Приливно-отливные ритмы

Виды, обитающие на литорали живут в условиях очень сложной периодичности внешней среды. На 24-часовой цикл колебания освещения и других факторов накладывается еще чередование приливов и отливов. В течение лунных суток (24 ч. и 50 мин) наблюдается 2 прилива и 2 отлива, фазы которых смещаются ежедневно примерно на 50 мин. Сила приливов, кроме того, закономерно меняется в течение синодического или лунного месяца (29,5) солнечных суток.Дважды в месяц (новолуние и полнолуние) они достигают максимальной величины (так называемые приливы). Этой сложной ритмике подчинена жизнь организмов, обитающих в прибрежной зоне. Устрицы во время отлива плотно сжимают створки и прекращают питание. Периодичность закрывания и открывания раковины сохраняется у них длительное время, и в аквариумах. Она постепенно изменяется. Если переместить аквариум в другой географический район, и в конце концов устанавливается в соответствии с новым расписанием приливов и отливов, хотя моллюски непосредственно не испытывают их действие. Опыты позволяют предполагать, что перестройка вызывается восприятием устрицами тех изменений состояния атмосферы, которые сопутствуют приливно-отливным явлениям.

Периодичность, равная лунному месяцу, в качестве эндогенного ритма выявлена у ряда морских и наземных организмов. Оно проявляется в приуроченности к определенным фазам Луны нерестования многощетинковых червей палоло, размножения японских морских лилий, роения ряда комаров-хирономид. У ряда животных выявлена периодичность, равная лунному месяцу, в реакции на свет, на слабые магнитные поля, в скорости ориентации.

Годичные ритмы - один из наиболее универсальных в живой природе. Закономерные изменения физических условий в течение года вызвали в эволюции видов множество самых разнообразных адаптаций к этой периодичности. Наиболее важные из них связаны с размножением, ростом, миграциями и переживанием неблагоприятных периодов года. Сезонные изменения представляют собой глубокие сдвиги в физиологии и поведении организмов, затрагивающие их морфологию и особенности жизненного цикла.

Чем резче сезонные изменения внешней среды, тем сильнее выражена годовая периодичность жизнедеятельности организмов. Осенний листопад, различные диапаузы, спячка, сезонные линьки, миграции и т.п. развиты преимущественно в странах умеренного и холодного климатов, тогда как у обитателей тропиков сезонная периодичность выражена менее резко. Годичные ритмы у многих видов эндогенны. Такие ритмы называются циркадными. Особенно это относится к циклам размножения. Например, животные южного полушария, содержащиеся в зоопарках северного региона, размножаются чаще всего зимой иди осенью, в сроки, соответствующие весне и лету на их родине. Австралийские страусы в заповеднике Аскания-Нова откладывали яйца зимой прямо на снег.

В настоящее время интенсивно изучается реакция организмов на слабые геоэлектромагнитные поля, а также атмосферные приливы и отливы, которые закономерно меняются в циклах вращения Земли

Таким образом, наступление очередного этапа годичного цикла у живых организмов происходит частично в результате эндогенной ритмики, а частично вызывается колебаниями внешних факторов среды. Примечательно то, что годовая периодичность зависит не от непосредственно действующих на организм мощных экологических факторов (температуры, влажности и др.), которые подвержены сильной погодной изменчивости, а от второстепенных для жизнедеятельности свойств среды, которые однако, очень закономерно изменяются в течение года. Приспособительный смысл этого явления в том, что кратковременные перемены погодных условий, не меняют биологического ритма организмов, который остается синхронизованным с общим ходом изменения в природе в течение года.

Одним из наиболее точно и регулярно изменяющихся факторов среды является длина светового дня, ритм чередования темного и светлого периодов суток. Именно этот фактор служит большинству живых организмов для ориентации во времени года. Реакция организмов на сезонные изменения дня подучила название фотопериодизма. Его проявление зависит не от интенсивности освещения, а только от ритма чередования темного и светлого периодов суток. Ритм дня и ночи выступает как сигнал предстоящих изменений климатических факторов, обладающих сильным непосредственным воздействием на живой организм.

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. Хотя фотопериодизм встречается во всех крупных систематических группах, он свойствен далеко не всем вида. Существует много видов с нейтральной фотопериодичной реакцией, у которых физиологические перестройки не зависят от длины дня. Например: цветение, плодоношение и отмирание листьев у многих тропических деревьев растянуто во времени и на дереве одновременно встречаются и цветки, и плоды, также многие эфемерные растения не проявляют фотопериодических реакций. Различают два типа фотопериодической реакции: короткодневной и длиннодневной. Известно, что длина светового дня, кроме времени года, зависит от географического положения местности. Тип фотопериодизма это экологическая, а не систематическая особенность вида. Для практических целей длину светового дня изменяют при выращивании культур в закрытом грунте, управляя продолжительностью освещения, увеличивают яйценоскость кур, регулируют размножение пушных зверей.

Большая часть животных размножается в определенное время года, обычно весной; у многих наблюдается резкое понижение активности и обмена в зимнее время. Это явление известно под названием спячки. У многих растений и животных, особенно насекомых, взрослые формы ежегодно гибнут в конце летнего сезона; представители таких видов переживают зиму в состоянии семян, яиц или куколок. В тропиках, где нет резких колебаний температуры в течение года, обычно бывает период сильных дождей. Он сменяется периодом с небольшим количеством осадков или засухой. Циклы развития растений и животных, обитающих в таких областях, обычно соответствуют этим изменениям в окружающей среде.

У животных и, может быть, у растений существуют другие циклы активности, связанные с фазами луны, но они менее заметны, чем годичные циклы. Особенно интересны циклы активности у морских организмов, связанные с приливами и отливами. Червь палоло в определенное время года подвергается одновременному воздействию годичных и лунных циклов.

Активность организмов (и даже отдельных их частей) различна в разное время суток. Часто наблюдаются последовательность событий, повторяющихся с интервалами приблизительно в 24 часа. Такие ритмы называют циркадными. Эти ритмы слагаются из событий,которые происходят в определенном порядке и с определенным интервалами и не сводятся к простому повторению специфических изменений через определенные, точно зафиксированные промежутки времени.

Некоторые животные ведут дневной образ жизни, т.е. наиболее активны днем; другие же ведут ночную жизнь, т.е. период наибольшей активности падает на темное время суток. У некоторых насекомых наблюдаются суточные изменения пигментации, причем эти циклические изменения происходят даже в том случае, если насекомых поместить в темноту. Существуют суточные циклы запасания и расходования гликогена в печени кролика, мыши, и вероятно, других млекопитающих. Такие суточные циклы у многих организмов прочно закреплены, и их нелегко нарушить, даже если подвергать эти органы действию непрерывного света, непрерывной темноты или необычному циклу (например, 8 или 10-часовому вместо 24-часового) смены света и темноты. У людей также существуют суточные циклы. Многие люди, например, замечают, что при быстром перелете из одного места в другое, с поясным временем, отличающимся на несколько часов от поясного времени той местности, где они обычно живут, некоторые физиологические функции нарушаются.

У многих морских организмов, живущих в зоне прилива и отлива, наблюдаются значительные изменения активности; некоторые активны только во время прилива, а другие, напротив, только во время отлива. Вертикальное распределение многих мелких морских организмов подчинено суточным ритмам они имеют тенденцию скапливаться вблизи поверхности ночью и уходить в глубину на день. Поскольку многие рыбы питаются этими мелкими организмами, рыба в свою очередь поднимается ближе к поверхности ночью, а днем уходит на глубину.

У самых различных животных имеются "биологические часы", при помощи которых они приспосабливаются свою активность к регулярным изменениям внешних физических условии, а также, возможно, и к изменениям своей внутренней среды. Эти часы вместе с другими сигналами, поступающими из внешней среды, как бы сообщают организмам о наступлении времени дня, наиболее подходящем для определенной специфической активности или физиологического процесса, У некоторых животных например, у птиц и пчел, подобные механизмы высоко развиты и могут служить для ориентирования.

Пчелы не только способны находить свой путь от улья к источнику пищи, определяя направление полета по солнцу, но делают необходимые поправки с учетом изменения положения солнца в разное время дня.

Работа биологических часов основана на особого рода внутренних процессах о циклическими колебаниями, для работы биологических часов необходимо небольшое, но вполне определенное количество биологически доступной энергии. Возможно, что в их работе участвует некий биофизический механизм, например, изменение физиологического состояния какой-либо сложной молекулы (например, белка), или чередования напряжения и релаксации каких-либо физических структур. Теперь имеются данные, что процессы, в которых передача энергии осуществляется системой переноса электронов, относительно малочувствительны к изменениям температуры в отличие от процессов, связанных с тепловым движением молекул.

Существование биологических часов было открыто, когда обнаружилось, что некоторые организмы, ритмы которых в норме соответствовали изменениям условий окружающей среды в течение дня, сохраняли эти ритмы даже при отсутствии изменений в условиях среды.

Еще с 1729 г. было известно, что если поместить растения на продолжительное время в полную темноту при постоянной температуре, то у них наблюдается такие же движения листьев в течение дня, как и в условиях нормального чередования света и темноты. Интерес к биологическим часам возрос, когда было обнаружено, что морские организмы, активность которых изменяется в зависимости от приливов и отливов, сохраняли эти циклические изменения активности в аквариуме, где не было приливов и отливов, а освещение, температура и другие факторы поддерживались на постоянном уровне. Такие внутренние ритмы очень важны для выживания, создавая возможность для определенной физиологической и биохимической "подгонки" до возникновения изменений в окружающей среде. Это дает возможность организму более эффективно регулировать свою жизнедеятельность в зависимости от различных периодических изменений в окружающей среде.

Ритмы бывают также космические и ритмы земной жизни. Жизнь земная находятся во власти геологически вечных космических ритмов. Они действовали на биосферу в течение всей истории жизни на Земле и вызвали у организмов, у живого вещества, адаптивное ритмическое течение физиологических процессов и экологических реакций: поглощение из окружающей среды минеральных и органических веществ питания, метаболизма, синтеза активных соединений, адаптивных реакций, координации динамики, экосистемы, являющейся примером слаженности взаимодействий организмов, половой активности и периодов размножения и т.п.

Космические ритмы, вызывающие адаптивные биологические ритмы у земных организмов приводят к периодической изменчивости свойств живого вещества, его взаимодействию с окружающей средой к периодическому изменению, биологической энергии, процессов жизни. Наличие биологических ритмов у всех организмов животных, растений, простейших, бактерий убеждает в древнем происхождении этих ритмов, присущих всему живому. Они являются основополагающей формой изменчивости организмов, на которую наслаивается другие формы изменчивости в процесс эволюции организмов. В течение всего длительного периода формирования эволюции биосферы были использованы биологические ритмы как изначальная и всеобщая форма координации многих явлений жизни.

Все типы биологических ритмов связаны о атмосферным электромагнитным полем, эти явления также ритмически изменяются под влиянием естественных геофизических ритмов других частот, перемещения воздушных масс, изменений активности солнца и связанными с ними геомагнитными явлениями, и других еще мало изученных, имеющих многолетнюю продолжительность, например, ритмы продолжительностью 18 и 18,6 лет. Космические 11-летние ритмы солнечной деятельности 30 - летние и другие.

Суточные биологические ритмы вызваны 24-часовыми солнечными сутками. Практически самые разнообразные процессы в организмах имеют 24-часовую периодичность. Поэтому биологические ритмы только экспериментально можно разделить на ритмы вызываемые тем или или другим фактором, действующим под влиянием солнечных суток.

Суточные ритмы определяются двумя основными факторами среды светом и температурой. Но суточные ритмы могут частично терять свою среднюю периодичность, равную 24 часам при этом продолжительность суточных циклов может несколько увеличиваться или уменьшаться, приближаясь к более раннему или более позднему местному времени. Экспериментальная продолжительность суточных биологических ритмов позволила выделить из них циркадные, т.е. приблизительно суточные.

Эти свободно текущие ритмы сохраняют периодичность, например, с помощью химических реагентов не удалось повлиять на ритмы синтеза ДНК, РНК и белков, но амплитуда циклов отличалась стабильностью. В экспериментальных условиях удается в редких случаях получить адаптивную настроенность на местное время.

Лунные биологические, приливно-отливные ритмы связаны с продолжительностью лунных суток, равной 24 ч.50мин. Океанические приливы и отливы происходят два раза а сутки. Высота прилива в одни сутки приблизительно одинаковая, но в местах, где она достигает максимальных размеров, могут наблюдаться в сутки только один прилив и один отлив.

В новолуние и полнолуние, когда силы приложения Луны и Солнца складываются, происходят высокие сизигийские приливы (каждые полмесяца), когда же эти силы находятся под прямым углом друг к другу, наблюдаются низкие или квадратурные приливы.

Годичные и сидерические (звездные) ритмы измеряются годом с его сезонными изменениями высоты Солнца над горизонтом, продолжительностью дня, с колебаниями температуры и освещения. Расстояние между Землей и Солнцем изменяется в течение года приблизительно на 3%, достигая минимума в январе (перигелий) и максимума в июле(афелий). Космические экзогенные ритмы обеспечивают правильность биологических ритмов и во времени дают надежную точку отсчета, связанную с комическими ориентирами.

Такое представление о биологических ритмах перекликается с идеей одной из самых глубоких работ В. И. Вернадского – “Химическое строение биосферы Земли и ее окружение”. Корни ритмической биологической изменчивости организмов находятся в космическом окружении Земли.

Организмы настолько связаны с окружающей средой, что понятие живого организма включает в себя понятие среды. А среда характеризуется ритмическими изменениями. Среда любой географической или климатической зоны всегда будет слагаться из сезонных суточных изменений ее отдельных факторов. Различные же географические или климатические зоны будут характеризоваться различным проявлением ритмических колебаний сезонных условий (смен температуры, влажности, продолжительности периодов интенсивной инсоляции и пр.), суточных факторов (температуры, влажности, продолжительности светового дня, комбинированных со сменой времен года) или условий, связанных с действием приливов и отливов (высота подъема воды, и др.).

Сезонные колебания среды образуют крупные волны, на которые накладываются волны суточных колебаний. Характер суточных колебаний все время меняется в зависимости от периода года. На суточные волны накладываются колебания факторов отливов и приливов, которые в свою очередь зависят от сезонов года и времени суток (различные сочетания условий среды).

Ритмическим изменениям окружающей среды и живых организмов принадлежит большая роль в разнообразных проявлениях эволюционного процесса.

Переход живого организма в новую географическую или климатическую зону с новым содержанием ритмов среды должен сопровождаться перестройкой ритмов организмов.

Суточные и сезонные ритмы обменных процессов у различных организмов проявляются неодинаково в условиях различных географических зон.

Таким образом, сезонные, суточные, и приливно-отливные ритмы в природе имеют древнее космическое происхождение, и так как жизнь развивалась в условиях этих периодических колебаний среды, они должны были вызвать периодические синхронные изменения процессов в живом организме.

Развитие жизни и развитие биосферы – единый процесс, т.е. основой служит единство среды и жизни.