Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Андерсон - Нова програма

§ 15. Адаптивні біологічні ритми біологічних систем

Назвіть рівні організації живого.

Наведіть приклади періодичних змін екологічних чинників, які впливають на біологічну систему.

Екологічні чинники часто впливають на біологічні системи ритмічно. Це спричинює формування на різних рівнях організації живого адаптивних біологічних ритмів.

Біологічні ритми - циклічні коливання інтенсивності та характеру процесів життєдіяльності, в основі яких лежать кількісні та якісні зміни метаболізму біологічних систем.

Типи адаптивних біологічних ритмів. За чинниками біологічні ритми поділяють на зовнішні та внутрішні. Зовнішні біологічні ритми пов'язані з циклічними змінами в навколишньому середовищі. До них належать добові, припливно-відпливні, сезонні, річні та багаторічні ритми.

Добові ритми зумовлені обертанням Землі навколо своєї осі. Двічі на добу змінюється освітленість, що зумовлює коливання абіотичних чинників (температури, вологості тощо), які впливають на активність організмів. У рослин зміни освітленості викликають періодичність процесів фотосинтезу, транспірації, закриття та відкриття квіток тощо (рис. 75). Зміна дня і ночі впливає на різні функції організмів тварин: рухову активність, інтенсивність процесів обміну речовин тощо (рис. 76). У людини найважливіший добовий ритм - чергування сну і неспання. Загалом виявлено понад 300 фізіологічних функцій, які залежать від добової періодичності.

Рис. 75. Приклади добових ритмів у рослин

Кульбаба - рослина, що відкриває квітки вдень. Матіола відкриває квітки вночі.

Рис. 76. Приклади тварин із різними добовими ритмами

Скопа - денний птах.

Пугач - нічний птах.

Поміркуйте, яке адаптивне значення для рослин має те, що різні рослини розкривають свої квітки в різний час доби? Чи може слугувати прикладом зменшення конкуренції між тваринами розподіл їх на групи залежно від способу життя (денні та нічні)?

Припливно-відпливні ритми зумовлені обертанням Місяця навколо Землі. Добре виражені в організмів, що мешкають у прибережній зоні відкритих морів і океанів. Протягом місячної доби (24 години 50 хвилин) відбувається по два припливи й відпливи, що спонукає організми пристосовуватися до таких періодичних змін умов існування (зміна забарвлення, розмноження, укриття в схованках) (рис. 77).

Сезонні ритми зумовлені обертанням Землі навколо Сонця. Відтак виникають сезонні явища. Зі зміною сезонів пов'язані важливі життєві функції організмів: анабіоз, линяння, міграції, розмноження, розвиток, листопад тощо (рис. 78). Можливі впливи сезонних ритмів навіть на будову організмів (у попелиць, дафній - розміри тіла, будова окремих частин).

Річні та багаторічні ритми пов'язані з змінами сонячної активності та інших чинників протягом кількох років. Ці ритми виражені не так чітко, як сезонні. Прикладом багаторічних циклів є масові розмноження перелітної сарани й деяких інших тварин (рис. 79).

Внутрішні біологічні ритми зумовлені життєдіяльністю організмів (ритм дихання, серцевий цикл, травлення, виділення). Існування періодичних змін довкілля зумовлює виникнення адаптивних біологічних ритмів у живих істот. З ними пов'язане явище «біологічного годинника» - здатності організмів реагувати на плин часу. Воно дає змогу узгоджувати фізіологічні ритми організмів зі змінами навколишнього середовища. Зміни освітлення, температури, вологості можуть корегувати біологічний годинник.

Фотоперіодизм, його біологічна роль. Одним із провідних чинників, які впливають на біологічні ритми, є фотоперіод - тривалість світлого періоду доби.

Фотоперіодизм - фізіологічна реакції організмів на співвідношення між довжиною дня і ночі.

Рис. 77. Приклад припливно-відпливних ритмів

Зміна забарвлення у ваблячого краба.

Рис. 78. Приклад сезонних ритмів

Переліт птахів до місць зимівлі.

Рис. 79. Приклад багаторічного ритму

Масове розмноження Сарани перелітної.

Наведіть приклади різних типів біологічних ритмів тварин і рослин вашої місцевості, використовуючи інтернет-джерела.

Фотоперіодизм властивий різним організмам, але найбільш чітко виражений у видів, які живуть в умовах різких сезонних змін умов навколишнього середовища. Найбільшою мірою фотоперіодизм властивий зеленим рослинам, життєдіяльність яких безпосередньо залежить від світлової енергії Сонця.

Фотоперіодизм у рослин виявляється в зміні процесів росту та розвитку. Унаслідок цих змін у клітинах рослин утворюються біологічно активні речовини (фітогормони), які впливають на різноманітні процеси життєдіяльності (цвітіння, листопад, проростання насіння, бульб, цибулин тощо). Залежно від реакції на довжину світлого періоду доби розрізняють рослини довгого (рис. 80) та короткого дня (рис. 81). Рослини короткого дня здебільшого зростають у приекваторіальних областях, довгого - у помірних широтах і полярних областях.Фотоперіодизм чіткіше виражений у рослин короткого дня. Він відіграє роль у географічному поширенні рослин і в регуляції їхнього сезонного ритму.

У тварин фотоперіодизм контролює настання й припинення парувального періоду, плодючість, линяння, міграції, перехід до зимівлі тощо. А фотоперіодичні реакції регулюються нервовою й ендокринною системами. За відношенням до світла тварин поділяють на групи залежно від їхнього способу життя: денні та нічні. У людини фотоперіодизм виражається переважно в коливаннях інтенсивності обміну речовин і енергії.

Шляхи пристосування організмів до періодичних змін умов середовища мешкання. Різні організми пристосовуються до однакових умов мешкання по-різному. Розрізняють активні, пасивні пристосування й уникання несприятливих умов. Під час активних пристосувань організми можуть регулювати власні процеси життєдіяльності залежно від змін умов навколишнього середовища. Це підвищує стійкість до несприятливих змін умов, які не впливатимуть на проходження фізіологічних процесів (наприклад, температура тіла птахів і ссавців залишається постійною навіть за сильних морозів, а пустельні членистоногі підтримують відносно сталий уміст води в тілі за умов значної посухи).

Рис. 80. Рослини довгого дня

Капуста білоголова

Цибуля городня

Редька посівна

Кріп городній

Рис. 81. Рослини короткого дня

Гарбуз звичайний

Баклажан

Перець овочевий

Квасоля звичайна

Поясніть роль фотоперіодизму в географічному поширенні рослин.

Під час пасивних пристосувань в організмів усі процеси життєдіяльності підпорядковані змінам у навколишньому середовищі. Так, за зниження температури повітря в пойкілотермних тварин знижується інтенсивність процесів обміну речовин, вони впадають у стан заціпеніння. Деякі гомойотермні тварини (їжаки, бурі ведмеді) впадають у зимову сплячку (рис. 82). Листопадні рослини взимку припиняють фотосинтез, ріст і розвиток.

Щоб уникнути несприятливих умов, тварини переміщуються в інші місця (міграції та кочівлі деяких комах, риб, птахів, ссавців тощо) або найвразливіші фази розвитку завершують у найсприятливіші періоди, а на несприятливі періоди припадають фази спокою (наприклад фази яйця або лялечки в комах).

Внутрішній механізм формування добової ритміки. На циркадні ритми впливають не лише зовнішні чинники (світло), а й перебіг внутрішніх процесів, зокрема зміна активності певних генів. Ключова роль у цьому належить гену per (period), продукт якого - білок PER - діє як транскрипційний фактор, гальмуючи власну активність. Синтезований білок за деякий час піддається руйнуванню, унаслідок чого гальмування зменшується, а синтез відновлюється. У такий спосіб у клітині формується циклічне коливання PER. У людини ген per найбільш активний у клітинах гіпоталамуса, які регулюють утворення гормону мелатоніну, який своєю чергою впливає на рівень активності різних тканин організму. На цей процес може впливати рівень освітлення, так відбувається підлаштування циклу активності генів під тривалість доби. Проте описана ритмічність встановлюється і без змін освітлення або інших зовнішніх чинників. Відтак добова ритміка впливає на перебіг фізіологічних функцій, працездатність і самопочуття (рис. 83).

Рис. 82. Тварини, які впадають у зимову сплячку

Рис. 83. Ритмічні зміни деяких фізіологічних параметрів протягом доби в людини

  • 1. Дайте означення понять біологічні ритми, фотоперіодизм.
  • 2. Перелічіть типи адаптивних біологічних ритмів.
  • 3. Схарактеризуйте типи біологічних ритмів.
  • 4. Висловіть судження щодо адаптивного значення фотоперіодизму.
  • 5. Схарактеризуйте шляхи пристосування організмів до періодичних змін умов середовища мешкання.
  • 6. За відкриття молекулярно-біологічних основ формування добових ритмів було присуджено Нобелівську премію в галузі фізіології або медицини 2017 року. Користуючись додатковими джерелами, підготуйте повідомлення про «гени сну».