Сезонные изменения физиологических процессов. Виды биологических ритмов и часов

Реакция организмов на сезонные изменения длины дня получила название фотопериодизма. Его проявление зависит не от интенсивности освещения, а только от ритма чередования темного и светлого периодов суток.

Фотопериодическая реакция живых организмов имеет большое приспособительное значение, так как для подготовки к переживанию неблагоприятных условий или, наоборот, к наиболее интенсивной жизнедеятельности требуется довольно значительное время. Способность реагировать на изменение длины дня обеспечивает заблаговременные физиологические перестройки и пригнанность цикла к сезонным сменам условий. Ритм дня и ночи выступает как сигнал предстоящих изменений климатических факторов, обладающих сильным непосредственным воздействием на живой организм (температуры, влажности и др.). В отличие от других экологических факторов ритм освещения влияет лишь на те особенности физиологии, морфологии и поведения организмов, которые являются сезонными приспособлениями в их жизненном цикле. Образно говоря, фотопериодизм - это реакция организма на будущность.

Хотя фотопериодизм встречается во всех крупных систематических группах, он свойствен далеко не всем видам. Существует много видов с нейтральной фотопериодической реакцией, у которых физиологические перестройки в цикле развития не зависят от длины дня. У таких видов либо развиты другие способы регулирования жизненного цикла (например, озимость у растений), либо они не нуждаются в точном его регулировании. Например, там, где нет резко выраженных сезонных изменений, большинство видов не обладает фотопериодизмом. Цветение, плодоношение и отмирание листьев у многих тропических деревьев растянуто во времени, и на дереве одновременно встречаются и цветки и плоды. В умеренном климате виды, успевающие быстро завершить жизненный цикл и практически не встречающиеся в активном состоянии в неблагоприятные сезоны года, также не проявляют фотопериодических реакций, например многие эфемерные растения.

Различают два типа фотопериодической реакции: короткодневный и длиннодневный. Известно, что длина светового дня, кроме времени года, зависит от географического положения местности. Короткодневные виды живут и произрастают в основном в низких широтах, а длиннодневные -в умеренных и высоких. У видов с обширными ареалами северные особи могут отличаться по типу фотопериодизма от южных. Таким образом, тип фотопериодизма - это экологическая, а не систематическая особенность вида.

У длиннодневных растений и животных увеличивающиеся весенний и раннелетний дни стимулируют ростовые процессы и подготовку к размножению. Укорачивающиеся дни второй половины лета и осени вызывают торможение роста и подготовку к зиме. Так, морозостойкость клевера и люцерны гораздо выше при выращивании растений на коротком дне, чем на длинном. У деревьев, растущих в городах близ уличных фонарей, осенний день оказывается удлиненным, в результате у них задерживается листопад и они чаще подвергаются обморожению.

Как показали исследования, короткодневные растения особенно чувствительны к фотопериоду, так как длина дня на их родине меняется в течение года мало, а сезонные климатические изменения могут быть очень значительными. Тропические виды фотопериодическая реакция подготавливает к сухому и дождливому сезонам. Некоторые сорта риса в Шри-Ланке, где общее годовое изменение длины дня составляет не более часа, улавливают даже ничтожную разницу в световом ритме, что определяет время их цветения.

Фотопериодизм насекомых может быть не только прямым, но и опосредованным. Например, у капустной корневой мухи зимняя диапауза возникает через воздействие качества пищи, которое изменяется в зависимости от физиологического состояния растения.

Длина светлого периода суток, обеспечивающая переход в очередную фазу развития, получила название критической длины дня для этой фазы. По мере повышения географической широты критическая длина дня возрастает. Например, переход в диапаузу яблоневой листовертки на широте 32° происходит при продолжительности светлого периода суток, равной 14 ч, 44°-16 ч, 52°-18 ч. Критическая длина дня часто служит препятствием для широтного передвижения растений и животных, для их интродукции.

Фотопериодизм растений и животных - наследственно закрепленное, генетически обусловленное свойство. Однако фотопериодическая реакция проявляется лишь при определенном воздействии других факторов среды, например в определенном интервале температур. При некотором сочетании экологических условий возможно естественное расселение видов в несвойственные им широты несмотря на тип фотопериодизма. Так, в высокогорных притропических районах много растений длинного дня, выходцев из районов умеренного климата.

Для практических целей длину светового дня изменяют при выращивании культур в закрытом грунте, управляя продолжительностью освещения, увеличивают яйценоскость кур, регулируют размножение пушных зверей.

Средние многолетние сроки развития организмов епределяются прежде всего климатом местности, именно к ним и приспособлены реакции фотопериодизма. Отклонения от этих сроков обусловливаются погодной обстановкой. При изменении погодных условий сроки прохождения отдельных фаз могут в определенных пределах изменяться. Это особенно сильно проявляется у растений и пойкилотермных животных.’ Так, растения, не набравшие необходимой суммы эффективных температур, не могут зацвести даже в условиях фотопериода, стимулирующих переход в генеративное состояние. Например, в Подмосковье береза зацветает в среднем 8 мая при накоплении суммы эффективных температур 75 °С. Однако в годовых отклонениях сроки ее зацветания изменяются от 19 апреля до 28 мая. Гомойотермные животные отвечают на особенности погоды изменением поведения, сроков гнездования, миграций.

Изучением закономерностей сезонного развития природы занимается особая прикладная отрасль экологии - фенология (дословный перевод с греческого - наука о явлениях).

Согласно биоклиматическому закону Хопкинса, выведенному им применительно к условиям Северной Америки, сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) различаются в среднем на 4 дня на каждый градус широты, на каждые 5 градусов долготы и на 120 м высоты над уровнем моря, т. е. чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступление весны и раньше - осени. Кроме того, фенологические даты зависят от местных условий (рельефа, экспозиции, удаленности от моря и т. п.). На территории Европы сроки наступления сезонных событий изменяются на каждый градус широты не на 4, а на 3 дня. Соединяя на карте точки с одинаковыми фенодатами, получают изолинии, отражающие фронт продвижения весны и наступления очередных сезонных явлений. Это имеет большое значение для планирования многих хозяйственных мероприятий, в частности сельскохозяйственных работ.

У каждого вида в процессе эволюции выработался характерный годичный цикл интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Это явление получило название биологического ритма. Совпадение каждого периода жизненного цикла с соответствующим временем года имеет решающее значение для существования вида.

Наиболее заметна связь всех физиологических явлений у организма с сезонным ходом температуры. Но хотя она влияет на скорость жизненных процессов, все же не служит главным регулятором сезонных явлений в природе. Биологические процессы подготовки к зиме начинаются еще летом, когда температура высока. Насекомые при высокой температуре все-таки впадают в зимующее состояние, у птиц наступает линька и появляется стремление к перелету. Следовательно, какие-то другие условия, а не температура влияют на сезонное состояние организма.

Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных является изменение продолжительности дня. Реакция организмов на продолжительность дня получила название фотопериодизма . Значение фотопериодизма видно из опыта, показанного на рисунке 35. При искусственном круглосуточном освещении или продолжительности дня более 15 ч сеянцы березы растут непрерывно, не сбрасывая листьев. Но при освещении в течение 10 или 12 часов в сутки рост сеянцев даже летом прекращается, вскоре происходит сбрасывание листьев и наступает зимний покой, как под влиянием короткого осеннего дня. Многие наши листопадные древесные породы: ива, белая акация, дуб, граб, бук - при длинном дне становятся вечнозелеными.

Рисунок 35. Влияние длины дня на рост сеянца березы.

Продолжительность дня определяет не только наступление зимнего покоя, но и другие сезонные явления у растений. Так, длинный день способствует образованию цветков у большинства наших дикорастущих растений. Такие растения называют длиннодневными. Из культурных к ним относятся рожь, овес, большинство сортов пшеницы и ячменя, лен. Однако некоторые растения, преимущественно южного происхождения, например хризантемы, георгины, для цветения нуждаются в коротком дне. Поэтому они зацветают у нас лишь в конце лета или осенью. Растения такого типа называют короткодневными.

Сильно сказывается влияние длины дня и на животных. У насекомых и клещей длина дня обусловливает наступление зимнего покоя. Так, при содержании гусениц бабочки-капустницы в условиях длинного дня (более 15 ч) из куколок вскоре выходят бабочки и без перерыва развивается последовательный ряд поколений. Но если гусениц содержать при дне короче 14 ч, то даже весной и летом получаются зимующие куколки, которые не развиваются в течение нескольких месяцев, несмотря на достаточно высокую температуру. Подобный тип реакции объясняет, почему в природе летом, пока день длинный, у насекомых может развиваться несколько поколений, а осенью развитие всегда останавливается на зимующей стадии.

У большинства птиц весенний, удлиняющийся день вызывает развитие половых желез и проявление гнездовых инстинктов. Осеннее сокращение дня вызывает линьку, накопление запасных жиров и стремление к перелету.

Длина дня является сигнальным фактором, определяющим направление биологических процессов. Почему именно сезонные изменения длины дня приобрели такое большое значение в жизни живых организмов?

Изменение длины дня всегда тесно связано с годовым ходом температуры. Поэтому длина дня служит точным астрономическим предвестником сезонных изменений температуры и других условий. Это объясняет, почему у самых разных групп организмов умеренных широт под влиянием движущих сил эволюции сформировались специальные фотопериодические реакции - приспособления к климатическим изменениям в различное время года.

Фотопериодизм - это общее важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых разных организмов.

Биологические часы

Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Реакция организмов на продолжительность дня и ночи показывает, что они способны измерять время, т. е. обладают какими-то биологическими часами . Эту способность имеют все виды живых существ, от одноклеточных до человека.

Биологические часы, кроме сезонных циклов, управляют многими другими биологическими явлениями, природа которых еще недавно оставалась загадочной. Они определяют правильный суточный ритм как активности целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений.

Управление сезонным развитием животных и растений

Выяснение роли длины дня и регуляции сезонных явлений открывает большие возможности для управления развитием организмов.

Различные приемы управления развитием используют при круглогодичном выращивании на искусственном свету овощных культур и декоративных растений, при зимней и ранней выгонке цветов, для ускоренного получения рассады. Предпосевной обработкой семян холодом достигают колошения озимых культур при весеннем посеве, а также цветения и плодоношения уже в первый год многих двулетних растений. Увеличивая длину дня, удается повысить яйценоскость птиц на птицефермах.

Одно из фундаментальных свойств живой природы - это цикличность большинства происходящих в ней процессов. Между движением небесных тел и живыми организмами на Земле существует связь.

Живые организмы не только улавливают свет и тепло солнца и луны, но и обладают различными механизмами, точно определяющими положение Солнца, реагирующими на ритм приливов, фазы луны и движение нашей планеты. Они растут и размножаются в ритме, который приурочен к продолжительности дня и смене времени года, обусловленном в свою очередь движением Земли вокруг Солнца. Совпадение фаз жизненного цикла с временем года, к условиям которого они приспособлены, имеет решающее значение для существования вида. В процессе исторического развития циклические явления, происходящие в природе, были восприняты и усвоены живой материей, и у организмов выработалось свойство периодически изменять свое физиологическое состояние.

Равномерное чередование во времени каких-либо состояний организма называется биологическим ритмом.

Различают внешние (экзогенные), имеющие географическую природу и следующие за циклическими изменениями во внешней среде, и внутренние (эндогенные), или физиологические, ритмы организма.

Внешние ритмы

Внешние ритмы имеют географическую природу, связаны с вращением Земли относительно Солнца и Луны относительно Земли.

Множество экологических факторов на нашей планете, в первую очередь световой режим, температура, давление и влажность воздуха, атмосферное электромагнитное поле, морские приливы и отливы и др. под влиянием этого вращения закономерно изменяются. На живые организмы воздействуют и такие космические ритмы, как периодические изменения солнечной активности. Для Солнца характерен 11-летний и целый ряд других циклов. Существенное влияние оказывают на климат нашей планеты изменения солнечной радиации. Помимо циклического воздействия абиотических факторов внешними ритмами для любого организма являются и закономерные изменения активности, а также поведение других живых существ.

Внутренние, физиологические, ритмы

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.

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.

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. 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 циркадные ритмы, как правило, различаются по продолжительности, но под влиянием правильного чередования света и темноты могут стать равными 24 ч. Так, если летяг (Pebromys volans) 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 (Eunice viridis). 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.

Приливно-отливные ритмы. Влияние Луны прежде всего сказывается на жизни водных организмов морей и океанов нашей планеты, связано с приливами, которые обязаны своим существованием совместному притяжению Луны и Солнца. Движение Луны вокруг Земли приводит к тому, что существует не только суточная ритмика приливов, но и месячная. Максимальной высоты приливы достигают примерно раз в 14 дней, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой с Землей и оказывают максимальное воздействие на воды океанов. Сильнее всего ритмика приливов сказывается на организмах, обитающих в прибрежных водах. Чередование приливов и отливов для живых организмов здесь важнее, чем смена дня и ночи, обусловленная вращением Земли и наклонным положением земной оси. Этой сложной ритмике приливов и отливов подчинена жизнь организмов, обитающих в первую очередь в прибрежной зоне. Так, физиология рыбки-грунина, обитающей у побережья Калифорнии, такова, что в самые высокие ночные приливы они выбрасываются на берег. Самки, зарыв хвост в песок, откладывают икру, затем самцы оплодотворяют ее, после чего рыбы возвращаются в море. С отступлением воды оплодотворенная икра проходит все стадии развития. Выход мальков происходит через полмесяца и приурочен к следующему высокому приливу.

Сезонная периодичность относится к числу наиболее общих явлений в живой природе. Непрекращающаяся смена времени года, обусловленная вращением Земли вокруг Солнца, всегда восхищает и поражает человека. Весной все живое пробуждается от глубокого сна, по мере того как тают снега и ярче светит солнце. Лопаются почки и распускается молодая листва, молодые зверята выползают из нор, в воздухе снуют насекомые и вернувшиеся с юга птицы. Смена времен года наиболее заметно протекает в зонах умеренного климата и северных широтах, где контрастность метеорологических условий разных сезонов года весьма значительна. Периодичность в жизни животных и растений является результатом приспособления их к годичному изменению метеорологических условий. Она проявляется в выработке определенного ежегодного ритма в их жизнедеятельности, согласованного с метеорологическим ритмом. Потребность в пониженных температурах в осенний период и в тепле в период вегетации означает, что для растений умеренных широт имеет значение не только общий уровень тепла, но и определенное распределение его во времени. Так, если растениям дать одинаковое количество тепла, но по-разному распределенного: одному теплое лето и холодную зиму, а другому соответствующую постоянную среднюю температуру, то нормальное развитие будет только в первом случае, хотя общая сумма тепла в обоих вариантах одинакова.

Потребность растений умеренных широт в чередовании в течение года холодных и теплых периодов получила название сезонного термопериодизма.

Нередко решающим фактором сезонной периодичности является увеличение продолжительности дня. Продолжительность дня меняется на протяжении всего года: дольше всего солнце светит в день летнего солнцестояния в июне, меньше всего - в день зимнего солнцестояния в декабре.

У многих живых организмов имеются специальные физиологические механизмы, реагирующие на продолжительность дня и в соответствии с этим изменяющие их образ действий. Например, пока продолжительность дня составляет 8 ч, куколка бабочки-сатурнии спокойно спит, так как на дворе еще зима, но как только день становится длиннее, особые нервные клетки в мозге куколки начинают выделять специальный гормон, вызывающий ее пробуждение.

Сезонные изменения мехового покрова некоторых млекопитающих также определяются относительной продолжительностью дня и ночи, мало или не зависят от температуры. Так, постепенно искусственно сокращая светлое время суток в вольере, ученые как бы имитировали осень и добивались того, что содержащиеся в неволе ласки и горностаи раньше времени меняли свой коричневый летний наряд на белый зимний.

Общепринято считать, что существует четыре времени года (весна, лето, осень, зима). Экологи же, изучающие сообщества умеренного пояса, обычно выделяют шесть времен года, различающиеся по набору видов в сообществах: зима, ранняя весна, поздняя весна, раннее лето, позднее лето и осень. Общепринятого деления года на четыре сезона не придерживаются птицы: состав сообщества птиц, куда входят как постоянные обитатели данной местности, так и птицы, проводящие здесь зиму или лето, все время меняется, при этом максимальной численности птицы достигают весной и осенью во время пролетов. В Арктике, по сути дела, существует два времени года: девятимесячная зима и три летних месяца, когда солнце не заходит за горизонт, почва оттаивает и в тундре просыпается жизнь. По мере продвижения от полюса к экватору смена времени года все меньше определяется температурой, а все больше и больше влажностью. В пустынях умеренного пояса лето - это период, когда жизнь замирает, и расцветает ранней весной и поздней осенью.

Смена времени года связана не только с периодами обилия или недостатка пищи, но и с ритмом размножения. У домашних животных (коров, лошадей, овец) и животных в естественной природной среде умеренного пояса потомство обычно появляется весной и подрастает в наиболее благоприятный период, когда больше всего растительной пищи. Поэтому может возникнуть мысль, что весной размножаются вообще все животные.

Однако размножение многих мелких млекопитающих (мышей, полевок, леммингов) часто не имеет строго сезонной приуроченности. В зависимости от количества и обилия кормов размножение может идти как весной, так и летом, и зимой.

В природе наблюдается кроме суточных и сезонных ритмов .многолетняя периодичность биологических явлений. Она определяется изменениями погоды, закономерной ее сменой под влиянием солнечной активности и выражается чередованием урожайных и неурожайных лет, лет обилия или малочисленности популяций.

Д. И. Маликов за 50 лет наблюдений отметил пять крупных волн изменений поголовья скота или столько, сколько было солнечных циклов (рис. 7.8). Такая же связь проявляется в цикличности изменений удоев молока, годовом приросте мяса, шерсти у овец, а также в других показателях сельскохозяйственного пооизводства.

Периодичность изменений свойств вируса гриппа связывают с солнечной активностью.

Согласно прогнозу, после относительно спокойного по гриппу периода начала 80-х гг. XX в. с 2000 г. ожидается резкое усиление интенсивности его распространения.

Различают 5-6- и 11-летние, а также 80-90-летние или вековые циклы солнечной активности. Это позволяет в какой-то мере объяснить совпадения периодов массового размножения животных и роста растений с периодами солнечной активности.

Биологические часы

Циркадные и суточные ритмы лежат в основе способности организма чувствовать время. Механизм, ответственный за такую периодическую активность - будь то питание или размножение, - получил название «биологических часов». Поразительная точность работы биологических часов, управляющих жизнедеятельностью многих растений и животных, является объектом исследований ученых разных стран мира.

Как видно из приведенных кривых, листья бобовых на ночь сникают, а днем снова расправляются. График активности крыс состоит из последовательно чередующихся прямоугольных ям (день - крыса спит) и плато (ночь - крыса бодрствует). Комнатные мухи большей частью вылупляются из куколок утром. Эта адаптация имеет столь глубокие корни, что даже в условиях постоянных освещенности, температуры и влажности мухи сохраняют свойственную им периодичность поведения.

Множество животных - различные виды птиц, черепах, пчел и др. - ориентируются в своих путешествиях по небесным светилам. Думается, что для этого нужно обладать не только хорошей памятью, позволяющей запоминать положение Солнца или других светил, но и чем-то вроде хронометра, показывающего, сколько времени потребовалось Солнцу и звездам, чтобы занять новое место на небосводе. Организмы, обладающие такими внутренними биологическими часами, получают еще одно преимущество - они способны «предвидеть» наступление регулярно повторяющихся событий и соответствующим образом подготовиться к предстоящим переменам. Так, пчелам их внутренние часы помогают прилететь на цветок, на котором побывали вчера, точно к тому времени, когда он распускается. Цветок, который посещает пчела, также обладает некими внутренними часами, некими внутренними часами, сигнализирующими о времени распускания. О существовании собственных биологических часов известно каждому. Проснувшись несколько дней подряд от звонка будильника, быстро привыкаешь просыпаться прежде, чем он зазвонит. Сегодня имеются различные точки зрения на природу биологических часов, их принцип действия, но одно несомненно - они реально существуют и широко распространены в живой природе. Определенные внутренние ритмы присущи и человеку. Химические реакции в его организме происходят, как это было показано выше, с определенной периодичностью. Даже во время сна электрическая активность мозга человека меняется каждые 90 мин.

Биологические часы, по мнению целого ряда ученых, представляют собой еще один экологический фактор, ограничивающий активность живых существ. Свободному расселению животных и растений препятствуют не только экологические барьеры, они привязаны к своему местообитанию не только конкуренцией и симбиотическими отношениями, границы их ареалов определяются не только адаптациями, но их поведение управляется еще и опосредованно, через внутренние биологические часы, движением далеких небесных тел.



Во время сильных морозов и ветров 200-300, а иногда и 500 пингвинов собираются толпой и, выпрямившись во весь рост, плотно прижимаются друг к другу, образуя так называемую "черепаху" - плотный круг. Этот круг медленно, но непрерывно вращается вокруг центра, сгрудившиеся птицы согревают друг друга. После бури пингвины расходятся. Французских ученых поразила такая "общественная" терморегуляция. Измеряя температуру внутри "черепахи" и по ее краям, они убедились, что при 19° мороза температура птиц в центре доходит до 36° тепла, причем ко времени измерения температуры птицы голодали уже около 2 месяцев. В одиночку пингвин ежедневно теряет в весе свыше 200 г, а в "черепахе" - около 100 г, т. е. вдвое меньше "сжигает горючего".

Мы видим, что особенности приспособления имеют огромное значение для выживания вида. В мае - июне, когда в Антарктиде зима, императорские пингвины откладывают яйца весом около 400-450 г. До дня откладки яйца самка голодает. Затем самки-пингвины на 2 месяца отбывают в поход за едой, а самцы все это время ничего по едят, согревая яйцо. Как правило, птенцы выходят из яйца после возвращения матери. Птенцы выращиваются матерью примерно с июля по декабрь.

Антарктической весной льдины начинают таять и разламываться. Эти льдины уносят молодых и взрослых пингвинов в открытое море, где малыши окончательно формируются в самостоятельных членов удивительного общества пингвинов. Такая сезонность проявляется из года в год.

Сезонные изменения физиологических процессов наблюдаются и у человека. Об этом накоплены многочисленные сведения. Наблюдения ученых свидетельствуют о том, что "усвоение ритма" (А. А. Ухтомский) происходит не только в микроинтервалах времени, но и в макроинтервалах. Наиболее яркими из временных циклических изменений физиологических процессов являются годичные сезонные изменения, тесно связанные с сезонными метеорологическими циклами, а именно повышение основного обмена весной и снижение его осенью и зимой, увеличение процента гемоглобина весной и летом, изменение возбудимости дыхательного центра весной и летом. Ученые установили, что содержание гемоглобина и количество эритроцитое в крови человека зимой на 21 % выше, чем летом. Максимальное и минимальное кровяное давление из месяца в месяц по мере похолодания повышается. Разница между летним и зимним уровнем кровяного давления достигает 16%. Особенно чувствительны к сезонным изменениям сосудистая система и кровь. Максимальное и минимальное кровяное давление в летнее время ниже, чем зимой. Количество эритроцитов летом у мужчин несколько выше, а у женщин ниже, чем зимой, а показатель гемоглобина, наоборот, у мужчин в летнее время ниже, а у женщин выше, чем в другие времена года. Цветной показатель крови в летний период ниже, чем в другие сезоны.

Несколько иные данные получил А. Д. Слоним с сотрудниками при наблюдении за людьми, проживающими в условиях Севера. Они обнаружили, что более высокий процент гемоглобина крови наблюдается в летние месяцы, а наименьший - зимой и весной. Большой экспериментальный материал по изучению сезонной динамики эритроцитов, гемоглобина, кровяного давления, пульса, реакции оседания эритроцитов (РОЭ) накоплен М. Ф. Авазбакиевой в условиях Средней Азии и Казахстана. Обследовано около 3000 человек (2000 мужчин и 1000 женщин). Показано, что РОЭ у мужчин летом несколько ускоряется, однако по прибытии в горы во все сезоны года, как правило, отмечается ее замедление. Ученые считают, что наблюдаемые в горах изменения РОЭ обусловлены действием солнечной радиации. Эти изменения указывают на общее благоприятное действие высокогорного климата на человека и уменьшение белкового распада при акклиматизации.

В условиях лаборатории, воздействуя на человека ультрафиолетовыми лучами, можно вызвать изменения, аналогичные тем, которые наблюдаются в естественных условиях высокогорья. Регулярно, в течение продолжительного времени обследуя 3746 человек, проживающих в Киеве, В. В. Ковальский установил, что максимальное содержание гемоглобина в крови у мужчин бывает весной (в основном в марте), а у женщин - зимой (чаще всего в январе). Минимальное содержание гемоглобина наблюдается у мужчин в августе, у женщин - в июле.

У низших обезьян (павианов-гамадрилов) установлены сезонные колебания таких биохимических показателей крови, как содержание сахара, холестерина, остаточного азота, белков, аденозинтрифосфорной кислоты. Он обнаружил, что в зимнее время снижалось содержание в крови сахара и повышалось содержание аденозинтрифосфорной кислоты и холестерина по сравнению с летним периодом. Обнаружено, что если в средней полосе уровень основного обмена зимой значительно падает и это, вероятно, обусловлено тем, что зимой сокращаются световые раздражения (короткий день) и уменьшается двигательная активность человека, то при переезде человека зимой из средней полосы в условия субтропиков Абхазии он как бы переносит свой организм из зимних условий в условия весны и лета. В этих случаях обмен повышается, дыхательный коэффициент в зимние месяцы практически не меняется и остается таким же, как и летом. Эти изменения автор рассматривает как своеобразный случай извращения сезонного ритма у человека.

По мнению некоторых исследователей, наблюдаемая в течение года сезонная изменчивость физиологических процессов до некоторой степени повторяет их суточную периодичность, причем состояние организмов летом и зимой в какой-то мере совпадает с их состоянием днем и ночью. Изучая поведение летучих мышей в пещере Адзаба под Сухуми, А. Д. Слоним отмечает, что суточные периодические изменения терморегуляции во времени совпадают с вылетом мышей из пещеры - периодом их активности вечером и ночью, причем эта ритмика лучше всего выражена весной и летом.

Весна, весна... Каждая весна волнует нас заново. o Именно весной у всех нас от возраста независимо то волнующее ощущение, когда готов повторить вслед за поэтами и совсем молодыми людьми: все нынешней весной особое. Весна настраивает человека на особый лад, ибо весна - это прежде всего утро, раннее пробуждение. Все вокруг обновляется в природе. Но и человек часть природы, и весна совершается в каждом из нас. Весна не только время надежд, но и время тревог.

Спросите любого землепашца, и он ответит вам, что весной человек, связавший свою жизнь с землей, озабочен более чем когда бы то ни было. Мы обязаны ценить все времена года, все двенадцать месяцев. Разве не замечательна осень! Именно осень богата тучным урожаем в садах, полях и огородах, яркими красками, свадебными песнями. Со времен Пушкина повелось считать это время года той замечательной порой, когда к человеку приходит вдохновение, когда наступает прилив творческих сил ("И с каждой осенью я расцветаю вновь..."). Болдинская осень Пушкина - лучшее доказательство этому. Всемогущи чары осени. Но "как это объяснить?" - спрашивал себя поэт.

Пристрастие человека к тому или иному времени года обычно носит субъективный характер. И все же учеными замечено, что осенью у человека повышается обмен веществ и общий тонус организма, усиливаются жизненные процессы, наблюдается подъем жизненных функций, повышается потребление кислорода. Все это - естественная реакция приспособления, подготовки организма к долгой и трудной зиме. Кроме того, краски осени - желтые, красные - действуют возбуждающе на человека. После летней жары прохладный воздух бодрит. Картины увядающей природы, располагая поначалу к грусти, размышлениям, в последующем активизируют деятельность здорового человека.

А разве другие времена года - зима, лето не имеют своих прелестей? Между временами года нет пауз - жизнь непрерывна. Как ни суровы были морозы, как ни плотно стояла на дворе зима, все равно она заканчивается таянием снегов. А ясность весенних рассветов сменяется жарким летним днем. Взаимосвязь функции организма с сезонами, впервые подмеченная Гиппократом и Авиценной, долгое время не находила научного обоснования.

В настоящее время установлено, что одним из синхронизаторов сезонных ритмов, как и суточных, служит продолжительность светового дня. Данные экспериментальных исследований показывают, что высота эндогенного ритма достигает максимума в весенне-летний, а минимума - в осенне-зимний период. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что характерная особенность сезонных изменений реактивности организма - отсутствие однонаправленных сдвигов различных ее компонентов. Это дает основание полагать, что сезонные изменения зависят от биологической целесообразности каждого ее компонента, обеспечивающего постоянство внутренней среды организма. Весенне-летний функциональный максимум, вероятно, связан с репродуктивным этапом жизнедеятельности организма. Наблюдаемое в этот период одновременное усиление функции различных эндокринных желез служит четким показателем филогенетически закрепившейся особенности организма, направленной на усиление обменных процессов в период воспроизводства.

Сезонная периодичность жизнедеятельности организма - общее проявление адаптации организма к условиям окружающей среды. Синхронизация биологических ритмов с геофизическими циклами Земли, благоприятствующая видовой дифференцировке растений и животных, не утратила своего значения и для человека. Установлена зависимость частоты случаев различных заболеваний от времени года. Изучение приведенных данных и показателей госпитализации в разные сезоны года больных в трех крупных клиниках Ленинграда свидетельствует о том, что для разных заболеваний отмечается различная сезонность. Зимний период - наиболее неблагоприятный для больных гипертонической болезнью. Для больных коронарной болезнью особенно угрожаемым сезоном оказалась осень. Именно этот период характеризуется наибольшим количеством выездов врачей скорой помощи к больным инфарктом миокарда и стенокардией. По сравнению с другими сезонами года в весенний период зарегистрировано наибольшее количество нарушений мозгового кровообращения, а наименьшее летом.

Весенний и в меньшей степени осенний периоды - наименее угрожаемые для возникновения инфекционных заболеваний. Дальнейшее изучение сезонной периодичности заболеваний позволит выработать научно обоснованные лечебные и профилактические мероприятия.

Сезонные изменения климата отражаются на работе организма. Давайте рассмотрим, как справиться с этим.

Эмоциональное состояние напрямую зависит от погоды, поэтому осенью и зимой, когда дни становятся короче, а солнечных деньков все меньше, легко впасть в .

Как бороться с осенней хандрой

Главное — не зацикливаться на дурном настроении. На помощь придут витамины (фрукты, овощи), и физическая активность. Для поддержания организма в тонусе достаточно ежедневных прогулок: 30 мин до работы и 1,5 ч после — это для примера:) Просто выйдите на одну остановку раньше или пройдитесь пешком до метро. Это особенно важно, если большую часть рабочего дня вы проводите сидя за компьютером.

Биоритмы человека осенью

Из-за сокращения светового дня организм «теряется во времени» и испытывает стресс. Как следствие — появляются сезонные изменения — слабость, сонливость и апатия.

Что делать: бывают такие дни, когда с кровати встать решительно невозможно. А если удалось, то весь день неудержимо тянет в сон. Действенный способ проснуться — медленно и глубоко вдохнуть 10 раз, сделать гимнастику и выпить стакан свежевыжатого овощного или фруктового сока. Кровь разнесет кислород по всем клеткам организма, а глюкоза активирует мозговую деятельность.

Бодрость и хорошее состояние зависит также и от правильного лимфотока. Лимфа движется по сосудам и капиллярам благодаря сокращению мышц, освобождая организм от токсинов. Стимулировать лимфоток можно массажем. Принимая душ, растирайте тело движениями снизу вверх — от стоп к бедрам, от костей к плечам, от талии к шее.

Болезни органов пищеварения

Организм усиленно готовится к зиме и накапливает жировые запасы. У многих в это время проявляется постоянное чувство голода, а кто-то страдает от желудочных расстройств.

Профилактика

Чтобы избежать обострения желудочно-кишечных заболеваний, исключите из рациона острую, соленую, жирную пищу, газированные напитки и специи. Есть рекомендуется часто, но маленькими порциями. Готовить блюда лучше на пару. Если желудок особенно чувствительный, перейдите на некоторое время на пюрированную пищу. Кроме того, рекомендуется съедать по горсти орехов и сухофруктов (предварительно замоченных в воде на ночь), они благотворно влияют на работу пищеварительной системы, если есть в меру, конечно.

Болезни сердца

Как и весь организм, сердечно-сосудистая система в осенний период работает в усиленном режиме. Могут беспокоить перепады артериального давления, а сердечники вообще находятся в группе риска.

Профилактика

Необходимо ограничить себя в некоторых продуктах питания. Например, настоятельно рекомендуется отказаться соли и от соленной еды в целом — селедки, икры, оливок, огурцов, вяленой рыбы и т.д. Они способствуют загустению крови и могут спровоцировать инсульт или инфаркт. Зато орехов, сухофруктов, овощей можно есть вдоволь — в них содержаться вещества, укрепляющие сердечную мышцу. Начинать день рекомендуется со стакана воды и полезного завтрака — фруктов или фруктового салата.