חלבונים רגישים לאור ומקצבי השעון הביולוגי כנראה הופיעו לראשונה בתאים הראשונים, עם המטרה להגן על שכפול ה-DNA מקרינה אולטרה סגולה במהלך שעות היום. כתוצאה מכך השכפול בוצע בלילה. הפטריה "Neurospora", הקיימת כיום, משמרת את המנגנון הזה. נראה כי המחזוריות חשובה בוויסות מחזורים ביוכימיים בתוך הפרט כמו גם בתיאום עם תנאי הסביבה. סברה זו עולה מהתורשתיות של מקצבי השעון הביולוגי אחרי כמה מאות דורות של זבובי פירות במעבדה בתנאים קבועים, כמו גם היכולת להעלים בניסוי התנהגויות המאפיינות את השעון הביולוגי, אך לא תופעות פיזיולוגיות בשלוים.
השעון הביולוגי הפשוט ביותר המוכר כיום הוא של הפרוקריוט ציאנובקטריה. מחקרים הראו כי ניתן לשקם את השעון הביולוגי של "Synechococcus elongatus" בעזרת שלושת החלבונים של האוסילטור המרכזי. שעון זה הראה מחזוריות של 22 שעות למשך כמה ימים עם הוספת ATP. הסברים קודמים של יכולת פרוקריוטים לשמור על מקצב השעון הביולוגי היו תלויים במנגנון המשוב של שעתוק ותרגום DNA.
טרם ידוע האם שעונים ביולוגיים ביצורים אאוקריוטים דורשים אוסילטורים מונעי תהליכי שעתוק-תרגום. אמנם יצורים פרוקריוטים ואאוקריוטים חולקים את המבנה הבסיסי של השעון, אך לא נמצאה הומולוגיה ברמת הגנים. דבר זה מצביע על מקור אבולוציוני שונה.
ב-1971 רונלד ג'. קונופקה (Konopka) וסימור בנזר (Benzer) זיהו לראשונה מרכיב גנטי של השעון הביולוגי בעזרת המודל של זבובי פירות. שלושה קווים מוטנטים הראו התנהגות שעון חריגה - לאחד היה מחזור קצר מהרגיל, לשני היה מחזור ארוך מהרגיל ולשלישי לא היה דפוס מחזורי כלל. כל שלושת המוטנטים הובילו לאותו גן שנקרא "period". פגמים באותו גן שויכו גם להפרעת שינה (Familial advanced sleep phase syndrome) בבני אדם, תגלית ששפכה אור על אופיו האבולוציוני של השעון הביולוגי. כיום אנו יודעים על מרכיבים גנטים רבים אחרים של השעון הביולוגי. יחסי הגומלין בין גנים אלו יוצרים לולאות משוב של תוצרי הגנים המובילות לתנודתיות מחזורית המודיעה לתאי הגוף מה השעה.
במחצית השנייה של המאה ה-20 חלה התקדמות בחקר השעונים הביולוגים. כיום ידוע כי השעון הביולוגי המולקולרי יכול לתפקד בתוך התא הבודד, כלומר יש לו אוטונומיה תאית. במקביל, תאים שונים יכולים לתקשר האחד עם השני לכדי יצירת מסר חשמלי מסונכרן. מסרים אלו עשויים להגיב עם הבלוטות האנדוקריניות במוח ולהוביל להפרשה מחזורית של הורמונים. הרצפטורים להורמונים אלו עשויים להיות ממוקמים בכל רחבי הגוף. רצפטורים אלו יסנכרנו את השעונים הפריפריאליים באיברים שונים. כלומר, המידע לגבי השעה ביום עוברת מהעין לשעון שבמוח, ודרכו שעונים בשאר הגוף מסתנכרנים. כך, למשל, פועל התזמון של מחזור השינה ועירות, טמפרטורת הגוף, צמא ורעב.
חשיבות השעון הביולוגי בבעלי חיים.
מקצב השעון הביולוגי נמצא בדפוסי השינה והאכילה של בעלי חיים, כולל האדם. כמו כן ישנם דפוסים של טמפרטורת הגוף (גבוהה יותר בסוף היום), פעילות גלי מוח, ייצור הורמונים, רגנרציה של תאים ופעילויות ביולוגיות נוספות. בנוסף, פוטופריודיזם - התגובה הפיזיולוגית של יצורים חיים למשך היום והלילה, הוא חיוני לצמחים ולבעלי חיים, והשעון הביולוגי הוא האמצעי למדידת משך היום.
חיזוי נכון של שינויים עונתיים של מזג האוויר, זמינות המזון או תקופת פעילותו של טורף הם חיוניים להישרדותם של מינים רבים. אף כי אינו המדד היחיד, משך שעות האור הוא הסמן הסביבתי האמין ויציב ביותר ביכולתו לחזות שינויים עונתיים. בין התופעות הקשורות ביותר לשינוי במשך שעות האור הן הנדידה, שנת חורף ורבייה.
חשיבות מחזורי האור-חושך.
מקצב השעון הביולוגי קשור למחזורי האור-חושך. בעלי חיים, כולל בני אדם, הנשמרים בחושך מוחלט למשך תקופות זמן ממושכות, בסופו של דבר פועלים לפי מקצב פנימי עצמאי. כל "יום", מועד השינה שלהם נדחף קדימה או אחורה, תלוי אם השעון הפנימי שלהם ארוך או קצר מ-24 שעות. האותות הסביבתיים המכוונים את השעון הפנימי ביחס לאותות החיצוניים נקראים צייטגבר (Zeitgeber מגרמנית). יונקים החיים מתחת לקרקע, כמו חולדים למשל, מסוגלים לשמר שעון ביולוגי, אף כי כביכול אינם חשופים לאותות חיצוניים. אף כי העיניים של חיות אלה מנוונות, עדיין פועלים בהם פוטורצפטורים פעילים. כמו כן הם עולים לפני השטח באופן מחזורי.
יצורים שבאופן רגיל חווים פרק שינה במחזור היומי שלהם, עדיין ישמרו על פרק זה גם בסביבה נטולת אותות חיצוניים. ההבדל הוא ששלב השינה לא יכוון לפי שעון ה-24 שעות של מחזור האור/חושך בטבע. אם מצב כזה נמשך לאורך זמן, תזמון שעות העירות והשינה עשויות לצאת מתיאום עם מחזורים (יומיים או אחרים) נוספים הפועלים על היצור, כמו טמפרטורת הסביבה.
חיות קוטב.
חוקרים נורווגים הראו שחלק מחיות הקוטב מראות מקצבי השעון הביולוגי רק בחלק של השנה שבו השמש עולה ושוקעת. במחקר על איילים, חיות שחיו בקו הרוחב 70 צפון הראו מקצב שעון ביולוגי בסתיו, בחורף ובאביב, אך לא בקיץ. איילים שחיו בקו הרוחב 78 צפון הראו את המקצב רק בסתיו ובאביב. החוקרים משערים כי קיימים בעלי חיים נוספים שאינם מראים מחזורים של השעון הביולוגי באור המתמיד של הקיץ ובחושך הנמשך של החורף.
קבוצת חוקרים אחרת בצפון אלסקה מצאה כי סנאי אדמה וקיפודים שומרים על מקצב השעון הביולוגי מדויק לאורך 82 ימים של אור שמש. החוקרים משערים כי יונקים קטנים אלו מסוגלים לכוון את השעון הפנימי שלהם לפי מרחק השמש מהאופק, המגיע למינימום פעם ביום.
נדידה.
פרפרים מהמין דנאית מלכותית ("Danaus plexippus") מבצעים נדידה מדי סתיו ואביב. בסתיו הם עפים דרומה, מצפון ארצות הברית לדרום ארצות הברית ולמקסיקו. הפרפרים משתמשים ב"מצפן שמש" הנעזר בשעון הביולוגי שבמחושי הפרפר לקביעת מיקומו היחסי של הפרפר.
בעלי חיים ימיים.
דגי החשמל מהמין "Sternopygus macrurus" מסוגלים לשלוט בעוצמה השדה החשמלי אותו הם מייצרים בתגובה לאותות אור וחושך. עם רדת החשיכה, מצטבר בגופם חלבון המעלה את הפעילות החשמלית. יכולת זו מקטינה 'בזבוז' אנרגיה בשעות בהם הדג אינו צד, וכן מקטינה את הסיכוי שיתגלה על ידי טורפיו המחפשים את השדה החשמלי.
השעון הביולוגי ביונקים.
השעון הביולוגי המפותח ביותר נמצא אצל יונקים. שעון זה נשלט על ידי הגרעין העל-תצלובתי במוח, שהוא אחד מהגרעינים המרכיבים את ההיפותלמוס.
תאי העצב בגרעין העל-תצלובתי פועלים במחזוריות של כ-24 שעות, ובאמצעות אות כימי שמפעפע ברחבי המוח הם שולטים על התנהגויות המושפעות מהשעון הביולוגי. כמו כן, תהליכים מוחיים וגופניים רבים מווסתים על ידי הקישורים הסינפטיים בין הגרעין העל-תצלובתי לאזורים אחרים במוח. בין השאר, מועבר מידע לבלוטת האצטרובל, אשר מייצרת את ההורמון מלטונין בתיאום עם השעון הביולוגי.
המידע על כמות האור בסביבה, שמתפקד כצייטגבר שיכול "לאפס" את השעון הביולוגי, מועבר אל הגרעין העל-תצלובתי ישירות מקולטנים רגישים לאור ברשתית, דרך עצב הראייה.
אפיון השעון הביולוגי באדם.
שני המדדים העיקריים לקביעת התזמון של השעון הביולוגי ביונקים הם הפרשת מלטונין מבלוטת האצטרובל במוח וטמפרטורת הגוף.
כדי למדוד את מחזוריות הטמפרטורה, האדם צריך להישאר ער אך רגוע, במנוחה ובחדר מוחשך, בזמן שטמפרטורת הגוף שלהם נמדדת באופן רציף דרך פי הטבעת. הטמפרטורה הממוצעת של אדם בוגר מגיעה למינימום שלה בערך ב-5 לפנות בוקר, כשעתיים לפני השעה בה הוא רגיל להתעורר, אם כי קיימים שינויים גדולים בין כרונוטיפים רגילים.
רמות המלטונין נמוכות עד כדי קושי באבחונן בזמן שעות האור. הוא מתחיל להצטבר בשעות הדימדומים, בסביבות תשע בערב כבר ניתן למדוד אותו בקלות בדם או ברוק. את המטבוליט העיקרי של המלטונין ניתן למצוא גם בשתן. לעומת זאת, מחקרים חדשים מצביעים על כך שנקודת הפסקת הפרשת המלטונין עשויה להיות המדד האמין ביותר.
ניתן לאמן את השעון הביולוגי של בני אדם לתקופות מעט ארוכות או מעט קצרות מ-24 השעות שביממת כדור הארץ. חוקרים מאוניברסיטת הרווארד הראו כי ניתן לאמן את השעון הביולוגי של נבדקים לפי יממה של 23.5 שעות וכן לפי יממה של 24.65 שעות, שהיא משך היממה בכוכב הלכת מאדים.
שעונים המפעילים מערכות הורמונליות.
שעונים ביולוגיים רבים מספקים מידע למערכת ההורמונלית של הגוף החי וזה המווסת את פעילותו ההורמונלית של הגוף ואחראי על פעילותו הביוכימית של הגוף כולו.
הפרעות בשעון הביולוגי ההורמונלי.
כל הפרעה קלה בשעון הביולוגי עלולה לגרום להפרעות שינה מסוגים שונים, כאשר אחת הידועות היא היַעֶפֶת ("ג'ט לג") הנגרמת כתוצאה משינוי באזור זמן ושיבוש חלוקת היממה בשעון, ובמקרים קיצוניים יותר תיתכן הפרעה בקצב הלב שגורמת להתקפי לב ואף לדום לב. הפרעה בשעון הביולוגי עלולה לגרום גם למחלות נפש כגון דיכאון קליני והפרעה דו-קוטבית (מאניה דיפרסיה).
תסמונת פאזת השינה הדחויה היא הפרעה כרונית בשעון הביולוגי המובילה לאיחור ניכר בשעות ההירדמות וההשכמה.
הקשר בין השעון הביולוגי לבין שינה ותפקוד במערכת החינוך.
לאורך השנים עסקו מחקרים שונים באופן בו השעון הביולוגי של תלמידים במערכת החינוך קשור לשעות השינה שלהם ולתפקודם בבית הספר, בין השאר בשל השלכות יישומיות שונות כגון קביעת שעות הלימוד והשינה האופטימליות. מחקרים מוכיחים כי קיים קשר ישיר וחיובי בין מספר שעות השינה של תלמיד, לבין יכולתו לקלוט ולעבד מידע המועבר אליו במהלך יום הלימודים. יתר על כן, חסר בשעות שינה הוא בעל השפעה שלילית גם על ההתנהגות החברתית של התלמיד, כלומר על האינטראקציה שלו עם מוריו ועם חבריו ללימודים.