Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 11. Біологічні ритми

Біологічні ритми в живій природі зумовлені низкою причин

Важливою властивістю біологічних систем є циклічність процесів, що відбуваються в них: клітини бактерії діляться кожні 20 хвилин, серце людини в стані спокою робить один удар кожні 0,8 секунди, продихи кактусів відкриваються щоночі, листя опадає з дерев щоосені тощо. Такі періодичні зміни біологічних процесів називають біологічними ритмами. Вони проявляються на всіх рівнях організації живого: від молекулярного до біосферного.

Причин ритмічності кілька: по-перше, процес не може початися знову, доки не завершено попередній. Наприклад, молекула ферменту мальтази буде періодично розщеплювати молекулу мальтози, але лише після завершення попереднього етапу розщеплення. По-друге, новий процес може розпочатися лише тоді, коли біологічна система буде до нього готовою. Поділ клітин ростового шару епітелію шкіри починається лише після завершення реплікації ДНК і накопичення білків, що братимуть участь у ньому. А нерест риб починається після нагулу — запасання достатньої кількості поживних речовин. По-третє, періодичність є адаптацією до циклічних змін у навколишньому середовищі, наприклад, добової (сон) чи сезонної (цвітіння підсніжників) змін умов існування. Такі періодичні зміни отримали назву адаптивні біологічні ритми.

Внутрішні та зовнішні біологічні ритми відрізняються причиною

Усі біоритми за причиною їхньої появи поділяють на дві групи: внутрішні й зовнішні (рис. 11.1). Внутрішні ритми пов'язані зі змінами у функціонуванні органів і їхніх систем. Зазвичай, змінити частоту цих процесів дією зовнішніх факторів можливо лише в незначних межах або взагалі не можливо. Внутрішні біоритми — це, наприклад, частота серцебиття, чергування вдиху й видиху, зміна сну й бадьорості, коливання артеріального тиску протягом доби тощо. Вони залежать від процесів усередині організму. Зовнішні ж біоритми пов'язані з періодичними процесами в навколишньому середовищі: зі зміною температури вдень і вночі, зміною пори року тощо.

Рис. 11.1. Внутрішні й зовнішні біоритми

A. Листя мімози піднімається вдень (ліворуч) й опускається вночі (праворуч) навіть у темному приміщенні зі сталою температурою, що є прикладом внутрішнього біоритму. Б. Оцвітина тюльпана розкривається при зміні навколишньої температури з холодної (вгорі) на теплу (внизу).

Внутрішні й зовнішні біоритми легко відрізнити в досліді зі сталими умовами: якщо в довкіллі немає змін, а біоритм зберігається, то його вважають внутрішнім, а якщо зникає — то це зовнішній ритм. Наявність багатьох внутрішніх біоритмів пов'язана з існуванням біологічного годинника в живих організмах: молекулярної системи, у якій концентрація речовин коливається з певним періодом, призводячи до фізіологічних змін у організмі1.

Періодичність адаптивних біоритмів залежить від частоти змін у навколишньому середовищі

Адаптивні біологічні ритми збігаються за періодичністю з процесами в довкіллі (табл. 11.1). Дуже розповсюдженими є добові біоритми, що мають періодичність, близьку до 24-х годин. Найбільший прояв вони мають у моменти активізації процесів життєдіяльності денних (бабки, мурахи, гуси) і нічних тварин (таргани, сови, кажани) у відповідний час. У рослин протягом доби можуть змінюватися положення листя, розкриватися квіти, рухатися суцвіття. У людини із періодом у 24 години змінюється активність нервової системи, ефективність розумової діяльності, температура тіла, артеріальний тиск тощо (рис. 11.2). Залежно від добового біоритму активності виділяють три основні хронотипи2: «жайворонки» — рано прокидаються та лягають спати й активні в першій половині дня, «сови» — пізно прокидаються та лягають спати й активні ввечері й «голуби» — активні протягом усього дня.

Таблиця 11.1. Адаптивні біологічні ритми

Біологічний ритм

Зовнішній періодичний процес

Приклади

Добовий

Обертання Землі навколо своєї осі

Розкривання й закривання суцвіть кульбаби, зміна активності нервової системи в людини

Припливно-відпливний

Обертання Місяця навколо Землі й Землі навколо своєї осі

Закривання й розкривання стулок молюсків у припливно-відпливній зоні, закопування безхребетних тварин у дно

Місячний

Обертання Місяця навколо Землі

Розмноження багатощетинкових червів у визначену фазу Місяця

Сезонний (річний)

Обертання Землі навколо Сонця

Зацвітання каштанів, зміна кольору хутра в зайців

Багаторічний

Зміна сонячної активності, циклічні зміни клімату

Підвищення врожайності жита кожні 11 років, масове розмноження лемінгів щоп'ять років

1 За відкриття молекулярного механізму біологічного годинника в плодової мушки Джеффрі Голл, Майкл Росбаш і Майкл Янг отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини в 2017 році.

2 Від грец. chronos — час і typos — зразок.

Рис. 11.2. Добові зміни в організмі людини

Припливно-відпливні ритми проявляються в зоні припливів і відпливів, що відбуваються двічі на добу1. Фактично, під час приливу ділянка дна є частиною водного середовища, а під час відпливу — наземно-повітряного й ґрунтового. Внаслідок відтоку води, організми, що там живуть, залишаються без захисту від тварин наземно-повітряного середовища, які прилітають поживитися ними. Організми ж товщі води здебільшого відносяться разом із відпливом. У результаті чотири рази на добу в зоні припливів і відпливів змінюється вся екосистема: там з'являються й зникають організми!

Значна кількість змін у зовнішньому вигляді, фізіологічних процесах і поведінці тварин пов'язана зі зміною пори року. Це сезонні, або річні біоритми. Рослини й тварини ростуть, розмножуються, утворюють нащадків протягом найсприятливіших періодів у році. Процеси життєдіяльності змінюються залежно від сезону: узимку ведмеді впадають у сплячку, сповільнюючи свій метаболізм, а влітку активно рухаються, підтримуючи високий рівень обміну речовин. Так само й поведінка тварин залежить від пори року: вони мігрують, будують житло, шукають партнерів для спарювання у відповідний сезон. Річні біоритми дозволяють організмам уникати несприятливих умов і максимально ефективно використовувати сприятливі.

Через 11-річний цикл зміни сонячної активності спостерігаються багаторічні цикли збільшення продуктивності рослин, що призводять до зростання чисельності популяцій рослиноїдних тварин і хижаків. Крім того, клімат деяких регіонів має циклічних характер із різним періодом коливань, і в найбільш вологі чи теплі роки зростає врожайність рослин чи сприятливість умов для тварин. Наприклад, водяні щури Західного Сибіру мають 11-річний цикл збільшення чисельності, що пов'язано з періодичним зростанням вологості цих регіонів, а конюшина — 4-5-річні цикли зростання чисельності.

1 Період між двома припливами чи двома відпливами складає 12 годин 25,2 хвилини, тобто два припливи й два відпливи насправді тривають 24 години 50,4 хвилини.

Здатність до фотоперіодизму готує організми до майбутніх умов

Для реалізації річних біоритмів важливою є здатність організмів «заглядати в майбутнє», передбачаючи зміни умов середовища найближчим часом. Річ у тім, що зі зміною пори року повинні ставати іншими й життєві процеси. Але така перебудова потребує часу, тому організмам зручно «знати» заздалегідь, коли починати підготовку до нових умов. Найкращим параметром, що вказує на пору року, є зміна тривалості світлового дня. На відміну від температури, кількості опадів чи вологості довжина світлового дня у визначений день року в цій місцевості завжди має однакове значення, тому слугує гарним «природним календарем». Реакцію організмів на зміну тривалості світлового дня називають фотоперіодизмом1. Фотоперіодизм є характерним для видів, що виникали в умовах значних сезонних змін у навколишньому середовищі. Тому в багатьох тропічних рослин, на відміну від більшості представників помірного клімату, фотоперіодизм менше виражений, а періоди росту листків, цвітіння й плодоношення збігаються.

Короткоденні й довгоденні організми відрізняються тривалістю світлого дня, за якої вони розмножуються чи переходять у стан спокою

За типом фотоперіодичної реакції виділяють три основні групи істот: короткого дня, довгого дня й нейтральні до зміни його довжини (табл. 11.2, рис. 11.3). Рослини короткого дня починають цвісти, коли тривалість світлового дня починає зменшуватися: наприкінці літа та восени. Здебільшого ці організми є розповсюдженими в широтах із теплим і дощовим кліматом, де весна й літо характеризуються великою спекою, тоді як восени й узимку там багато дощів. Із метою пристосування до таких умов рослини короткого дня розвиваються й розмножуються, коли день стає коротшим. Рослини ж довгого дня цвітуть за великої тривалості світлового дня, оскільки це найсприятливіший період у році. Коли довжина дня починає зменшуватися, вони переходять до стану спокою, скидають листя або частково відмирають. Для таких рослин найхарактернішими регіонами походження є помірні й приполярні широти.

Таблиця 11.2. Поділ організмів за типом фотоперіодичної реакції

Група організмів

Початок цвітіння чи розмноження

Перехід у стан спокою

Приклади

Організми короткого дня

За короткого світлого дня (10-11 год.)

За довгого світлого дня

Конопля, тютюн, рис; тутовий шовкопряд

Організми довгого дня

За довгого світлого дня (13-14 год.)

За короткого світлого дня

Овес, картопля, салат; колорадський жук, лелеки

Фотоперіодично нейтральні

Не залежить від тривалості світлового дня

Не залежить від тривалості світлового дня

Огірки, томати; муха цеце

1 Від грец. photos — світло і periodos — шлях довкола.

Рис. 11.3. Час цвітіння рослин короткого й довгого дня

Суниця починає цвісти, коли тривалість дня зменшується (права колонка), а гвоздика — коли зростає (ліва колонка).

Тривалість світлового дня впливає й на тварин. Здебільшого вони сприймають довжину дня завдяки очам і поверхні тіла. Улітку більшість комах помірних широт, як представників тварин довго дня, активно харчуються, ростуть і розмножуються. А восени ціпеніють. Навесні ж, зі збільшенням довжини дня, із яєць розвиваються личинки, а дорослі організми знову паруються. До речі, значний внесок у вивчення фотоперіодизму в комах зробив ентомолог українського походження Олександр Данилевський. Для перелітних птахів зменшення тривалості дня є сигналом для підготовки до відльоту в теплі краї, а збільшення — до побудови гнізд і залицяння. Таким чином, рослини й тварини мають спадково закладені програми реагування на зміну тривалості дня, що забезпечує їхнє краще пристосування до сезонних змін у природі.

Інформацію про тип фотоперіодичної реакції використовують у сільському господарстві. Якщо знати, за якої тривалості доби ріст рослини чи тварини є найкращим, то, за умови вирощування на закритому ґрунті1 чи розведення в приміщенні, можна підлаштувати освітлення так, щоб продуктивність сорту рослин чи породи тварин була максимальною (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Використання знань про фотоперіодизм

Збільшуючи тривалість світлового дня за рахунок штучного освітлення, можна збільшувати швидкість росту рослин у теплиці (А) чи яйценосність курей (Б).

1 Тобто вирощування в приміщенні, не під відкритим небом.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Сергій навчається в першу зміну, і йому найлегше розв'язувати вправи з алгебри, коли вона стоїть у розкладі на перших чотирьох уроках. Увечері він швидко втомлюється й лягає спати о 10-тій годині. Який хронотип має хлопець?

  • А «жайворонок»
  • Б «голуб»
  • В «сова»
  • Г «яструб»

• 2. Розгляньте схему добових вертикальних міграцій рослиноїдного веслоногого рачка. Яка з причин може бути поясненням його поведінки?

  • А уночі на поверхні менше водоростей
  • Б удень на глибині вода тепліша
  • В удень на глибині рачки менш помітні
  • Г уночі на глибині немає хижаків

• 3. Фотоперіодизм у живих організмів забезпечує

  • А здатність змінювати життєдіяльність відповідно до пори року
  • Б зміну положення листків щодо висоти сонця над горизонтом
  • В зміну пори року
  • Г можливість реагування на зміну інтенсивності фотосинтезу

• 4. Увідповідніть приклад біоритму із його типом.

  • 1 листопад
  • 2 збільшення врожаю жолудів
  • 3 розмноження бермудського вогняного черва в період молодого Місяця
  • 4 обертання листків ребром до сонця під час денної спеки
  • А добовий біоритм
  • Б припливно-відпливний біоритм
  • В місячний біоритм
  • Г річний біоритм
  • Д багаторічний біоритм

У житті все просто

• 5. Поясніть біологічне значення кожного типу адаптивного біоритму.

• 6. Наведіть приклади сезонних біоритмів у людини. Доведіть, що вони мають адаптивне значення.

У житті не все просто

• 7. Місячні біоритми поширені в гідробіонтів і майже не зустрічаються в наземних організмів. Якими можуть бути причини такого вибіркового впливу Місяця?

• 8. Чому на рис. 11.4, А теплиця освітлюється пурпуровим світлом? Поясніть вибір кольору освітлення як з біологічної, так і з економічної точки зору.

Проект для дружної компанії

• 9. За допомогою кількох різних тестів визначте власний хронотип. Обговоріть результати з друзями і виберіть найкращий тест на визначення хронотипу. Запропонуйте за допомогою цього тесту визначити хронотипи ваших однокласників і однокласниць, вчителів і вчительок.