Біологія. 11 клас. Балан

§ 27. Біологічні адаптивні ритми організмів

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: які періодичні зміни екологічних факторів пов’язані з обертанням Землі навколо Сонця та Місяця навколо Землі?

Одне з найзагальніших явищ, що відбуваються в природі, - це сезонна і добова періодичність. Сезонна періодичність чіткіше виражена в помірних і північних широтах, де зумовлює певну ритмічність життя організмів, тоді як у мешканців тропіків сезонні зміни здебільшого виявляються не так чітко. Чергування пір року пов’язане з рухом планет (насамперед з обертанням Землі навколо Сонця), який зумовлює зміни світлового режиму, температури, вологості повітря. Добові ритми організмів спричинені обертанням Землі навколо власної осі. Між рухом небесних тіл і організмами, які населяють нашу планету, існує тісний зв’язок, унаслідок якого спостерігають періодичні (сезонні, добові, припливно-відпливні) зміни інтенсивності екологічних факторів. Живим істотам притаманні різноманітні механізми, які дають змогу визначати положення Сонця, певні фази Місяця тощо. Так, висота розташування Сонця над обрієм свідчить про час доби, а тривалість світлової її частини - про певний сезон. Це зумовлює формування в організмів адаптивних біологічних ритмів (біоритмів): добових, припливно-відпливних, сезонних, річних.

Мал. 27.1. Приклади добових ритмів активності рослин і тварин: 1 - бобова рослина; 2 - пацюк; 3 - хатня муха

З біоритмами пов’язане явище «біологічного годинника» - здатності організмів реагувати на плин часу. Механізми цього явища ще остаточно не з’ясовані, але вважають, що воно ґрунтується на чіткій періодичності фізико-хімічних процесів, які відбуваються в клітині. Це має важливе біологічне значення, оскільки дає змогу узгоджувати фізіологічні ритми зі змінами довкілля.

Біоритми пов’язані з періодичною зміною інтенсивності дії різноманітних екологічних факторів - освітленості, припливів і відпливів тощо. Розрізняють добові, припливно-відпливні, сезонні, річні типи адаптивних біологічних ритмів організмів та їхніх угруповань.

Добові ритми. Унаслідок обертання Землі навколо своєї осі двічі на добу змінюється освітленість. Це зумовлює коливання температури, вологості та інших абіотичних факторів, що, в свою чергу, впливає на активність організмів. Зокрема, сонячне світло визначає періодичність фотосинтезу, час розкриття та закриття квіток тощо. Зміна дня і ночі впливає на перебіг різних функцій організмів тварин: рухову активність, інтенсивність процесів обміну речовин тощо (мал. 27.1). У людини зареєстровано понад 100 життєвих функцій, залежних від часу доби.

Мал. 27.2. Приклади сезонних ритмів у природі: 1 - зима; 2 - весна-літо; 3 - осінь

Добові ритми також характерні для угруповань організмів. Наприклад, маси морських планктонних тварин удень пересуваються ближче до поверхні води, а вночі - опускаються вглиб. Ці міграції спричинені добовими змінами освітленості, температури. Услід за зоопланктоном переміщуються тварини, які ним живляться, та хижаки, що полюють на планктоноїдні види.

Припливно-відпливні ритми зумовлені рухом Місяця навколо Землі, який притягує водні маси. Найбільш чітко вони виражені в мешканців припливно-відпливної зони (літоралі). Протягом місячної доби (24 год 50 хв) відбувається по два припливи та відпливи. Щодобово фази припливів і відпливів зсуваються приблизно на 50 хв. При цьому двічі на місяць у період нового та повного місяця (приблизно кожні 14 діб, коли Земля, Сонце й Місяць розташовуються на одній лінії) припливи стають максимальними. Таким чином, на добовий ритм припливів і відпливів накладається ще й місячний.

Під час відпливів мешканці літоралі закривають свої черепашки (молюски), будиночки (вусоногі раки), ховаються у ґрунт (кільчасті черви), змінюють своє забарвлення тощо. Натомість на ділянках, які звільнилися від води, з’являються тварини - мешканці наземно-повітряного середовища (кліщі, комахи, птахи тощо), які знаходять тут достатню кількість їжі (скупчення водоростей, рештки тварин та ін.). Активність літоральних гідробіонтів поновлюється під час відпливів. З періодами припливів і відпливів пов’язані й періоди розмноження тварин певних видів.

Сезонні ритми пов’язані з обертанням Землі навколо Сонця, що зумовлює річні цикли змін кліматичних умов (мал. 27.2). З певними сезонами в організмів пов’язані періоди розмноження, розвитку, стану зимового спокою, у тварин - також періоди линяння, міграцій, сплячки тощо, у листопадних рослин - періоди листопаду. Отже, залежно від певного сезону в організмів спостерігають значні зміни інтенсивності основних процесів життєдіяльності, поведінки. При цьому періоди активного живлення, розмноження й розвитку припадають зазвичай на сприятливі сезони, несприятливі ж 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. Сезонні ритми впливають не тільки на життєві процеси організмів, а й на їхню будову.

Багаторічні ритми. У багатьох організмів спостерігають менш чітко виражені багаторічні цикли, пов’язані з неперіодичною зміною сонячної активності протягом кількох років (наприклад, масові розмноження перелітної сарани та деяких інших тварин). Звичайно періоди сонячної активності настають приблизно кожні 11 років.

Фотоперіодизм. Одним з провідних чинників, які впливають на біологічні ритми, є фотоперіод - тривалість довжини світлого періоду доби. Реакція організмів на зміну довжини фотоперіоду дістала назву фотоперіодизму. Тривалість світлого періоду доби є найбільш стабільним з екологічних факторів, бо вона завжди постійна в певному місці в певний день року, тоді як інші чинники (температура, вологість, тиск тощо) можуть коливатись у значних межах щодобово. Здатність організмів реагувати на зміну довжин світлого та темного періодів доби дає змогу заздалегідь адаптуватися до наступних сезонних змін умов існування. Явище фотоперіодизму властиве різним організмам, але найбільш чітко виражене у видів, які живуть в умовах різких сезонних змін довкілля.

У рослин структурами, які сприймають зміну тривалості світлого періоду, насамперед є листки. Унаслідок цих змін у клітинах рослин утворюються біологічно активні речовини (фітогормони), які впливають на різноманітні процеси життєдіяльності (цвітіння, листопад, проростання насіння, бульб, цибулин та ін.). Залежно від реакції на довжину світлого періоду доби розрізняють рослини довгого та короткого дня (мал. 27.3). У рослин довгого дня (блекота, злаки, листопадні дерева тощо) збільшення тривалості світлого періоду стимулює процеси росту та розмноження, а його скорочення - гальмує, визначаючи перехід до стану зимового спокою. А рослини короткого дня (тютюн, рис, соя та ін.) цвітуть при скороченні тривалості світлого дня. Рослини короткого дня здебільшого зростають у низьких широтах, довгого - у високих і помірних. При цьому фотоперіодизм чіткіше виражений у рослин короткого дня.

У багатоклітинних тварин фотоперіодичні реакції регулюють нервова та ендокринна системи. Як приклад розглянемо вплив довжини світлого дня на розмноження в комах. У період найдовших днів у нервових клітинах самок деяких видів комах виробляються нейрогормони, під впливом яких вони відкладають яйця, що можуть тривалий час перебувати у стані спокою. Личинки із цих яєць виходять лише навесні наступного року, коли достатньо їжі та сприятливі кліматичні умови. Завдяки цьому регулюється ріст чисельності популяцій, що запобігає виснаженню кормових ресурсів.

Мал. 27.3. I. Рослини довгого дня: 1 - блекота; 2 - клен. II. Рослини короткого дня: 3 - тютюн; 4 - соя

Довжина світлого дня впливає не лише на процеси життєдіяльності окремих особин або видів, а й на функціонування екосистем у цілому, зумовлюючи закономірні сезонні заміни одних видів іншими (наприклад, тюльпани в степах і пустелях цвітуть і дають насіння навесні, потім їхні надземні частини відмирають, а цибулини залишаються в ґрунті в неактивному стані до наступної весни). Певні види перелітних птахів улітку входять до складу екосистем помірних кліматичних зон (ластівки, лелеки тощо), взимку - тропічних і субтропічних. У більшості рослин і холоднокровних тварин взимку значно гальмуються процеси життєдіяльності.

Дослідження фотоперіодичних реакцій організмів має важливе практичне значення. Змінюючи довжину світлого періоду в умовах штучного утримання свійських тварин і вирощування культурних рослин, вдається регулювати процеси їхнього росту та розвитку. Так, збільшуючи фотоперіод, можна підвищувати продуктивність рослин, стимулювати розмноження, ріст, линяння тварин тощо.

Як організми пристосовуються до періодичних змін умов середовища життя?

Кожна жива істота пристосована до періодичних змін інтенсивності дії багатьох екологічних факторів.

Активні пристосування. Організми регулюють власні процеси життєдіяльності залежно від змін умов довкілля. Це дає змогу підвищити стійкість до несприятливих змін умов існування і здійснювати процеси життєдіяльності, незважаючи на них (наприклад, температура тіла птахів і ссавців залишається постійною навіть за сильних морозів, а пустельні членистоногі підтримують відносно сталий вміст води в тілі за умов значної посухи).

Пасивні пристосування. Процеси життєдіяльності організмів підпорядковані змінам у довкіллі. Так, за зниження температури повітря у холоднокровних тварин знижується інтенсивність процесів обміну, вони впадають у стан заціпеніння. Подібне спостерігають і в деяких теплокровних тварин (наприклад, зимова сплячка їжаків або бурих ведмедів). Листопадні рослини взимку припиняють фотосинтез, ріст, розвиток, зменшують інтенсивність транспірації або припиняють її взагалі. Щоб пережити несприятливі умови, тварини переміщуються в інші місця (міграції та кочівлі деяких комах, риб, птахів, ссавців тощо) або найвразливіші фази розвитку завершують у найбільш сприятливі періоди, а на несприятливі періоди припадають фази спокою (наприклад, фази яйця або лялечки в комах) (мал. 27.4).

Мал. 27.4. Приклади пристосування тварин до періодичних змін середовища життя: 1 - зимова сплячка тварин; 2 - міграції птахів; 3 - тихоходи можуть перебувати в стані анабіозу роками, не втрачаючи життєдіяльності

Нові терміни та поняття. Явище «біологічного годинника», фотоперіодизм.

Запитання для повторення: 1. Що таке адаптивні біологічні ритми? 2. У чому полягає явище «біологічного годинника»? 3. Чим зумовлені добові ритми? 4. Що таке припливно-відпливні ритми та яка їхня причина? 5. Чим зумовлені сезонні ритми та чергування пір року? 6. Що таке фотоперіодизм?

Проблемне завдання. Поміркуйте, чому в мешканців тропіків сезонні зміни інтенсивності процесів життєдіяльності виражені не так чітко, як у жителів помірних широт.