4. Адаптивні біологічні ритми.

Живі організми існують в просторі й часі. Навколишня нежива природа ритмічна. Внаслідок обертання Землі навколо своєї осі відбувається зміна дня і ночі, навколо Сонця – пір року. Організми пристосувалися до цих зовнішніх циклічних змін і у них виробилися власні внутрішні ритмічні процеси життєдіяльності. Тому природні ритми для будь-якого організму можна поділити на зов­нішні (циклічні зміни у навколишньому середовищі) і внутрішні (пов’язані з його власною життєдіяльністю).

Основні зовнішні ритми.

Ці ритми мають геофізичну природу, оскільки зв’язані з обертанням Землі відносно Сонця, а також Місяця відносно Землі. Під впливом цього обертання безліч екологічних факторів на нашій планеті, особливо світловий режим, темпе­ратура, тиск і вологість повітря, атмосферне електромагнітне поле, океанічні припливи і відпливи та ін., закономірно змінюються. Крім того, на живу природу діють і такі космічні ритми як періодичні зміни сонячної активності. Для Сонця характерний 11, 80-90 - річні цикли, Місяця – 6 і 18-річні. Зміни сонячної радіації суттєво впливають на клімат нашої планети. Крім циклічного впливу абіотичних факторів зовнішніми ритмами для будь-якого організму є також закономірні зміни активності й поведінки інших живих істот.

Внутрішні цикли.

Це власні фізіологічні ритми організму. Жоден фізіологічний процес не здійснюється безперервно. Ритміч­ність виявлена у процесах синтезу ДНК і РНК у клітинах, у синтезі білків, у роботі ферментів, діяльності мітохондрій. Певному ритму підлягають поділ клітин, скорочення м’язів, робота залоз внутрішньої секреції, биття серця, дихання, збуджуваність нервової системи, тобто робота усіх клітин, органів і тканин організму. При цьому кожна система має свій власний період. Змінити його дією факторів зовнішнього середовища можна лише у вузьких межах, а для деяких процесів зовсім не можна. Таку ритміку на­зивають ендогенною.

Усі внутрішні ритми організму підпорядковані, інтегровані у цілісну систему і в кінцевому підсумку виступають як загальна періодичність поведінки організму. Ритмічно здійснюючи фізіоло­гічні функції, організм мовби відлічує час. І для зовнішніх і для внутрішніх ритмів настання чергової фази залежить насамперед від часу. Тому час виступає як один з найважливіших факторів, на який мусять реагувати живі організми, пристосовуючись до зовнішніх, циклічних змін природи.

Адап­тивні біологічні ритми.

В результаті пристосування фізіоло­гії живих істот до регулярних екологічних змін у зовнішньому се­редовищі додатково до суто фізіологічних ритмів, що підтримують безперервну їх життєдіяльність (дихання, кровообіг, поділ клітин тощо) у них виникли так звані адап­тивні біологічні ритми. Завдяки їм найважливіші біологічні функ­ції організму, такі як живлення, ріст, розмноження, збігаються з найсприятливішим для цього часу доби чи року. Серед адап­тивних біологічних ритмів них розрізняють: добові, припливно-відпливні, рівні фазам Місяця, річні, багаторічні.

Добові ритми.

Їх виявлено у різноманітних організмів — від одно­клітинних до людини. В людини відмічено добову періодичність мають понад 300 фізіологічних функцій (зміна ритму серцевих скорочень, глибини і частоти дихання, об’єму і хімічного складу сечі, потовиділення, м’язової та розумової працездатності, активності й сну тощо). Наприклад, артеріальний тиск у неї вдень вищий, ніж вночі, активність у ниркових клубочках найвища між 3 і 6 годиною, вміст адреналіну в крові найвищий вранці, а мінімум – біля 18 годин та ін.

Крім того, за гіпотезою чеського психолога Г. Свободи і німецького лікаря В. Флейса (кінець XIX початок XX ст.) у людини існують ще три цикли (від моменту народження), які зв’язані з фізіологічною активністю (23 доби), емоціональною (28) та інтелектуальною (33) доби. На середині даних циклів є критичний день. Перша половина циклу до критичного дня вважається позитивною (зростання працездатності, покращення фізичного, емоціонального та інтелектуального стану). Друга половина – несприятливий період, упродовж якого стан погіршується.

У критичні дні фізичного циклу частіше трапляються нещасні випадки, емоціонального – емоційні зриви, інтелектуального – погіршення розумової роботи. Критичні дні співпадають раз на рік.

За зміною періодів сну й активного часу тварин поділяють на денних і нічних. Яскраво виражена денна активність, наприклад, у домашніх курей, більшості горобиних птахів, ховрахів, мурашок, бабок. Типово нічні тварини — їжаки, кажани, сови, кабани, біль­шість котів, трав’яні жаби, таргани та багато інших. Деякі види мають приблизно однакову активність як удень, так і вночі, з чер­гуванням коротких періодів діяльності й спочинку. Такий ритм на­зивають пофазним (численні землерийки, ряд хижаків тощо).

У ряду тварин добові зміни зачіпають переважно рухову актив­ність і не супроводжуються суттєвими відхиленнями фізіологічних функцій, скажімо, у гризунів. Найяскравіші приклади фізіологіч­них зрушень протягом доби дають кажани. Улітку в часи денного спокою багато з них ведуть себе як пойкілотермні тварини. Тем­пература їхнього тіла тоді майже така, як і температура середовища; пульс, дихання, збуджуваність органів чуттів різко понижені. Щоб злетіти, потривожений кажан довго розігрівається за раху­нок хімічної теплопродукції. Увечері й уночі — це типові гомойо­термні ссавці з високою температурою тіла, активними і точними рухами, швидкою реакцією на здобич і ворогів.

В одних видів періоди активності суворо приурочені до певного часу доби, в інших — можуть зміщуватися залежно від обстанов­ки. Активність пустельних мокриць чи жуків-чорнишів зміщується на різний час доби, залежно від температури і воло­гості на поверхні ґрунту. Вони виходять з нірок або рано-вранці й увечері (двофазний цикл), або лише вночі (однофазний), або протягом цілого дня.

Відрізнити ендогенні добові ритми від екзогенних, тобто тих, які нав’язуються навколишнім середовищем, можна в експеримен­ті. У багатьох видів при повній стабільності зовнішніх умов (тем­пература, освітленість, вологість тощо) довгий час продовжують зберігатися цикли, близькі за періодом до добового. У дрозофіл, наприклад, такий ендогенний ритм простежується протягом десят­ків поколінь. Таким чином, добова циклічність життєдіяльності переходить у природжені, генетичні властивості виду. Такі ендо­генні ритми дістали назву циркадних (лат. circa - близько і dies - день, доба), оскільки тривалість їх неоднакова у різних особин одного виду, трохи відрізняючись від середнього, 24-годинного періоду.

Летяги, для яких характерна присмеркова активність, проси­наються увечері синхронно, у точно визначений час. В експери­менті, перебуваючи у повній темряві, вони зберігають близькодобовий ритм. Однак свій ,,день” одні особини починають на кілька хвилин раніше; другі — на кілька хвилин пізніше за звичайний добовий цикл. Якщо, наприклад, циркадний ритм коротший за до­бовий на 15 хв, то для такого звірка через три дні розбіжність у часі із зовнішнім ритмом становитиме 45 хв, через 10 днів — 2,5 год. і т. д. Отже, всі летяги через кілька діб просинаються і починають рухатися у зовсім різний час, хоча кожна зберігає ста­лість свого циклу. При відновленні зміни дня і ночі сон і актив­ність звірків знову синхронізуються. Таким чином, зовнішній добовий цикл регулює тривалість природжених циркадних ритмів, по­годжуючи їх із зміною середовища.

У людини циркадні ритми вивчались в різноманітних ситуа­ціях: у печерах, герметичних камерах, підводних плаваннях тощо. 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 і тієї ж сім’ї.

Відомий стереотип поведінки, зумовлений циркадним ритмом, полегшує існування організмів при добових змінах середовища. Однак при розселенні тварин і рослин, а також в разі потраплян­ня їх в географічні умови з іншою ритмікою дня і ночі надто міцний стереотип може стати несприятливим. Тому можливості розселення ряду видів обмежені глибоким закріпленням їхніх циркадних ритмів. Так, скажімо, сірі щурі відрізняються від чор­них значно більшою пластичністю добового циклу. У чорних щурів він майже не піддається перебудові, і вид має обмежений ареал, тоді як сірі щурі поширились практично по всьому світу.

У більшості видів перебудова циркадного ритму можлива. Як правило, вона відбувається не одразу, а захоплює кілька циклів і супроводжується рядом порушень у фізіологічному стані організму. Наприклад, у людей, які здійснюють перельоти на значні відстані в широтному напрямі, настає десинхронізація їхнього фізіологіч­ного ритму з місцевим астрономічним часом. Організм спочатку продовжує функціонувати по-старому, а потім починає перебудо­вуватись. При цьому відчувається підвищена втомлюваність, не­здужання, бажання спати вдень і діяти вночі. Адаптивний період триває від кількох днів до двох тижнів.

Десинхронізація ритмів являє собою важливу медичну пробле­му в організації нічної і змінної роботи осіб ряду професій, у космічних польотах, підводних плаваннях, роботах під землею тощо.

Циркадні й добові ритми лежать в основі здатності організму відчувати час. Цю здатність живих істот називають ,,біологічним годинником”.

Ряду високоорганізованих тварин властива складна природже­на здатність використовувати орієнтацію в часі для орієнтації у просторі. Птахи при тривалих перельотах також постійно кори­гують напрям відносно Сонця або поляризованого світла неба, враховуючи час доби. ,,Біологічний годинник” живих організмів орієнтує їх не тільки у добовому циклі, й у більш складних гео­фізичних циклах змін природи.

Припливно-відпливні ритми.

Їх зумовлює рух Місяця навколо Землі. Упродовж місячної доби (24 години 50 хвилин) відбуваються два припливи і відпливи, фази яких зміщуються щодня приблизно на 50 хв. Сила припливів, крім того, закономірно міняється 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). Це змушує мешканців літоралі пристосуватись до такої зміни умов середовища. Устриці під час відпливу щільно стискають стулки і припиняють живлення. Періодичність відкри­вання і закривання черепашки зберігається у них тривалий час і в акваріумах. Вона поступово міняється, якщо перемістити аква­ріум в інший географічний район, і врешті-решт встановлюється відповідно до нового розкладу припливів і відпливів, хоча молюс­ки безпосередньо не відчувають їхньої дії. Досліди дають змогу передбачати, що перебудова зумовлена сприйманням устрицями тих змін стану атмосфери, які супроводять припливно-відпливні явища.

Рибка атерина, яка водиться біля берегів Каліфорнії, викори­стовує у своєму життєвому циклі висоту сизигійних припливів. У найвищий приплив самки відкладають ікру біля лінії води, за­копуючи її у піщаний ґрунт. З відступом води ікра залишається дозрівати у вологому піску. Вихід мальків відбувається через пів­місяця і приурочений до наступного високого припливу.

Періодичність, що дорівнює природному місяцю, виявлено як ендогенний ритм у ряду морських і наземних організмів. Вона проступає у приуроченості до певних фаз Місяця розмноження багатощетинкових червів палоло, японських морсь­ких лілей, роїння ряду комарів-хірономід і одноденок. У деяких тварин помічено періодичність, яка дорівнює природному місяцю, в реакції на світло, на слабкі магнітні поля, у швидкості орієн­тації. В людини припускається початковий зв’язок менструальних циклів із синодичним місяцем, відзначено зміни схильності до кро­вотеч в оперованих хворих тощо. Пристосувальне значення біль­шості ендогенних місячних ритмів поки що невідоме.

Річні ритми.

Це найбільш універсальні 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 і особли­вості життєвого циклу. Пристосувальний характер цих змін оче­видний: завдяки їм такий відповідальний момент у житті виду, як поява потомства, приурочується, як правило, до найсприятливі­шої пори року, а переживання критичних періодів відбувається у найбільш стійкому стані.

Чим різкіші сезонні зміни зовнішнього середовища, тим силь­ніше проступає річна періодичність життєдіяльності організмів. Сезонні линяння, міграції, запасання жирів, різні діапаузи, сплячка тощо розвинені переважно в тварин 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 називаються цирканними (лат. лат. circa і annus - рік). Особли­во чітко вони вони позначаються на циклах розмножен­ня. Так, тварини південної півкулі, утримувані в зоопарках північної, розмножуються найчастіше взимку або восени — у періоди, що відпові­дають весні й літу на їхній батьків­щині. Австралійські страуси в запо­віднику Асканія-Нова відкладали яйця взимку просто у сніг. Собака дінго приводить щенят у грудні, ко­ли в Австралії кінець весни. Із ста­лістю строків розмноження у річно­му циклі доводиться рахуватись при інтродукції і акліматизації видів.

Багаторічні ритми.

Причиною їх є зміна активності Сонця (11-и, 80-90-річні цикли) та Місяця (6-и і 18-річні). Зміна сонячної активності викликає масове розмноження сарани та інших тварин. Цикли Місяця впливають на збільшення росту і урожайності деяких рослин. Дане явище використовують у біодинамічному землеробстві з метою отримання високих урожаїв певних культур у сприятливі для них роки.