Значение света в жизни организмов. Фотопериодизм, циркадные ритмы

 

Свет – первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Он участвует в фотосинтезе, обеспечивая создание растительностью Земли органических соединений из неорганических, и в этом его важнейшая энергетическая функция.

Энергия Солнца распространяется в пространстве в виде электромагнитного излучения. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия.

Около 99% всей энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны λ = 170 – 4000 нм, в том числе 48% приходится на видимую часть спектра (λ = 380 – 760 нм), 45% - на близкую инфракрасную (λ = 760 – 4000 нм) и около 7% - на ультрафиолетовую (λ < 380 нм).

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с λ = 380 – 760 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (λ>4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организма.

УФ излучение с длиной волны меньше 290 нм губительно для живого, но до поверхности Земли оно не доходит, поглощаясь озоновым слоем. УФ-лучи с длиной волны более 320 нм в небольших дозах необходимы живым организмам (бактерицидное действие стимуляция роста и развития клеток, синтез витамин Д (регулирует обмен Са и Р, нормализует рост, развитие)).

Приспособительная реакция, защита от ультрафиолета – пигмент, загар. Видимый свет – ориентирование в окружающей среде, фотосинтез.

Однако свет не только энергетический ресурс, но это и важнейший экологический фактор. Важное значение для растений имеет интенсивность освещения. По отношению к освещенности они подразделяются на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые (имеют широкий диапазон толерантности к свету).

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адаптации организмов.

Равномерное чередование во времени каких-либо состояний организма называется биологическим ритмом.

Различают внешние (экзогенные), имеющие географическую природу и следующие за циклическими изменениями во внешней среде, и внутренние (эндогенные), или физиологические ритмы организма.

Внешние ритмы имеют географическую природу, связаны с вращением Земли относительно Солнца и Луны, относительно Земли.

Множество факторов а нашей планете, в первую очередь световой режим, температура, давление и влажность, морские приливы и отливы и т.д. под влиянием этого вращения закономерно изменяются.

Внутренние ритмы, физиологические возникли исторически. Обнаружена ритмичность в синтезе ДНК, белков, в работе ферментов и т.д. Т.е. работа всех клеток, органов и тканей организма подчиняется определенному ритму. Каждая система имеет свой собственный период.

Внутренние ритмы организма соподчинены, инегрированы в целостную систему. Организм ритмически осуществляет свои физиологические функции. Изменения в жизнедеятельности организмов нередко совпадают по периоду со внешними, географическими циклами. Среди них такие, как адаптивные биологические ритмы – суточные, приливно-отливные, равные лунному месяцу, сезонные, годовые, многолетние (рис.).

 

Суточные ритмы. Дважды в сутки на рассвете и на закате, активность животных и растений на планете меняется, это так называемый суточный ритм, обусловленный периодическим изменением освещенности из-за вращения Земли вокруг своей оси. Свет, смена дня и ночи: жизнь осуществляется в условиях ритмически меняющейся среды. Ритмичность свойственна всем (биохимическая и физиологическая природа).

 

Рис. Суточные движения листьев фасоли

 

Некоторые виды животных активны лишь при солнечном свете, другие наоборот. Различия между ночным и дневным образом жизни – явление сложное и связано с разнообразными физиологическими адаптациями, выработанными в процессе эволюции. В основе периодических процессов лежит внутренняя (эндогенная) программа, на которую действует сложный комплекс внешних условий. Свет – датчик времени. Суточная ритмичность – смена активности и покоя.

Дневные животные (большая часть птиц, насекомых и ящериц) на закате солнца отправляются спать, а мир заполняют ночные животные (ежи, летучие мыши, совы, большинство кошачьих, лягушки, тараканы и т.д.).

Суточный ритм четко прослеживается и у обитателей водных систем – океанов, морей, больших озер. Зоопланктон ежедневно совершает вертикальные миграции, поднимаясь к поверхности на ночь и опускаясь днем (связано с влиянием многих факторов: освещенность, температура, соленость воды, гравитация, просто голод). Вслед за зоопланктоном перемещаются более крупные животные, хищники.

Периоды активности у одних организмов приурочены к строго определенному времени суток, у других могут сдвигаться в зависимости от обстановки. Например, активность жуков-чернотелок сдвигается на разное время суток в зависимости от температуры и влажности на поверхности почвы; открывание цветков шафрана зависит от температуры, соцветий одуванчика от освещенности.

Следовательно, живые организмы приспосабливались воспринимать колебания внешней среды и соответственно им настраивать свои физиологические процессы. Это происходило в основном под влиянием трех факторов – вращение Земли по отношению к Солнцу, Луне, звездам. Эти фактор, накладываясь друг на друга, воспринимались живыми организмами как ритмика, близкая, но не точно соответствующая 24 часовому периоду. Это и явилось причиной некоторого отклонения эндогенных биологических ритмов от точного суточного периода. Данные эндогенные ритмы получили название циркадных (от лат. circa – около, dies – день, сутки), т.е. приближающимися к суточному ритму.

К ним относятся: суточная ритмичность – смена активности и покоя (время охоты и сна); распускание листьев и цветов, фотосинтез и дыхание; циклы деления клеток, метаболические процессы - активность ферментных систем и эндокринных желез; биолюминисценция простейших; откладка яиц.

Эти ритмы помогают организму чувствовать время, такую способность называют «биологическими часами». Они помогают птицам при перелетах ориентироваться по солнцу.

Приливно-отливные ритмы. Влияние Луны прежде всего сказывается на жизни водных организмов морей и океанов, приливы и отливы связаны с совместным притяжением Луны и Солнца. Движение Луны вокруг Земли приводит к тому, что существует не только суточная ритмика приливов, но и месячная. Максимальной высоты приливы достигают примерно раз в 14 дней, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой с Землей и оказывают максимальное воздействие на воды океанов.

Этой сложной ритмике приливов и отливов подчинена жизнь организмов, прежде всего обитающих в прибрежной зоне. Так, физиология рыбки-грунина такова, что в самые высокие ночные приливы они выбрасываются на берег. Самки откладывают икру в песке, самцы ее оплодотворяют, затем возвращаются в море. С отступлением воды икра проходит все стадии развития. Выход мальков происходит через полмесяца и приурочен к следующему высокому приливу.

На суше приливы и отливы проявляют себя на уровне почвенной влаги. Например, изменения размера ствола деревьев происходя циклически: два раза в месяц они принимают минимальное значение и два раза – максимальное. Такие колебания объясняются тем, что в клетки растения поступает то больше сока, то меньше – своеобразный отголосок приливов и отливов.

Сезонная периодичность. Непрекращающаяся смена времени года, обусловленная вращением Земли вокруг солнца.

Весной все живое пробуждается, лопаются почки, распускается листва, выползают из нор зверята, насекомые, возвращаются с юга птицы.

Рис. Годовой цикл жизни оленей

Рис. Заяц-беляк в летнем и зимнем мехе

Рис. Схема прироста леса и размножения животных в разные годы солнечного цикла

 

Биологические часы. Циркадные и суточные ритмы лежат в основе способности организма чувствовать время. Механизм, ответственный за такую периодическую активность – питание, размножение – получил название биологических часов. Поразительная точность работы биологических часов, управляющих жизнедеятельностью многих растений и животных, является объектом исследований ученых разных стран мира.

Как видно из приведенных кривых, листья бобовых на ночь сникают, а днем расправляются. График активности крыс состоит из последовательно чередующихся ям (день - крыса спит) и плато (ночь – крыса бодрствует). Комнатные мухи большей частью вылупляются из куколки утром.

Множество животных – птиц, черепах, пчел – ориентируются в своих путешествиях по небесным светилам (механизм хронометра, позволяющий определить положение Солнца). Так, пчелам, внутренние часы помогают прилететь на цветок, на котором они побывали вчера, точно к тому времени, когда он распускается. Цветок тоже обладает некими внутренними часами, сигнализирующими о времени распускания.

 

Рис. Биологические часы

Фотопериодизм. Или продолжительность дня, является важнейшей характеристикой светового режима, неодинакового в течение года. Фотопериодизм – это реакция организма на сезонные изменения длины дня, всегда одинаковую в данном месте, в данное время года, что позволяет всем организмам определиться на данной широте со временем года, т.е. временем начала цветения, созревания и т.д. Иными словами фотопериод – это некое «реле времени», включающее последовательность физиологических процессов в организме.

Смена дня и ночи имеет огромное биологическое значение. На экваторе продолжительность дня в течение всего года не изменяется. В умеренном поясе имеются и лето, и зима, различие между которыми сводится не только к разнице температур. Эта разница, возрастающая по мере удаления от экватора, оказывается всего лишь следствием того, что летом день длиннее ночи, а зимой наоборот.

В умеренном поясе фотопериод служит фундаментальным климатическим фактором, определяющим жизненный цикл большинства видов.

К биологическим явлениям, вызываемым фотопериодом как определяющим фактором, относятся: размножение многих млекопитающих и птиц; приобретение зимнего мехового наряда млекопитающими, например горностаем; смена оперения и перелет многих птиц; морфология некоторых бабочек: Araschnia levana принимает форму prorsa, когда ее гусеница живет при длинных днях; появление половых форм у тлей; наступление диапаузы и выход из нее у насекомых; наступление цветения у многих высших растений: одни размножаются в условиях длинного дня, другие в условиях короткого, третьи не реагируют на длину дня, и их цветение вызывается другими факторами.

В тропическом поясе, где продолжительность дня и ночи мало изменяется на протяжении года, фотопериод не может служить важным биологическим фактором. Его заменяет чередование сухого и дождливого сезонов.

Развитие живой природы по сезонам года происходит в соответствии с биоклиматическим законом, который носит имя Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений зависят от широты, долготы местности и высоты над уровнем моря. Значит чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступает весна и раньше осень.

Цирканнуальные ритмы – годовые ритмы. Это система сменяющих друг друга сезонных физиологических ритмов. В основе – фотопериод. Цирканнуальные ритмы: размножение; линька; сезонные миграции.

 

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные механизмы адаптации организмов.

2. Приведите примеры морфологической, физиологической и этологической адаптации.

3. Объясните разницу между гомойотермными и пойкилотермными организмами.

4. В чем особенность водно-солевого обмена морских и пресноводных жителей?

5. Фотопериодизм.

6. Что такое циркадные ритмы?