34. Адаптивні біологічні ритми біологічних систем різного рівня організації. Типи адаптивних біологічних ритмів організмів.

1.Адаптивні біологічні ритми біологічних систем різного рівня організації.

Біологі́чні ри́тми, або біоритми — циклічні коливання інтенсивності та характеру біологічних процесів, їх кількісні й якісні зміни, що відбуваються на всіх рівнях життя – молекулярному, клітинному, тканинному органному, організмовому, популяційному і біосферному.

Вивчення біоритмічних процесів сприяло створенню нової наукової дисципліни – хронобіології (від грец. хронос - час), яка вивчає процеси життєдіяльності й поведінку організмів, а також їхній взаємозв'язок із впливами довкілля.

Життєдіяльність живих організмів носить ритмічний характер. Ритми, що існують у природі, можна поділити на зовнішні та внутрішні.

Зовнішні ритми пов’язані з циклічними змінами в навколишньому середовищі. Обертання Землі навколо своєї осі та Сонця, Місяця навколо Землі спричинює морські припливи та відпливи, зміни температури, дня і ночі, вологості. Це зумовлює у природі сезонні, добові зміни.

Періодичні зміни інтенсивності екологічних факторів впливають на формування у живих істот адаптивних біологічних ритмів: добових, припливно-відпливних, сезонних, річних тощо.

Внутрішні ритми обумовлені життєдіяльністю організмів. Формування внутрішніх ритмів пов’язане з існуванням зовнішніх, пристосуванням до тих явищ, які вони викликають. Внутрішні біоритми (ритм дихання, серцебиття, травлення, виділення) відносно самостійні біологічні цикли живих організмів.

Біоритми мають різну періодичність: частки секунди, секунди, хвилини, добу, місяць, рік, певну кількість років.

            Тепер біоритмічність визнано однією з основних властивостей усіх живих істот. Вона є важливим механізмом регуляції функцій, що забезпечує здатність організмів до підтримання сталості внутрішнього середовища і пристосування до змін довкілля. Протягом сотень мільйонів років еволюції тривав процес пристосування до них, вироблялися ритмічні процеси життєдіяльності.

           

2.Типи адаптивних біологічних ритмів організмів.

Розрізняють добові, сезонні, припливно-відпливні, багаторічні(річні) типи адаптивних біологічних ритмів організмів та їхніх угруповань..

Добові біоритми.

Найбільше вивчені добові біоритми, пов'язані з обертанням Землі навколо своєї осі. Як і всі адаптаційні системи організму, вони склалися в процесі еволюції. "Метрономом" цього біоритму є гіпоталамус.

Унаслідок обертання Землі навколо своєї осі двічі на добу змінюється освітленість, що зумовлює коливання температури, вологості та інших абіотичних факторів, які впливають на активність організмів. Зокрема, сонячне світло визначає періодичність фотосинтезу, випаровування води рослинами, час відкривання й закривання квіток тощо. Ви вже знаєте, що зміна дня і ночі впливає на процеси життєдіяльності тварин: рухову активність, обмін речовин та ін. У людини виявлено понад 100 життєвих функцій, інтенсивність яких залежить від часу доби(дихання, частота серцевих скорочень, сон).

Найпростіший приклад біоритмів характеризує коливання рівнів процесів життєдіяльності: максимальна активність і працездатність уранці (8-ма - 12-та год.), мінімальні - у середині дня (12-та - 16-та год.); другий максимум - увечері (16-та -22-га год.), а найвираженіша мінімальна активність - уночі й на початку ранку (22-га - 8-ма год.) Тож будь-які штучні порушення звичних ритмів призводять до перевтоми організму.

Найважливіший добовий ритм людини - це чергування сну і неспання. Середня тривалість сну - не менше семи годин. Утім, співвідношення сну і неспання дуже індивідуальне. У народі людей розподіляють на "жайворонків" та "сов". "Жайворонки" - це ті, хто рано прокидаються і рано лягають спати. "Сови", навпаки, спати лягають пізно і просинаються теж пізніше. "Жайворонки" - бадьорі, життєрадісні, енергійні в першій половині дня, "сови" - у другій. Людей, активність яких не має чітко вираженої залежності від періоду доби, іноді називають "голубами".

Стан організму людини залежить від її внутрішнього біоритму. Протягом доби більшість фізіологічних процесів періодично коливається. Відомо близько 300 функцій із добовою періодичністю. Різні функції організму мають неоднаковий ритм інтенсивності. Встановлено, що ритмічно змінюється температура тіла людини. У денні години вона підвищена (її максимальне значення припадає на 18 годину), а вночі знижується (її мінімальне значення припадає на час між першою годиною ночі й п'ятою годиною ранку. Хоча сучасна людина і створила навколо себе штучне температурне середовище, температура її тіла протягом доби коливається, як і багато років тому. Це пов’язано з тим, що вдень обмін речовин інтенсивніший, що зумовлює підвищення активності організму. Добовий ритм температури тіла досить сталий.  При патологічних станах організму багато його ритмів порушується.

Інтенсивність більшості фізіологічних процесів підвищується вранці й знижується вночі. Ці дані слід враховувати, плануючи режим дня. Вивчення біологічних ритмів дає змогу людині виробити найсприятливіший режим праці й відпочинку.

Добові біоритми контролюються "біологічним годинником" - це пристосувальний механізм, що забезпечує здатність живих організмів орієнтуватися в часі. Він ґрунтується на строго періодичних фізико-хімічних процесах, які відбуваються в організмі. Завдяки "біологічному годинникові" організми орієнтуються щодо періоду доби (спокій або активність тварин вдень, вночі, в темряві, добові ритми руху рослин, ритмічність поділу клітин у людини тощо), зміни пори року (линяння тварин, листопад у рослин).

Сезонні біоритми. Це цикл коливання чисельності та активності тварин і рослин протягом року, так як сезонні ритми пов’язані з обертанням Землі навколо Сонця, що зумовлює річні цикли змін кліматичних умов. З певною порою року в організмів пов’язані періоди розмноження, розвитку, стан зимового спокою, у тварин, зокрема, линяння, міграції, сплячка, а у листопадних рослин – щорічна зміна листя. Сезонні ритми впливають не лише на процеси життєдіяльності організмів, а й на їхню будову. Наприклад, у дафній і попелиць протягом року в особин різних поколінь закономірно змінюються розміри тіла і особливості будови певних його частин.

Восени у рослин формуються зимуючі бруньки, дерев'яніють пагони на деревах і кущах, відбувається відтік поживних речовин із листків в інші органи, листки потім опадають; зменшується кількість комах; перелітні птахи відлітають у вирій. Взимку настає зимовий спокій у рослин; у холоднокровних тварин зимують дорослі організми (комарі, мухи, деякі жуки), лялечки (білан капустяний), яйця (непарний шовкопряд). У холоднокровних тварин знижується вміст води в організмі, обмін речовин і використання кисню, великий вміст поживних речовин у тканинах (жирів і вуглеводів), підвищується концентрація гліцерину в тканинах рослин, який запобігав замерзанню клітинного соку. У теплокровних тварин осіннє линяння птахів і ссавців поліпшує теплоізоляцію; перелітні і кочуючи птахи мігрують; кажани і деякі гризуни впадають у сплячку або в зимовий сон (ведмеді і борсуки).

Припливно-відпливні біоритми.

Припливно-відпливні ритми зумовлені обертанням Місяця навколо Землі. Найчіткіше вони простежуються у мешканців припливно-відпливної зони. Протягом місячної доби (24 години 50 хвилин) відбувається по два припливи і відпливи, що спонукає організми пристосовуватися до таких періодичних змін умов існування. 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 припливно-відпливної зони закривають свої черепашки (молюски), будиночки (вусоногі раки, деякі багатощетинкові черви), закопуються в пісок. Натомість на ділянках, які  звільнилися від води, з’являються тварини -  мешканці наземно-повітряного середовища (кліщі, комахи, птахи тощо), які знаходяться тут достатню кількість їжі (скупчення водоростей, рештки тварин та ін.).  Деякі види тварин (наприклад, ваблячий краб, що мешкає на Атлантичному узбережжі) залежно від припливу чи відпливу змінюють своє забарвлення. З ритмом припливів і відпливів пов’язане і розмноження деяких мешканців цієї зони. Так, самка риби атерини, яка мешкає біля узбережжя Каліфорнії, під мас високих припливів підпливає до берега і закопує ікру в пісок, а після нересту повертається в море. Личинки виходять з ікринок під час наступного високого припливу. Отже, нерест атерини залежить від певної фази Місяця. З цим фактором пов’язане і розмноження багатощетинкових червів, наприклад тихоокеанського палоло.

Багаторічні біоритми.

У багатьох організмів спостерігають багаторічні цикли, пов’язані з неперіодичними змінами сонячної активності протягом кількох років. Але такі ритми виражені не так чітко, як сезонні. Прикладом багаторічних циклів є масові розмноження перелітної сарани, метеликів, мишовидних гризунів. Звичайно періоди сонячної активності настають приблизно кожні 11 років.

3. Фотоперіодизм і його адаптивне значення.

Одним із провідних факторів, які впливають на біологічні ритми організмів, є фотоперіод – тривалість світлового періоду доби.

Фотоперіодизм - це сукупність спадкових реакцій живих організмів на зміни довжини світлового дня. Довжина світлового дня не змінюється та досить постійна в певний день року певного місяця на відміну від інших екологічних чинників (вологості, температури, тиску), які можуть змінюватись протягом доби.

 Фотоперіодизм краще виявляється у організмів, що живуть в умовах чітко виражених змін сезонів. Здатність реагувати на зміну довжини світлового дня дає можливість передчасно готуватись до щорічних змін сезонів.

Фотоперіодизм тісно пов’язаний з явищем “біологічного годинника”, утворюючи досконалий механізм регулювання життєвих функцій організму. У рослин на зміну тривалості світлового періоду доби насамперед реагують листки: в їхніх клітинах утворюються біологічно активні речовини (фітогормони), які впливають на різні процеси життєдіяльності рослин (цвітіння, листопад тощо). У тварин реакції фотоперіодизму регулюють нервова система та система залоз внутрішньої секреції. Наприклад, у період найдовших днів нервові клітини деяких комах виробляють нейрогормони, під впливом яких відкладені яйця можуть тривалий час перебувати в стані спокою. Личинки з цих яєць виходять лише навесні наступного року, коли є достатньо їжі та сприятливі кліматичні умови. Завдяки цьому регулюється зростання чисельності популяції, що запобігає виснаженню кормових ресурсів. У тварин з фотоперіодизмом пов’язані процеси міграцій, розмноження, гніздування тощо.

Фотоперіодизм впливає на функціонування екосистем у цілому. Він зумовлює сезонні зміни одних видів іншими (наприклад, цвітіння одних рослин замінюється іншими).

Фотоперіодизм, як правило, виявляється лише за певного поєднання з іншими екологічними факторами. Так, вихід комах із зимуючих лялечок залежить не лише від довжини світлового періоду доби, а й від температури довкілля.

Дослідження фотоперіодизму має важливе практичне значення. Змінюючи довжину світлового періоду в умовах штучного утримання свійських тварин і культурних рослин, можна регулювати процеси їхнього росту і розвитку, підвищувати продуктивність, стимулювати розмноження тощо. В умовах штучного освітлення взимку кури не перестають нести яйця.

У рослин

Фотоперіодизм у рослин проявляється в зміні процесів росту та розвитку. Один з основних проявів цієї реакції – фотоперіодична індукція цвітіння.

    Рослини короткого дня, яким для переходу до цвітіння потрібно світла 12 і менше годин на добу (коноплі, тютюн, рис, соя, конопля; субтропіки);

    Рослини довгого дня, для фази цвітіння їм потрібна довжина дня понад 12 годин на добу (картопля, пшениця, шпинат, злаки, хрестоцвіті, кріп; поширені в основному в помірних та приполярних широтах );

    Рослини проміжного типу, цвітіння в яких наступає при певному діапазоні фотоперіодизму, наприклад гваюла;

    Рослини фотоперіодично нейтральні, цвітіння в яких відбувається при будь-якій довжині дня (помідор, кульбаба, гречка, горох тощо).

Особливо велику роль фотоперіодизм відіграє в географічному поширенні рослин і в регуляції їх сезонного ритму.

У тварин

У тварин і людини фотоперіодізм виражається головним чином в коливаннях інтенсивності обміну речовин і енергії. У тварин з фотоперіодізмом зв'язані також терміни настання і припинення шлюбного періоду, плодючість, осінні і весняні ліньки, перехід до зимівлі, міграції і ін. За відношенням до світла тварини поділяються на групи в залежності від того, який спосіб життя вони ведуть: денні, нічні сутінкові. Вагомий внесок у вивчення фотоперіодизму як регулятора сезонних змін у житті членистоногих зробив знаний ентомолог, полтавчанин О. С. Данилевський.