Підручник з Біології і екології. 11 клас. Соболь - Нова програма

Усе життя... має потребу в ритмі й гармонії.

Платон

§ 18. АДАПТИВНІ БІОЛОГІЧНІ РИТМИ

Основні поняття й ключові терміни: АДАПТИВНІ БІОЛОГІЧНІ РИТМИ. ФОТОПЕРІОДИЗМ. Біологічний годинник.

Пригадайте! Що таке біологічні ритми?

Поміркуйте!

У 1729 р. французький фізик й астроном Жан-Жак Дорту Де Меран (1678-1771) зацікавився властивістю мімози соромливої (Mimosa pudica) розкривати свої листки вранці й закривати їх уночі. Він провів експеримент, в якому рослину утримували цілодобово в темряві, але все одно вона продовжувала раз на добу закривати й розкривати листки, незважаючи на відсутність світла. Що ж було причиною таких періодичних змін?

ЗМІСТ

Які причини адаптивних біологічних ритмів?

За функціональним значенням біологічні ритми поділяють на адаптивні (екологічні) та функціональні (фізіологічні).

АДАПТИВНІ БІОЛОГІЧНІ РИТМИ - це регулярні зміни життєдіяльності біологічних систем, що збігаються за періодом із зовнішніми геофізичними циклами. Адаптивні біоритми виникли як адаптації живого до регулярних змін основних екологічних чинників і збігаються за тривалістю з ритмами зовнішнього середовища. Це і є їхньою загальною відмінністю від функціональних ритмів, що підтримують регулярний перебіг процесів життєдіяльності, сталість параметрів внутрішнього середовища. Їхні періоди становлять від часток секунди до декількох хвилин. Адаптивні біоритми властиві для усіх біосистем й відбуваються на усіх рівнях життя. Так, на молекулярному рівні добова періодичність характерна для репарації й реплікації ДНК, на клітинному рівні - для поділу епітеліальних стовбурових клітин, на популяційно-видовому рівні сезонна або річна періодичність властива «хвилям життя» та ін.

Адаптивні біологічні ритми пов'язані з обертанням Землі навколо Сонця, Землі навколо своєї осі й Місяця навколо Землі. Під впливом цього обертання багато екологічних чинників, особливо світловий режим, температура, тиск й вологість повітря, океанічні припливи й відпливи, закономірно змінюються. На екологічну ритмічність живої природи впливають і космічні ритми (періодичні зміни сонячної активності) та електромагнітні поля. Крім циклічності абіотичних чинників для ритміки біосистем суттєве значення мають і періодичні зміни біотичних чинників (наприклад, добова активність у системі «хижак - жертва»).

Джеффрі Холл

Майкл Росбаш

Майкл Янг

Чинники, що визначають ритмічність процесів живого, називають синхронізаторами («датчиками часу»). Біоритми, що формуються під дією зовнішніх синхронізаторів (світло, температура, атмосферний тиск, їжа, а для людини - ще й різні соціальні чинники), називаються зовнішніми (екзогенними). Ритми, що виникають всередині біосистеми під дією внутрішніх синхронізаторів і відносно не залежать від зовнішніх чинників, називаються внутрішніми (ендогенними). Роль центрального водія ритму в плазунів й птахів виконує епіфіз, у ссавців - супрахіазматичні ядра гіпоталамусу.

За сучасними уявленнями, основою адаптивних ритмів є внутрішня (ендогенна) програма. За це відкриття лауреатами Нобелівської премії з фізіології і медицини у 2017 р. стали Д. Холл, М. Росбаш і М. Янг (усі - США). Виявилось, що добові ритми мають молекулярно-генетичну природу, і за їхню періодичність відповідають гени, які назвали часовими.

Отже, будь-який адаптивний біологічний ритм має внутрішню спадкову програму і генетичну регуляцію, на які впливає складний комплекс зовнішніх та внутрішніх чинників-синхронізаторів.

Які типи й значення адаптивних біоритмів?

Адаптивні ритми класифікують за різними критеріями: за родом процесів, що породжують ритми, власними характеристиками (наприклад, періодом), функціональним значенням, рівнями організації життя.

За тривалістю періоду ритмічних змін адаптивні біоритми поділяють на добові, місячні, припливно-відпливні, сезонні (річні) та багаторічні.

Добові біоритми виникають унаслідок обертання Землі навколо своєї осі й характеризуються періодом 24 ± 4 год. Так, добову періодичність мають процеси мітозу, світлової й темнової фаз фотосинтезу, періодичні рухи листків або квіток, періоди спокою - бадьорості у тварин, кровообігу або секреції гормонів у людини.

Припливно-відпливні біоритми синхронізовано обертанням Землі відносно Місяця. Упродовж місячної доби (24 год 50 хв) відбуваються по два припливи і два відпливи, що спонукає організми пристосовуватися до таких періодичних змін умов існування. Найбільш чітко вони виражені в мешканців припливно-відпливної зони. Під час припливу риба атеріна відкладає ікру, а під час відпливу закривають свої черепашки молюски, ховаються у ґрунт кільчасті черви, змінює забарвлення ваблячий краб тощо (іл. 38).

Іл. 38. Ваблячий краб залежно від припливу або відпливу змінює своє забарвлення

Місячні біоритми зумовлені обертанням Місяця навколо Землі (з періодом 29,5 діб). Прикладами таких ритмів є розмноження палоло тихоокеанського, японської морської лілії.

Сезонні (річні) біоритми пов'язані з обертанням Землі навколо Сонця; їх період - 1 рік ± 2 місяці. З певними сезонами в організмів пов'язані періоди розмноження, розвитку, стану зимового спокою, у тварин - це також періоди линяння, міграцій, сплячки тощо, у листопадних рослин - періоди листопаду.

Багаторічні біоритми пов'язані зі зміною сонячної активності протягом кількох років (наприклад, масові розмноження перелітної сарани та деяких інших тварин). Звичайно періоди сонячної активності настають приблизно кожні 11 років.

Завдяки адаптивним біоритмам найважливіші функціональні прояви життя біосистем різного рівня організації збігаються з найбільш сприятливими періодами довкілля. Так, нічний спосіб життя дає змогу видам пустельних тварин уникати негативного впливу денної спеки й зберігати воду в організмі. Види організмів, які в процесі еволюції виробили різні форми добової активності, змогли повніше освоїти природні місця існування і позбутися конкуренції за ресурси. Наприклад, яструби і сови можуть полювати на тому самому полі на один і той самий вид гризунів, не вступаючи в конфлікт.

Отже, різні типи біологічних ритмів є важливою пристосувальною ознакою організмів до змін у навколишньому середовищі.

У чому полягає адаптивне значення фотоперіодизму?

ФОТОПЕРІОДИЗМ - реакція організмів на співвідношення тривалості дня і ночі, що проявляється в періодичній зміні процесів життєдіяльності. Тривалість світлового дня є найстабільнішим з екологічних чинників, оскільки завжди однакова в певному місці в даний час, тоді як інші чинники змінюються в значних межах.

Іл. 39. Фотоперіодична реакція квіток тюльпана

Фотоперіодизм як сукупність спадкових реакцій організмів проявляється лише за певного поєднання тривалості світлового дня з іншими екологічними чинниками, передусім з температурою (термоперіодизм). Фотоперіодичні реакції регулюються у живих організмів нервовою системою, гормонами (статеві гормони, мелатонін, тропні гормони), фітогормонами, рослинними фіторецепторами (фітохроми, кріптохроми, фототропіни). Фотоперіодизм тісно пов'язаний з явищем біологічного годинника. Біологічний годинник - здатність організмів реагувати на плин часу. Основою цієї здатності є чітка періодичність фізичних і хімічних процесів у клітинах. І що особливо цікаво, ця періодичність не залежить від температури довкілля (іл. 39).

Іл. 40. Линяння зайця-біляка - сезонна фотоперіодична реакція

Фотоперіодизм властивий для всіх систематичних груп, але не для всіх видів організмів. Світло не має провідного сигнального значення для екваторіальних видів, рослин-ефемерів, ендопаразитів, мешканців глибин морів, печер та ін.

Адаптивне значення фотоперіодизму полягає в світловій регуляції біологічних ритмів і можливості заздалегідь пристосовуватися до періодичних змін умов існування. Завдяки фотоперіодизму відбуваються: настання цвітіння, перехід до зимового спокою, листопад, ростові процеси, настання шлюбного періоду, перехід до сплячки, міграції, добова активність, линяння (іл. 40).

Отже, в еволюції більшості організмів основне сигнальне значення для ритмічних змін життєдіяльності закріпилося за фотоперіодичною регуляцією.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота на зіставлення. Різноманітність адаптивних ритмів

Зіставте типи адаптивних біоритмів з наведеними проявами життєдіяльності.

Визначте належність цих проявів до певного типу адаптивних біоритмів.

А Добові

1 Розмноження палоло

Б Припливно-відпливні

2 Полювання сови вухатої

В Місячні

3 Линяння вивірки звичайної

Г Річні

4 Осіннє опадання листя дуба

Д Багаторічні

5 Розмноження перелітної сарани

6 Популяційні хвилі миші польової

7 Зимова сплячка бурого ведмедя

8 Закривання квіток латаття на ніч

9 Відкладання ікри атеріною

10 Зміна забарвлення ваблячого краба

Біологія + Селенологія. Місяць і біологічні ритми

Місяць - єдиний природний супутник планети Земля, другий за яскравістю об'єкт на земному небосхилі після Сонця і п'ятий за величиною супутник планет Сонячної системи. Що вивчає селенологія? Які геофізичні сили Місяця є синхронізаторами багатьох біоритмів живої природи?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Спелеологія. Регуляція ритмів у людини

Один із спелеологів, а саме французький учений Мішель Сіфр (нар. 1939) здобув широку популярність завдяки серії експериментів «Поза часом», у ході яких 64 дні перебував на самоті в печері на глибині 135 м без можливості визначення часу та дати. У результаті досліджень виявив, що організм людини самостійно пристосовується до 24- або 48-годинного циклу. Розгляньте схему та поясніть механізм регуляції таких ритмів у людини.

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1-6

1. Що таке адаптивні біоритми? 2. Наведіть приклади адаптивних біоритмів. 3. Назвіть критерії для класифікації біоритмів. 4. На які групи класифікують біоритми за тривалістю періоду? 5. Що таке фотоперіодизм? 6. Наведіть приклади фотоперіодичних реакцій.

7-9

7. Які причини адаптивних біологічних ритмів? 8. Які типи й значення адаптивних біоритмів? 9. У чому полягає адаптивне значення фотоперіодизму?

10-12

10. Як відбувається регуляція біоритмів у людини?