Біологія. Довідник школяра та абітурієнта
Адаптивні біологічні ритми організмів
Адаптивні біологічні ритми виникли як пристосування фізіології живих істот до регулярних екологічних змін у зовнішньому середовищі. Цим вони відрізняються від суто фізіологічних ритмів, які підтримують безперервну життєдіяльність організмів: дихання, кровообіг, поділ клітин.
Рівномірне чергування в часі будь-яких станів організму називають біологічним ритмом.
Розрізняють зовнішні (екзогенні), що мають географічну природу і наступні за циклічними змінами у зовнішньому середовищі, та внутрішні (ендогенні), або фізіологічні, ритми організму.
Зовнішні (екзогенні) ритми мають географічну природу, пов’язані з обертанням Землі відносно Сонця та Місяця відносно Землі. На живі організми впливає безліч екологічних факторів, у першу чергу — світловий режим, температура, атмосферний тиск, вологість повітря, магнітне поле Землі, морські припливи й відпливи, періодичні зміни сонячної активності та ін. Для Сонця характерний 11-річний та цілий ряд інших циклів. Істотний вплив роблять на клімат нашої планети зміни сонячної радіації. Крім циклічного впливу абіотичних факторів, зовнішніми ритмами для будь-якого організму є й закономірні зміни активності, а також поведінка інших живих істот.
Внутрішні, (фізіологічні) ритми виникли історично. Жоден фізіологічний процес в організмі не здійснюється безперервно. Виявлено ритмічність у процесах синтезу ДНК і РНК у клітинах, у синтезі білків, у роботі ферментів, діяльності мітохондрій. Поділ клітин, скорочення м’язів, робота залоз внутрішньої секреції, биття серця, дихання, збудливість нервової системи, тобто робота всіх клітин, органів і тканин організму підкоряється певному ритму. Кожна система має свій власний період. Діями факторів зовнішнього середовища змінити цей період можна лише у вузьких межах, а для деяких процесів практично неможливо. Таку ритміку називають ендогенною.
Внутрішні ритми організму підпорядковані й інтегровані в цілісну систему та виступають у кінцевому підсумку у вигляді загальної періодичності поведінки організму. Як для зовнішніх, так і для внутрішніх ритмів настання чергової фази перш за все залежить від часу. Час є одним з найважливіших екологічних чинників, на який мають реагувати живі організми, пристосовуючись до зовнішніх циклічних змін природи.
Добові ритми — це зміни інтенсивності та характеру біологічних процесів і явищ, що повторюються з добовою періодичністю. Добовий ритм виявлено у різноманітних організмів — від одноклітинних до людини. У людини подмічено понад 100 фізіологічних функцій, підпорядкованих добовій періодичності: сон і активний час, зміна температури тіла, ритму серцевих скорочень, глибини й частоти дихання, об’єму й хімічного складу сечі, потовиділення, м’язової та розумової працездатності.
У деяких рослин до визначеного часу приурочено розтуляння і стуляння пелюсток квітів, підняття й опускання листків, максимальна інтенсивність дихання, швидкість росту колеоптилю і т. д. За зміною періодів сну й активного часу тварин поділяють на денних і нічних. Деякі види мають приблизно однакову активність як удень, так і вночі, з чергуванням коротких періодів діяльності й спочинку. Такий ритм називають поліфазним (численні землерийки, ряд хижаків).
Інколи добова циклічність життєдіяльності переходить у природжені, генетичні властивості виду. Такі ендогенні ритми дістали назву циркадних, оскільки тривалість їх неоднакова у різних особин одного виду, трохи відрізняючись від середнього, 24-годинного, періоду. Циркадні ритми людини вивчали в різноманітних ситуаціях: у печерах, герметичних камерах, підводних плаваннях. Виявилось, що у відхиленнях від добового циклу в людини більшу роль відіграють типологічні особливості нервової системи. Циркадні ритми можуть бути різні навіть у членів однієї сім’ї. Циркадні й добові ритми лежать в основі здатності організму відчувати час. Цю здатність живих істот називають «біологічним годинником».
«Біологічний годинник» — це здатність живих організмів орієнтуватися в часі, в основі якого лежить строга періодичність фізико-хімічних процесів, що відбуваються в клітинах. «Біологічний годинник» може бути зумовлений і циклічними коливаннями геофізичних факторів (добова і сезонна періодичність електромагнітного поля Землі, сонячної і космічної радіації та ін.). «Біологічний годинник» дозволяє приводити фізіологічні ритми у відповідності з ритмом навколишнього середовища, що у свою чергу дає організмам можливість передбачати добові, сезонні та інші періодичні коливання освітленості, температури, припливів тощо.
Добові ритми в природі складаються з ендогенного ритму та реакції на добові зміни середовища. При порушенні природного ритму середовища добові ритми різних фізіологічних функцій втрачають синхронність. Така десинхронізація може траплятися за розведення тварин і рослин у штучних умовах, під час перельоту з одного часового поясу в інший, а також під час ізоляції людини від природно-мінливого середовища (наприклад, в космічному польоті) і може стати причиною виникнення патологічних змін в організмі.
Місячні ритми — це повторювані зміни інтенсивності та характеру біологічних процесів, відповідні до циклу фаз Місяця (місячно-місячний ритм). До місячних ритмів відносять також місячно-добові ритми. Місячні ритми проявляються, наприклад, в ритмічності виходу з лялечок комах, у циклі розмноження черв’яка пололо, деяких водоростей та багатьох інших тварин і рослин. Чіткі місячно-добові ритми спостерігають у тропічних ссавців, наприклад, у деяких видів кажанів. Місячні ритми зберігаються в постійних лабораторних умовах, що вказує на їх ендогенну природу.
Припливно-відпливні ритми. Види, що мешкають на літоралі, живуть в умовах дуже складної періодичності зовнішнього середовища. На 24-годинний цикл коливання освітлення й інших факторів накладається ще чергування припливів і відпливів. Протягом місячних діб (24 год 50 хв) спостерігаються два припливи і два відпливи, фази яких зміщуються щодня приблизно на 50 хв. Сила припливів, крім того, закономірно змінюється протягом синодичного, або місячного, місяця (29,5 сонячних діб). Двічі на місяць (дні молодика і повного місяця) вони досягають максимальної величини (так звані сизигійні припливи). Цій складній ритміці підпорядковане життя організмів, які мешкають у прибережній зоні. Устриці під час відпливу щільно стискають стулки й припиняють живлення. Періодичність відкривання і закривання черепашки зберігається у них тривалий час і в акваріумах.
Річні ритми — одні з найбільш універсальних у живій природі. Закономірні зміни фізичних умов протягом року викликали в еволюції видів безліч найрізноманітніших адаптацій до цієї періодичності. Найважливіші з них пов’язані з розмноженням, ростом, міграціями і переживанням несприятливих періодів року. У видів з коротким життєвим циклом річний ритм закономірно проявляється в ряді поколінь (наприклад, цикломорфоз у дафній і коловерток). Сезонні зміни являють собою глибокі зрушення у фізіології і поведінці організмів, які зачіпають їхню морфологію й особливості життєвого циклу. Пристосувальний характер цих змін очевидний: завдяки їм такий відповідальний момент у житті виду, як поява потомства, приурочується, як з’ясувалося, до найсприятливішої пори року, а переживання критичних періодів відбувається у найбільш стійкому стані. Що різкіші сезонні зміни зовнішнього середовища, то сильніше проступає річна періодичність життєдіяльності організмів. Осінній листопад, різні діапаузи, сплячка, запасання жиру, сезонні линяння, міграції тощо розвинені в країнах помірного і холодного кліматів, тоді як у жителів тропіків сезонна періодичність у життєвих циклах виражена не так різко. Річні ритми у багатьох видів ендогенні. Такі ритми називають циркадними. Циркадні ритми, річні ритми, які періодично повторюються змінами інтенсивності й характеру біологічних процесів і явищ з частотою 10-13 місяців.
Циркадні ритми спостерігають лише в штучно створених постійних лабораторних умовах. Вважається, що циркадні ритми керуються (регулюються) внутрішніми механізмами, відносно незалежними від періодичності зовнішніх умов. Особливо це стосується циклів розмноження.
Сезонні ритми пов’язані з обертанням Землі навколо Сонця, що зумовлює річні цикли змін кліматичних умов. З певними сезонами в організмів пов’язані періоди розмноження, розвитку, стану зимового спокою; у тварин — періоди линяння, міграцій, сплячки тощо; у листопадних рослин — період листопаду. Отже, залежно від певного сезону в організмів спостерігають значні зміни інтенсивності основних процесів життєдіяльності й поведінки. При цьому періоди активного живлення, розмноження й розвитку припадають зазвичай на сприятливі сезони, а несприятливі різні організми можуть переживати в стані спокою (анабіозу тощо). Найчіткіше сезонні ритми виражені у вищих рослин, укорінених на певній ділянці, та тварин, що ведуть прикріплений спосіб життя. Нерідко вирішальним чинником сезонної періодичності є збільшення тривалості дня. Тривалість дня змінюється протягом усього року: найдовше сонце світить в день літнього сонцестояння в червні, найменше — в день зимового сонцестояння в грудні. Сезонні ритми впливають не лише на життєві процеси організмів, а й на їхню будову.
