Урок 26 Биологические адаптивные ритмы организмов.

Одно из наиболее общих явлений, которые наблюдаются в природе, - это сезонная периодичность. Более четко она выражена в умеренных и северных широтах, где предопределяет определенную ритмичность жизни организмов. У жителей тропиков сезонные изменения проявляются не так четко, хотя они могут быть обусловлены чередованием периодов дождей и засушливых периодов. Как вам известно, вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, а также Луны вокруг Земли обусловливают периодические изменения светового режима, температуры, влажности воздуха, морские приливы и отливы.

Периодические изменения интенсивности экологических факторов влияют на формирование у живых существ адаптивных биологических ритмов: суточных, приливно-отливных, сезонных, годовых и т. д.

Адаптивные биологические ритмы

Биологические ритмы — колебания смены и интенсивности процессов и физиологических реакций. В их основе лежат изменения метаболизма биологических систем, обусловленные влиянием внешних и внутренних факторов. Факторы, которые влияют на ритмичность процессов, происходящих в живом организме, получили определение «синхронизаторы», или «датчики времени».

К внешним факторам относятся:

- изменение освещенности (фотопериодизм), температуры (термопериодизм);

- магнитного поля;

- интенсивности космических излучений;

- приливы и отливы;

- сезонные и солнечно-лунные влияния;

- социальные влияния, характерные для человека.

К внутренним факторам относятся нейрогуморальные процессы, протекающие в определенном, наследственно закрепленном темпе и ритме.

Ярким примером формирования эндогенных ритмов под влиянием синхронизаторов внешней среды является влияние на новорожденного ребенка с его эндогенными ритмами таких синхронизаторов как свет, звук, пища и др., а по мере развития ребенка усиливается роль социальных факторов. Сравнительно быстро у ребенка формируется суточный, 24-часовой ритм физиологических процессов.

Физиологические ритмы — циклические колебания в различных системах организма. Они составляют основу жизни. Одни ритмы поддерживаются в течение всей жизни, и даже кратковременное их прерывание приводит к смерти; другие появляются в определенные периоды жизни индивидуума, причем часть из них находится под контролем сознания, а часть протекает независимо от него. Ритмические процессы взаимодействуют друг с другом и с внешней средой.

Изменение ритмов, выходящее за пределы нормы, либо появление их там, где они раньше не обнаруживались, связано с болезнью.

Адаптивные физиологические ритмы: циркадные (суточные) и сезонные.

Адаптивные физиологические ритмы выработались в процессе эволюции как форма приспособления организмов к циклически меняющимся условиям среды. Циркадные ритмы

Наиболее очевидные те биологические ритмы, которые соотносятся с природным суточным циклом - сменой дня и ночи внутри 24-часового периода. Это так называемые циркадные ритмы.

Если шишковидную железу, или эпифиз, воробья удалить хирургическим путём, он немедленно теряет свои циркадные ритмы. Если эпифиз пересадить обратно, воробей снова их обретает. Если пересадить эпифиз от птицы с иными циркадными ритмами, реципиент немедленно приобретает донорские ритмы взамен своих собственных.

Лунные циклы

Несмотря на расстояние в 384 400 км и на то, что её свет (или, точнее, свет Солнца, отраженный от её поверхности) в 300 000 раз слабее, чем прямой солнечный свет, Луна оказывает важное, иногда загадочное влияние на поведение многих животных. Она воздействует на нашу планету своим светом и гравитацией, которая оказывает влияние даже через облака. Проведенными исследованиями было доказано, что для многих животных лунные ритмы являются эндогенными.

Подводный снегопад и танцующие рыбы

Впечатляющая вспышка массового размножения морских животных запускается Луной и происходит каждый год по всей лини Большого Барьерного рифа в австралийском Квинсленде. Огромное количество кораллов, образующих риф, начинает размножаться в один и тот же час, в одну и ту же ночь, в конце ноября – начале декабря, почти точно через неделю после полнолуния. В это время практически все составляющие эту огромную природную структуру миллионы коралловых полипов одновременно выбрасывают в океан свои «пакеты» со спермой или яйцами. Это явление встречи яиц и спермы и происходящее оплодотворение похоже на настоящую вьюгу, за исключением того, что «снег» двигается вверх больше чем вниз.

Интересны также вызываемые луной брачные танцы грунионов (Leuresthestenuis) – изящных серебристых рыбок, обитающих у побережья Калифорнии. Икрометание у них происходит восемь раз за сезон, но оно всегда начинается на третью или четвёртую ночь после полнолуния, во время высоких весенних приливов. В этот момент размножающие рыбки выбрасываются на песок пляжа и там начинают бешено прыгать, и кружится бок о бок, как в пляске. Самцы, которых с избытком хватает на пляже, обвиваются вокруг тела самок, оплодотворяя икру. Самки закапывают икринки в песок, а затем с откатывающимися волнами и сопровождаемые самцами возвращаются в море. Икра остаётся в песке до следующего высокого прилива, который стимулирует молодь к выведению, после чего волны уносят с собой обратно в море молодых грунионов.

Взрослый муравьиный лев, выглядит как хрупкая, медлительная стрекоза. Своё название это насекомое получило по личинке – прожорливому хищнику с громадными челюстями. Личинка роет коническую ямку в песке и скрывается в засаде на её дне, ожидая возможности схватить неосторожное насекомое, заползшее в неё. Исследование, проводившееся южноафриканскими энтомологами доктором и доктором , из университета в Родезии, показало, что объём ямки, которую роет личинка муравьиного льва, совпадает с фазой луны и является наибольшим во время полнолуния. Но остаётся непонятным, как Луна влияет на изменения объёма ямки.

Приливные и годовые ритмы

Удары волн о берег и смена сезонов могут повлиять на эндогенные биологические ритмы. Эти приливные и годовые ритмы являются самыми короткими и самыми длинными соответственно.

Неудивительно, что многие морские животные проявляют биологические ритмы, связанные с приливами и отливами и периодически повторяющиеся каждые 12,4 часа.

Зелёный краб хорошо прячется среди камней или в расщелинах, когда прилив отступает. Однако он твёрдо знает, что можно выходить из своего убежища, когда вода снова начинает покрывать берег. Он один из тех животных, которые обитают в приливно-отливной зоне морских побережий и, появляясь и прячась, ярко демонстрирует ритмическое поведение.

Годовые ритмы с периодом в 365 дней служат причиной разного рода поведенческих феноменов, происходящих только один раз в году, включая миграции животных в разных уголках земного шара, зимнюю спячку и даже смену оперения и окраски меха в течение года.

Сезонные изменения растительного покрова Земли, миграция птиц, зимняя спячка ряда видов животных — это примеры ритмов с годичным периодом. Сезонные колебания жизненных функций характерны и для человека. Так, в регионах с сезонными контрастами климата интенсивность обмена веществ выше зимой, чем летом. Холод является адекватным стимулятором функции щитовидной железы. Артериальное давление, количество эритроцитов, гемоглобина обычно ниже в жаркое время года. Весной и летом у большинства людей работоспособность выше, чем зимой. Пик выдающихся спортивных достижений приходится на весенне-летний и ранний осенний периоды. Хорошо известно волнообразное течение многих заболеваний, при котором периоды обострения сменяются длительными ремиссиями: так, туберкулез чаще обостряется весной, а язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки — весной и осенью. В осенне-зимний и весенний периоды выявляют наибольшее число первичных больных инсулинозависимых сахарным диабетом.

Зимняя спячка

Для того чтобы бодрствовать и сохранять активность на протяжении зимы, животные должны сохранять постоянную температуру тела, а для этого необходимо увеличивать скорость обмена веществ. Чтобы увеличь её, звери должны больше есть, но богатой энергией пищи в зимнее время очень мало. Для некоторых животных зимой пищи становится слишком мало, в результате вероятность погибнуть от голода увеличивается во много раз.

Зимняя спячка не наступает внезапно. Подготовка животных к ней занимает многие недели, в это время они много едят, откладывают слои жира, который будет служить запасом энергии и станет средством существования на протяжении всего периода гибернации. Некоторые виды, такие как сони («dormice,» «спящие мыши», названные так из-за их гибернационных талантов, «dormir» от французского «спать»), впадают в спячку более чем на шесть месяцев: суслик, живущий на Северной Аляске, может проводить в спячке до восьми месяцев. Такой длительный период спячки, требует значительных жировых отложений. Летучие мыши, например, в период накопления жира могут увеличить свой общий вес на четверть.

Ежи, которые известны как, возможно, самые «крепко спящие» животные, претерпевают целый ряд физиологических изменений, предшествующих спячке. Содержание калия в их крови увеличивается, а репродуктивные органы заметно уменьшаются в размерах, поскольку зимой в них нет необходимости. То же самое происходит и со многими эндокринными железами, включая щитовидную, переднюю долю гипофиза и часть надпочечников, которые сокращают свою функцию.

Когда слои жира накоплены и приближается время спячки, животные становятся более медлительными. Сигналом к самой спячке у впадающих в неё животных часто оказывается понижения до определенного уровня температуры окружающей среды. Когда зверь засыпает, то удобно устроившийся в своей «зимней квартире», он кажется глубоко заснувшим, хотя на самом деле, состояние гибернации, в котором он находится, гораздо глубже чем любой нормальных сон.

У животных в состоянии гибернации резко снижается частота дыхания (некоторые летучи мыши делают всего одно дыхательное движение в два часа). То же самое происходит с сердечной деятельностью (у летучей мыши от 1000 ударов в минуту при полёте до 25 в минуту во время спячки). Интенсивность кровообращения также снижается настолько, что кожа и конечности кажутся холодными при прикосновении. Температура тела животного в спячке может упасть до 20 °С, то есть не намного превышать температуру окружающей среды, и поэтому животные в гибернации часто кажутся мёртвыми.

ФОТОПЕРИОДИЗМ - комплексная реакция животных и растений на суточный ритм освещения (день и ночь); один из способов их адаптации к сезонным изменениям. У животных фотопериодизм связан с биологическими ритмами.

Фотопериодизм влияет на половое созревание, плодовитость, начало и окончание брачного периода, линьку, периоды покоя и активности, осенние и весенние миграции и т. п.

Животные условно разделяются на «длиннодневных» (активны летом) и «короткодневных» (активны зимой). Знания в этой области позволяют управлять развитием животных, прогнозировать изменения численности их популяций в течение года. 

У растений в результате фотопериодизма образуются фитогормоны, влияющие на многие физиологические процессы. Например, картофель при укорачивании светового дня быстрее переходит к клубнеобразованию, а табак при удлинённом дне даёт большую фитомассу. Явление фотопериодизма используется в селекции растений.

Домашнее задание

1.  Выучить конспект.

2.  Выполнить тест.

1.Механизмы отсчёта времени у живых организмов 
а) биологические часы 
б) адаптивные биоритмы 
в) часовые белки 
2.Регулярное чередование во времени биологических процессов 
а) метаболизм 
б) фотопериодизм 
в) биологический ритм 
3.Циркадным ритмом является 
а) биоэлектрическая активность мозга 
б) листопад 
в) суточные изменения температуры тела 
4.Самые активные дни недельных биоритмов 
а) воскресенье, понедельник, вторник 
а) вторник, среда, четверг 
б) четверг, пятница, суббота 
5.Максимальная работоспособность в течение дня 
а) 10-12, 14-16 ч 
б) 10-12, 16-18 ч 
в) 14, 3-4 ч 
6.Сезонный биоритм ярко выражен у следующих птиц 
а) синица большая, скворец 
б) щегол, зяблик 
в) трясогузка белая, иволга 
7. Что использует большинство животных для определения времени подготовки к зимней спячке? 
а) сезонные соотношения дневных и ночных температур 
б) изменение соотношения влажности воздуха 
в) ритм чередования темного и светлого времени суток 
8.Фотопериодизм – это 
а) ритмичная смена дня и ночи 
б) реакция организма на сезонные изменения длины дня. 
в) физиологический процесс перехода к покою и растений и животных 
9.Не проявляют фотопериодической реакции 
а) фиалка приятная, птицемлечник Буше 
б) пролеска двулистная, гусиный лук жёлтый 
в) будра волосистая, чистяк весенний 

10. Главным регулятором сезонных изменений в жизни растений и животных является изменение:

а) количество пищи

б) влажности воздуха

в) длины дня

г) климата

11. Линька животных является процессом:

а) направленным

б) хаотическим

в) циклическим

г) нет верного ответа

12. Активность в течение всего года проявляет:

а) медведь

б) уж

в) жаба

г) лось

13. К циклическим процессам не относится:

а) приливно-отливный ритм перемещения животных, обитающих в зоне прилива

б) ежегодное сбрасывание листвы листопадными деревьями

в) землетрясения и наводнения

г) смена дня и ночи

14.* Из перечисленных биологических явлений суточным биоритмам подчиняются:

а) открывание и закрывание цветков у растений

б) миграции лососевых рыб на нерест в реки

в) открывание и закрывание раковин у морских моллюсков

г) распускание почек и листопад у деревьев и кустарников

15.* Из перечисленных биологических явлений приливно-отливным биоритмам подчиняются:

а) открывание и закрывание устьиц на листьях у растений

б) миграции лососевых рыб на нерест в реки

в) открывание и закрывание раковин у морских моллюсков

г) распускание почек и листопад у деревьев и кустарников

16.* Из перечисленных биологических явлений годичным биоритмам подчиняются:

а) открывание и закрывание устьиц на листьях растений

б) миграции лососевых рыб на нерест в реки

в) открывание и закрывание раковин у морских моллюсков

г) изменение склонности к кровотечениям у оперированных больных

Выберите правильные суждения

1. Изменения внешнего строения организмов - пример адаптаций к условиям жизни.

2. Смена времен года не является периодически повторяющимся процессом.

3. Циклическими изменениями называются те, которые повторяются через равные промежутки времени.

4.Направленными изменениями называются те, которые плохо предсказуемы.

5. Хаотическими изменениями называются те, которые изменяются неопределенно, плохо предсказуемы.

6. Способность организмов к циклическим изменениям возникла в процессе эволюции путем искусственного отбора.

7. Майский жук вылетает из куколки лишь после появления листьев или цветков на растениях определенного вида.

8. Миграции - это частичные переселения в иные климатические области.

9. Чрезвычайно суровые условия (очень холодные зимы, длительные засухи и т. п.) могут приводить к гибели части особей.

10. Многие виды птиц, млекопитающих, рыб сохраняют активность в течение всего года.