Биологические ритмы и фотопериодизм


В жизни человека нет ничего более властного, чем ритм.
И.П. Павлов
Живые организмы не только приспосабливаются к физическим (абиотическим) факторам среды в том смысле, что переносят их различные неблагоприятные воздействия.
Для распределения своих функций во времени и «программирования» жизненных циклов они используют естественную периодичность этих факторов, чтобы как можно более оптимально использовать благоприятные условия. Если учесть, что существует взаимный естественный отбор (сопряженная эволюция) и взаимодействия между организмами, то все сообщество становится запрограммированным для реакции на сезонные и другие ритмы.
Многие формы поведения организмов повторяются с регулярными интервалами. Хорошо известны такие примеры, как периоды ухаживания и гнездования у птиц весной и перелеты определенных видов осенью. Рекорд дальности здесь принадлежит полярным крачкам. Они гнездятся в Арктике, а в конце лета летят на юг, чтобы провести антарктическое лето на паковом льду вблизи Южного полюса. За год они покрывают расстояние в 35 тыс. км. Белые аисты проводят лето в Европе, а на зиму улетают за 13 тыс. км в Южную Африку. Краснозобая колибри мигрирует через Мексиканский залив, покрывая расстояние в 1000 км. Можно только поразиться, узнав, что такой перелет осуществляет птичка, весом всего в 3 г! В течение 25 ч она своими крылышками каждую секунду совершает до 75 взмахов - свыше 6 млн взмахов без остановки. Многощетинковый червь пескожил, роющий норки в илисто-песчаном грунте, каждые 6-7 мин вылезает наружу, чтобы добыть пищу. Такой цикл питания не связан с какими- то внешними или внутренними физиологически мотивационными стимулами. Примеров можно привести множество.
Главный признак ритмических процессов - их повторяемость. Под ритмами понимают периодически повторяющиеся явления природы. Ритмы, регистрируемые в живом мире, именуются биологическими. Биологические ритмы - это регулярные количественные и связанные с ними качественные изменения биологических процессов, происходящие на разных уровнях организации живого: молекулярногенетическом, клеточном, тканевом, органном, организ- менном, популяционно-биосферном. По степени зависимости от внешних условий биоритмы разделяют на экзогенные и эндогенные.
Ритмы экзогенные регулируются внешними факторами (зависят от ритмики геофизических и космических факторов: фотопериодизма, температуры окружающей среды, атмосферного давления, ритма космического излучения, гравитации и т.д.).
Ритмы, задаваемые внутренними часами, или водителями ритма, называются эндогенными. Поведение многих насекомых, ведущих полностью наземный образ жизни, контролируется, по-видимому, эндогенными ритмами, связанными с чередованиями света и темноты. Например, плодовая мушка {Drosophila) выводится из куколки на рассвете, а тараканы становятся наиболее активными с наступлением темноты и перед рассветом. Следует отметить, что большинство биологических ритмов смешанные, т.е. частично эндогенные и частично экзогенные.
Эндогенные активные ритмы совершаются при постоянных внешних условиях, лежащих в нормальных пределах для жизнедеятельности. К ним относятся многие микроритмы и все экологические ритмы.

В условиях относительного постоянства геофизических факторов установлены ритмы жизнедеятельности с периодом не строго в 24 ч, а несколько большими или меньшими. Такие околосуточные ритмы, легко синхронизирующиеся с суточными геофизическими факторами называются циркадными (или циркадианными - от лат. circa - около, dies - день), или околосуточными ритмами. Циркадные ритмы имеют особую значимость для живых организмов на Земле. Они имеют такое же фундаментальное значение, как и генетический код. Сутки в 24 ч не выдуманы человеком, природа сама тесно связала жизнь на нашей планете с движением Земли и Солнца. Этот постоянный 24-часовой ритм геофизических параметров не мог не оказать могучее влияние на становление жизни и ее эволюцию (роль естественного отбора).
Биоритм - это наиболее выразительная часть процессов адаптации. В настоящее время хронобиология заняла особое место в экологии человека. Сущность здоровья и его количество рассматривается в хронобиологическом освещении.
Предполагают, что циркадные ритмы имеют многообразное адаптивное значение, специфическое для каждого вида и, в частности, связанное с ориентацией. Такие животные, как рыбы, черепахи, птицы и некоторые насекомые, мигрирующие на большие расстояния, используют в качестве компаса солнце и звезды. Другие животные (пчелы, муравьи и рачки-бокоплавы) ориентируются по солнцу в поисках пищи и при возвращении домой. Ориентация по солнцу и луне надежна только в том случае, если животное способно каким-то образом определять время, чтобы учитывать суточные перемещения этих светил.
Можно привести пример с человеком, который попал в другое полушарие. У него изменяется представление о времени сна и бодрствования, но постепенно внешние факторы регулируют его биологические часы и он начинает подчиняться новому биологическом ритму.
Поскольку природа биологических ритмов недостаточно изучена, остается открытым вопрос о принципах временной организации живого, о том механизме отсчета времени, который определяет ритмичность биологических процессов и именуется как биологические или физиологические часы. Биологические часы - это способность организмов реагировать на интервалы времени и явления, связанные с этими интервалами.
Результаты многочисленных исследований, проведенных на животных, подтверждают представление о том, что суточные ритмы контролируются какими-то эндогенными механизмами, которые связаны с биологическими часами. Некоторые исследователи причину ритмичности биологических процессов видят в плохо изученных и нераспознанных ритмических геофизических факторах, прежде всего в электромагнитных колебаниях, и считают, что биоритмы - это результат ритмичности недостаточно изученных космических факторов, однако подавляющее большинство исследователей пришли к выводу, что биологические часы локализуются внут- риклеточно.
Истоком биоритмологии является ботаника. Чарлз Дарвин в 1880 г. в книге «О способности растений к движениям» указал на внутреннюю природу периодичности. Еще раньше, в 1751 г., выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней создал часы из цветов. Он детально изучил ритм раскрытия бутонов у различных видов цветковых растений и даже написал труд «Somnus plantarum» («Сон растений»). Используя свои знания, он построил настоящие цветочные часы, которые были «запущены» в 20-х гг. XVIII в. в шведском городе Упсала. Циферблат часов был разбит на ряд секторов, в каждом из которых высаживался строго определенный вид растений. Они подбирались по времени своего распускания. «Ход» часов начинался с 3-5 ч утра, когда раскрывались соцветия козлобородника. В течение дня ботанические часы безошибочно показывали время: каждый час раскрывало свои цветки какое-нибудь одно растение. Другие же оставались в это время закрытыми. Подобные клумбы-часы стали впоследствии создавать и в других местах. Такие оригинальные часы были и в имении Пушкиных, в селе Михайловском. В табл. 3.3 приведено время распускания и закрытия цветков у некоторых видов растений нашей флоры.
Надежный сигнал, по которому организмы умеренной зоны упорядочивают во времени свою активность, - это длина дня, или фотопериод. Почему живые существа сверяют действие своего организма по длине дня? Ответ прост. В отличие от других сезонных факторов длина дня в данное время года и в данном месте всегда одинакова. Однако с географической широтой амплитуда ее сезонных изменений возрастает. Живые организмы приспособились к этому и учитывают не только время года, но и широту местности.
Наиболее постоянна продолжительность дня на экваторе. Она составляет там примерно 12 ч. Чем дальше от экватора, тем больше сезонные колебания длины дня. Поэтому именно в умеренных широтах продолжительность дня (она изменяется в течение года в пределах примерно от 9 до 15 ч) является очень важным внешним фактором для большинства живых организмов.
Таблица 33. Растеиия-«часы»

Растения

Нремя раскрытия цветков, ч

Иремя закрытия цветков, ч

Козлобородник луговой (Tragopogon prate mis)

3-5

10

Шиповник (Rosa majalis)

4

19-20

Цикории обыкновенный (Cichorium intyhus)

4-5

10

Осот половой (Sonchus amensis)

5

11-12

Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale)

5-6

14-15

Ястребинка зонтичная (llieracium umbellatum)

6

13

Ястребннка волосистая (Pilossella offidnarum)

6-7

17-18

Картофель (Solatium tuberosum)

6-7

14-15

Лен обыкновенным (Linum usitatissimum)

6-7

16-17

Кувшинка белая (Nymphaea alba)

7

17-18

Фиалка трехцветная (Viola tricolor)

7-8

18

Смолка обыкновенная (Viscaria imlgam)

9

20-21

Кислица обыкновенная ( Oxalis acetosella)

9-10

17-18

Мать-и-мачеха (Tussilago farfara)

9-10

17-18

Любка двулистная (Platanthera bifolia)

21

6-7

Фотопериодизм - реакция организмов на суточный ритм освещения, соотношение длительности дня и ночи, выражающаяся в изменении процессов роста и развития.
Явление фотопериодизма было открыто в 1920 г. американскими учеными К. Гертнером и Г. Аллардом на растениях табака. Они показали что данные растения зацветают только лишь после выдерживания их на коротком фотопериоде в течение нескольких дней. В естественных условиях это происходит осенью, но короткий день (продолжительностью 7 ч) можно создать и искусственно, например в теплицах.
У растений такие явления, как цветение, образование плодов или семян, листопад и прорастание семян тесным образом связаны с сезонными изменениями длины дня и температуры. Некоторым растениям нужен длинный день (растения длинного дня, зацветание и плодоношение которых наступает при 8-12-часовом освещении), другим - короткий (для цветения

нужна продолжительность дня 12 ч и более), а некоторые - зацветают независимо от длины дня (растения нейтральные в отношении фотопериода) (рис. 3.7).

Рис. 37. Типы фотопериодической реакции у растений:
а - растение короткогсмня; б - растение длинного дня; в - растение фотопериодически
нейтральное


Позже в изучении фотопериодизма выявились некоторые трудности. Например, некоторые растения при одной температуре вели себя как нейтральные по отношению к длине дня, а при другой - зависели от нее. Для каких-то растений было необходимо, чтобы одна длина дня сменялась другой, а у иных определенная длина дня ускоряла наступление цветения, но не являлась обязательным условием.
Подобные недоразумения выяснились, когда было установлено, что на самом деле значение имеет продолжительность не светлого, а темного периода суток. Поэтому фактически растения короткого дня оказались растениями длинной ночи. Если их выращивать в условиях короткого дня и длинной ночи, но ночь прерывать коротким периодом освещения, они не зацветут.
В качестве примеров растений короткого дня можно привести хризантему, сою, табак, землянику, гречиху, астры, подсолнечник. Растения длинного дня - белена, львиный зев, капуста, рожь, пшеница, многие луговые злаки, клевер, тысячелистник, цикорий, незабудка. Растения, нейтральные в отношении фотопериода, - огурцы, томаты, садовый горошек, кукуруза, хлопчатник.
Фотопериод рассматривается как некое «реле времени» или пусковой механизм, включающий последовательность

физиологических процессов, приводящих к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих и наступления диапаузы (стадии покоя) у насекомых.
Фотопериодизм связан с широко известным явлением биологических часов и служит универсальным механизмом регулирования функций во времени.
Перелетные птицы в течение нескольких месяцев после осеннего перелета нечувствительны к фотопериоду. Видимо, короткие осенние дни необходимы для того, чтобы «перевести» биологические часы и подготовить эндокринную систему к реакции на длинные дни. Если после конца декабря искусственно увеличивать длину дня, то у птиц это вызовет череду явлений, обычно происходящих весной, - линьку, накопление жира, миграционное беспокойство.
Длина дня воспринимается чувствительными рецепторами, такими, как глаза у животных или специальный пигмент в листьях растений, а эти рецепторы в свою очередь активируют один или несколько цепных механизмов, включающих гормоны и ферменты, которые вызывают соответствующий физиологический или поведенческий ответ. Точно не известно, какой компонент этой последовательности измеряет время. Хотя высшие растения и животные резко различаются морфологически, связь с фотопериодичностыо среды у них сходна.
<< | >>
Источник: Маврищев, В. В.. Основы экологии: учебник. 2007

Еще по теме Биологические ритмы и фотопериодизм:

  1. Тема:              Биологические ритмы, их адаптивная роль в антропогенных экосистемах
  2. СВЕТ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ
  3. 7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ
  4. 7.4. Фотопериодизм
  5. Самоорганизация в химических и биологических процессах. Химико-биологические предпосылки и механизмы жизни
  6. 7.2. Внутренние, физиологические, ритмы
  7. 3.14.9. Биологические и социально-биологические концепции (Э. Уилсон, Ж. Дюби, И.П. Павлов, 3. Фрейд, В. Райх и др.)
  8. 7.1. Внешние ритмы
  9. Ритмы распада
  10. Биологическая индикация и биологический мониторинг
  11. 2. Взаимодействие биологических и социальных факторов Воссоединенность биологических и социальных факторов.
  12. Параграф 17.14. Обращение взыскания на животных, растения, иной биологический материал Статья 209. Правовая основа обращения взыскания на животных, растения, иной биологический материал
  13. 7.3. Биологические часы
  14. Биологическое оружие
  15. Биологические системы
  16. 6.4. Биологическая продукция и биомасса
  17. 4.6. Биологическая индикация
  18. § 31. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ