Ritme adaptif kehidupan
Kehidupan di Bumi berkembang dalam kondisi perubahan siang dan malam yang teratur dan pergantian musim karena rotasi planet di sekitar porosnya dan mengelilingi Matahari. Ritme lingkungan eksternal menciptakan periodisitas, yaitu pengulangan kondisi dalam kehidupan sebagian besar spesies. Baik periode kritis, sulit untuk bertahan hidup, dan periode yang menguntungkan berulang secara teratur.
Adaptasi terhadap perubahan periodik di lingkungan eksternal diekspresikan pada makhluk hidup tidak hanya melalui reaksi langsung terhadap faktor-faktor yang berubah, tetapi juga dalam ritme internal yang ditetapkan secara turun temurun.
ritme harian. Ritme harian menyesuaikan organisme dengan perubahan siang dan malam. Pada tumbuhan, pertumbuhan intensif, pembungaan bunga diatur pada waktu tertentu dalam sehari. Hewan di siang hari sangat mengubah aktivitas. Atas dasar ini, spesies diurnal dan nokturnal dibedakan.
Ritme harian organisme bukan hanya cerminan dari perubahan kondisi eksternal. Jika Anda menempatkan seseorang, atau hewan, atau tumbuhan di lingkungan yang konstan dan stabil tanpa perubahan siang dan malam, maka ritme proses kehidupan dipertahankan, dekat dengan yang sehari-hari (Gbr. 35). Tubuh, seolah-olah, hidup sesuai dengan jam internalnya, menghitung waktu.
Ritme harian dapat menangkap banyak proses dalam tubuh. Pada manusia, sekitar 100 karakteristik fisiologis tunduk pada siklus harian: detak jantung, ritme pernapasan, sekresi hormon, sekresi kelenjar pencernaan, tekanan darah, suhu tubuh, dan banyak lainnya. Oleh karena itu, ketika seseorang terjaga alih-alih tidur, tubuhnya masih disetel ke kondisi malam dan malam tanpa tidur berdampak buruk bagi kesehatan.
Namun, ritme diurnal tidak muncul di semua spesies, tetapi hanya pada mereka yang dalam hidupnya perubahan siang dan malam memainkan peran ekologis yang penting. Penghuni gua atau perairan dalam, di mana tidak ada perubahan seperti itu, hidup menurut ritme lain. Dan di antara penghuni terestrial, periodisitas harian tidak terdeteksi pada semua orang. Misalnya, tikus kecil mengubah aktivitas dan istirahat setiap 15-20 menit, terlepas dari siang atau malam. Karena tingkat metabolisme yang tinggi, mereka dipaksa untuk makan sepanjang waktu.
Pelanggaran ritme harian tubuh
Dalam percobaan di bawah kondisi yang sangat konstan, lalat buah Drosophila mempertahankan ritme harian selama puluhan generasi. Periodisitas ini diwariskan di dalamnya, seperti pada banyak spesies lainnya. Begitu dalam adalah reaksi adaptif yang terkait dengan siklus harian lingkungan eksternal.
Pelanggaran ritme sirkadian tubuh selama kerja malam, penerbangan luar angkasa, scuba diving, dll., Merupakan masalah medis yang serius.
ritme tahunan. Ritme tahunan menyesuaikan organisme dengan perubahan musiman dalam kondisi (Gbr. 36). Dalam kehidupan spesies, periode pertumbuhan, reproduksi, ganti kulit, migrasi, dormansi dalam secara alami bergantian dan berulang sedemikian rupa sehingga organisme memenuhi musim kritis dalam keadaan paling stabil. Proses yang paling rentan - reproduksi dan pemeliharaan hewan muda - jatuh pada musim yang paling menguntungkan. Periodisitas perubahan keadaan fisiologis sepanjang tahun ini sebagian besar bersifat bawaan, yaitu, ia memanifestasikan dirinya sebagai ritme tahunan internal. Jika, misalnya, burung unta Australia atau anjing dingo liar ditempatkan di kebun binatang di belahan bumi utara, musim kawin mereka akan dimulai pada musim gugur, ketika musim semi di Australia. Restrukturisasi ritme tahunan internal terjadi dengan kesulitan besar, melalui sejumlah generasi.
Persiapan untuk reproduksi atau overwintering adalah proses panjang yang dimulai pada organisme jauh sebelum permulaan periode kritis.
Perubahan cuaca jangka pendek yang tajam (salju musim panas, pencairan musim dingin) biasanya tidak mengganggu ritme tahunan tumbuhan dan hewan. Faktor lingkungan utama yang ditanggapi organisme dalam siklus tahunannya bukanlah perubahan cuaca acak, tetapi periode foto - perubahan rasio siang dan malam.
Lamanya siang hari berubah secara alami sepanjang tahun, dan perubahan inilah yang menjadi sinyal akurat akan datangnya musim semi, musim panas, musim gugur, atau musim dingin.
Kemampuan organisme untuk merespon perubahan panjang hari disebut fotoperiodisme.
Jika hari dipersingkat, spesies mulai bersiap untuk musim dingin, jika memanjang - untuk pertumbuhan dan reproduksi aktif. Dalam hal ini, untuk Kehidupan organisme, bukan faktor perubahan panjang siang dan malam yang penting, tetapi nilai sinyalnya, yang menunjukkan perubahan besar yang akan datang di alam.
Seperti yang Anda ketahui, panjang hari sangat tergantung pada garis lintang geografis. Di belahan bumi utara di selatan, hari musim panas jauh lebih pendek daripada di utara. Oleh karena itu, spesies selatan dan utara bereaksi berbeda terhadap jumlah perubahan hari yang sama: spesies selatan mulai berkembang biak pada hari yang lebih pendek daripada spesies utara.
Contoh dan informasi tambahan
Penjelajah gua - ahli speleologi mempelajari ritme harian mereka secara mendetail. Mereka turun ke dalam gua untuk waktu yang lama (1-3 bulan) tanpa jam dan membuat jadwal kerja, tidur, makan dan istirahat mereka berdasarkan waktu mereka sendiri. Komunikasi dengan permukaan berlangsung satu arah, mereka tidak menerima informasi apapun dari luar. Di luar, sinyal mereka direkam dan dianalisis dengan cermat. Ternyata dalam kondisi konstan seseorang mempertahankan siklus tidur dan terjaga yang teratur, tetapi periode siklus ini tidak persis sama dengan 24 jam, tetapi mungkin berbeda beberapa menit. Selama beberapa hari, perbedaan ini diringkas, dan setelah beberapa saat, para penjelajah gua pergi tidur ketika siang hari di permukaan, dan tetap terjaga di malam hari. Di akhir percobaan, ternyata hitungan mundur mereka selama beberapa hari tidak sesuai dengan tanggal sebenarnya.
Hasil yang sama diperoleh dalam berbagai percobaan dengan hewan. Ritme internal mereka dalam kondisi konstan ternyata tidak sepenuhnya diurnal, tetapi sirkadian; ketika siang dan malam berubah, ritme eksternal, seolah-olah, mengoreksi yang internal dan mengaturnya selama 24 jam.
Ritme paling kompleks adalah di antara penghuni zona intertidal laut. Jadi, di lepas pantai Samudra Atlantik, air naik dan turun dua kali sehari dengan periode 12,4 jam. Akibatnya, waktu yang tepat dari pasang surut secara bertahap bergeser. Saat air surut, moluska meremas cangkangnya dengan erat, dan krustasea bersembunyi di pasir atau di bawah ganggang basah. Selain itu, periodisitas harian ditumpangkan pada ritme kehidupan mereka ini. Crustacea dan kepiting lebih aktif pada saat pasang surut di siang hari daripada di malam hari.
Dalam satu percobaan, tupai terbang disimpan di kandang dalam kegelapan yang konstan. Hewan-hewan ini di alam aktif di malam hari dan tidur di siang hari. Dengan pergantian siang dan malam yang teratur, mereka bangun bersama dan tertidur pada waktu yang hampir bersamaan. Namun, dalam percobaan, setiap tupai terbang hidup sesuai dengan ritme sirkadiannya sendiri, dan ternyata sedikit berbeda pada individu yang berbeda: pada beberapa individu ia tertinggal 5-10 menit, pada yang lain beberapa menit lebih cepat. hari ini. Akibatnya, setelah periode tertentu, terjadi ketidakcocokan total dari keseluruhan aktivitas: setiap hewan bangun dan tertidur pada waktunya sendiri. Ketika pergantian siang dan malam dipulihkan, aktivitas tupai terbang diperintahkan lagi.
Spesies dengan distribusi yang luas merespon secara berbeda terhadap panjang hari yang sama di bagian yang berbeda dari jangkauan mereka. Panjang kritis hari, di mana pertumbuhan dan perkembangan larva kupu-kupu sapi berhenti, adalah 14,5 jam di garis lintang Sukhumi, 18,06 jam di sekitar Vitebsk, dan 19,5 jam di dekat St. Petersburg.
Deskripsi presentasi pada slide individu:
1 slide
Deskripsi slide:
2 slide
Deskripsi slide:
Kehidupan di Bumi berkembang dalam kondisi perubahan siang dan malam yang teratur dan pergantian musim karena rotasi planet di sekitar porosnya dan mengelilingi Matahari. Ritme lingkungan eksternal menciptakan periodisitas, yaitu pengulangan kondisi dalam kehidupan sebagian besar spesies. Baik periode kritis, sulit untuk bertahan hidup, dan periode yang menguntungkan berulang secara teratur.
3 slide
Deskripsi slide:
Adaptasi terhadap perubahan periodik di lingkungan eksternal diekspresikan pada makhluk hidup tidak hanya melalui reaksi langsung terhadap faktor-faktor yang berubah, tetapi juga dalam ritme internal yang ditetapkan secara turun temurun.
4 slide
Deskripsi slide:
ritme harian. Ritme harian menyesuaikan organisme dengan perubahan siang dan malam. Pada tumbuhan, pertumbuhan intensif, pembungaan bunga diatur pada waktu tertentu dalam sehari. Hewan di siang hari sangat mengubah aktivitas. Atas dasar ini, spesies diurnal dan nokturnal dibedakan.
5 slide
Deskripsi slide:
Ritme harian organisme bukan hanya cerminan dari perubahan kondisi eksternal. Jika Anda menempatkan seseorang, atau hewan, atau tumbuhan di lingkungan yang konstan dan stabil tanpa perubahan siang dan malam, maka ritme proses kehidupan dipertahankan, dekat dengan yang sehari-hari. Tubuh, seolah-olah, hidup sesuai dengan jam internalnya, menghitung waktu.
6 slide
Deskripsi slide:
Ritme harian dapat menangkap banyak proses dalam tubuh. Pada manusia, sekitar 100 karakteristik fisiologis tunduk pada siklus harian: detak jantung, ritme pernapasan, sekresi hormon, sekresi kelenjar pencernaan, tekanan darah, suhu tubuh, dan banyak lainnya. Oleh karena itu, ketika seseorang terjaga alih-alih tidur, tubuhnya masih disetel ke kondisi malam dan malam tanpa tidur berdampak buruk bagi kesehatan.
7 slide
Deskripsi slide:
Namun, ritme diurnal tidak muncul di semua spesies, tetapi hanya pada mereka yang dalam hidupnya perubahan siang dan malam memainkan peran ekologis yang penting. Penghuni gua atau perairan dalam, di mana tidak ada perubahan seperti itu, hidup menurut ritme lain.
8 slide
Deskripsi slide:
Dan di antara penghuni terestrial, periodisitas harian tidak terdeteksi pada semua orang. Misalnya, tikus kecil mengubah aktivitas dan istirahat setiap 15-20 menit, terlepas dari siang atau malam. Karena tingkat metabolisme yang tinggi, mereka dipaksa untuk makan sepanjang waktu.
9 slide
Deskripsi slide:
Dalam percobaan di bawah kondisi yang sangat konstan, lalat buah Drosophila mempertahankan ritme harian selama puluhan generasi. Periodisitas ini diwariskan di dalamnya, seperti pada banyak spesies lainnya. Begitu dalam adalah reaksi adaptif yang terkait dengan siklus harian lingkungan eksternal.
10 slide
Deskripsi slide:
Pelanggaran ritme sirkadian tubuh selama kerja malam, penerbangan luar angkasa, scuba diving, dll. merupakan masalah medis yang serius.
11 slide
Deskripsi slide:
ritme tahunan. Ritme tahunan menyesuaikan organisme dengan perubahan musiman dalam kondisi. Dalam kehidupan spesies, periode pertumbuhan, reproduksi, ganti kulit, migrasi, dormansi dalam secara alami bergantian dan berulang sedemikian rupa sehingga organisme memenuhi musim kritis dalam keadaan paling stabil. Proses reproduksi dan pemeliharaan hewan muda yang paling rentan terjadi pada musim yang paling menguntungkan.
12 slide
Deskripsi slide:
Periodisitas perubahan keadaan fisiologis sepanjang tahun ini sebagian besar bersifat bawaan, yaitu, ia memanifestasikan dirinya sebagai ritme tahunan internal. Jika, misalnya, burung unta Australia atau anjing dingo liar ditempatkan di kebun binatang di belahan bumi utara, musim kawin mereka akan dimulai pada musim gugur, ketika musim semi di Australia. Restrukturisasi ritme tahunan internal terjadi dengan kesulitan besar, melalui sejumlah generasi.
13 slide
Deskripsi slide:
Persiapan untuk reproduksi atau overwintering adalah proses panjang yang dimulai pada organisme jauh sebelum permulaan periode kritis. Perubahan cuaca jangka pendek yang tajam (salju musim panas, pencairan musim dingin) biasanya tidak mengganggu ritme tahunan tumbuhan dan hewan. Faktor lingkungan utama yang ditanggapi organisme dalam siklus tahunannya bukanlah perubahan cuaca yang acak, tetapi fotoperiode - perubahan rasio siang dan malam.
14 slide
Deskripsi slide:
Lamanya siang hari berubah secara alami sepanjang tahun, dan perubahan inilah yang menjadi sinyal akurat akan datangnya musim semi, musim panas, musim gugur, atau musim dingin. Kemampuan organisme untuk merespon perubahan panjang hari disebut fotoperiodisme.
15 slide
Deskripsi slide:
Jika hari dipersingkat, spesies mulai bersiap untuk musim dingin, jika diperpanjang, untuk pertumbuhan dan reproduksi aktif. Dalam hal ini, untuk kehidupan organisme, bukan faktor perubahan panjang siang dan malam yang penting, tetapi nilai sinyalnya, yang menunjukkan perubahan besar yang akan datang di alam. Seperti yang Anda ketahui, panjang hari sangat tergantung pada garis lintang geografis. Di belahan bumi utara di selatan, hari musim panas jauh lebih pendek daripada di utara. Oleh karena itu, spesies selatan dan utara bereaksi berbeda terhadap jumlah perubahan hari yang sama: spesies selatan mulai berkembang biak pada hari yang lebih pendek daripada spesies utara.
16 slide
Deskripsi slide:
Contoh dan informasi tambahan 1. Penjelajah gua - ahli speleologi mempelajari ritme harian mereka secara mendetail. Mereka turun ke dalam gua untuk waktu yang lama (1-3 bulan) tanpa jam dan membuat jadwal kerja, tidur, makan dan istirahat mereka berdasarkan waktu mereka sendiri. Komunikasi dengan permukaan adalah satu arah, mereka tidak menerima informasi apapun dari luar. Di luar, sinyal mereka direkam dan dianalisis dengan cermat. Ternyata dalam kondisi konstan, seseorang mempertahankan siklus tidur dan terjaga yang teratur, tetapi periode siklus ini tidak persis sama dengan 24 jam, tetapi mungkin berbeda beberapa menit.
17 slide
Deskripsi slide:
Selama beberapa hari, perbedaan ini diringkas, dan setelah beberapa saat, para penjelajah gua pergi tidur ketika siang hari di permukaan, dan tetap terjaga di malam hari. Di akhir percobaan, ternyata hitungan mundur mereka selama beberapa hari tidak sesuai dengan tanggal sebenarnya. Hasil yang sama diperoleh dalam berbagai percobaan dengan hewan. Ritme internal mereka dalam kondisi konstan ternyata tidak sepenuhnya diurnal, tetapi sirkadian; ketika siang dan malam berubah, ritme eksternal, seolah-olah, mengoreksi yang internal dan mengaturnya selama 24 jam.
Salah satu sifat dasar dari alam yang hidup adalah siklus sebagian besar proses yang terjadi di dalamnya. Semua kehidupan di Bumi, dari sel hingga biosfer, tunduk pada ritme tertentu. Ritme alami untuk organisme apa pun dapat dibagi menjadi internal (terkait dengan aktivitas vitalnya sendiri) dan eksternal (perubahan siklus dalam lingkungan).
Siklus internal. Siklus internal terutama ritme fisiologis tubuh. Tidak ada proses fisiologis yang berkelanjutan. Irama ditemukan dalam proses sintesis DNA dan RNA dalam sel, dalam perakitan protein, dalam kerja enzim, dan dalam aktivitas mitokondria. Pembelahan sel, kontraksi otot, kerja kelenjar endokrin, detak jantung, pernapasan, rangsangan sistem saraf, yaitu, kerja semua sel, organ dan jaringan tubuh, mengikuti ritme tertentu. Selain itu, setiap sistem memiliki periodenya sendiri. Dimungkinkan untuk mengubah periode ini dengan tindakan faktor lingkungan hanya dalam batas yang sempit, dan untuk beberapa proses sama sekali tidak mungkin. Ritme ini disebut endogen.
Semua ritme internal tubuh disubordinasikan, diintegrasikan ke dalam sistem integral dan pada akhirnya bertindak sebagai periodisitas umum dari perilaku tubuh. Secara berirama melaksanakan
fungsi fisiologis, tubuh, seolah-olah, menghitung waktu. Untuk ritme eksternal dan internal, permulaan fase berikutnya terutama bergantung pada waktu. Oleh karena itu, waktu bertindak sebagai salah satu faktor lingkungan terpenting yang harus ditanggapi oleh organisme hidup, beradaptasi dengan perubahan siklus eksternal di alam.
ritme eksternal. Ritme eksternal utama bersifat geofisika, karena terkait dengan rotasi Bumi relatif terhadap Matahari dan Bulan relatif terhadap Bumi. Di bawah pengaruh rotasi ini, banyak faktor lingkungan di planet kita, khususnya rezim cahaya, suhu, tekanan dan kelembaban udara, medan elektromagnetik atmosfer, pasang surut laut, dll., Secara alami berubah. Selain itu, ritme kosmik seperti perubahan periodik dalam aktivitas matahari juga mempengaruhi satwa liar. Matahari memiliki siklus 11 tahun dan sejumlah siklus lainnya. Perubahan radiasi matahari secara signifikan mempengaruhi iklim planet kita. Selain dampak siklus faktor abiotik, ritme eksternal untuk organisme apa pun juga merupakan perubahan reguler dalam aktivitas dan perilaku makhluk hidup lainnya.
Sejumlah perubahan dalam aktivitas vital organisme bertepatan dengan periode siklus geofisika eksternal. Inilah yang disebut ritme biologis adaptif - harian, pasang surut, sama dengan bulan lunar, tahunan. Berkat mereka, fungsi biologis tubuh yang paling penting, seperti nutrisi, pertumbuhan, reproduksi, bertepatan dengan waktu hari atau tahun yang paling menguntungkan untuk ini.
Ritme biologis adaptif muncul sebagai adaptasi fisiologi makhluk hidup terhadap perubahan lingkungan yang teratur di lingkungan eksternal. Dalam hal ini mereka berbeda dari ritme fisiologis murni yang mendukung aktivitas vital organisme yang tidak terputus, pernapasan, sirkulasi darah, pembelahan sel, dll.
Ritme sirkadian ditemukan dalam berbagai organisme, dari uniseluler hingga manusia. Pada manusia, lebih dari 100 fungsi fisiologis telah dicatat dipengaruhi oleh periodisitas harian: tidur dan terjaga, perubahan suhu tubuh, detak jantung, kedalaman dan frekuensi pernapasan, volume dan komposisi kimia urin, berkeringat, kinerja otot dan mental, dll. hari, tingkat pembagian berubah. Pada beberapa tumbuhan, pembukaan dan penutupan bunga, naik turunnya daun, intensitas respirasi maksimum, laju pertumbuhan koleoptil, dll. diatur dalam waktu tertentu.
Menurut perubahan periode tidur dan terjaga, hewan dibagi menjadi siang dan malam. Aktivitas siang hari diucapkan, misalnya, pada ayam peliharaan, sebagian besar burung pengicau, tupai tanah, semut, dan capung. Hewan nokturnal yang khas adalah landak, kelelawar, burung hantu, babi hutan, kebanyakan kucing, katak rumput, kecoa dan banyak lainnya. Beberapa spesies memiliki aktivitas yang kurang lebih sama baik pada siang maupun malam hari, dengan periode terjaga dan istirahat yang singkat secara bergantian. Ritme seperti itu disebut polifasik (banyak tikus, sejumlah karnivora, dll.).
Pada sejumlah hewan, perubahan diurnal terutama mempengaruhi aktivitas motorik dan tidak disertai dengan penyimpangan signifikan dalam fungsi fisiologis (misalnya, pada hewan pengerat). Contoh paling mencolok dari perubahan fisiologis pada siang hari diberikan oleh kelelawar. Di musim panas, selama periode istirahat siang hari, banyak dari mereka berperilaku seperti hewan poikilothermic. Suhu tubuh mereka saat ini hampir sama dengan suhu lingkungan; nadi, pernapasan, rangsangan organ indera berkurang tajam. Untuk lepas landas, tikus yang terganggu melakukan pemanasan untuk waktu yang lama karena produksi panas kimia. Pada sore dan malam hari, mereka adalah mamalia homeothermal yang khas dengan suhu tubuh tinggi, gerakan aktif dan tepat, dan reaksi cepat terhadap mangsa dan musuh.
Pada beberapa spesies, periode aktivitas dibatasi secara ketat pada waktu tertentu dalam sehari, pada spesies lain mereka dapat berubah tergantung pada situasinya. Jadi, pembukaan bunga safron tergantung pada suhu, perbungaan dandelion - pada cahaya: pada hari berawan, keranjang tidak terbuka. Aktivitas kutu kayu gurun atau kumbang hitam bergeser ke waktu yang berbeda dalam sehari tergantung pada suhu dan kelembaban di permukaan tanah. Mereka muncul dari liangnya baik pagi dan sore hari (siklus dua fase), atau hanya pada malam hari (fase tunggal), atau sepanjang hari.
Dimungkinkan untuk membedakan ritme sirkadian endogen dari yang eksogen, yaitu, yang dipaksakan oleh lingkungan eksternal, dalam sebuah percobaan. Pada banyak spesies, dengan kondisi eksternal yang konstan (suhu, iluminasi, kelembaban, dll.), siklus yang mendekati periode siklus harian terus berlanjut untuk waktu yang lama. Di Drosophila, misalnya, ritme endogen semacam itu dapat ditelusuri selama puluhan generasi. Dengan demikian, siklus harian aktivitas kehidupan berubah menjadi sifat genetik bawaan spesies. Ritme endogen semacam itu disebut sirkadian (dari bahasa Latin sekitar dan mati - hari, hari), karena durasinya tidak sama pada individu yang berbeda dari spesies yang sama, sedikit berbeda dari rata-rata, periode 24 jam.
Tupai terbang, yang dicirikan oleh aktivitas senja, bangun di malam hari secara serempak, pada jam yang ditentukan secara ketat. Dalam percobaan, berada dalam kegelapan total, mereka mempertahankan ritme sirkadian. Namun, beberapa individu memulai "hari" mereka beberapa menit lebih awal; lainnya - beberapa menit lebih lambat dari siklus harian biasa. Jika, misalnya, ritme sirkadian lebih pendek dari ritme harian 15 menit, maka untuk hewan seperti itu, setelah tiga hari, perbedaan waktu dengan ritme eksternal adalah 45 menit, setelah 10 hari - sudah 2,5 jam, dll. Oleh karena itu, semua tupai terbang bangun setelah beberapa hari dan mulai bergerak pada waktu yang sama sekali berbeda, meskipun masing-masing mempertahankan keteguhan siklusnya. Ketika pergantian siang dan malam dipulihkan, tidur dan terjaga dari hewan disinkronkan lagi. Dengan demikian, siklus sirkadian eksternal mengatur durasi ritme sirkadian bawaan, mengoordinasikannya dengan perubahan lingkungan.
Pada manusia, ritme sirkadian dipelajari dalam berbagai situasi: di gua, ruang kedap udara, scuba diving, dll. Ditemukan bahwa fitur tipologis sistem saraf memainkan peran penting dalam penyimpangan dari siklus harian pada manusia. Ritme sirkadian dapat bervariasi bahkan di antara anggota keluarga yang sama.
Stereotip perilaku yang terkenal, ditentukan oleh ritme sirkadian, memfasilitasi keberadaan organisme dengan perubahan diurnal di lingkungan. Namun, ketika hewan dan tumbuhan menetap dan masuk ke kondisi geografis dengan ritme siang dan malam yang berbeda, stereotip yang terlalu kuat bisa menjadi tidak menguntungkan. Oleh karena itu, kemungkinan menetap dari sejumlah spesies dibatasi oleh fiksasi mendalam dari ritme sirkadian mereka. Jadi, misalnya, tikus abu-abu berbeda dari tikus hitam dalam plastisitas siklus harian yang jauh lebih besar. Pada tikus hitam, hampir tidak bisa dihancurkan, dan spesiesnya memiliki jangkauan terbatas, sementara tikus abu-abu telah menyebar hampir di seluruh dunia.
Pada sebagian besar spesies, restrukturisasi ritme sirkadian dimungkinkan. Biasanya tidak segera terjadi, tetapi menangkap beberapa siklus dan disertai dengan sejumlah gangguan pada keadaan fisiologis tubuh. Misalnya, pada orang yang terbang dalam jarak yang cukup jauh ke arah garis lintang, ritme fisiologis mereka tidak sinkron dengan waktu astronomi lokal. Tubuh pertama terus berfungsi dengan cara lama, dan kemudian mulai membangun kembali. Pada saat yang sama, peningkatan kelelahan, malaise, keinginan untuk tidur di siang hari dan tetap terjaga di malam hari dirasakan. Masa adaptasi berlangsung dari beberapa hari hingga dua minggu.
Desinkronisasi ritme adalah masalah medis yang penting dalam organisasi kerja malam dan shift orang-orang di sejumlah profesi, dalam penerbangan luar angkasa, selam scuba, pekerjaan bawah tanah, dll.
Ritme sirkadian dan sirkadian mendasari kemampuan tubuh untuk merasakan waktu. Kemampuan makhluk hidup ini disebut "jam biologis".
Sejumlah hewan yang sangat terorganisir memiliki kemampuan bawaan yang kompleks untuk menggunakan orientasi dalam waktu untuk orientasi dalam ruang. Burung dalam penerbangan panjang juga terus-menerus menyesuaikan arahnya dengan Matahari atau cahaya terpolarisasi dari langit, dengan mempertimbangkan waktu. "Jam biologis" organisme hidup mengarahkan mereka tidak hanya dalam siklus harian, tetapi juga dalam siklus perubahan geofisika yang lebih kompleks di alam.
Ritme pasang surut. Spesies yang hidup di pesisir hidup dalam kondisi periodisitas lingkungan eksternal yang sangat kompleks. Siklus fluktuasi 24 jam dalam pencahayaan dan faktor lainnya ditumpangkan oleh pergantian pasang surut. Selama hari lunar (24 jam 50 menit), 2 pasang dan 2 pasang surut diamati, yang fasenya bergeser sekitar 50 menit setiap hari. Kekuatan pasang surut, di samping itu, secara alami berubah selama sinodik, atau bulan, bulan (29,5 hari matahari). Dua kali sebulan (bulan baru dan bulan purnama) mereka mencapai nilai maksimumnya (yang disebut pasang surut musim semi).
Ritme kompleks ini tunduk pada kehidupan organisme yang hidup di zona pesisir. Tiram saat air surut menekan katup dengan erat dan berhenti makan. Frekuensi membuka dan menutup cangkang tetap di dalamnya untuk waktu yang lama dan di akuarium. Secara bertahap berubah jika akuarium dipindahkan ke wilayah geografis yang berbeda, dan akhirnya mengendap sesuai dengan jadwal pasang baru, meskipun kerang tidak mengalaminya secara langsung. Eksperimen memungkinkan kita untuk berasumsi bahwa restrukturisasi disebabkan oleh persepsi tiram tentang perubahan keadaan atmosfer yang menyertai fenomena pasang surut.
Ikan atherine, yang hidup di lepas pantai California, menggunakan ketinggian pasang surut musim semi dalam siklus hidupnya. Pada air pasang tertinggi, betina bertelur di tepi air, menguburnya di tanah berpasir. Dengan mundurnya air, kaviar tetap ada
matang di pasir basah. Pelepasan benih terjadi dalam setengah bulan dan waktunya bertepatan dengan pasang naik berikutnya.
Sebuah periodisitas sama dengan bulan lunar telah ditemukan sebagai ritme endogen di sejumlah organisme laut dan darat. Ini memanifestasikan dirinya dalam kurungan untuk fase tertentu Bulan pemijahan cacing polychaete palolo, reproduksi bunga lili laut Jepang, kerumunan sejumlah nyamuk chironomid dan lalat capung. Pada sejumlah hewan, periodisitas yang sama dengan bulan lunar terungkap dalam reaksi terhadap cahaya, medan magnet yang lemah, dan dalam kecepatan orientasi. Pada manusia, hubungan awal siklus menstruasi dengan bulan sinodik diasumsikan, perubahan kecenderungan perdarahan pada pasien yang dioperasi, dll dicatat. Signifikansi adaptif dari sebagian besar ritme bulan endogen masih belum diketahui.
Ritme tahunan adalah salah satu yang paling universal di alam liar. Perubahan reguler dalam kondisi fisik sepanjang tahun telah menyebabkan evolusi spesies berbagai adaptasi terhadap periodisitas ini. Yang paling penting dari mereka terkait dengan reproduksi, pertumbuhan, migrasi dan mengalami periode tahun yang tidak menguntungkan. Pada spesies dengan siklus hidup yang pendek, ritme tahunan secara alami memanifestasikan dirinya dalam beberapa generasi (misalnya, siklomorfosis pada daphnia dan rotifera).
Perubahan musim adalah perubahan besar dalam fisiologi dan perilaku organisme, yang mempengaruhi morfologi dan fitur siklus hidup mereka. Sifat adaptif dari perubahan-perubahan ini jelas: berkat mereka, momen penting dalam kehidupan spesies seperti munculnya keturunan ternyata bertepatan dengan musim yang paling menguntungkan, dan pengalaman periode kritis terjadi di musim semi. keadaan paling stabil.
Semakin tajam perubahan musiman di lingkungan eksternal, semakin jelas periodisitas tahunan aktivitas vital organisme. Gugurnya daun musim gugur, berbagai diapause, hibernasi, penyimpanan lemak, molting musiman, migrasi, dll. dikembangkan terutama di negara-negara dengan iklim sedang dan dingin, sedangkan di penduduk daerah tropis, periodisitas musiman dalam siklus hidup kurang terasa.
Ritme tahunan di banyak spesies bersifat endogen. Ritme seperti itu disebut sirkan (lat. annus - tahun). Ini terutama berlaku untuk siklus perkembangbiakan. Dengan demikian, hewan-hewan di belahan bumi selatan, yang dipelihara di kebun binatang utara, paling sering berkembang biak di musim dingin atau musim gugur, pada waktu yang sesuai dengan musim semi dan musim panas di tanah air mereka. Burung unta Australia di cagar Askania-Nova bertelur di musim dingin langsung di atas salju. Anjing dingo membawa anak anjing pada bulan Desember, saat akhir musim semi di Australia. Dengan stabilitas waktu reproduksi dalam siklus tahunan, kita harus memperhitungkan pengenalan dan aklimatisasi spesies.
Pencairan yang kuat di musim dingin, salju di musim panas biasanya tidak mengganggu perubahan musim pada tumbuhan dan hewan. Pada saat yang sama, keakuratan siklus tahunan jauh dari selalu bersifat endogen. Misalnya, benih dari sejumlah tanaman berkecambah pada waktu yang ditentukan secara ketat dalam setahun, bahkan setelah keadaan anabiosis lengkap yang diinduksi secara eksperimental, yang seharusnya mengganggu "ketepatan waktu" dalam tubuh. Oleh karena itu, perkecambahan dirangsang oleh beberapa perubahan lingkungan yang terkait dengan siklus geofisika.
Saat ini, reaksi organisme terhadap medan geoelektromagnetik yang lemah, serta pasang surut atmosfer, yang secara alami berubah dalam siklus rotasi Bumi, sedang dipelajari secara intensif. , aktivitas motorik serangga, laju konsumsi oksigen oleh umbi kentang, dll. .
Dengan demikian, permulaan tahap berikutnya dari siklus tahunan pada organisme hidup terjadi sebagian sebagai akibat dari ritme endogen, dan sebagian lagi disebabkan oleh fluktuasi faktor lingkungan eksternal. Patut dicatat bahwa periodisitas tahunan tidak tergantung pada faktor lingkungan yang kuat yang secara langsung mempengaruhi tubuh (suhu, kelembaban, dll.), Yang tunduk pada variabilitas cuaca yang kuat, tetapi pada sifat lingkungan yang sekunder untuk aktivitas vital, yang, bagaimanapun, berubah sangat alami sepanjang tahun. Makna adaptif dari fenomena ini adalah bahwa perubahan jangka pendek dalam kondisi cuaca, kemungkinan penyimpangan signifikan dari norma, tidak mengubah ritme biologis organisme, yang tetap sinkron dengan arah umum perubahan alam sepanjang tahun.
Salah satu faktor lingkungan yang paling akurat dan berubah secara teratur adalah lamanya siang hari, ritme pergantian periode gelap dan terang hari itu. Faktor inilah yang melayani sebagian besar organisme hidup untuk orientasi musim.
Ritme kehidupan yang disesuaikan
Ritme adaptif kehidupan
Kehidupan di Bumi berkembang dalam kondisi perubahan siang dan malam yang teratur dan pergantian musim karena rotasi planet di sekitar porosnya dan mengelilingi Matahari. Ritme lingkungan eksternal menciptakan periodisitas, yaitu pengulangan kondisi dalam kehidupan sebagian besar spesies. Baik periode kritis, sulit untuk bertahan hidup, dan periode yang menguntungkan berulang secara teratur.
ritme harian. Ritme harian menyesuaikan organisme dengan perubahan siang dan malam. Pada tumbuhan, pertumbuhan intensif, pembungaan bunga diatur pada waktu tertentu dalam sehari. Hewan di siang hari sangat mengubah aktivitas. Atas dasar ini, spesies diurnal dan nokturnal dibedakan.
proses kehidupan, hampir setiap hari (Gbr. 35). Tubuh, seolah-olah, hidup sesuai dengan jam internalnya, menghitung waktu.
Ritme harian dapat menangkap banyak proses dalam tubuh. Pada manusia, sekitar 100 karakteristik fisiologis tunduk pada siklus harian: detak jantung, ritme pernapasan, sekresi hormon, sekresi kelenjar pencernaan, tekanan darah, suhu tubuh, dan banyak lainnya. Oleh karena itu, ketika seseorang terjaga alih-alih tidur, tubuhnya masih disetel ke kondisi malam dan malam tanpa tidur berdampak buruk bagi kesehatan.
Namun, ritme diurnal tidak muncul di semua spesies, tetapi hanya pada mereka yang dalam hidupnya perubahan siang dan malam memainkan peran ekologis yang penting. Penghuni gua atau perairan dalam, di mana tidak ada perubahan seperti itu, hidup menurut ritme lain. Dan di antara penghuni terestrial, periodisitas harian tidak terdeteksi pada semua orang. Misalnya, tikus kecil mengubah aktivitas dan istirahat setiap 15-20 menit, terlepas dari siang atau malam. Karena tingkat metabolisme yang tinggi, mereka dipaksa untuk makan sepanjang waktu.
Pelanggaran ritme harian tubuh
Dalam percobaan di bawah kondisi yang sangat konstan, lalat buah Drosophila mempertahankan ritme harian selama puluhan generasi. Periodisitas ini diwariskan di dalamnya, seperti pada banyak spesies lainnya. Begitu dalam adalah reaksi adaptif yang terkait dengan siklus harian lingkungan eksternal.
ritme tahunan. Ritme tahunan menyesuaikan organisme dengan perubahan musiman dalam kondisi (Gbr. 36). Dalam kehidupan spesies, periode pertumbuhan, reproduksi, ganti kulit, migrasi, dormansi dalam secara alami bergantian dan berulang sedemikian rupa sehingga organisme memenuhi musim kritis dalam keadaan paling stabil. Proses yang paling rentan - reproduksi dan pemeliharaan hewan muda - jatuh pada musim yang paling menguntungkan. Periodisitas perubahan keadaan fisiologis sepanjang tahun ini sebagian besar bersifat bawaan, yaitu, ia memanifestasikan dirinya sebagai ritme tahunan internal. Jika, misalnya, burung unta Australia atau anjing dingo liar ditempatkan di kebun binatang di belahan bumi utara, musim kawin mereka akan dimulai pada musim gugur, ketika musim semi di Australia. Restrukturisasi ritme tahunan internal terjadi dengan kesulitan besar, melalui sejumlah generasi.
Persiapan untuk reproduksi atau overwintering adalah proses panjang yang dimulai pada organisme jauh sebelum permulaan periode kritis.
Perubahan cuaca jangka pendek yang tajam (salju musim panas, pencairan musim dingin) biasanya tidak mengganggu ritme tahunan tumbuhan dan hewan. Faktor lingkungan utama yang ditanggapi organisme dalam siklus tahunannya bukanlah perubahan cuaca acak, tetapi periode foto - perubahan rasio siang dan malam.
Kemampuan organisme untuk merespon perubahan panjang hari disebut fotoperiodisme.
Jika hari dipersingkat, spesies mulai bersiap untuk musim dingin, jika memanjang - untuk pertumbuhan dan reproduksi aktif. Dalam hal ini, untuk Kehidupan organisme, bukan faktor perubahan panjang siang dan malam yang penting, tetapi nilai sinyalnya, yang menunjukkan perubahan besar yang akan datang di alam.
Seperti yang Anda ketahui, panjang hari sangat tergantung pada garis lintang geografis. Di belahan bumi utara di selatan, hari musim panas jauh lebih pendek daripada di utara. Oleh karena itu, spesies selatan dan utara bereaksi berbeda terhadap jumlah perubahan hari yang sama: spesies selatan mulai berkembang biak pada hari yang lebih pendek daripada spesies utara.
Contoh dan informasi tambahan
Penjelajah gua - ahli speleologi mempelajari ritme harian mereka secara mendetail. Mereka turun ke dalam gua untuk waktu yang lama (1-3 bulan) tanpa jam dan membuat jadwal kerja, tidur, makan dan istirahat mereka berdasarkan waktu mereka sendiri. Komunikasi dengan permukaan berlangsung satu arah, mereka tidak menerima informasi apapun dari luar. Di luar, sinyal mereka direkam dan dianalisis dengan cermat. Ternyata dalam kondisi konstan seseorang mempertahankan siklus tidur dan terjaga yang teratur, tetapi periode siklus ini tidak persis sama dengan 24 jam, tetapi mungkin berbeda beberapa menit. Selama beberapa hari, perbedaan ini diringkas, dan setelah beberapa saat, para penjelajah gua pergi tidur ketika siang hari di permukaan, dan tetap terjaga di malam hari. Di akhir percobaan, ternyata hitungan mundur mereka selama beberapa hari tidak sesuai dengan tanggal sebenarnya.
Hasil yang sama diperoleh dalam berbagai percobaan dengan hewan. Ritme internal mereka dalam kondisi konstan ternyata tidak sepenuhnya diurnal, tetapi sirkadian; ketika siang dan malam berubah, ritme eksternal, seolah-olah, mengoreksi yang internal dan mengaturnya selama 24 jam.
Ritme paling kompleks adalah di antara penghuni zona intertidal laut. Jadi, di lepas pantai Samudra Atlantik, air naik dan turun dua kali sehari dengan periode 12,4 jam. Akibatnya, waktu yang tepat dari pasang surut secara bertahap bergeser. Saat air surut, moluska meremas cangkangnya dengan erat, dan krustasea bersembunyi di pasir atau di bawah ganggang basah. Selain itu, periodisitas harian ditumpangkan pada ritme kehidupan mereka ini. Crustacea dan kepiting lebih aktif pada saat pasang surut di siang hari daripada di malam hari.
pada saat yang sama. Namun, dalam percobaan, setiap tupai terbang hidup sesuai dengan ritme sirkadiannya sendiri, dan ternyata sedikit berbeda pada individu yang berbeda: pada beberapa individu ia tertinggal 5-10 menit, pada yang lain beberapa menit lebih cepat. hari ini. Akibatnya, setelah periode tertentu, terjadi ketidakcocokan total dari keseluruhan aktivitas: setiap hewan bangun dan tertidur pada waktunya sendiri. Ketika pergantian siang dan malam dipulihkan, aktivitas tupai terbang diperintahkan lagi.
Spesies dengan distribusi yang luas merespon secara berbeda terhadap panjang hari yang sama di bagian yang berbeda dari jangkauan mereka. Panjang kritis hari, di mana pertumbuhan dan perkembangan larva kupu-kupu sapi berhenti, adalah 14,5 jam di garis lintang Sukhumi, 18,06 jam di sekitar Vitebsk, dan 19,5 jam di dekat St. Petersburg.