Реферат: Биоритмы как факторы естественного отбора и адаптации организмов

Так, у растений хорошо известны ритмические циклы закрытия цветков и опускания листьев в ночное время и раскрытия их в дневное время. При этом ритмы сохраняются даже в отсутствии солнечного света, что было подтверждено опытами российского биофизика С. Э. Шноля, который приводит пример с фасолью Мэрана, листья которой опускались и поднимались вечером и утром, даже если она находилась в полностью темной комнате. Таким образом, растение как бы «чувствовало» время и определяло его своими внутренними физиологическими часами. Обычно растения определяют длительность дня по переходу пигмента фитохрома из одной формы в другую при изменении спектрального состава солнечного света. Так, на закате солнце имеет красный цвет вследствие того, что красный свет имеет большую длину волны и меньше рассеивается, чем синий. В этом закатном или сумеречном свете много красного и инфракрасного излучений, и растения это воспринимают.[4]

К суточным ритмам относится чередование периодов активности покоя и активности животных (дневных и ночных). Для животных важно не абсолютное определение времени, а относительное — когда взойдет солнце и когда оно сядет, так как дневные существа используют для поиска пищи светлую часть дня, а ночные темную.

Интересен суточный ритм манящего краба (побережье Атлантического океана) – это изменение окраски: с утра краб более светлый, но по мере того, как солнце поднимается все выше над горизонтом, он темнеет. Пигмент, играя защитную роль, предохраняет его от палящих солнечных лучей. Если же это время совпадает с отливом, то более темная окраска помогает ему оставаться незамеченным на прибрежном песке, куда краб отправляется в поисках пищи.

Четко выражены суточные ритмы у пчел, муравьев.

Суточные ритмы человека

У человека отмечается около трехсот физиологических функций, имеющих суточные ритмы.

Согласно «циркадианной системе человека», масса тела является максимальной в 18—19 ч, частота сердечных сокращений — в 15—16 ч. частота дыхания — в 13—16 ч, систолическое артериальное давление — в 15—18 ч, уровень эритроцитов в крови — в 11—12 ч, лейкоцитов — в 21—23 ч, гормонов в плазме крови (АКТГ, кортизол, 17-гидроксикортикостерон), циклического аденозинмонофосфата — в 8—12 ч, инсулина, ренина — в 18 ч, тестостерона — в 8—9 ч, тироксина — в 14—15 ч, общего белка крови — в 17—19 ч, фибриногена —в 18 ч, билирубина (общего) — в 10 ч, трансаминазы — в 8—9 ч, холестерина — в 18 ч, азота мочевины — в 22—23 ч.

Утром замедляются, а вечером ускоряются психические процессы. В свою очередь, на ритмы физиологических и психических функций влияют смены сна и бодрствования, активности и покоя. Параметры суточной кривой работоспособности в период бодрствования (фаза, амплитуда, акрофаза) зависят от множества факторов: типа личности, общей обстановки, приема пищи, уровня мотивации и т.д.

Нарушение временной упорядоченности ритмов биологической системы обозначают термином десинхроноз. Изучение механизмов возникновения десинхроноза имеет большое значение при организации режимов труда и отдыха у представителей различных специальностей, при проведении профилактических мероприятий с целью охраны здоровья. Десинхроноз может возникать как результат фазового рассогласования между ритмами биологической системы и теми периодическими изменениями в окружающей среде, которые для организма выступают как датчики времени (внешнеобусловленный десинхроноз, внешний десинхроноз), либо вследствие нарушения координации между ритмами в самой системе. Внешний десинхроноз можно наблюдать у лиц, совершивших перелет через 4—5 часовых поясов, у космонавтов во время космических полетов, при смене дневного режима работы на ночной.

В природе суточные ритмы складываются из процессов, обусловленных эндогенными ритмами, и реакции на суточные изменения окружающей среды. При нарушении естественного ритма среды суточные ритмы разных физиологических функций теряют синхронность. Такие явления (десинхронизация) возникает, например, при разведении животных и растений в искусственных условиях, при смене часовых поясов, при переходе на летнее/зимнее время и др. Десинхронизация может явиться причиной возникновения патологических изменений в организме, снижению иммунитета, ухудшению адаптивных возможностей организма.

Таким образом, циркадная временная программа реализует две различные задачи: с одной стороны, она сохраняет свою автономию независимо от воздействия внешних факторов. С другой стороны, она способна переставлять внутренние часы организма, чтобы цикл, несмотря на свою автономию, не был десинхронизирован с окружающим миром.

Отмечено, что суточные биоритмы наиболее выражены у обитателей высоких широт, где четко выражены отличия «дневного» и «ночного» состояния окружающей среды.

Лунные биоритмы

Лунные (циркулунарные) ритмы – их период в среднем 29,53 суток ѿсоответствуют циклу фаз луны, т.е. лунно-месячному циклу.

Средняя периодичность вращения Луны вокруг Земли влияет на многочисленные геофизическими изменения: например, изменение освещенности по ночам, давления воздуха, температуры, направления ветра, изменение магнитных полей Земли, и эти явления являются временными указателями для циркалунарных ритмов.

Наиболее впечатляющие примеры ориентации жизненных процессов на циркалунарные ритмы мы обнаруживаем у морских организмов. Например, обитающий на коралловых рифах морской червь Палоло в определенное время суток в последнюю декаду лунного цикла в октябре и ноябре отделяет свою подвижную заднюю часть, наполненную продуктами половой системы, в воду для продолжения рода. Высочайшая точность синхронизации по лунарному ритму характерна и для одного из вида насекомых, которые синхронно выходят на морской берег для спаривания и откладывания яиц (нужно учитывать, что продолжительность жизни самки в этом случае составляет не более 20 минут).

Лунные циклы периодов оплодотворения и рождаемости бывают не только синодическими, но и сизигическими с периодом в 14,7 суток. Один вид рыб, живущих на берегу Калифорнийского залива, откладывает в новолуние и полнолуние (во время прилива) на пляж икру, которая развивается на берегу в течение 14 суток и попадает в воду со следующим большим приливом. Для некоторых эндогенных циркалунарных ритмов в лабораторных условиях была установлена синхронизация с лунным светом.

Лунный свет обусловливает различия в ночной освещенности, что способствует изменению активности животных, ведущих ночной или вечерний образ жизни. Даже если в условиях лаборатории исключить действие лунного света, циркалунарные процессы сохраняют свою периодичность. Она может быть обусловлена синхронизацией с другими связанными с лунным циклом факторами, например, с колебаниями магнитного поля Земли. Сюда же нужно отнести колебания чувствительности глаза к уровню и спектру освещенности. У рыбок гуппи наибольшая чувствительность к свету смещается от фиолетового спектра в полнолуние в желтый спектр в новолуние. У людей также наблюдаются сходные изменения в чувствительности зрения, причем она смещается в том же цветовом диапазоне. Кроме того, отмечаются колебания в суточном объеме мочи у человека, которые совпадают с лунным циклом. В последнее время было также выявлено, что имеются связанные с лунным ритмом колебания склонности к инфекциям.

В то время как причины упомянутых выше феноменов и их связь с окружающей средой еще не выявлены, можно точно сказать, что менструальный цикл женщин в цивилизованных странах имеет эндогенный характер и, хотя и совпадает по продолжительности с лунным циклом, но более не синхронизирован с ним. А у обезьян, живущих в области экватора, цикл овуляции синхронизирован с лунными фазами.

Рост растений также связан с лунным циклом, что можно показать по колебаниям урожайности бобовых, картофеля и редиса. Уже давно широко используются «Лунные календари», по которым определяют оптимальное время посадки и других агротехнических мероприятий.

Годичные биоритмы

Годичные, или цирканнуальные биологические ритмы имеют период колебания 1 год ± 2 месяца и связаны с вращением Земли вокруг Солнца.

Эти ритмы наблюдаются у всех организмов от полярной до тропической зоны. Выраженность годовых (сезонных) ритмов нарастает по мере увеличения географической широты и отчетливо проявляется у организмов, населяющих умеренные и полярные зоны, где сезонные различия наиболее отчетливы. В основе колебательных функций организма с годовым периодом лежат, во-первых, приспособительные реакции в ответ на изменение основных параметров внешней среды (температуры, качественного и количественного состава пищи, изменения водного режима), во-вторых, реакция на сигнальные факторы среды, такие, как изменения фотопериода, напряженности геомагнитного поля, появление некоторых химических компонентов. Годичные биоритмы проявляются, например, в явлениях миграций, кочевок, зимней и летней спячки, репродуктивных процессах.

Зимняя спячка помогает многим животным пережить неблагоприятный период. Животные удивительно точно определяют время для спячки. Например, медведь укладывается в свою берлогу всегда накануне снегопада. И потом 5,5 мес до апрельской температуры в 12° зверь спит, существуя за счет накопленного с осени жира (запас его составляет почти 1/3 массы тела). Во время зимней спячки температура тела медведя снижается почти на 10°С, а частота дыхания уменьшается в 3 раза. Все это помогает ему экономно расходовать накопленные в теплое время жизненныe ресурсы. Если же этот ритм нарушен и зверь по каким-либо причинам не залег в берлогу или вдруг «неожиданно» проснулся в середине зимы, он практически обречен на гибель. Медведь-шатун гибнет от голода, одолеваемый множеством паразитов, бурно размножающихся в слабеющем организме.

Таких примеров разлада биологических часов достаточно много. Иногда, при резком осеннем потеплении, некоторые растения могут начать цвести. Однако это отрицательно сказывается на последующей жизнедеятельности растения.[5]

Известны сезонные изменения заболеваемости и смертности от некоторых заболеваний (в частности, туберкулеза – весна, осень).

Таким образом, биоритмы являются определяющим условием существования живых организмов, наблюдаются на всех уровнях организации живых систем и являются адаптацией организмов к поддержанию оптимального функционирования в условиях окружающей среды.

Использование знаний о биоритмах человека является важным для улучшения здоровья (хрономедицина), работоспособности, выживаемости в экстремальных условиях.

Литература