Ритмы внешней среды и их причины.

Среда, окружающая нас и другие живые организмы постоянно изменяется и изменения эти во многом цикличны. Цикличность большинства процессов является одни из фундаментальных свойств всей живой природы - от отдельной клетки до биосферы в целом. Возникла она в процессе адаптации организмов к периодическим изменениям космического характера, которые существовали задолго до возникновения жизни на нашей планете и с первого дня сопровождали ее развитие. Сейчас живые организмы обладают различными механизмами точно определяющими положение Солнца, реагирующими на ритм приливов и отливов, фазы Луны. Они растут и размножаются в ритме приуроченном к продолжительности дня и ночи, смене времен года и это совпадение фаз жизненного цикла со временем суток и года стало решающим для существования видов, поскольку у них выработалось свойство периодически изменять свое физиологическое состояние.

Равномерное чередование во времени каких-либо состояний организма называют биологическим ритмом. Ритмы, которые связаны с периодическими изменениями солнечной активности, вращением Земли относительно Солнца и Луны относительно Земли относят к категории внешних или экзогенных. Помимо них различают внутренние эндогенные или физиологические ритмы организма.

Внешние ритмы, как уже отмечалось, имеют космическое происхождение. Это, прежде всего, биоклиматические циклы, в основе которых лежат приспособления к периодическим изменениям климатических факторов; на живые организмы воздействуют также периодические изменения Солнечной активности (11-летний, кратные, вековые и др.) и ее радиации. Помимо циклического воздействия абиотических факторов внешними ритмами для любого организма являются также закономерные изменения активности и поведения других живых существ.

Внутренние или эндогенные циклы представляют собой сложившиеся в процессе эволюции физиологические ритмы, поскольку ни один процесс в организме не осуществляется непрерывно. Ритмичность обнаружена в процессах синтеза ДНК и РНК, белков, работе ферментов; деление клеток, сокращение мышц, работа желез внутренней секреции, биение сердца, дыхание и работа всех остальных органов и тканей также подчиняется определенному ритму, причем каждая система имеет свой собственный период, который действием факторов внешней среды можно изменить лишь в узких пределах, а для некоторых процессов это практически невозможно. По этой причине такую ритмику называют эндогенной.

В то же время наличие собственного периода в различных процессах или системах отнюдь не означает, что они абсолютно не зависят от других. Наоборот - все внутренние ритмы организма соподчинены, объединены (или иначе - интегрированы) в целостную систему и в конечном итоге выступают как общая периодичность поведения организма.

Ритмически осуществляя свои физиологические функции, организм как бы отсчитывает время, по истечении определенного промежутка которого наступает очередная фаза как внешних, так и внутренних ритмов. Время, следовательно, выступает как один из важнейших экологических факторов, на который должны реагировать живые организмы, приспосабливаясь к циклическим изменениям окружающей природы.

 

Суточные и циркадные ритмы.

 

Периодическое изменение освещенности Земли, вызываемое ее вращением вокруг своей оси привело к формированию суточной ритмики, обнаруженной у самых различных организмов - от одноклеточных до человека включительно. Так у растений фотосинтез идет только в светлое время суток. К определенному времени суток приурочены также открывания и закрывания цветков, поднятие и опускание листьев, максимальная интенсивность дыхания и некоторые другие; у животных ряд видов активны днем, другие в ночные часы; у человека известно около 100 физиологических процессов, затронуты суточной периодичностью, в том числе сон и бодрствование, изменение температуры, ритма сердечных сокращений, глубины и чистоты дыхания, мышечной и умственной работоспособности и т.д.

Сходная картина наблюдается и у многих животных, причем она чаще всего (обычно) проявляется в изменении активности. По смене периодов сна и подрствования животных делят на дневных, сумеречных, ночных и активных круглосуточно (периоды активности приблизительно одинаковые как днем, так и ночью, чередуется с короткими периодами покоя). Такой ритм называют полифазным. Он наблюдается у ряда хищных, насекомоядных (землеройки) и др.

Суточный ритм четко прослеживается и в жизни обитателей крупных водных систем в виде вертикальных миграций - днем вглубь, ночью - к поверхности. Это особенно хорошо проявляется у зоопланктонных форм и питающихся ими более крупных животных.

У многих животных суточная периодичность не сопровождается существенными отклонениями физиологических функций, а проявляются в основном в изменениях двигательной активности, что отражается на количестве потребляемого О2, изменении отношения к температуре, влаж ности и целому ряду других факторов.

Однако очень резкие изменения при этом наблюдаются лишь у небольшого числа видов. Наиболее яркие примеры резких физиологических сдвигов в течении суток дают летучие мыши. Днем они ведут себя как типичные хладнокровные животные - т.е. температура тела их лишь немногим превышает температуру среды, возбудимость органов чувств резко понижена и чтобы взлететь потревоженой мыши требуется некоторое время на разогрев тела. Вечером и ночью - это настоящие теплокровные животные с активными и точными движениями, быстрой реакцией на добычу, врагов и т.п.

Как отмечалось, режим суточной активности представляет собой приспособление ко многим факторам внешней среды – температуре, влажности, ветру, осадкам, освещенности, условиям добывания пищи и т.д. Поэтому с изменениями этих факторов периоды активности могут сдвигаться в ту или иную сторону. Так, например, пустынные грызуны, большие песчанки весной и осенью деятельны все светлую часть суток, летом максимум активности проявляется лишь в утренние и вечерние часы: а в жару они отсиживаются в норах. Далее - в пасмурные дни могут совсем не открываться корзинки одуванчика, не работают т.н. цветочные часы (освещенность).

Однако среди всех факторов наибольшее значение в силу свей устойчивости имеет световой режим. Именно он служит основным фактором – сигналом, регулирующим суточную ритмику. Вместе с тем при полном постоянстве внешних условий (t, влажность и т.д.) у многих видов длительное время сохраняются циклы близкие по периоду к суточному. У дрозофил такой ритм отмечался в течении десятков поколений. Очевидно, живые организмы, в процессе эволюции приспосабливаясь к колебаниям внешней среды настраивали свои физиологические процессы соответственно этим изменениям. Это происходило в основном под влиянием вращения Земли по отношению к Солнцу, Луне и Звездам, которые накладываясь друг на друга воспринимались живыми организмами как ритмика близкая, но не точно соответствующая 24-часобому периоду. Эти ритмы закрепились эндогенно (т.е. в генофонде) и получили название циркадные, т.е. приближающиеся к суточному ритму.

Наличие циркадных ритмов доказано и у человека, причем массой опытов, проведенных в самых различных условиях - в пещерах, герметических камерах, подводных лодках и других местах, где влияние внешних условий практически исключалось. Вместе с тем эти ответы показали, что даже у близких людей, например, членов одной семьи, ритмы могут отличаться и отличия эти в значительной степени обусловлены особенностями их нервной системы.

Невольно встает вопрос - имеют ли эти ритмы какое- нибудь значение для организма и если имеют, то какое? Наличие циркадных ритмов обуславливает определенный стереотип поведения в постоянных условиях, а это облегчает в значительной степени существование организмов при определенных суточных изменениях среды.

Вместе с тем при расселении животных и растений в условия с иной ритмикой дня и ночи этот ритм может оказаться неблагоприятным, ограничивающим фактором. У большинства же видов перестройка циркадного ритма возможна, хотя происходит не сразу, а захватывают несколько циклов и сопровождается рядом нарушений в физиологическом состоянии организма. Например, если мы перелетим в Петропавловск- Камчатский, то наш организм первое время будет функционировать по старой ритмике, т.е. со смещением на 7 часов. Затем начнется перестроика, сопровождаемая повышением усталости, недомоганием, желание спать днем и бодрствовать ночью. Этот период может продолжаться до двух недель. Закончилась командировка, вы возвращаетесь домой и здесь начинается то же самое. Десинхронизация ритма представляет и важную медицинскую проблему при организации ночной и сменной работы людей очень многих профессий.