Что значит ритмичность в биологии
Адаптивные биологические ритмы и характеристика основных биологических ритмов
Важное свойство, которым обладает географическая оболочка нашей планеты — ритмичность. Что такое ритмичность в биологии?
Понятие адаптивных биологических ритмов
Ритмичность в биологии — это процесс повторения явлений в определенное время.
Будучи одной из составляющих географической оболочки, биосфера также подвержена ритмичности. Жизнедеятельность организмов на планете во многом зависит от движения тел Солнечной системы, изменений температуры, влажности и освещенности. На все эти изменения живые организмы реагируют.
На случай периодических изменений интенсивности экологических факторов у организмов есть специальные приспособленческие реакции — это адаптивные биологические ритмы.
Адаптивные биологические ритмы в зависимости от длительности причин возникновения делятся на:
Такое явление как «биологические часы» непосредственно связано с биологическими адаптивными ритмами.
Биологические часы — способность живых организмов выдавать реакцию на течение времени.
С помощью этого явления живые организмы могут согласовывать свои физиологические ритмы с изменениями, происходящими в окружающей среде.
Характеристика биологических ритмов
Рассмотрим подробнее каждый из вариантов биологических ритмов.
Суточные ритмы
Планета Земля вращается вокруг своей оси — полный оборот она совершает за 24 часа. В результате, в течение суток два раза меняется освещенность, которая становится причиной температурных колебаний, изменения влажности и атмосферного давления. Все это непосредственно влияет на активность живых организмов.
Солнечный свет очень важен для жизнедеятельности: он задает периодичность процессов фотосинтеза, транспирации, времени, когда будут раскрываться и закрываться цветки у растений. Животных изменения освещенности тоже затрагивают: смена дня и ночи влияет на особенности их физиологических процессов. Отсюда условное деление всех животных на ночных и дневных.
Однако в случае изменения условий среды, меняется и суточная активность живых организмов.
В жарких пустынях, когда температура днем достигает максимума, а влажность — минимума, дневные животные проявляют свою активность ночью.
Суточные ритмы связаны и с человеком, который также является частью природы. Интенсивность более ста его жизненных функций определяется временем суток.
Приливно-отливные ритмы
Приливно-отливные ритмы — результат взаимодействий Земли и Луны. Наиболее полно и явно они наблюдаются у обитателей прибрежных участков Мирового океана (такие участки называются литорали).
В течение лунных суток — они длятся 24 часа и 50 минут — прилив и отлив происходят по два раза. Такая смена природных условий заставляет организмы к ней приспосабливаться. Каждый организм приспосабливается по-своему:
Приливно-отливные ритмы определяют размножение рыб атерин-грунион. Нерест осуществляется только тогда, когда Луна находится в определенной фазе.
Сезонные ритмы
Сезонные ритмы — результат вращения Земли вокруг Солнца. Это вращение приводит к изменению климата на планете. Сезонные ритмы определяют такие процессы как размножение, развитие, жизненные циклы, линька, спячка, миграция, состояние покоя и период вегетации у растений, а также многое другое.
Многолетние циклы
Многолетние циклы — результат изменения солнечной активности и взаимодействия небесных тел Солнечной системы.
Массовое размножение перелетной саранчи в отдельные годы — яркий пример многолетних циклов.
Также пример многолетних циклов — периодическое отклонение холодного перуанского течения у берегов Южной Америки. Это явление называется Эль-Ниньо, и происходит оно раз в 11-12 лет.
Фотопериодизм
Длительность светового дня — важное условие существования и жизни всех организмов, а также самый стабильный экологический фактор.
Фотопериодизм — комплекс наследственных реакций живого организма на то, как изменяется световой период суток.
Это свойство встречается у всех организмов. Однако наиболее ярко проявляется у тех, что живут в условиях, когда сезонные изменения среды происходят резко.
Изменение длительности светового дня у растений проявляется тем, что они меняют интенсивность синтеза фитогормонов. За счет этого регулируется рост и развитие растения.
Фотопериодизм очень ярко проявляется у перелетных птиц: сокращение светового дня является сигналом для миграции.
Ритмичность в биологии. Коэффициент ритмичности
Принцип единства среды и организма является одним из принципов современного естествознания. Все живые организмы, а также надорганизменные системы, составляя единство со средой, в которой они обитают, обладают ритмичностью всех своих процессов. Жизнедеятельность их подчиняется периодическим ритмам, которые отражают реакции на ритмы всей Вселенной в целом (геофизические, астрономические), а также природы.
П.Я. Соколов, русский социолог, отмечает, что весь животный и растительный мир, а вместе с ним и человек, непрестанно и извечно испытывает на себе воздействия физического мира и отвечает ритмическими пульсирующими реакциями на биение мирового пульса.
Что такое биологические ритмы?
Ее наличие обусловлено синхронизацией биохимических процессов. Поскольку живой организм представляет собой иерархическую систему, ему необходимо соразмерять функционирование ее с синхронизацией различных подсистем и уровней не только во времени, но также и в биологическом пространстве.
В этой статье вы подробно узнаете о том, что такое ритмичность в биологии. Проявления, свойства, примеры также будут рассмотрены ниже.
Хронобиология: возникновение и развитие
Наука, которая изучает биоритмы, называется хронобиологией. Хорошо известно еще с древних времен, что лепестки и листья растений в зависимости от времени суток совершают определенные движения. Карл Линней еще в 1745 году изобрел «цветочные часы» (на фото ниже), позволяющие определять время по распусканию и закрытию цветов.
В первой половине 19 столетия были проведены первые исследования суточных ритмов уже у человека, таких как температура тела, частота мочеиспусканий и сердечных сокращений. В учебниках по физиологии этого периода встречаются указания на существование ритмических функций, которые являются эндогенными, то есть возникают в самом организме. В 1936 окончательно установлен был эндогенный характер суточных ритмов растений и цветов. Для этого любые внешние воздействия на них были исключены.
Ритмы физиологические и адаптивные
Выделяют следующие их классификации с точки зрения взаимодействия среды и организма.
Ритмы экзогенные и эндогенные
Ритмы по уровням организации биосистемы и частоте
Ритмы также делятся по уровням организации той или иной биосистемы. Они подразделяются на биосферные, популяционные, организменные, органные и клеточные.
По частоте своей они бывают:
Природа биоритмов
Вывод из этого можно сделать следующий. В живых организмах ни один процесс не происходит непрерывно. Он должен непременно чередоваться с направленным противоположно: работа с отдыхом, вдох с выдохом, синтез с расщеплением, бодрствование со сном и т. д. Состояние живого организма, таким образом, не может быть статическим. Оно характеризуется таким понятием, как ритмичность. Определение наличия этого свойства живого организма можно произвести даже путем простого наблюдения. Вы можете заметить, что некоторые (а на самом деле все) его энергетические и физиологические параметры находятся всегда в состоянии совершения колебаний как по амплитуде, так и по частоте относительно средних значений.
Такие колебания и есть биоритмы. С помощью них живые организмы обеспечивают устойчивость своего термодинамического состояния. Позволяет успешно приспособиться к окружающей среде, ее циклическим изменениям именно ритмичность. Определение этого явления мы приводили в начале статьи.
Внутренние часы
Внешний датчик времени необязателен для синхронизации системы при высокой степени сопряженности всех ее подсистем. В процессе развития организма врожденная программа упорядоченности функций во времени модифицируется, позволяя ему приспосабливаться к временному профилю окружающей среды. Такой организм способен «предсказывать» время суток. Это позволяет ему подключать заранее различные эффекторы, которые включаются в ответную реакцию не сразу. Например, температура тела, а также содержание в плазме кортикостероидов при нормальном сне начинают задолго до его окончания повышаться. Поэтому пробуждение порой происходит раньше, чем включается свет.
Приведем и другие примеры ритмичности. Лишь те организмы выживали в процессе естественного отбора, которые обладали способностью не просто уловить в природных условиях различные изменения, но и настроить в такт внешних колебаний свой ритмический аппарат. Например, животные чередуют ритмы бодрствования и сна так, что это способствует обеспечению выгодных условий для добычи пищи. В природе репродуктивные системы (периоды бесплодия и плодородия) также приспособлены к условиям среды, являющимися самыми оптимальными для того, чтобы вырастить потомство. Многие птицы осенью улетают на юг. Это один из примеров того, как проявляется ритмичность. Биология знает и множество других примеров. Так, впадают в спячку некоторые животные. Это помогает им выжить, несмотря на то, что внешние природные условия бывают экстремальными.
Суточные биоритмы
Растения обычно длительность дня определяют по переходу из одной формы в другую пигмента фитохрома при изменении характеристик солнечного света (его спектрального состава). Например, солнце на закате имеет красный цвет потому, что красный свет обладает наибольшей длиной волны и меньше, чем синий, рассеивается. В сумеречном или закатном свете много инфракрасного и красного излучений. Это и воспринимают растения, проявляя суточную ритмичность.
Краб утром более светлый, но когда солнце все выше поднимается над горизонтом, он становится все темнее. Играя защитную роль, пигмент предохраняет манящего краба от палящих лучей солнца. Если при этом бывает отлив, то ему помогает более темная окраска оставаться на прибрежном песке незамеченным. А именно туда в поисках пищи отправляется краб.
Суточные ритмы у человека
Психические процессы ускоряются вечером и замедляются утром. На ритмы психических и физиологических функций, в свою очередь, влияют смены бодрствования и сна, покоя и активности. От множества факторов зависят в период бодрствования параметры кривой работоспособности: от уровня мотивации, приема пищи, общей обстановки, типа личности и т. д.
Термином «десинхроноз» обозначают нарушение в биологической системе временной упорядоченности ритмов. Изучение его механизмов имеет большое значение в деле организации труда и отдыха персонала, при проведении различных профилактических мероприятий, направленных на охрану здоровья. Десинхроз, в частности, наблюдается у лиц, которые совершили перелет на большое расстояние (через 4-5 часовых поясов), при смене режима работы с дневного на ночной, а также у космонавтов при совершении космических полетов.
Лунные биоритмы
На многие геофизические процессы влияет периодичность вращения Луны вокруг нашей планеты. Например, меняется освещенность ночью, температура, давление воздуха, магнитные поля Земли, направление ветра. Все эти явления для циркалунарных ритмов являются временными указателями.
У морских организмов обнаруживаются самые впечатляющие примеры того, как эти ритмы влияют на жизненные процессы. Например, морской червь Палоло, обитающий на коралловых рифах, в октябре и ноябре, в заключительную декаду лунного цикла и при этом в определенное время суток, отделяет в воду свою заднюю часть, которая наполнена продуктами половой системы. Это нужно для продолжения рода.
Лунные циклы периодов рождаемости и оплодотворения могут быть не только синодическими (как в предыдущем примере). Встречаются и сизигические с интервалом в 14,7 дней. Так, один вид рыб, обитающих на берегу Калифорнийского залива, в полнолуние и новолуние (во время прилива) откладывает на пляж икру. Она развивается в течение 14 дней на берегу и в воду попадает со следующим приливом.
Лунный свет, о чем мы уже упоминали, обусловливает различия освещенности в ночное время. Это способствует тому, что активность животных, которые ведут вечерний или ночной образ жизни, меняется. Даже если исключить воздействие лунного света в лаборатории, периодичность циркалунарных процессов сохраняется. Она может обуславливаться другими факторами, связанными с лунным циклом. К примеру, это колебания магнитного поля нашей планеты.
Лунный цикл влияет также на рост растений. Это можно показать на примере колебаний урожайности редиса, картофеля и бобовых. Уже долгое время используются лунные календари, помогающие определить оптимальное время для агротехнических мероприятий и посадки растений.
Годичные биоритмы
Цирканнуальные (годичные) биоритмы в биологии имеют период колебания, составляющий 1 год ± 2 месяца. Они связаны с вращением вокруг Солнца нашей планеты.
Наблюдаются эти ритмы у всех организмов, от тропической до полярной зоны. Выраженность их нарастает по мере того, как увеличивается географическая широта. Анализ ритмичности позволил ученым сделать вывод о том, что у организмов, населяющих полярные и умеренные зоны, в которых наиболее заметны сезонные различия, она проявляется отчетливо. Основу годичных биоритмов составляют, во-первых, приспособительные реакции, возникающие в ответ на изменение важнейших параметров окружающей среды (водного режима, количественного и качественного состава пищи, температуры).
Во-вторых, ее составляет реакция организма на сигнальные факторы среды (например, изменения напряженности геомагнитного поля, фотопериода, появление определенных химических компонентов). Проявляются годичные биоритмы, например, в явлениях кочевок, миграций, летней и зимней спячки, репродуктивных процессах и т. д.
Многим животным зимняя спячка помогает пережить неблагоприятный период. Удивительно точно звери определяют время для нее. Медведь, например, в свою берлогу укладывается всегда накануне снегопада. И он спит после этого до апреля, пока температура не составит 12 °С (то есть 5,5 месяцев). В это время он существует за счет жира, накопленного с осени. Его запас составляет практически треть всей массы тела животного. Температура тела медведя во время спячки снижается примерно на 10 °С, в 3 раза уменьшается частота его дыхания. Это помогает экономить жизненные ресурсы, накопленные в теплое время. Так проявляется ритмичность организма медведя. Если нарушился ритм, и зверь не залег в берлогу по каким-то причинам или вдруг в середине зимы проснулся, он почти обречен на гибель. Шатуна будет одолевать множество паразитов, которые в слабеющем организме, страдающем от голода, бурно развиваются.
Итак, многочисленные примеры ритмичности были представлены в этой статье. Они подтверждают, что это всеобщее явление в животном мире. Биоритмы, более того, являются определяющим фактором существования живых организмов. Принцип ритмичности встречается на всех уровнях организации биосистем. Он служит для того, чтобы адаптировать организм для лучшего функционирования в окружающей среде.
Коэффициент
Итак, мы рассмотрели ритмичность в биологии, что это такое, вы теперь знаете. Однако интересующее нас понятие встречается не только в этой науке. В частности, экономисты сделали вывод о том, что она наблюдается и в производственной сфере. Сделав это открытие, они ввели понятие «коэффициент ритмичности». Он всегда стремится к единице. Как правило, коэффициент ритмичности определяется за сутки, декаду, месяц и т.п. С помощью него можно охарактеризовать, в частности, степень использования в процессе производства рабочего времени. Чем больше показатель ритмичности, тем производственный цикл плотнее, а экономические ресурсы (главным образом рабочее время) расходуются рациональнее.
Биологические ритмы человека
Биологические ритмы в живой природе
Каждую весну распускается зеленая листва, каждую зиму выпадает снег. С восходом солнца растения раскрывают свои цветы, первый луч падает на зеленый лист и запускает процессы фотосинтеза. Перелетные птицы осенью собираются в теплые края, белка запасает спелые орехи, а медведь и еж ищут укрытие поудобнее, чтобы пережить неблагоприятное холодное и голодное зимнее время.
Изучая поведение животных в природе, внимательный наблюдатель замечает, что птицы начинают готовиться к перелету с первыми признаками приближающейся осени. Хозяин таежных лесов медведь начинает искать место для спячки еще до того, как ударят первые морозы и снегопады заметут лесные тропы.
И горе тому животному, которое не успеет до холодов. Без помощи человека оно обречено на гибель, как Серая шейка в одноименной детской сказке. Медведь, поднятый среди зимы из берлоги, получает прозвище медведь-шатун. Злой, голодный, ходит по лесу, нагоняя страх на охотников, но и он обречен на мучительную гибель от голода. Мясом такого погибшего зверя брезгуют даже падальщики.
Можно заметить, что еще до появления первых признаков смены сезона, поведение животных меняется. И это не зря. Таким образом природа позволяет живым организмам заблаговременно подготовиться к грядущим переменам в природе и предупредить стресс, связанный с перестройкой сложных биохимических процессов и физиологических функций во время действия неблагоприятного фактора с помощью биологических ритмов организма.
Определение понятия биоритмы
Биоритмы — сформированная в ходе эволюции модель приспособления, проявляющаяся в виде повторяющихся изменений характера и степени выраженности биохимических и физиологических реакций, характеризующая способность живых существ выживать в периодически изменяющихся условиях среды.
Способность организма изменять процессы жизнедеятельности под влиянием условий внешней среды генетически обусловлена и характерна всем живущим организмам. Она характерна не только отдельным клеткам, но и целым популяциям.
Биологические ритмы организма человека сформировались за миллионы лет эволюции и определяются движением планеты Земля.
Влияние этого ритмического рисунка накладывается на всех обитателей (растения, домашние и дикие животные, многоклеточные и одноклеточные организмы) на нашей удивительной планете. И человек – не исключение. Испокон веков он живет в сложной системе биоритмов, от изменяющихся за несколько секунд молекулярных, происходящих в живой клетке и обеспечивающих процессы энергетического обмена, до длительных годовых, связанных с движением Земли вокруг Солнца.
Хронобиология
Исследование ритмических колебаний биохимических и физиологических процессов в живых организмах в зависимости от суточных, годовых, либо лунных циклов продолжаются со Средневековья до наших дней. Прорывом в исследованиях стали опыты Е.А. Форсгрена, шведского физиолога, который в уникальных опытах на лабораторных кроликах выявил суточные колебания в клетках печени уровня гликогена — сложного полисахарида, участвующего в энергетическом обмене.
Лишь в 1960 году на симпозиуме в Cold Spring Harbor Laboratory, после того, как доклады исследователей, представляющих различные отрасли науки, были заслушаны, выяснилось, что ученые из разных областей физиологии, биологии, генетики, биохимии описывали одни и те же феномены, связанные с изменением активности процессов во времени, и приняли решение выделить хронобиологию как отдельную науку.
Исследование биохимических процессов продолжается. В настоящее время ученые выделяют около 300 различных биохимических и физиологических процессов в организме человека, активность которых изменяется на протяжении времени и регулярно чередуется, имея свои минимумы и максимумы значений.
Классификация биоритмов
Согласно классификации советских ученых-медиков Н.И. Моисеевой и В.Н. Сысуева (1961), в зависимости от периода — промежутка времени между двумя максимальными или минимальными значениями — биологические ритмы делятся на:
Высокочастотные ритмы длятся от миллисекунды до получаса. К этой категории относятся сердечные сокращения, дыхательные движения, волны перистальтики в кишечнике. Медицинская аппаратура позволяет зафиксировать ритмы и получить сведения о функции различных систем человеческого организма. Электроэнцефалография регистрирует периодическую активность головного мозга, электромиография — мышечную активность, электрокардиография — сердечные сокращения, и данные используются не только в научных целях, но и для диагностики патологии.
К среднечастотным относятся биоритмы с продолжительностью от 30 минут до 6 дней. В эту группу входят циркадианные или циркадные (суточные) ритмы: повышение температуры тела к восемнадцати часам и снижение до минимума к полуночи, цикл «сон-бодрствование», о котором подробно рассказано на странице 22 учебника «Биология 10 класс» под редакцией В.И.Сивоглазова. Изменения некоторых показателей можно зафиксировать при суточном исследовании — холтеровском мониторировании ЭКГ или артериального давления. И такие исследования широко применяются в медицине для подбора необходимого лечения.
В группу низкочастотных ритмов относят колебания с периодичностью от 28 часов до десятилетий. В данный раздел входят менструальный цикл у женщин, а также годовые ритмы. Так, зимой по сравнению с летом, снижается в крови содержание сахара, увеличивается количество АТФ и холестерина.
Ранее считали, что как таковых, недельных ритмов у живых организмов нет, а деление на недели пошло от чередований фаз луны еще со времен Древнего Вавилона. И только в последнее время, когда биохимия сделала гигантский шаг вперед, и появилась возможность определить концентрацию биологически активных веществ не только в крови, но и в моче, ученые выявили колебания гормональных показателей, выделяемых надпочечниками, с примерным семидневным циклом.
В ходе астрономических наблюдений установлено, что за время оборота Солнца вокруг своей оси, который составляет двадцать семь суток, регистрируются различные значения магнитного поля между планетами Солнечной системы. Положение Земли изменяется с периодичностью в 6,75 суток. Планета оказывается в разнообразных секторах солнечного магнитного поля, что вызывает изменения планетарного геомагнитного поля, которое влияет на климатические условия, а также жизнедеятельность живых организмов.
В последние десятилетия ритмы современной жизни с ночными клубами, предприятиями, работающими круглосуточно, путешествиями на другую сторону земного шара значительно влияют на биологические ритмы человека. Учитывая влияние социальной жизни на физиологию человека, выделяют:
Физиологические биоритмы — непрекращающаяся работа биохимических процессов в каждой клетке организма, для обеспечения чередования циклов вдоха-выдоха, непрерывного сокращения сердца, для бесперебойной работы системы кровообращения и других систем. Они обеспечивают жизнедеятельность организма независимо от условий среды обитания. Способность физиологических ритмов к изменениям обеспечивает адаптационный резерв человека к существованию в экстремальных условиях от архипелагов Арктики до жаркой пустыни Каракум.
Вращение Луны вокруг нашей голубой планеты, и Земли вокруг Солнца приводит к смене сезонов года в окружающей природе и формированию геофизических биоритмов, которые обеспечивают перестройку физиологических биоритмов под сезонные климатические изменения.
Социальные биоритмы формируются под влиянием условий жизни, принятых в обществе, где человек обитает: сменная работа, чередование труда и пассивного отдыха, активная клубная жизнь у молодежи или приверженность ЗОЖ. Через некоторое время стабильных чередований физических нагрузок, труда и отдыха у человека формируются автоматические колебания, близкие к его обычному циклу труд-отдых. Наличие социальных биоритмов подтверждает высокую способность человека адаптироваться к окружающей его среде.
Подводя итоги, отметим, что к сегодняшнему дню хронобиология достигла определенных успехов и позволила сделать ряд выводов, касающихся живой природы:
Исследования биоритмов не прекращаются, и в 2017 году группа ученых из США получили Нобелевскую премию за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадными ритмами.