や概日時刻です。このうち、代表的な位相については特別な言葉をあてて表現します。
　

まず、主観的昼と主観的夜。ＣＴ００〜ＣＴ１２までを主観的昼 subjective day、ＣＴ１２〜ＣＴ２４（＝ＣＴ００）の間を主観的夜 subjective night と呼びます。
　
植物でいうと光合成能力の高い状態、昼行性動物でいうと体温や覚醒度が高い状態が主観的昼の状態です。主観的「昼｣という言葉を用いていますが、あくまでもこれは生物にとっての位相（内的位相)、すなわち生理状態であることに注意して下さい。

地球の昼夜のサイクルに同調しているときには、主観的昼は地球の昼に訪れ、主観的夜は夜に訪れますが、自由継続状態においては、全く無関係になることに注意して下さい。
　

ＣＴ００　主観的夜明け(日の出）
ＣＴ０６　主観的真昼
ＣＴ１２　主観的黄昏（日没)
ＣＴ１８　主観的真夜中
ＣＴ２４＝ＣＴ００　主観的夜明け　となります。

概日周期が３０時間の場合、ＣＴ００からＣＴ２４に戻るまでに、３０時間かかります。つまり、この生物の場合には、（物理的時間の１時間）＝（概日時間スケールの０．８時間）です。（３０×０．８＝２４）。
　

位相応答曲線

光パルスには概日リズムの位相をシフトさせる効果があります。

• 位相シフトとは？　　概日リズムの位相をシフトさせる環境刺激には光を始め様々な因子があります。ここでは、概日リズムを連続暗黒中で自由継続させた状態で光パルス刺激を与えた場合について説明します。

  位相シフト（図）をみてください。パルス刺激によって元のリズムより早まったリズムになることを位相前進といいます。特定の位相（例えばピークの位相）の訪れる時刻が早まる場合です（↑の図では赤実線）。また、元のリズムより遅れることを位相後退といいます。特定の位相（例えばピークの位相）の訪れる時刻が遅くなります（↑の図では青実線）。↑の図から分かるように、パルス刺激をいつ与えるかに応じて位相シフトのパターンが異なります。
  

（い）パルス位相依存性

位相シフト効果は、光パルスを与える位相に応じて変化します。一例として、ウスグロショウジョウバエ羽化リズムの位相応答曲線をみてください。

• この図では横軸に「光パルスを与えた位相」をとり、この光パルスによって誘発された位相シフト(位相変位）を縦軸にプロットしています。この場合、５０ルックスの光を連続暗黒中に一回だけ１５分間照射することによって誘発された位相シフトを示してあります。

• パルスを与えた位相に応じて位相シフトの様子が異なることが一目瞭然です。下記にその概略をまとめますが、その他さまざまな生物の位相応答曲線から明らかなように、下記にまとめる反応特性（パターン）はすべての概日リズムに共通の特徴で、生物の種類に応じて異なるものではありません。つまり、概日リズムに固有な特性で、２４時間明暗サイクルに同調するために不可欠な特性となっているのです。
  • 主観的昼の大半は、位相応答性がゼロか弱い位相です。

  • 主観的黄昏前後から主観的夜の前半にかけて、光パルスによる位相後退が強まっていきます。

  • 主観的夜の後半から主観的曙にかけては、これとは逆に、光パルスによる位相前進が弱まっていきます。

  • 主観的真夜中付近では、位相後退効果が前進効果に切り替わります。

（ろ）パルス強度依存性