17. Общая характеристика биологических ритмов организмов.

Одно из фундаментальных свойств живой природы — циклич­ность большинства происходящих в ней процессов. Вся жизнь на Земле, от клетки до биосферы, подчинена определенным рит­мам. Природные ритмы для любого организма можно разделить на внешние (циклические изменения в окружающей среде) и внут­ренние (связанные с его собственной жизнедеятельностью).

Основные внешние ритмы имеют геофизическую природу, так как связаны с вращением Земли относительно Солнца и Луны от­носительно Земли. Под влиянием этого вращения множество эко­логических факторов на нашей планете, в особенности световой режим, температура, давление и влажность воздуха, атмосферное электромагнитное поле, океанические приливы и отливы и др., закономерно изменяются. Кроме того, на живую природу воз­действуют и такие космические ритмы, как периодические изме­нения солнечной активности. Для Солнца характерен 11-летний и целый ряд других циклов. Изменения солнечной радиации существенно влияют на климат нашей планеты. Кроме цикличе­ского воздействия абиотических факторов, внешними ритмами для любого организма являются также закономерные изменения активности и поведения других живых существ.

Внутренние циклы — это прежде всего физиологические рит­мы организма. Ни один физиологический процесс не осуществля­ется непрерывно. Ритмичность обнаружена в процессах синтеза ДНК и РНК в клетках, в сборке белков, в работе ферментов, деятельности митохондрий. Определенному ритму подчиняются деление клеток, сокращение мышц, работа желез внутренней секреции, биение сердца, дыхание, возбудимость нервной си­стемы, т. е. работа всех клеток, органов и тканей организма. При этом каждая система имеет свой собственный период. Изменить этот период действием факторов внешней среды можно лишь в узких пределах, а для некоторых процессов совсем нельзя. Та­кую ритмику называют эндогенной.

Все внутренние ритмы организма соподчинены, интегрированы в целостную систему и в конечном итоге выступают как общая пе­риодичность поведения организма. Ритмически осуществляя свои физиологические функции, организм как бы отсчитывает время. И для внешних и для внутренних ритмов наступление очередной фазы зависит прежде всего от времени. Поэтому время выступает как один из важнейших экологических факторов, на который дол­жны реагировать живые организмы, приспосабливаясь к внешним, циклическим изменениям природы.

Целый ряд изменений в жизнедеятельности организмов со­впадает по периоду с внешними, геофизическими циклами. Это так называемые адаптивные биологические ритмы — суточные, приливно-отливные, равные лунному месяцу, годовые. Благодаря им самые важные биологические функции организма, такие, как питание рост, размножение, совпадают с наиболее благоприят­ным для этого временем суток или года.

18. Суточные ритмы.

Суточный ритм обнаружен у разнообразных организмов, от одноклеточных до человека. У человека отмечено свыше 100 физиологических функций, затронутых суточной периодичностью: сон и бодрствование, изменение температуры тела, ритма сердеч­ных сокращений, глубины и частоты дыхания, объема и химиче­ского состава мочи, потоотделения, мышечной и умственной ра­ботоспособности и т. п. У амеб в течение суток изменяются темпы деления. У некоторых растений к определенному времени при­урочены открывание и закрывание цветков, поднятие и опускание листьев, максимальная интенсивность дыхания, скорость роста колеоптиля и т. д.

По смене периодов сна и бодрствования животных делят на дневных и ночных. Ярко выражена дневная активность, например, у домашних кур, большинства воробьиных птиц, сусликов, му­равьев, стрекоз. Типично ночные животные — ежи, летучие мы­ши, совы, кабаны, большинство кошачьих, травяные лягушки, тараканы и многие другие. Некоторые виды имею! приблизитель­но одинаковую активность как днем, так и ночью, с чередованием коротких периодов бодрствования и покоя. Такой ритм называют полифазным (многие землеройки, ряд хищных и др.).

У ряда животных суточные изменения затрагивают преиму­щественно двигательную активность и не сопровождаются суще­ственными отклонениями физиологических функций (например, у грызунов). Наиболее яркие примеры физиологических сдвигов в течение суток дают летучие мыши. Летом в период дневного покоя многие из них ведут себя как пойкилотермные животные. Температура их тела в это время почти равна температуре среды, пульс, дыхание, возбудимость органов чувств резко понижены. Чтобы взлететь, потревоженная мышь долго разогревается за счет химической теплопродукции. Вечером и ночью — это ти­пичные гомойотермные млекопитающие с высокой температурой тела, активными и точными движениями, быстрой реакцией на добычу и врагов.

У одних видов периоды активности строго приурочены к оп­ределенному времени суток, у других могут сдвигаться в зависи­мости от обстановки. Так, открывание цветков шафрана зависит от температуры, соцветий одуванчика — от освещенности: в па­смурный день корзинки не раскрываются. Активность пустынных мокриц или жуков-чернотелок: сдвигается на разное время суток, в зависимостей от температуры и влажности на поверхности почвы. Они выходят из норок либо рано утром и вечером (двух­фазный цикл), либо только ночью (однофазный), либо в течение всего дня.

Отличить эндогенные суточные ритмы от экзогенных, т. е. навязываемых внешней средой,, можно в эксперименте. У многих видов при полном постоянстве внешних условий (температуры, освещенности, влажности и т. п,) продолжают длительное время сохраняться циклы, близкие по периоду к суточному. У дрозофил, например, такой эндогенный ритм прослеживается в течение де­сятков поколений. Таким образом, суточная цикличность жизне­деятельности переходит во врожденные, генетические свойства вида. Такие эндогенные ритмы получили название циркадных (от Лат circa — около и dies — день, сутки), так как длительность их неодинакова у разных особей одного вида, слегка отличаясь от среднего, 24-часового периода

Летяги, для которых характерна сумеречная активность, просыпаются вечером синхронно,. в строго определенный час. В эксперименте, находясь в полной темноте, они сохраняют около­суточный ритм. Однако одни особи начинают свой «день» на не­сколько минут раньше; другие —- на несколько минут позже обыч­ного суточного цикла. Если, например, циркадный ритм короче суточного на 15 мин, то для такого зверька через три дня расхож­дение Во времени с внешним ритмом составит 45 мин, через 10 дней — уже 2,5 ч и т. д. Поэтому все летяги через несколько су­ток просыпаются и начинают двигаться в совершенно развое вре­мя, хотя каждая сохраняет постоянство своего цикла. При вос­становлении смены дня и ночи сон и бодрствование зверьков вновь синхронизируются. Таким образом, внешний суточный цикл ре­гулирует продолжительность врожденных циркадных ритмов, согласуй их с изменением среды.

У человека циркадные ритмы изучались в различных ситуа­циях: в пещерах, герметических камерах, подводных плаваниях и т. п. Обнаружилось, что в отклонениях от суточного цикла у человека большую роль играют типологические особенности нерв­ной системы. Циркадные ритмы могут быть различны даже у членов одной и той же семьи.

Известный стереотип поведения, обусловленный циркадвым ритмом, облегчает существование организмов при суточных изме­нениях среды. Однако при расселении животных и растений и попадании их в географические условия с иной ритмикой дня и ночи слишком прочный стереотип может стать неблагоприятным.

Поэтому расселительные возможности ряда видов ограничены глубоким закреплением их циркадных ритмов. Так, например, серые крысы отличаются от черных значительно большей пластич­ностью суточного цикла. У черных крыс он почти не поддается перестройке, и вид имеет ограниченный ареал, тогда как серые крысы распространились практически по всему миру.

У большинства видов перестройка циркадного ритма возмож­на. Обычно она происходит не сразу, а захватывает несколько циклов и сопровождается рядом нарушений в физиологическом со­стоянии организма. "Например, у людей, совершающих перелеты на значительные расстояния в широтном направлении, наступа­ет десинхронизация их физиологического ритма с местным астро­номическим временем. Организм сначала продолжает функциони­ровать по-старому, а затем начинает перестраиваться. При этом чувствуется повышенная усталость, недомогание, желание спать днем и бодрствовать ночью. Адаптивный период продолжается от нескольких дней до двух недель.

Десинхронизация ритмов представляет важную медицинскую проблему в организации ночной и сменной работы лиц ряда про­фессий, в космических полетах, подводных плаваниях, работах под землей и т. п.

Циркадные и суточные ритмы лежат в основе способности организма чувствовать время. Эту способность живых существ называют «биологическими часами».

Ряду высокоорганизованных животных присуща сложная врожденная способность использовать ориентацию во времени для ориентации в пространстве. Птицы при длительных перелетах также постоянно корректируют направление по отношению к Солнцу или поляризованному свету неба, учитывая время суток. ^Биологические часы» живых организмов ориентируют их не только в суточном цикле, но и в более сложных геофизических циклах изменений природы.