Ritmuri de viață adaptative
Viața pe Pământ s-a dezvoltat în condițiile unei schimbări regulate de zi și noapte și alternarea anotimpurilor datorită rotației planetei în jurul axei sale și în jurul Soarelui. Ritmul mediului extern creează periodicitate, adică repetarea condițiilor din viața majorității speciilor. Atât perioadele critice, dificil de supraviețuit, cât și cele favorabile se repetă în mod regulat.
Adaptarea la schimbările periodice ale mediului extern se exprimă la ființele vii nu numai printr-o reacție directă la factorii în schimbare, ci și în ritmuri interne fixate ereditar.
ritmuri zilnice. Ritmurile zilnice adaptează organismele la schimbarea zilei și a nopții. La plante, creșterea intensivă, înflorirea florilor este cronometrată la un anumit moment al zilei. Animalele în timpul zilei își schimbă foarte mult activitatea. Pe această bază se disting speciile diurne și nocturne.
Ritmul zilnic al organismelor nu este doar o reflectare a schimbărilor condițiilor externe. Dacă o persoană, sau animale, sau plante sunt plasate într-un mediu constant, stabil, fără schimbarea zilei și a nopții, atunci se păstrează ritmul proceselor de viață, apropiat de cel zilnic (Fig. 35). Corpul, parcă, trăiește după ceasul său intern, numărând timpul.
Ritmul zilnic poate capta multe procese din organism. La om, aproximativ 100 de caracteristici fiziologice sunt supuse ciclului zilnic: ritmul cardiac, ritmul respirator, secreția de hormoni, secreția glandelor digestive, tensiunea arterială, temperatura corpului și multe altele. Prin urmare, atunci când o persoană este trează în loc să doarmă, corpul este încă reglat la starea de noapte și nopțile nedormite sunt dăunătoare pentru sănătate.
Cu toate acestea, ritmurile diurne nu apar la toate speciile, ci doar la cele în a căror viață schimbarea zilei și a nopții joacă un rol ecologic important. Locuitorii peșterilor sau apelor adânci, unde nu există o astfel de schimbare, trăiesc după alte ritmuri. Iar în rândul locuitorilor terestre, periodicitatea zilnică nu este detectată la toată lumea. De exemplu, micile scorpie își schimbă activitatea și se odihnesc la fiecare 15-20 de minute, indiferent de zi sau noapte. Datorită ratei metabolice ridicate, sunt forțați să mănânce non-stop.
Încălcări ale ritmului zilnic al corpului
În experimente în condiții strict constante, muștele de fructe Drosophila mențin un ritm zilnic timp de zeci de generații. Această periodicitate este moștenită la ei, ca și la multe alte specii. Atât de profunde sunt reacțiile adaptative asociate cu ciclul zilnic al mediului extern.
Încălcările ritmului zilnic al corpului în timpul muncii de noapte, zborurilor în spațiu, scufundărilor etc., reprezintă o problemă medicală gravă.
ritmuri anuale. Ritmurile anuale adaptează organismele la schimbările sezoniere ale condițiilor (Fig. 36). În viața speciilor, perioadele de creștere, reproducere, năpârlire, migrații, repaus profund alternează în mod natural și se repetă în așa fel încât organismele să îndeplinească anotimpul critic în cea mai stabilă stare. Cel mai vulnerabil proces - reproducerea și creșterea animalelor tinere - se încadrează în sezonul cel mai favorabil. Această periodicitate a modificărilor stării fiziologice în timpul anului este în mare măsură înnăscută, adică se manifestă ca un ritm anual intern. Dacă, de exemplu, struții australieni sau câinele dingo sălbatic sunt plasați într-o grădină zoologică din emisfera nordică, sezonul lor de reproducere va începe în toamnă, când este primăvară în Australia. Restructurarea ritmurilor interne anuale se produce cu mare dificultate, printr-un număr de generații.
Pregătirea pentru reproducere sau iernare este un proces lung care începe în organisme cu mult înainte de debutul perioadelor critice.
Schimbările bruște ale vremii pe termen scurt (înghețurile de vară, dezghețurile de iarnă) nu perturbă de obicei ritmurile anuale ale plantelor și animalelor. Principalul factor de mediu la care răspund organismele în ciclurile lor anuale nu sunt schimbările aleatorii ale vremii, ci fotoperioada - modificările raportului dintre zi și noapte.
Durata orelor de lumină se schimbă în mod natural pe parcursul anului, iar aceste schimbări servesc ca un semnal precis al apropierii primăverii, verii, toamnei sau iernii.
Capacitatea organismelor de a răspunde la modificările duratei zilei se numește fotoperiodism.
Dacă ziua este scurtată, specia începe să se pregătească pentru iarnă, dacă se prelungește - la creștere și reproducere activă. În acest caz, pentru Viața organismelor, nu factorul de schimbare a duratei zilei și a nopții este important, ci valoarea sa semnal, indicând schimbările profunde viitoare în natură.
După cum știți, durata zilei depinde în mare măsură de latitudinea geografică. În emisfera nordică, în sud, ziua de vară este mult mai scurtă decât în nord. Prin urmare, speciile sudice și nordice reacționează diferit la aceeași cantitate de schimbare în timpul zilei: cele sudice încep să se înmulțească într-o zi mai scurtă decât cele nordice.
Exemple și informații suplimentare
Exploratorii peșterilor - speologii le-au studiat în detaliu ritmul zilnic. Au coborât în peșteră pentru o perioadă lungă (1-3 luni) fără ceas și și-au construit programul de muncă, somn, mâncare și odihnă pe baza propriei simțuri a timpului. Comunicarea cu suprafața era unidirecțională, nu primeau nicio informație din exterior. În exterior, semnalele lor au fost atent înregistrate și analizate. S-a dovedit că, în condiții constante, o persoană menține un ciclu regulat de somn și veghe, dar perioada acestui ciclu nu este exact egală cu 24 de ore, dar poate diferi cu câteva minute. Pe parcursul mai multor zile, această diferență se rezumă și, după un timp, speologii se culcă când este ziua la suprafață și rămân treji noaptea. La sfârșitul experimentului, se dovedește că numărătoarea lor inversă pentru câteva zile nu coincide cu datele reale.
Aceleași rezultate au fost obținute în numeroase experimente cu animale. Ritmul lor intern în condiții constante se dovedește a fi nu strict diurn, ci circadian; când ziua și noaptea se schimbă, ritmul extern, așa cum spunea, îl corectează pe cel intern și îl stabilește timp de 24 de ore.
Cel mai complex ritm este printre locuitorii zonei maritime intertidale. Deci, în largul coastei Oceanului Atlantic, apa urcă și coboară de două ori pe zi cu o perioadă de 12,4 ore. În consecință, ora exactă a mareelor se schimbă treptat. La reflux, moluștele stoarce strâns scoicile, iar crustaceele se ascund în nisip sau sub alge umede. În plus, periodicitatea zilnică se suprapune acestui ritm al vieții lor. Crustaceele și crabii sunt mai activi în timpul mareelor de zi decât noaptea.
Într-un experiment, veverițele zburătoare au fost ținute în cuști în întuneric constant. Aceste animale din natură sunt active noaptea și dorm ziua. Cu o schimbare regulată a zilei și a nopții, se trezesc împreună și adorm cam la aceeași oră. În experiment, totuși, fiecare veveriță zburătoare a trăit după propriul ritm circadian și s-a dovedit a fi ușor diferită la diferiți indivizi: la unii indivizi a rămas în urmă cu ziua cu 5-10 minute, la alții a fost cu câteva minute înainte. a zilei. Ca urmare, după o anumită perioadă, a avut loc o nepotrivire completă a activității generale: fiecare animal s-a trezit și a adormit la timpul său. Când s-a restabilit schimbarea zilei și a nopții, s-a ordonat din nou activitatea veverițelor zburătoare.
Speciile cu o răspândire largă răspund diferit la aceeași lungime a zilei în diferite părți ale gamei lor. Lungimea critică a zilei, la care se oprește creșterea și dezvoltarea larvelor fluturelui oxal, este de 14,5 ore la latitudinea Sukhumi, 18,06 ore în vecinătatea Vitebsk și 19,5 ore lângă Sankt Petersburg.
Descrierea prezentării pe diapozitive individuale:
1 tobogan
Descrierea diapozitivului:
2 tobogan
Descrierea diapozitivului:
Viața pe Pământ s-a dezvoltat în condițiile unei schimbări regulate de zi și noapte și alternarea anotimpurilor datorită rotației planetei în jurul axei sale și în jurul Soarelui. Ritmul mediului extern creează periodicitate, adică repetarea condițiilor din viața majorității speciilor. Atât perioadele critice, dificil de supraviețuit, cât și cele favorabile se repetă în mod regulat.
3 slide
Descrierea diapozitivului:
Adaptarea la schimbările periodice ale mediului extern se exprimă la ființele vii nu numai printr-o reacție directă la factorii în schimbare, ci și în ritmuri interne fixate ereditar.
4 slide
Descrierea diapozitivului:
ritmuri zilnice. Ritmurile zilnice adaptează organismele la schimbarea zilei și a nopții. La plante, creșterea intensivă, înflorirea florilor este cronometrată la un anumit moment al zilei. Animalele în timpul zilei își schimbă foarte mult activitatea. Pe această bază se disting speciile diurne și nocturne.
5 slide
Descrierea diapozitivului:
Ritmul zilnic al organismelor nu este doar o reflectare a schimbărilor condițiilor externe. Dacă plasezi o persoană, sau animale, sau plante într-un mediu constant, stabil, fără schimbarea zilei și a nopții, atunci ritmul proceselor de viață este păstrat, apropiat de cel zilnic. Corpul, parcă, trăiește după ceasul său intern, numărând timpul.
6 slide
Descrierea diapozitivului:
Ritmul zilnic poate capta multe procese din organism. La om, aproximativ 100 de caracteristici fiziologice sunt supuse ciclului zilnic: ritmul cardiac, ritmul respirator, secreția de hormoni, secreția glandelor digestive, tensiunea arterială, temperatura corpului și multe altele. Prin urmare, atunci când o persoană este trează în loc să doarmă, corpul este încă reglat la starea de noapte și nopțile nedormite sunt dăunătoare pentru sănătate.
7 diapozitiv
Descrierea diapozitivului:
Cu toate acestea, ritmurile diurne nu apar la toate speciile, ci doar la cele în a căror viață schimbarea zilei și a nopții joacă un rol ecologic important. Locuitorii peșterilor sau apelor adânci, unde nu există o astfel de schimbare, trăiesc după alte ritmuri.
8 slide
Descrierea diapozitivului:
Iar în rândul locuitorilor terestre, periodicitatea zilnică nu este detectată la toată lumea. De exemplu, micile scorpie își schimbă activitatea și se odihnesc la fiecare 15-20 de minute, indiferent de zi sau noapte. Datorită ratei metabolice ridicate, sunt forțați să mănânce non-stop.
9 slide
Descrierea diapozitivului:
În experimente în condiții strict constante, muștele de fructe Drosophila mențin un ritm zilnic timp de zeci de generații. Această periodicitate este moștenită la ei, ca și la multe alte specii. Atât de profunde sunt reacțiile adaptative asociate cu ciclul zilnic al mediului extern.
10 diapozitive
Descrierea diapozitivului:
Încălcările ritmului circadian al corpului în timpul muncii de noapte, zborurilor în spațiu, scufundărilor etc. reprezintă o problemă medicală gravă.
11 diapozitiv
Descrierea diapozitivului:
ritmuri anuale. Ritmurile anuale adaptează organismele la schimbările sezoniere ale condițiilor. În viața speciilor, perioadele de creștere, reproducere, năpârlire, migrații, repaus profund alternează în mod natural și se repetă în așa fel încât organismele să îndeplinească anotimpul critic în cea mai stabilă stare. Cel mai vulnerabil proces de reproducere și creștere a animalelor tinere se încadrează în sezonul cel mai favorabil.
12 slide
Descrierea diapozitivului:
Această periodicitate a modificărilor stării fiziologice în timpul anului este în mare măsură înnăscută, adică se manifestă ca un ritm anual intern. Dacă, de exemplu, struții australieni sau câinele dingo sălbatic sunt plasați într-o grădină zoologică din emisfera nordică, sezonul lor de reproducere va începe în toamnă, când este primăvară în Australia. Restructurarea ritmurilor interne anuale se produce cu mare dificultate, printr-un număr de generații.
13 diapozitiv
Descrierea diapozitivului:
Pregătirea pentru reproducere sau iernare este un proces lung care începe în organisme cu mult înainte de debutul perioadelor critice. Schimbările bruște ale vremii pe termen scurt (înghețurile de vară, dezghețurile de iarnă) de obicei nu perturbă ritmurile anuale ale plantelor și animalelor. Principalul factor de mediu la care răspund organismele în ciclurile lor anuale nu sunt schimbările aleatorii ale vremii, ci fotoperioada - modificările raportului dintre zi și noapte.
14 slide
Descrierea diapozitivului:
Durata orelor de lumină se schimbă în mod natural pe parcursul anului, iar aceste schimbări servesc ca un semnal precis al apropierii primăverii, verii, toamnei sau iernii. Capacitatea organismelor de a răspunde la modificările duratei zilei se numește fotoperiodism.
15 slide
Descrierea diapozitivului:
Dacă ziua este scurtată, specia începe să se pregătească pentru iarnă, dacă se prelungește, pentru creștere și reproducere activă. În acest caz, pentru viața organismelor, nu factorul de modificare a duratei zilei și a nopții este important, ci valoarea sa semnal, indicând schimbările profunde viitoare în natură. După cum știți, durata zilei depinde în mare măsură de latitudinea geografică. În emisfera nordică, în sud, ziua de vară este mult mai scurtă decât în nord. Prin urmare, speciile sudice și nordice reacționează diferit la aceeași cantitate de schimbare a zilei: cele sudice încep să se reproducă într-o zi mai scurtă decât cele nordice.
16 diapozitiv
Descrierea diapozitivului:
Exemple și informații suplimentare 1. Exploratorii peșterilor - speologii le-au studiat în detaliu ritmul zilnic. Ei au coborât în peșteră pentru o perioadă lungă (1-3 luni) fără ceas și și-au construit programul de muncă, somn, mâncare și odihnă în funcție de propriul simț al timpului. Comunicarea cu suprafața a fost unidirecțională, nu au primit nicio informație din exterior. În exterior, semnalele lor au fost atent înregistrate și analizate. S-a dovedit că, în condiții constante, o persoană menține un ciclu regulat de somn și veghe, dar perioada acestui ciclu nu este exact egală cu 24 de ore, dar poate diferi cu câteva minute.
17 diapozitiv
Descrierea diapozitivului:
Pe parcursul mai multor zile, această diferență se rezumă și, după un timp, speologii se culcă când este ziua la suprafață și rămân treji noaptea. La sfârșitul experimentului, se dovedește că numărătoarea lor inversă pentru câteva zile nu coincide cu datele reale. Aceleași rezultate au fost obținute în numeroase experimente cu animale. Ritmul lor intern în condiții constante se dovedește a fi nu strict diurn, ci circadian; atunci când ziua și noaptea se schimbă, ritmul extern, așa cum spune, îl corectează pe cel intern și îl stabilește timp de 24 de ore.
Una dintre proprietățile fundamentale ale naturii vii este ciclicitatea majorității proceselor care au loc în ea. Toată viața de pe Pământ, de la celulă până la biosferă, este supusă anumitor ritmuri. Ritmurile naturale pentru orice organism pot fi împărțite în interne (asociate cu propria activitate vitală) și externe (modificări ciclice ale mediului).
Cicluri interne. Ciclurile interne sunt în primul rând ritmurile fiziologice ale corpului. Niciun proces fiziologic nu este continuu. Ritmul a fost găsit în procesele de sinteză a ADN și ARN în celule, în asamblarea proteinelor, în activitatea enzimelor și în activitatea mitocondriilor. Diviziunea celulară, contracția musculară, activitatea glandelor endocrine, bătăile inimii, respirația, excitabilitatea sistemului nervos, adică activitatea tuturor celulelor, organelor și țesuturilor corpului, respectă un anumit ritm. Mai mult, fiecare sistem are propria sa perioadă. Este posibilă modificarea acestei perioade prin acțiunea factorilor de mediu numai în limite înguste, iar pentru unele procese este complet imposibil. Acest ritm se numește endogen.
Toate ritmurile interne ale corpului sunt subordonate, integrate într-un sistem integral și în cele din urmă acționează ca o periodicitate generală a comportamentului corpului. Efectuarea ritmică a lor
funcțiile fiziologice, corpul, parcă, numără timpul. Atât pentru ritmurile externe cât și pentru cele interne, debutul fazei următoare depinde în primul rând de timp. Prin urmare, timpul acționează ca unul dintre cei mai importanți factori de mediu la care organismele vii trebuie să răspundă, adaptându-se la schimbările ciclice externe ale naturii.
ritmuri externe. Principalele ritmuri externe sunt de natură geofizică, deoarece sunt asociate cu rotația Pământului față de Soare și a Lunii față de Pământ. Sub influența acestei rotații, mulți factori de mediu de pe planeta noastră, în special regimul de lumină, temperatura, presiunea și umiditatea aerului, câmpul electromagnetic atmosferic, mareele oceanice etc., se modifică în mod natural. În plus, astfel de ritmuri cosmice precum schimbările periodice ale activității solare afectează și fauna sălbatică. Soarele are un ciclu de 11 ani și o serie de alte cicluri. Schimbările în radiația solară afectează semnificativ clima planetei noastre. Pe lângă impactul ciclic al factorilor abiotici, ritmurile externe pentru orice organism sunt, de asemenea, schimbări regulate în activitatea și comportamentul altor ființe vii.
O serie de modificări în activitatea vitală a organismelor coincid în perioada cu ciclurile externe, geofizice. Acestea sunt așa-numitele ritmuri biologice adaptative - zilnice, de maree, egale cu luna lunară, anuale. Datorită acestora, cele mai importante funcții biologice ale organismului, precum nutriția, creșterea, reproducerea, coincid cu cel mai favorabil moment al zilei sau anului pentru aceasta.
Ritmurile biologice adaptative au apărut ca o adaptare a fiziologiei ființelor vii la schimbările regulate ale mediului din mediul extern. Prin aceasta se deosebesc de ritmurile pur fiziologice care susțin activitatea vitală neîntreruptă a organismelor, respirația, circulația sângelui, diviziunea celulară etc.
Ritmul circadian se găsește într-o varietate de organisme, de la unicelular la om. La om, au fost observate peste 100 de funcții fiziologice afectate de periodicitatea zilnică: somn și veghe, modificări ale temperaturii corpului, ritmului cardiac, adâncimea și frecvența respirației, volumul și compoziția chimică a urinei, transpirația, performanța musculară și mentală etc. zile, rata de divizare se modifică. La unele plante, deschiderea și închiderea florilor, ridicarea și coborârea frunzelor, intensitatea maximă a respirației, ritmul de creștere a coleoptilului etc. sunt cronometrate la un anumit timp.
În funcție de schimbarea perioadelor de somn și de veghe, animalele sunt împărțite în zi și noapte. Activitatea în timpul zilei este pronunțată, de exemplu, la puii domestici, majoritatea păsărilor passerine, veverițe de pământ, furnici și libelule. Animalele nocturne tipice sunt aricii, liliecii, bufnițele, mistreții, majoritatea felinelor, broaștele de iarbă, gândacii și multe altele. Unele specii au aproximativ aceeași activitate atât ziua, cât și noaptea, alternând perioade scurte de veghe și odihnă. Un astfel de ritm se numește polifazic (mulți scorpii, un număr de carnivore etc.).
La un număr de animale, modificările diurne afectează în principal activitatea motrică și nu sunt însoțite de abateri semnificative ale funcțiilor fiziologice (de exemplu, la rozătoare). Cele mai izbitoare exemple de modificări fiziologice din timpul zilei sunt date de lilieci. Vara, în perioada de odihnă în timpul zilei, mulți dintre ei se comportă ca animale poikiloterme. Temperatura corpului lor în acest moment este aproape egală cu temperatura mediului; pulsul, respirația, excitabilitatea organelor de simț sunt reduse brusc. Pentru a decola, un șoarece deranjat se încălzește mult timp din cauza producerii de căldură chimică. Seara și noaptea, sunt mamifere homeoterme tipice, cu temperatură ridicată a corpului, mișcări active și precise și o reacție rapidă la pradă și inamici.
La unele specii, perioadele de activitate se limitează strict la un anumit moment al zilei, la altele se pot schimba în funcție de situație. Deci, deschiderea florilor de șofran depinde de temperatură, de inflorescențe de păpădie - de lumină: într-o zi înnorată, coșurile nu se deschid. Activitatea păduchilor de deșert sau a gândacilor negre se schimbă în diferite momente ale zilei, în funcție de temperatura și umiditatea de pe suprafața solului. Ei ies din vizuinile lor fie devreme dimineața și seara (ciclu în două faze), fie numai noaptea (monofazat), fie pe tot parcursul zilei.
Este posibil să distingem într-un experiment ritmurile circadiene endogene de cele exogene, adică cele impuse de mediul extern. La multe specii, cu o constantă completă a condițiilor externe (temperatură, iluminare, umiditate etc.), ciclurile apropiate în perioada ciclului zilnic continuă să persistă mult timp. La Drosophila, de exemplu, un astfel de ritm endogen poate fi urmărit de zeci de generații. Astfel, ciclicitatea zilnică a activității vieții se transformă în proprietăți înnăscute, genetice ale speciei. Astfel de ritmuri endogene sunt numite circadiene (din latină circa - despre și moare - zi, zi), deoarece durata lor nu este aceeași la diferiți indivizi din aceeași specie, ușor diferită de perioada medie de 24 de ore.
Veverițele zburătoare, care se caracterizează prin activitate crepusculară, se trezesc seara sincron, la o oră strict definită. În experiment, fiind în întuneric complet, ei mențin un ritm circadian. Cu toate acestea, unii indivizi își încep „ziua” cu câteva minute mai devreme; altele - cu câteva minute mai târziu decât ciclul zilnic obișnuit. Dacă, de exemplu, ritmul circadian este mai scurt decât ritmul zilnic cu 15 minute, atunci pentru un astfel de animal, după trei zile, diferența de timp cu ritmul extern va fi de 45 de minute, după 10 zile - deja 2,5 ore etc. Prin urmare, toate veverițele zburătoare se trezesc după câteva zile și încep să se miște în momente complet diferite, deși fiecare își menține constanta ciclului său. Când schimbarea zilei și a nopții este restabilită, somnul și starea de veghe ale animalelor sunt din nou sincronizate. Astfel, ciclul circadian extern reglează durata ritmurilor circadiene înnăscute, coordonându-le cu schimbările de mediu.
La om, ritmurile circadiene au fost studiate în diverse situații: în peșteri, camere ermetice, scufundări etc. S-a constatat că trăsăturile tipologice ale sistemului nervos joacă un rol important în abaterile de la ciclul zilnic la om. Ritmurile circadiene pot varia chiar și între membrii aceleiași familii.
Un stereotip de comportament binecunoscut, determinat de ritmul circadian, facilitează existența organismelor cu modificări diurne în mediu. Cu toate acestea, atunci când animalele și plantele se stabilesc și intră în condiții geografice cu un ritm diferit de zi și de noapte, un stereotip prea puternic poate deveni nefavorabil. Prin urmare, posibilitățile de așezare ale unui număr de specii sunt limitate de fixarea profundă a ritmurilor lor circadiene. Deci, de exemplu, șobolanii gri diferă de șobolanii negri printr-o plasticitate mult mai mare a ciclului zilnic. La șobolanii negri, este aproape indestructibil, iar specia are o gamă limitată, în timp ce șobolanii gri s-au răspândit aproape în toată lumea.
La majoritatea speciilor, restructurarea ritmului circadian este posibilă. De obicei nu apare imediat, ci captează mai multe cicluri și este însoțită de o serie de tulburări ale stării fiziologice a organismului. De exemplu, la oamenii care zboară pe distanțe considerabile în direcția latitudinală, ritmul lor fiziologic se desincronizează cu timpul astronomic local. Corpul continuă să funcționeze în vechiul mod, apoi începe să se reconstruiască. În același timp, se simt oboseală crescută, stare de rău, dorința de a dormi ziua și de a rămâne treaz noaptea. Perioada de adaptare durează de la câteva zile până la două săptămâni.
Desincronizarea ritmului este o problemă medicală importantă în organizarea muncii de noapte și în ture a oamenilor dintr-o serie de profesii, în zborurile spațiale, scuba diving, munca subterană etc.
Ritmurile circadiene și circadiene stau la baza capacității corpului de a simți timpul. Această capacitate a ființelor vii se numește „ceasul biologic”.
Un număr de animale foarte organizate au o capacitate înnăscută complexă de a utiliza orientarea în timp pentru orientarea în spațiu. Păsările din zboruri lungi își ajustează, de asemenea, în mod constant direcția în raport cu Soarele sau cu lumina polarizată a cerului, ținând cont de ora din zi. „Ceasul biologic” al organismelor vii le orientează nu numai în ciclul zilnic, ci și în cicluri geofizice mai complexe de schimbări ale naturii.
Ritmurile mareelor. Speciile care trăiesc în litoral trăiesc în condiții de o periodicitate foarte complexă a mediului extern. Ciclul de 24 de ore al fluctuațiilor de iluminare și alți factori este suprapus de alternanța mareelor înalte și joase. În timpul unei zile lunare (24 ore 50 de minute), se observă 2 maree mari și 2 maree joase, ale căror faze se schimbă zilnic cu aproximativ 50 de minute. Puterea mareelor, în plus, se schimbă în mod natural în timpul lunii sinodice sau lunare (29,5 zile solare). De două ori pe lună (lună nouă și lună plină) își ating valoarea maximă (așa-numitele maree de primăvară).
Acest ritm complex este supus vieții organismelor care trăiesc în zona de coastă. Stridiile la valul joase strâng strâns supapele și opresc hrănirea. Frecvența deschiderii și închiderii cochiliei rămâne în ele mult timp și în acvarii. Se schimbă treptat dacă acvariul este mutat într-o zonă geografică diferită și, în cele din urmă, se stabilește în conformitate cu noul program de maree, deși crustaceii nu le experimentează direct. Experimentele ne permit să presupunem că restructurarea este cauzată de percepția de către stridii a acelor modificări ale stării atmosferei care însoțesc fenomenele de maree.
Peștele Atherine, care trăiește în largul coastei Californiei, folosește înălțimea mareelor de primăvară în ciclul său de viață. La marea cea mai mare, femelele depun ouă la malul apei, îngropându-le în sol nisipos. Odată cu retragerea apei, caviarul rămâne
matur în nisip umed. Eliberarea alevinilor are loc într-o jumătate de lună și este programată să coincidă cu următoarea maree înaltă.
O periodicitate egală cu o lună lunară a fost găsită ca ritm endogen într-un număr de organisme marine și terestre. Se manifestă prin izolare în anumite faze ale Lunii de depunere a icrelor de viermi poliheți palolo, reproducerea crinilor de mare japonezi, roiul unui număr de țânțari chironomide și efie. La un număr de animale, s-a dezvăluit o periodicitate egală cu luna lunară în reacția la lumină, la câmpurile magnetice slabe și în viteza de orientare. La om se presupune legătura inițială a ciclurilor menstruale cu luna sinodică, se constată modificări ale tendinței de sângerare la pacienții operați etc.. Semnificația adaptativă a majorității ritmurilor lunare endogene este încă necunoscută.
Ritmurile anuale sunt printre cele mai universale din natură. Schimbările regulate ale condițiilor fizice pe parcursul anului au determinat în evoluția speciilor o mare varietate de adaptări la această periodicitate. Cele mai importante dintre ele sunt legate de reproducere, creștere, migrație și trăirea unor perioade nefavorabile ale anului. La speciile cu ciclu de viață scurt, ritmul anual se manifestă în mod natural într-un număr de generații (de exemplu, ciclomorfoza la dafnie și rotifere).
Schimbările sezoniere sunt schimbări profunde în fiziologia și comportamentul organismelor, care le afectează morfologia și caracteristicile ciclului de viață. Natura adaptativă a acestor schimbări este evidentă: datorită lor, un moment atât de crucial în viața speciei, deoarece apariția descendenților se dovedește a fi sincronizat pentru a coincide cu sezonul cel mai favorabil, iar experiența perioadelor critice are loc în starea cea mai stabilă.
Cu cât schimbările sezoniere din mediul extern sunt mai accentuate, cu atât periodicitatea anuală a activității vitale a organismelor este mai pronunțată. Căderea frunzelor de toamnă, diverse diapauze, hibernarea, depozitarea grăsimilor, năpârlirea sezonieră, migrațiile etc. se dezvoltă mai ales în țările cu climă temperată și rece, în timp ce la locuitorii de la tropice periodicitatea sezonieră în ciclurile de viață este mai puțin pronunțată.
Ritmurile anuale la multe specii sunt endogene. Astfel de ritmuri se numesc circan (lat. annus - an). Acest lucru este valabil mai ales pentru ciclurile de reproducere. Astfel, animalele din emisfera sudică, ținute în grădinile zoologice din nord, se înmulțesc cel mai des iarna sau toamna, la perioadele corespunzătoare primăverii și verii în patria lor. Struții australieni din rezervația Askania-Nova și-au depus ouăle iarna chiar pe zăpadă. Dingo aduce căței în decembrie, când sfârșitul primăverii în Australia. Odată cu stabilitatea timpului de reproducere în ciclul anual, trebuie să se țină cont de introducerea și aclimatizarea speciilor.
Dezghețurile puternice iarna, înghețurile vara, de obicei, nu deranjează schimbările sezoniere ale plantelor și animalelor. În același timp, acuratețea ciclului anual este departe de a fi întotdeauna de natură endogenă. De exemplu, semințele unui număr de plante germinează într-o perioadă strict definită a anului, chiar și după o stare de anabioză completă indusă experimental, care ar trebui să perturbe „cronometrarea” din organism. În consecință, germinația este stimulată de unele schimbări de mediu asociate cu ciclurile geofizice.
În prezent, reacția organismelor la câmpurile geoelectromagnetice slabe, precum și mareele atmosferice, care se modifică în mod natural în ciclurile de rotație a Pământului, sunt studiate intens. , activitatea motorie a insectelor, rata consumului de oxigen de către tuberculii de cartofi etc. .
Astfel, debutul următoarei etape a ciclului anual la organismele vii are loc parțial ca urmare a ritmurilor endogene și parțial este cauzat de fluctuațiile factorilor externi de mediu. Este de remarcat faptul că periodicitatea anuală nu depinde de factori puternici de mediu care afectează direct organismul (temperatură, umiditate etc.), care sunt supuși unei variații puternice a vremii, ci de proprietățile mediului care sunt secundare activității vitale, care, totuși, se schimbă foarte natural pe parcursul anului. Sensul adaptativ al acestui fenomen este că schimbările pe termen scurt ale condițiilor meteorologice, posibilele lor abateri semnificative de la normă, nu modifică ritmul biologic al organismelor, care rămâne sincronizat cu cursul general al schimbărilor naturii de-a lungul anului.
Unul dintre factorii de mediu care se schimbă cu cea mai mare acuratețe și regulat este durata orelor de lumină, ritmul alternanței perioadelor de întuneric și lumină ale zilei. Acest factor este cel care servește majorității organismelor vii pentru orientarea în anotimpuri.
Ritmuri de viață adaptate
Ritmuri de viață adaptative
Viața pe Pământ s-a dezvoltat în condițiile unei schimbări regulate de zi și noapte și alternarea anotimpurilor datorită rotației planetei în jurul axei sale și în jurul Soarelui. Ritmul mediului extern creează periodicitate, adică repetarea condițiilor din viața majorității speciilor. Atât perioadele critice, dificil de supraviețuit, cât și cele favorabile se repetă în mod regulat.
ritmuri zilnice. Ritmurile zilnice adaptează organismele la schimbarea zilei și a nopții. La plante, creșterea intensivă, înflorirea florilor este cronometrată la un anumit moment al zilei. Animalele în timpul zilei își schimbă foarte mult activitatea. Pe această bază se disting speciile diurne și nocturne.
procesele vieții, aproape de cotidian (Fig. 35). Corpul, parcă, trăiește după ceasul său intern, numărând timpul.
Ritmul zilnic poate capta multe procese din organism. La om, aproximativ 100 de caracteristici fiziologice sunt supuse ciclului zilnic: ritmul cardiac, ritmul respirator, secreția de hormoni, secreția glandelor digestive, tensiunea arterială, temperatura corpului și multe altele. Prin urmare, atunci când o persoană este trează în loc să doarmă, corpul este încă reglat la starea de noapte și nopțile nedormite sunt dăunătoare pentru sănătate.
Cu toate acestea, ritmurile diurne nu apar la toate speciile, ci doar la cele în a căror viață schimbarea zilei și a nopții joacă un rol ecologic important. Locuitorii peșterilor sau apelor adânci, unde nu există o astfel de schimbare, trăiesc după alte ritmuri. Iar în rândul locuitorilor terestre, periodicitatea zilnică nu este detectată la toată lumea. De exemplu, micile scorpie își schimbă activitatea și se odihnesc la fiecare 15-20 de minute, indiferent de zi sau noapte. Datorită ratei metabolice ridicate, sunt forțați să mănânce non-stop.
Încălcări ale ritmului zilnic al corpului
În experimente în condiții strict constante, muștele de fructe Drosophila mențin un ritm zilnic timp de zeci de generații. Această periodicitate este moștenită la ei, ca și la multe alte specii. Atât de profunde sunt reacțiile adaptative asociate cu ciclul zilnic al mediului extern.
ritmuri anuale. Ritmurile anuale adaptează organismele la schimbările sezoniere ale condițiilor (Fig. 36). În viața speciilor, perioadele de creștere, reproducere, năpârlire, migrații, repaus profund alternează în mod natural și se repetă în așa fel încât organismele să îndeplinească anotimpul critic în cea mai stabilă stare. Cel mai vulnerabil proces - reproducerea și creșterea animalelor tinere - se încadrează în sezonul cel mai favorabil. Această periodicitate a modificărilor stării fiziologice în timpul anului este în mare măsură înnăscută, adică se manifestă ca un ritm anual intern. Dacă, de exemplu, struții australieni sau câinele dingo sălbatic sunt plasați într-o grădină zoologică din emisfera nordică, sezonul lor de reproducere va începe în toamnă, când este primăvară în Australia. Restructurarea ritmurilor interne anuale se produce cu mare dificultate, printr-un număr de generații.
Pregătirea pentru reproducere sau iernare este un proces lung care începe în organisme cu mult înainte de debutul perioadelor critice.
Schimbările bruște ale vremii pe termen scurt (înghețurile de vară, dezghețurile de iarnă) nu perturbă de obicei ritmurile anuale ale plantelor și animalelor. Principalul factor de mediu la care răspund organismele în ciclurile lor anuale nu sunt schimbările aleatorii ale vremii, ci fotoperioada - modificările raportului dintre zi și noapte.
Capacitatea organismelor de a răspunde la modificările duratei zilei se numește fotoperiodism.
Dacă ziua este scurtată, specia începe să se pregătească pentru iarnă, dacă se prelungește - la creștere și reproducere activă. În acest caz, pentru Viața organismelor, nu factorul de schimbare a duratei zilei și a nopții este important, ci valoarea sa semnal, indicând schimbările profunde viitoare în natură.
După cum știți, durata zilei depinde în mare măsură de latitudinea geografică. În emisfera nordică, în sud, ziua de vară este mult mai scurtă decât în nord. Prin urmare, speciile sudice și nordice reacționează diferit la aceeași cantitate de schimbare în timpul zilei: cele sudice încep să se înmulțească într-o zi mai scurtă decât cele nordice.
Exemple și informații suplimentare
Exploratorii peșterilor - speologii le-au studiat în detaliu ritmul zilnic. Au coborât în peșteră pentru o perioadă lungă (1-3 luni) fără ceas și și-au construit programul de muncă, somn, mâncare și odihnă pe baza propriei simțuri a timpului. Comunicarea cu suprafața era unidirecțională, nu primeau nicio informație din exterior. În exterior, semnalele lor au fost atent înregistrate și analizate. S-a dovedit că, în condiții constante, o persoană menține un ciclu regulat de somn și veghe, dar perioada acestui ciclu nu este exact egală cu 24 de ore, dar poate diferi cu câteva minute. Pe parcursul mai multor zile, această diferență se rezumă și, după un timp, speologii se culcă când este ziua la suprafață și rămân treji noaptea. La sfârșitul experimentului, se dovedește că numărătoarea lor inversă pentru câteva zile nu coincide cu datele reale.
Aceleași rezultate au fost obținute în numeroase experimente cu animale. Ritmul lor intern în condiții constante se dovedește a fi nu strict diurn, ci circadian; când ziua și noaptea se schimbă, ritmul extern, așa cum spunea, îl corectează pe cel intern și îl stabilește timp de 24 de ore.
Cel mai complex ritm este printre locuitorii zonei maritime intertidale. Deci, în largul coastei Oceanului Atlantic, apa urcă și coboară de două ori pe zi cu o perioadă de 12,4 ore. În consecință, ora exactă a mareelor se schimbă treptat. La reflux, moluștele stoarce strâns scoicile, iar crustaceele se ascund în nisip sau sub alge umede. În plus, periodicitatea zilnică se suprapune acestui ritm al vieții lor. Crustaceele și crabii sunt mai activi în timpul mareelor de zi decât noaptea.
in acelasi timp. În experiment, totuși, fiecare veveriță zburătoare a trăit după propriul ritm circadian și s-a dovedit a fi ușor diferită la diferiți indivizi: la unii indivizi a rămas în urmă cu ziua cu 5-10 minute, la alții a fost cu câteva minute înainte. a zilei. Ca urmare, după o anumită perioadă, a avut loc o nepotrivire completă a activității generale: fiecare animal s-a trezit și a adormit la timpul său. Când s-a restabilit schimbarea zilei și a nopții, s-a ordonat din nou activitatea veverițelor zburătoare.
Speciile cu o răspândire largă răspund diferit la aceeași lungime a zilei în diferite părți ale gamei lor. Lungimea critică a zilei, la care se oprește creșterea și dezvoltarea larvelor fluturelui oxal, este de 14,5 ore la latitudinea Sukhumi, 18,06 ore în vecinătatea Vitebsk și 19,5 ore lângă Sankt Petersburg.
