Глава 6.Биологические ритмы

Одно из функциональных свойств живой природы— это цикличность большинства происходящих в ней процессов. Вся жизнь на Земле, от клетки до биосферы, подчинена определенным ритмам.

Биологические ритмы бывают: сезонные, внутренние, внешние, суточные, приливно-отливные и годичные.

Физиологические и биохимические процессы являются внутренними ритмами. Все физиологические и биохимические процессы в природе идут ритмично, т.е. они непрерывно не идут. Процессы синтеза ДНК и РНК в клетках, в сборке белков, и другие биохимические процессы также идут ритмом.

Сезонные биологические ритмы, определяются фотопериодом. Одни ритмы влияют на синхронизацию циклов индивидуального развития с соответствующими сезонами и обеспечивают совпадение периода размножения с благоприятным сезоном; другие ритмы вызывают диапаузу в неблагоприятное для активной жизни время года.

Биологические ритмы, период которых равен одним суткам, называют циркадными. Подобные ритмы называются и биологическими часами. Биологические часы взаимосвязаны с температурой и светом. Например, некоторые насекомые могут существовать долгое время на свету или в темноте, и наоборот. У тараканов нарушается ритм жизни, если менять время суток — изменять свет ночью и темноту днем. Ритм активности зависит также и от характера местности.

Летучие мыши активно живут только в темноте.

У большинства организмов хорошо выражены лунные ритмы. Реакция организмов на сезонные изменения длины дня называется фотопериодизмом. Амплитуда сезонных изменений света возрастает с географической широтой, что позволяет организмам учитывать не только время года, но и широту местности.

В Кыргызстане фотопериод колеблется от 18 часов в июне до 6 часов в декабре.

В Канаде максимальный фотопериод 16,5 ч. (в июне), а минимальный — 8 ч. (в конце декабря). Во Флориде, в США фотопериод колеблется всего от 13,5 до 10,5 ч. Фотопериодизм организмов— генетически обусловленное, наследственное свойство.

Все внутренние ритмы организма соподчинены, интегрированы в целостную систему и в конечном итоге выступают как общая периодичность поведения организма. Ритмически осуществляя свои физиологические функции, организм как бы отсчитывает время.

И для внешних, и для внутренних ритмов наступление очередной фазы зависит прежде всего от времени. Поэтому время выступает как один из важнейших экологических факторов, на который должны реагировать живые организмы, приспосабливаясь к внешним циклическим изменениям природы.

Основные внешние ритмы имеют геофизическую природу, так как связаны с вращением Земли относительно Солнца и Луны, относительно Земли. Под влиянием этого вращения множество экологических факторов на нашей планете, в особенности световой режим, температура, давление и влажность воздуха, атмосферное электромагнитное поле, океанические приливы и отливы закономерно изменяются. Кроме того, на живую природу воздействуют и такие космические ритмы, как периодические изменения солнечной радиации существенно влияющие на климат нашей планеты.

Целый ряд изменений в жизнедеятельности организмов совпадает по периоду с внешним, геофизическими циклами. Это так называемые адаптивные биологические ритмы суточные, приливно-отливные равные Лунному месяцу, годичные. Благодаря им, самые важные функции организма, такие как питание, рост, размножение, совпадает с наиболее благоприятным для этого временам суток или года. Адаптивные биологические ритмы возникли как приспособление физиологии живых существ к регулярным экологическим изменениям во внешней среде, этим они отличаются от чисто физиологических ритмов, которые поддерживают непрерывную жизнедеятельность организмов, дыхание, кровообращение, деление … .

Суточный ритм обнаружен у разнообразных организмов, от одноклеточных до человека. У человека отмечено свыше 100 физиологических функций, затронутых суточной периодичностью: сон и бодрствование, изменение температуры тела, ритма сердечных сокращений, глубины и частоты дыхания и т.п. У амеб в течение суток изменяются темпы деления. У некоторых растений к определенному времени приурочены открывание и закрывание цветков, поднятие и опускание листьев и т.д. По смене периодов сна и бодрствования животных делят на дневных и ночных. Ярко выражена дневная активность, у домашних кур, большинства воробьиных, сусликов, муравьев, стрекоз.

Типично ночные животные ежи, летучие мыши, совы, кабаны, травяные лягушки, тараканы и многие другие. Некоторые виды имеют приблизительно одинаковую активность как днем, так и ночью, с чередованием коротких периодов бодрствования и покоя. Такой ритм называют полифазным (многие землеройки, ряд хищных и др.). У ряда животных суточные изменения затрагивает преимущественно двигательную активность и не сопровождаются отклонениями физиологических функций (у грызунов). Наиболее яркие примеры физиологических сдвигов в течение суток дают летучие мыши.

Летом в период дневного покоя многие из них ведут себя как пойкилотермные животные. Температура их тела в это время почти равна температуре окружающей среды: пульс, дыхание, возбудимость органов чувств резко понижены. Чтобы взлететь, потревоженная мышь долго разогревается за счет химической теплопродукции. Вечером и ночью- это типичные гомойотермные животные с высокой температурой тела.

У одних видов периоды активности строго приурочены к определенному времени суток, у других могут сдвигаться в зависимости от обстановки. Так, открывание цветков шафрана зависит от температуры, соцветий одуванчика от освещенности. Активность пустынных мокриц или жуков-чернотелок сдвигается на разное время суток в зависимости от температуры и влажности на поверхности почвы. Они выходят из норок либо рано утром и вечером (двух фазный цикл), либо в течение всего дня, либо только ночью(однофазный цикл).

Отличить эндогенные суточные ритмы от экзогенных, т.е. навязыемых внешней средой, можно в эксперименте. У многих видов при полном постоянстве внешних условий продолжают длительное время сохраняться циклы, близкие по периоду к суточному. Таким образом, суточная цикличность жизнедеятельности переходит во врожденные, генетические свойства вида. Такие эндогенные ритмы получили название циркадных (от лат. Circa - около, и dies – сутки, день), так как деятельность их неодинакова у разных особей одного вида, слегка отличаясь от среднего, 24-часового периода.

У человека циркадные ритмы изучались в различных ситуациях, в пещерах, герметических камерах, подводных плаваниях и т.п. Обнаружилось, что в отклонениях от суточного цикла у человека большую роль играют типологические особенности нервной системы. У большинства видов возможна перестройка циркадных ритмов. Обычно она происходит не сразу, а захватывает несколько циклов и сопровождается рядом нарушений в физиологическом состоянии организма. Например, у людей, совершающих перелеты на значительные расстояния в широтном направлении, наступает десинхронизация их физиологического ритма с местным астрономическим временем.

Организм сначала продолжает функционировать по старому, а затем начинает перестраиваться. Адаптивный период продолжается от нескольких дней до двух недель.

Циркадные и суточные ритмы лежат в основе способности организма чувствовать время. Эту способность живых существ называют “биологическими часами”.

Ряду высокоорганизованных животных присуща сложная врожденная способность использовать ориентацию во времени для ориентации в пространстве. Птицы при длительных перелетах также постоянно корректируют направление по отношению к Солнцу или поляризованному свету неба, учитывая время суток.