Биологические часы в жизни животных реферат
Обновлено: 05.07.2024
Многие биологические процессы в природе протекают ритмично, т.е. разные состояния организма чередуются с достаточно четкой периодичностью. Примеры быстрых ритмов – сокращения сердца или дыхательные движения с периодом всего в несколько секунд. У других жизненно важных ритмов, например чередования бодрствования и сна, период составляет около суток. Если биологические ритмы синхронизированы с наступлением приливов и отливов (каждые 12,4 часа) или только одной из этих фаз (каждые 24,8 часа), их называют приливными. У лунных биологических ритмов период соответствует продолжительности лунного месяца, а у годичных – года. Сердечные сокращения и другие формы быстрой ритмичной активности, не коррелирующей с естественными изменениями в окружающей среде, обычно изучаются физиологией и в этой статье рассмотрены не будут.
Циркадианные ритмы. Большой интерес представляют биологические ритмы с периодом около суток. Они так и называются – околосуточными, циркадианными или циркадными – от лат. circa – около и dies – день.
Биологические процессы с циркадианной периодичностью весьма разнообразны. Например, три вида светящихся грибов усиливают и ослабляют свое свечение каждые 24 часа, даже если искусственно держать их при постоянном свете или в полной темноте. Ежесуточно изменяется свечение одноклеточной морской водоросли Gonyaulax. У высших растений в циркадианном ритме протекают различные метаболические процессы, в частности фотосинтез и дыхание. У черенков лимона с 24-часовой периодичностью колеблется интенсивность транспирации. Особенно наглядные примеры – ежесуточные движения листьев и раскрывания-закрывания цветков.
Разнообразные циркадианные ритмы известны и у животных. Примером может служить близкое к актиниям кишечнополостное – морское перо (Cavernularia obesa), представляющее собой колонию из множества крошечных полипов. Морское перо живет на песчаном мелководье, втягиваясь в песок днем и разворачиваясь по ночам, чтобы питаться фитопланктоном. Этот ритм сохраняется в лаборатории при неизменных условиях освещения.
Четко работают биологические часы у насекомых. Например, пчелы знают, когда раскрываются определенные цветки, и навещают их ежедневно в одно и то же время. Пчелы также быстро усваивают, в какое время им выставляют на пасеке сахарный сироп.
У человека не только сон, но и многие другие функции подчинены суточному ритму. Примеры тому – повышение и понижение кровяного давления и выделения калия и натрия почками, колебания времени рефлекса, потливости ладоней и т.д. Особенно заметны изменения температуры тела: ночью она примерно на 1 С ниже, чем днем. Биологические ритмы у человека формируются постепенно в ходе индивидуального развития. У новорожденного они довольно неустойчивы – периоды сна, питания и т.д. чередуются бессистемно. Регулярная смена периодов сна и бодрствования на основе 24–25 часового цикла начинает происходить только с 15-недельного возраста.
Приливные и лунные ритмы. У прибрежных морских животных часто наблюдаются приливные ритмы, т.е. периодические изменения активности, синхронизированные с подъемом и спадом воды. Приливы обусловлены лунным притяжением, и в большинстве регионов планеты происходит два прилива и два отлива в течение лунных суток (периода времени между двумя последовательными восходами Луны.) Поскольку Луна движется вокруг Земли в том же направлении, что и наша планета вокруг собственной оси, лунные сутки примерно на 50 минут длиннее солнечных, т.е. приливы наступают каждые 12,4 часа. Такой же период у приливных ритмов. Например, рак-отшельник прячется от света в отлив и выходит из тени в прилив; с наступлением прилива устрицы приоткрывают свои раковины, разворачивают щупальцы актинии и т.п. Многие животные, в том числе некоторые рыбы, в прилив потребляют больше кислорода. С подъемом и спадом воды синхронизированы изменения окраски манящих крабов.
Лучше всего известен и, вероятно, наиболее заметен среди приливных и лунных ритмов тот, что связан с размножением груниона – морской рыбы, мечущей икру на пляжах Калифорнии. В течение каждого лунного месяца наблюдаются два особенно высоких – сизигийных – прилива, когда Луна находится на одной оси с Землей и Солнцем (между ними или с противоположной от светила стороны). Во время такого прилива грунион нерестится, закапывая икринки в песок у самого края воды. В течение двух недель они развиваются практически на суше, куда не могут добраться морские хищники. В следующий сизигийный прилив, когда вода покрывает буквально нашпигованный ими песок, из всех икринок за несколько секунд вылупляются мальки, тут же уплывающие в море. Очевидно, что такая стратегия размножения возможна, только если взрослые грунионы чувствуют время наступления сизигийных приливов.
Менструальный цикл у женщин длится четыре недели, хотя не обязательно синхронизирован с фазами луны. Тем не менее, как показывают эксперименты, и в этом случае можно говорить о лунном ритме. Сроки менструаций легко сдвинуть, использовав, например, специальную программу искусственного освещения; однако они будут наступать с периодичностью, очень близкой к 29,5 суток, т.е. к лунному месяцу.
Низкочастотные ритмы. Биологические ритмы с периодами, намного превышающими один месяц, трудно объяснить на основе биохимических флуктуаций, которыми, вероятно, обусловлены ритмы циркадианные, и механизм их пока неизвестен. Среди таких ритмов наиболее очевидны годичные. Если деревья умеренного пояса пересадить в тропики, они некоторое время будут сохранять цикличность цветения, сбрасывания листьев и периода покоя. Рано или поздно эта ритмичность нарушится, продолжительность фаз цикла будет все более неопределенной и в конечном итоге исчезнет синхронизация биологических циклов не только разных экземпляров одного и того же вида, но даже разных ветвей одного дерева.
В тропических областях, где условия среды практически постоянны в течение всего года, местным растениям и животным часто свойственны долговременные биологические ритмы с периодом, отличным от 12 месяцев. Например, цветение может наступать каждые 8 или 18 месяцев. По-видимому, годичный ритм – это адаптация к условиям умеренной зоны.
Значение биологических часов. Биологические часы полезны организму прежде всего потому, что позволяют ему приспосабливать свою активность к периодическим изменениям в окружающей среде. Например, краб, избегающий света во время отлива, автоматически будет искать убежище, которое защитит его от чаек и других хищников, добывающих пищу на обнажившемся из-под воды субстрате. Чувство времени, присущее пчелам, координирует их вылет за пыльцой и нектаром с периодом раскрывания цветков. Аналогичным образом, циркадианный ритм подсказывает глубоководным морским животным, когда наступает ночь и можно подняться ближе к поверхности, где больше пищи.
Не приходится сомневаться, что перелетным птицам, чтобы находить дорогу к мелким островам в океане, требуются навигационные способности. Вероятно, они используют свои биологические часы для определения не только направления, но и географических координат.
Проблемы, связанные с навигацией, встают не только перед птицами. Регулярные длительные миграции совершают тюлени, киты, рыбы и даже бабочки.
Практическое применение биологических ритмов. Рост и цветение растений зависят от взаимодействия между их биологическими ритмами и изменениями средовых факторов. Например, цветение стимулируется главным образом продолжительностью светлого и темного периодов суток на определенных стадиях развития растения. Это позволяет отбирать культуры, пригодные для тех или иных широт и климатических условий, а также выводить новые сорта. В то же время известны успешные попытки изменения биологических ритмов растений в нужном направлении. Например, птицемлечник аравийский (Ornithogallum arabicum), цветущий обычно в марте, можно заставить распускаться под Рождество – в декабре.
Накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что длительные периоды десинхронизации, например при частых перелетах из одного часового пояса в другой, вредны для здоровья, однако насколько велик этот вред, пока не ясно. Когда сдвига по фазе избежать нельзя, десинхронизацию можно свести к минимуму, правильно подобрав скорость наступления сдвига.
Биологические ритмы имеют очевидное значение для медицины. Хорошо известно, например, что восприимчивость организма к различным вредным воздействиям колеблется в зависимости от времени суток. В опытах по введению мышам бактериального токсина показано, что в полночь его смертельная доза выше, чем в полдень. Аналогичным образом изменяется чувствительность этих животных к алкоголю и рентгеновскому облучению. Восприимчивость человека тоже колеблется, однако в противофазе: его организм беззащитнее всего в полночь. Ночью смертность прооперированных больных втрое выше, чем днем. Это коррелирует с колебаниями температуры тела, которая у человека максимальна днем, а у мышей – ночью.
Такие наблюдения наводят на мысль, что лечебные процедуры следует согласовывать с ходом биологических часов, и определенные успехи здесь уже достигнуты. Трудность в том, что биологические ритмы человека, особенно больного, пока недостаточно исследованы. Известно, что при многих заболеваниях – от рака до эпилепсии – они нарушаются; яркий тому пример – непредсказуемые колебания температуры тела у больных. Пока биологические ритмы и их изменения как следует не изучены, использовать их на практике, очевидно, нельзя. К этому стоит добавить, что в некоторых случаях десинхронизация биологических ритмов может быть не только симптомом болезни, но и одной из ее причин.
том, что биоритмика – одно из наиболее общих свойств живых систем.
2. Биологические ритмы признаны важнейшим механизмом
регуляции функций организма, обеспечивающим гомеостаз, динамическое
равновесие и процессы адаптации в биологических системах.
3. Установлено, что биологические ритмы, с одной стороны, им еют
эндогенную природу и генетическую регуляцию, с другой, их
осуществление тесно связано с модифицирующим фактором внешней
среды, так называемых датчиков времени. Эта связь в основе единства
организма со средой во многом определяет экологические закономерности.
4. Сформулированы положения о врем енной организации живых
систем, в том ч исле – человека – одним из основных принципов
биологической организации. Развитие этих положений очень важно для
5. Обнаружены биологические ритмы чувствительности организмов
к действию факторов химической (среди них лекарственные средства) и
физической природы. Это стало основой для развития хронофармакологии,
т.е. способов применения лекарств с учетом зависимости их действия от
фаз биологических ритмов функционирования организма и от состояния
его временной организации, изменяющейся при развитии болезни.
6. Закономерности биологических ритмов учитывают при
Биоритмы подразделяются на физиологические и экологические.
Физиологические ритмы , как правило, имеют периоды от долей секунды
до нескольких минут. Это, например, ритмы давления, биения сердца и
артериального давления. Имеются данные о влиянии, напри мер,
магнитного поля Земли на период и амплитуду энцефалограммы человека.
Экологические ритмы по длительности совпадают с каким-либо
естественным ритмом окружающей среды. К ним относятся суточные,
сезонные (годовые), приливные и лунные ритмы. Благодаря экологическим
ритмам, организм ориент ируется во времени и заранее готовит ся к
ожидаемым условиям существования. Так, некоторые цветки
раскрываются незадолго до рассвета, как будто зная, что скоро взойдет
солнце. Многие животные еще до наступления холодов впадают в зимнюю
спячку или мигрируют. Таким образом, экологические ритмы служат
Ритм – это универсальное свойство живых систем . Процессы роста
и развития организма имеют ритмический характер. Ритмическим
изменениям могут быть под вержены различные показатели структур
биологических объектов: ориентация молекул, третичная молекулярная
структура, тип кристаллизации, форма роста, концентрация ионов и т. д.
Установлена зависимость суточной периодики, присущей растениям, от
фазы их развития. В коре молодых побегов яблони был выявлен суточный
ритм содержания биологически активного вещества флоридзина,
характеристики которого м енялись соответственно фазам цветения,
интенсивного роста поб егов и т. д. Одно из наиболее интересных
проявлений биологического измерения времени – суточная периодичность
открывания и закрывания цветков и растений. Каждое растение "засыпает"
и "просыпается" в строго определенное время суток. Рано утром (в 4 часа)
раскрывают свои цветки цикорий и шиповник, в 5 часов – мак, в 6 часов –
одуванчик, полевая гвоздика, в 7 часов – колокольчик, огородный
картофель, в 8 часов бархатцы и вьюнки, в 9-10 часов – ноготки, мать-и-
мачеха. Существуют и цветы, раскрывающие свои венчики ночью. В 20
часов раскрываются цветки душистого табака, а в 21 час – горицвета и
ночной фиалки. Так же в строго определенное время и закрываются
цветки: в полдень – осот полевой, в 13-14 часов – картофель, в 14-15 часов
В клетках супрахиазменного ядра таламуса циркадная периодичность сохраняется и в опытах, когда эти структуры изолированы из организма. Это позволило выяснить многие особенности действия этих главных часов.
С помощью волокон зрительного нерва и гормона мелатонина эти часы регулируются сменой светлого и темного времени суток, а среди сигналов, действующих на эти клетки, оказалась NO – окись азота.
То, что NO – участник важных биохимических процессов, открыл около 30 лет назад А.Ф. Ванин (в Институте химической физики АН СССР). Сейчас пути образования в клетке этого, как казалось ранее, вполне чужеродного вещества, изучают во множестве лабораторий в разных странах. Становится понятным смысл употребления препаратов нитроглицерина при стенокардии, выясняется механизм расширения коронарных сосудов сердца. Обнаружена роль этого вещества в самых разных процессах. И вот в механизмах временной организации сложного организма NO также играет ключевую роль.
Суточная периодичность может быть очень сложной
Проблема биологических часов не ограничивается чисто научными задачами. Очевидно принципиальное значение этих вопросов для медицины. Изменение физиологического состояния организма на протяжении суток – изменение работоспособности, умственной активности, проявлений иммунитета – всё это необходимо учитывать в повседневной жизни. Одни и те же лекарства могут давать совершенно различные эффекты при приеме в разное время суток, при разных фазах биологических ритмов.
Помимо околосуточных, циркадных, периодов наши организмы подчинены многодневным – околонедельным, околомесячным, годичным и еще более длительным ритмам. Этим вопросам посвящена обширная литература, но они еще далеки от полного выяснения. В последнее время большой интерес вызывают исследования и концепции доктора медицинских наук Л.Я. Глыбина, директора Кардиологического центра Владивостока.
Мы многое узнали в эти недавние годы расцвета исследований природы биологических часов. Еще больше предстоит узнать. Это очень увлекательно. И особое чувство вызывает то, что в каждом новом достижении так или иначе проявляются труды, мысли и жизненные судьбы многих поколений исследователей. Я не мог по краткости времени и места даже упомянуть большинство имен и могу лишь отослать любознательных к книгам и статьям, опубликованным по этой проблеме.
Данная статья была опубликована в № 45/2004 газеты "Биология" издательского дома "Первое сентября". Все права принадлежат автору и издателю и охраняются.
Как показали многочисленные исследования различных ученых, растения и животные содержат в себе некий часовой механизм измерения времени - так называемые биологические часы. В чем проявляется действие этих часов, как они показывают время?
С древнейших времен человек наблюдал за периодическими изменениями у окружающих его живых организмов. Со времен Аристотеля (IV в. до н. э.) и до наших дней у исследователей не ослабевает интерес к удивительному и загадочному чувству времени. Некоторые факты, отмеченные исследователями, настолько поразительны и необычайны, что заставляют серьезно задуматься о природе их происхождения.
Человек с давних пор восхищался умением птиц находить дорогу к дому. Открытие способности птиц ориентироваться по Солнцу изумило исследователей. А то обстоятельство, что во время ночных полетов птицы ориентируются по звездам, буквально потрясло ученый мир.
Изучение перелетов птиц позволило сделать важный вывод: многие птицы ежегодно совершают перелеты за сотни и тысячи километров по определенному маршруту. Если птицы сбиваются с пути или их специально удаляют от перелетных путей, то они все же самостоятельно находят дорогу к тем местам, через которые проходит их перелет в дальние края, и продолжают перелет по своему обычному маршруту.
Немецкий ученый из Германии Г. Крамер в 1945 г. начал экспериментальное изучение способов ориентации птиц. Он обнаружил, что днем птицы ориентируются, сопоставляя положение Солнца со временем, которое показывают их биологические часы. Как доказали исследования, для такой ориентации по Солнцу точность хода их внутренних часов очень высока. Ошибка не превышает одной минуты.
Наблюдения Крамера показали, что многие птицы (особенно мелкие) совершают ночные перелеты. Днем они вынуждены пополнять запасы энергии, израсходованные во время полета. Птицы совершают перелет в ночное время еще и потому, что ночью меньше отвлекающих факторов, и им легче преодолевать большие расстояния.
Исследования дневных и ночных перелетов птиц Крамер проводил несколько необычным и оригинальным методом. Он помещал исследуемых птиц в круглую клетку со стеклянным верхом так, чтобы птицы могли видеть лишь участок неба, находящийся под углом зрения примерно 70°. Прозрачный пол клетки позволял наблюдателю следить за птицей.
Важное условие в опытах Крамера было то, с какой стороны попадал свет в клетку. Оказалось, что направление полета птица определяла по Солнцу. Она знала, что для того, чтобы найти восток утром, надо двигаться по направлению к Солнцу, а в конце дня так, чтобы оно оставалось непосредственно сзади.
Аналогичные опыты проводились в условиях искусственного ночного неба. В этих экспериментах было наглядно показано, что птицы во время перелетов хорошо ориентируются по звездам. Когда птице в планетарии показали весеннее небо, она повернулась на северо-восток, как это бывает в естественных условиях; под осенним небом – на юго-запад.
Изменяя положение звезд на небосводе планетария, в котором была установлена клетка, можно было создавать у птицы впечатление ее постепенного перемещения па юг. Таким образом, птица, никогда не покидавшая своей клетки и ни разу не летавшая на юг, определяла направление перелета в южные страны.
Понять, как птица определяет широту своего местоположения, вполне возможно. Она, подобно штурману, определяет высоту над горизонтом и направление на какую-то определенную звезду. Что же касается долготы, то определение ее штурман обычно производит путем сравнения местного времени, которое может быть определено, например, по восходу или заходу солнца, с показаниями точных часов - хронометра, идущего по гринвичскому времени. Надо полагать, что и у птицы есть точные внутренние часы, которые в отличие от хронометра штурмана показывают местное время того пункта, где она находится.
Для подкрепления этой гипотезы немецкий ученый из Ф. Зауэр провел эксперименты, в которых картина ночного неба менялась в соответствии с изменяемой долготой. Реагируя на изменение долготы, птицы определяли направление полета иначе, чем они это делали при изменении широты.
Не менее удивительно и загадочно поведение пчел. Свои наблюдения о ритмических танцах пчел, о их особом тонком чувстве времени впервые опубликовал немецкий ученый К. Фриш еще в 1926 г. Он сделал важное открытие: танцы пчел позволяют им общаться между собой, являются их языком. Аналогичным образом общаются и муравьи.
Впоследствии известный математик К. Шеннон (основоположник теории информации) высказал предположение о принципиальной возможности установления контактов с обитателями других миров путем применения межпланетного кода, в основе построения которого должен быть использован принцип языка пчелиных танцев и способы общения муравьев.
Ритмические танцы пчел позволяют им сообщать друг другу о приближающейся опасности, указывать направление и расстояние до найденного источника корма. Чем медленнее исполняемый танец, тем дальше находится корм. Примечательно, что расстояние преуменьшалось при попутном ветре и преувеличивалось - при встречном. По-видимому, при определении расстояния пчелы учитывают мышечную работу.
Интересно отметить, что расположение Солнца в зените сбивает ориентировку пчел во времени и пространстве. Такой случай можно наблюдать лишь на экваторе, где Солнце бывает в зените. Не имея ориентировки во времени и пространстве, пчела в такой ситуации оставалась на месте.
Пчелы обладают довольно высоко развитым чувством времени. По наблюдению многих исследователей, они в определенное время вылетают на поиски пищи и возвращаются в улей. Безусловно, без внутренних биологических часов они этого сделать не смогли бы.
Биологические часы есть и у растений. Их действие проявляется в периодических движениях листьев вслед за перемещением Солнца, во времени цветения и плодоношения, раскрывания и закрывания цветов, уровне фотосинтеза и т. д.
7 часам - белая кувшинка, колокольчики, кульбаба копъелистная, огородный картофель и ястребинка зонтичная, в 8 часов утра вспыхивают яркие ноготки, бархатцы, вьюнки, к 10 часам - нежная кислица, и только к 11 час. раскрываются цветки торицы.
Учитывая такую интересную особенность пробуждения и засыпания различных растений, на садовой клумбе можно устроить живые часы. Для этого на клумбе рассаживают цветы в таком порядке, в каком они раскрываются и закрываются. По этим живым часам можно довольно точно определить время суток.
Интересно понаблюдать за тем, когда начинают пробуждаться и петь различные птицы.
Начало ночи возвещают петухи, они поют первый раз в полночь, второй раз - до зари, около 2 часа ночи. В это же время пробуждается соловей и жаворонок. В 3-м часу ночи оживляются перепела, полевые жаворонки, затем - кукушка, иволга, крапивник. Придерживаясь своего внутреннего расписания, в 4 часа с гнезд слетают скворцы, трясогузки, зеленушки, к 6 часов утра просыпаются воробьи.
Биологические часы определяют суточную периодичность жизнедеятельности у многих животных. Она наиболее выражена в смене фаз двигательной активности и относительного покоя.
Активность животных может приходиться на различное время суток (на дневное, ночное и на сумерки). Среди животных, активных в дневное время, наиболее типичные представители - куры, домашние свиньи, а также многие виды ящериц. На дневные часы у них приходится 80-90% двигательной активности. Наиболее характерные представители животного мира, у которых преобладает активность в ночное время,- летучие мыши, совы, черные хорьки, травяные лягушки, некоторые виды змей. Приблизительно одинаковую активность в дневное и ночное время имеют степной хорек, некоторые виды полевок, степная пеструшка, стерлядь, балтийский лосось.
При однократном чередовании фаз активности и покоя ритм называют монофазным, при многократном - полифазным. Как известно, человек спит один раз в сутки - ночью. Он имеет монофазный ритм чередования активности и покоя. Полифазный ритм наблюдается у домашней свиньи. У нее 14 фаз сна за сутки.
Количество фаз активности и покоя у многих животных в зависимости от индивидуального развития и времен года может изменяться, при этом возможно смещение их положения в течение суток. Так, например, полевки в летнее время активны ночью, а в зимнее - днем. Весной и осенью у них на протяжении суток происходит чередование нескольких фаз активности и покоя. С наступлением зимы снижается активность в дневное время у желтогорлой мыши.
При соблюдении постоянства внешней среды (освещенности, температуры, влажности и т. д.) время наибольшей активности и покоя остается неизменным на протяжении длительного периода времени. Это обстоятельство впервые отметил в 1914 г. польский исследователь И. Шиманский. Он обратил внимание на то, что суточные ритмы активности сохраняются в условиях постоянной темноты и температуры. В связи с этим ученый высказал предположение о существовании у животных врожденной способности к измерению времени.
При наступлении летнего времени за Полярным кругом у лесных птиц сохраняется четкий суточный ритм, несмотря на круглосуточный день. Летом на севере активность птиц достигает минимума в 22-23 час. и максимума - в 14-15 час. Птицы, обитающие летом на севере, несмотря на непрерывное солнечное освещение, имеют ночной сон. Этот же ритм у них сохраняется и в обычные дни.
Многие птицы ведут дневной образ жизни. Днем они добывают корм, а когда приближается вечер - устраиваются на ночлег. Интересно, что для одной и той же разновидности птиц это время строго определено. Так, например, скворцы заканчивают поиски корма за час до захода Солнца. В течение получаса они собираются группами по нескольку десятков птиц, а затем улетают на ночевку за 13 км. После прилета на новое место они в течение часа успокаиваются, а уже на рассвете вылетают вновь.
У плодовых мух дрозофил, как и у многих других насекомых, вылет из куколок происходит на рассвете. Действия биологических часов отмечено у насекомых. У сверчков, например, максимум суточной двигательной активности приходится на 15 час. Личинки поденки проявляют наибольшую активность в период с 19 до 7 час. Этот ритм у них не исчезает в течение четырех месяцев в условиях ускоренного или круглосуточного освещения.
Биологические часы обнаружены почти у всех живых организмов, начиная с одноклеточных и кончая самыми высокоорганизованными - животными и человеком. Однако у человека действие биологических часов зависит от многих факторов, и их экспериментальное изучение более сложное и трудоемкое. В связи с этим процессы, свидетельствующие о существовании биологических часов, сначала изучаются на животных, а затем уже на человеке.
Читайте также: