Внутренние, физиологические, ритмы возникли
исторически. Ни один физиологический процесс в организме не осуществляется
непрерывно. Обнаружена ритмичность в процессах синтеза ДНК и РНК в клетках, в
синтезе белков, в работе ферментов, деятельности митохондрий. Деление клеток,
сокращение мышц, работа желез внутренней секреции, биение сердца, дыхание, возбудимость
нервной системы, т. е. работа всех клеток, органов и тканей организма
подчиняется определенному ритму. Каждая система имеет свой собственный период.
Действиями факторов внешней среды изменить этот период можно лишь в узких
пределах, а для некоторых процессов практически невозможно. Данную ритмику
называют эндогенной.
Внутренние ритмы организма соподчинены, интегрированы
в целостную систему и выступают в конечном итоге в виде общей периодичности
поведения организма. Организм как бы отсчитывает время, ритмически осуществляя
свои физиологические функции. Как для внешних, так и для внутренних ритмов
наступление очередной фазы прежде всего зависит от времени. Отсюда время выступает
как один из важнейших экологических факторов, на который должны реагировать
живые организмы, приспосабливаясь к внешним циклическим изменениям природы.
Изменения в жизнедеятельности организмов нередко
совпадают по периоду с внешними, географическими циклами. Среди них такие, как
адаптивные биологические ритмы —
суточные, приливно-отливные, равные лунному месяцу, годовые. Самые важные
биологические функции организма (питание, рост, размножение и т. д.) благодаря
им совпадают с наиболее благоприятными для этого времени суток и года.
Суточный
режим.
Дважды в сутки, на рассвете и на закате, активность животных и растений на
нашей планете меняется так сильно, что приводит нередко к практически полной,
образно выражаясь, смене «действующих лиц». Это так называемый суточный ритм,
обусловленный периодическим изменением освещенности из-за вращения Земли вокруг
своей оси. В зеленых растениях фотосинтез идет только в светлое (дневное) время
суток. У растений нередко открывание и закрывание цветков, поднятие и опускание
листьев, максимальная интенсивность дыхания, скорость роста колеоптиля и др.
приурочены к определенному времени суток (рис.
7.3).
Рис. 7.3. Цветочные часы
Примечание в кружках
показано примерное время открывания и закрывания
цветков у разных растений
Некоторые виды животных активны лишь при солнечном
свете, другие, напротив, его избегают. Различия между дневным и ночным образом
жизни — явление сложное, и связано оно с
разнообразными физиологическими и поведенческими адаптациями, которые
выработаны в процессе эволюции. Млекопитающие обычно более активны ночью, но
существуют и исключения, например человек: зрение человека, так же как и
человекообразных обезьян, приспособлено к дневному свету. Свыше 100 физиологических функций, затронутых
суточной периодичностью, отмечено у человека: 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. д. Таким образом, большинство животных подразделяется на
две группы видов — дневную и ночную,
практически не встречающиеся друг с другом (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Дневной и ночной порядок питания у
животных
Дневные животные (большая часть птиц, насекомых и
ящериц) на закате солнца отправляются спать, а мир заполняют ночные животные
(ежи, летучие мыши, совы, большинство кошачьих, травяные лягушки, тараканы и
др.). Имеются виды животных с приблизительно одинаковой активностью как днем,
так и ночью, с чередованием коротких периодов покоя и бодрствования. Такой ритм
называют полифазным (ряд хищников,
многие землеройки и т. д.).
Суточный ритм четко прослеживается в жизни
обитателей крупных водных систем —
океанов, морей, больших озер. Зоопланктон ежедневно совершает вертикальные
миграции, поднимаясь к поверхности на ночь и опускаясь днем (рис. 7.5).
Рис. 7.5.
Ежедневные вертикальные миграции самок
веслоногого
рачка Calanusfinmarchicus (по Р. Дажо, 1975)
Вслед за зоопланктоном вверх-вниз перемещаются
питающиеся им более крупные животные, а за ними
— еще более крупные хищники. Считается, что вертикальные перемещения
планктонных организмов происходят под влиянием многих факторов: освещенности,
температуры, солености воды, гравитации, наконец, просто голода. Однако
первичным все же является, по мнению большинства ученых, освещенность, так как
ее изменение может вызывать изменение реакции животных на гравитацию.
У многих животных суточная периодичность не сопровождается
существенными отклонениями физиологических функций, а проявляется в основном
изменениями двигательной активности, например, у грызунов. Наиболее четко
физиологические сдвиги в течение суток можно проследить у летучих мышей. В
период дневного покоя летом многие из летучих мышей ведут себя как пойкилотермные
животные. Температура их тела в это время практически совпадает с температурой
среды. Пульс, дыхание, возбудимость органов чувств резко понижены. Для взлета
потревоженная летучая мышь долго разогревается за счет химической
теплопродукции. Вечером и ночью — это
типичные гомойотер-мные млекопитающие с высокой температурой тела, активными и
точными движениями, быстрой реакцией на добычу и врагов.
Периоды активности у одних видов живых организмов
приурочены к строго определенному времени суток, у других могут сдвигаться в
зависимости от обстановки. Например, активность жуков-чернотелок или пустынных
мокриц сдвигается на разное время суток в зависимости от температуры и влажности
на поверхности почвы. Из норок они выходят рано утром и вечером (двухфазный
цикл), или только ночью (однофазный цикл), или в течение всего дня. Другой
пример. Открывание цветков шафрана зависит от температуры, соцветий одуванчика
от освещенности: в пасмурный день корзинки не раскрываются. Эндогенные суточные
ритмы от экзогенных можно отличить экспериментальным путем. При полном
постоянстве внешних условий (температура, освещенность, влажность и др.) у
многих видов продолжают сохраняться длительное время циклы, близкие по периоду
к суточному. Так, у дрозофил такой эндогенный ритм отмечается в течение
десятков поколений. Следовательно, живые организмы приспосабливались
воспринимать колебания внешней среды и соответственно им настраивали свои
физиологические процессы. Это происходило в основном под влиянием трех факторов — вращении Земли по отношению к Солнцу, Луне и
звездам. Эти факторы, накладываюсь друг на друга, воспринимались живыми
организмами как ритмика, близкая, но не точно соответствующая 24-часовому
периоду. Это и явилось одной из причин некоторого отклонения эндогенных
биологических ритмов от точного суточного периода. Данные эндогенные ритмы
получили название циркадных (от лат. circa —
около и dies — день, сутки), т. е. приближающимися к суточному
ритму.
У разных видов и даже у разных особей одного вида
циркад-ные ритмы, как правило, различаются по продолжительности, но под
влиянием правильного чередования света и темноты могут стать равными 24 ч. Так, если летяг (Pebromysvolans) содержать в абсолютной темноте беспрерывно, то все
они просыпаются и ведут активный образ жизни вначале одновременно, но вскоре — в разное время, и при этом каждая особь
сохраняет свой ритм. При восстановлении правильного чередования дня и ночи
периоды сна и бодрствования летяг снова становятся синхронными. Отсюда вывод,
что внешний раздражитель (смена дня и ночи) регулируют врожденные циркадные
ритмы, приближая их к 24-часовому периоду.
Стереотип поведения, обусловленный циркадным ритмом,
облегчает существование организмов при суточных изменениях среды. Вместе с тем
при расселении растений и животных, попадании их в географические условия с
другой ритмикой дня и ночи прочный стереотип может быть неблагоприятным.
Расселитель-ные возможности тех или иных видов живых организмов нередко
ограничены глубоким закреплением их циркадных ритмов.
Кроме Земли и Солнца, есть еще одно небесное тело,
движение которого заметно сказывается на живых организмах нашей планеты, — это Луна. У самых различных народов
существуют приметы, говорящие о влиянии Луны на урожайность
сельскохозяйственных культур, естественных лугов и пастбищ, поведение человека
и животных. Периодичность, равная лунному
месяцу, в качестве эндогенного ритма выявлена как у наземных, так и водных
организмов. В приуроченности к определенным фазам Луны периодичность
проявляется в роении ряда комаров-хирономид и поденок, размножении японских
морских лилий и многощетинковых червей палоло (Euniceviridis).
Так, в необычном процессе размножения морских многощетинковых червей палоло,
которые обитают в коралловых рифах Тихого океана, роль часов играют фазы Луны.
Половые клетки червей созревают раз в год примерно в одно и то же время — в определенный час определенного дня, когда
Луна находится в последней четверти. Задняя часть тела червя, набитая половыми клетками, отрывается и
всплывает на поверхность. Яйца и сперма выходят наружу, и происходит оплодотворение.
Верхняя половина тела, оставшаяся в норе кораллового рифа, к следующему году
снова наращивает нижнюю половину с половыми клетками. Периодическое изменение
интенсивности лунного света в течение месяца влияет на размножение и других
животных. Начало двухмесячной беременности гигантских лесных крыс Малайзии
обычно приходится на полнолуние. Не исключено, что яркий лунный свет
стимулирует зачатие у этих ночных животных.
Периодичность, равная лунному месяцу, выявлена у
ряда животных в реакции на свет и слабые магнитные поля, в скорости ориентации.
Высказывается мнение, что на полнолуние приходятся периоды максимальной
эмоциональной приподнятости у людей; 28-дневный менструальный цикл женщин,
возможно, унаследован от предков млекопитающих, у которых синхронно со сменой
фаз Луны менялась и температура тела.