Биологические ритмы

Живые организмы как среда жизни.

Воздействие одних организмов на другие через изменение различных абиотических факторов (движение воды и воздуха, освещение, температура, влажность) принято называть топическими связями. Результатом этих связей является кондиционирование среды, т.е. создание одним организмом определённых физических или химических условий для жизни другого.

Топические связи играют важную роль в формировании биоценозов и могут быть благоприятными и неблагоприятными, оказывая существенное влияние на размещение организмов в сообществе. Так, например, под пологом леса многие животные укрываются от непогоды, врагов, находят там определённые условия микроклимата, способствующие размножению и выкармливанию потомства.

Для животных и растений, ведущих симбиотический образ жизни (паразиты), организм, на котором или в котором они поселяются (хозяин) является специфичной средой жизни. Существует стройное учение о паразитоценозе. Согласно этому учению организм хозяина является биотопом, местообитанием паразитоценоза – своеобразной группировки организмов, вступающих в специфические взаимоотношения со своим биотопом и только через его организм, опосредованно, с факторами окружающей среды. В то же время из-за проживания хозяина в составе сложного многовидового сообщества, паразитоценоз рассматривается и как компонент биоценоза.

Между паразитами и хозяевами в процессе эволюции возникли сложные взаимоотношения, изменяющие характер жизни, адаптации, физиологию и т.п. и того и другого.

Так, например, хозяин, вырабатывая вещества для борьбы с паразитами, способствует повышению адаптационных свойств последних.

С паразитизмом тесно переплетены другие формы межвидовых отношений: различные формы симбиоза животных с животными, растений с растениями и животных с растениями.

Периодические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений называются биологическими ритмами (биоритмы), а наука, их изучающая, – биоритмологией или хронобиологией.

Биоритмы поддерживаются внутренними механизмами, позволяющими организмам циклически менять свое состояние (биологические часы). Все организмы обладают способностью довольно точно определять время дня и года. При помощи биологических часов у них устанавливаются суточные, сезонные, годовые и другие ритмы различных физиологических процессов. У животных это связано с выработкой условных рефлексов. Биологические часы управляют биоритмами как организма в целом, так и внутриклеточных процессов.

Биоритмы подразделяются на внутренние (эндогенные), обусловленные физиологическими процессами и внешние (экзогенные), имеющие геофизическую и космическую природу; те и другие следуют за циклическими изменениями во внешней среде.

Внутренние биоритмы возникли исторически в результате приспособления изменений физиологической активности организмов к колебанием характеристик внешней среды. Это происходило в основном под влиянием трех факторов: вращения Земли вокруг солнца и своей оси; вращения Луны относительно Земли; перемещения звезд по небосводу. Первый фактор определяется солнечными сутками (24 часа), второй – лунными сутками (24,8 часа), третий – звездными сутками (23,9 часа).

Накладываясь друг на друга, эти факторы обусловили ритмику близкую к 24 - часовому периоду, называемую циркадными ритмами, т.е. приближающимися к суточному ритму (от лат. сirca – около и dies – день, сутки). Внешним раздражителем, обусловливающим циркадные ритмы, является периодическая смена дня и ночи. Важность и количество циркадных ритмов возрастают с усложнением организма, так, например, у человека их обнаружено около 300.

У многих животных суточная периодичность интенсивности и характера биологических процессов не сопровождается существенными отклонениями физиологических функций, а проявляется в основном изменениями двигательной активности. Эта периодичность обусловлена экзогенными суточными ритмами и характерна для дневных, сумеречных и ночных животных.

Другим наиболее общим явлением в живой природе является сезонная периодичность, особенно выраженная в умеренных и в северных широтах, где метеорологические условия изменяются значительно от сезона к сезону. Сезонная периодичность в развитии растений, например, всегда осуществляется в следующей последовательности: начало вегетации; бутонизация; цветение; созревание семян; обсеменение; прекращение вегетации. У животных также проявляются ежегодно повторяющиеся сезонные изменения их жизнедеятельности. Следовательно, сезонная периодичность в жизни растений и животных - результат приспособлений их к годичному изменению метеорологических условий. Связь климатических факторов с периодическими сезонными изменениями в жизни растений и животных изучает фенология.

У некоторых организмов выявлена периодичность, равная лунному месяцу, которая наиболее характерна для морских организмов. Предполагается, что лунные ритмы есть у пресноводных и наземных организмов.

Кроме вышерассмотренных биоритмов в природе наблюдается многолетняя периодичность биологических явлений. Она обусловлена изменениями погоды под влиянием закономерной смены солнечной активности и выражается чередованием урожайных и неурожайных лет, лет обилия или малочисленности популяций животных и др. факторов. Различают 5-, 6- и 11-летние, а также вековые (80…90-летние) циклы солнечной активности.

Изменение суточной и сезонной активности жизненных процессов организмов происходит под действием многих факторов, однако, ведущая роль принадлежит свету. Этот важный сигнальный фактор обусловливает периоды замедления и интенсификации жизненных процессов (размножение, миграции, линька и др. биологические явления) у животных и растений, регулируя тем самым ритмику их суточной и сезонной жизни. Так, например, на подготовку к зиме требуется длительное время для физиологической перестройки организма и накопления необходимого запаса энергетических веществ. Сигналом о приближении зимы служит изменение длины дня, связанное с годовым ходом температуры. В течение года длина дня изменяется строго закономерно и не подвержена воздействиям колебаний других экологических факторов.

Реакции организмов на чередование продолжительности светлых и темных периодов суток называются фотопериодизмом. Фотопериодизм свойствен и растениям и животным во всех природных зонах земного шара. Под фотопериодическим контролем находятся практически все метаболические процессы, связанные с развитием и размножением организмов. Почти все физиологические процессы у растений и животных имеют суточный ритм с максимумом активности в определенные часы. Эти реакции основаны не просто на количестве получаемого света, а на закономерном чередовании периодов света и темноты, продолжительности дня и ночи.

Все растения и животные, особенно умеренного климата, эволюционно выработали механизмы приспособления к неблагоприятным сезонным факторам. Так, например, все организмы осенью подготавливаются к зиме, в т. ч. и растения, которым зимой свойственно состояния покоя, характеризующееся прекращением роста и замедлением биологических процессов. Различают органический, глубокий и вынужденный покой растений.

Органический покой характерен для плодов, клубней и почек и заключается в изменении нуклеинового и белкового обменов в эмбриональных клетках и тканях, что обеспечивает возобновление нормального роста весной.

Глубокий покой наступает одновременно с органическим или после него и обусловливает морозоустойчивость растений.

Вынужденный покой заключается в торможении ростовых процессов из-за неблагоприятных условий, чаще всего проявляющихся весной.

У животных приспособления к неблагоприятным сезонным явлениям более многообразны, чем у растений. Для них характерны сезонные биологические циклы, в основе которых лежат сложные физиологические механизмы. Так, одни животные запасают корм, другие нагуливают вес, третьи замедляют метаболизм, четвертые повышают уровень теплообразования и т.п. Некоторые животные сменяют наружный покров. Своеобразным приспособлением к неблагоприятным факторам служит состояние спячки. У многих высших животных распространены миграции, вызываемые сменой условий существования или циклами индивидуального развития.

Особым приспособлением к неблагоприятным сезонам является анабиоз, характерный в основном для простейших одноклеточных животных, круглых червей, спор, лишайников, сухих семян растений.