Prilagođeni ritmovi života. Prezentacija o ekologiji Prezentacija "Prilagodljivi ritmovi života" za čas ekologije (10. razred) na temu U Kanadi liječe muzikom iz bioritma
>> Prilagodljivi ritmovi života
§ 7 Prilagodljivi ritmovi života
Zapamti
Dnevnica
i sezonski
promjene u prirodi
Život na Zemlji se razvijao u uslovima redovnog dana i noći i naizmeničnih godišnjih doba usled rotacije planete oko svoje ose i oko Sunca. Ritam eksternog okruženje stvara periodičnost, odnosno ponovljivost uslova u životu većine vrsta. Redovno se ponavljaju i kritični periodi, teški za preživljavanje i oni povoljni.
Prilagođavanje periodičnim promjenama u vanjskoj sredini se kod živih bića izražava ne samo direktnom reakcijom na promjenu faktori, ali i u nasljedno fiksiranim unutrašnjim ritmovima.
Cirkadijski ritmovi. Cirkadijalni ritmovi se prilagođavaju organizmi na promjenu dana i noći. Kod biljaka se intenzivan rast i cvjetanje cvjetova tempiraju na određeno doba dana. Životinje uvelike mijenjaju svoju aktivnost tokom dana. Na osnovu ove osobine razlikuju se dnevne i noćne vrste.
Dnevni ritam organizama nije samo odraz promjenjivih vanjskih uslova. Ako osobu, životinje ili biljke smjestite u stalno, stabilno okruženje bez promjene dana i noći, onda se održava ritam životnih procesa, blizak dnevnom (Sl. 35). Čini se da tijelo živi prema svom unutrašnjem satu, odbrojavajući vrijeme.
Cirkadijalni ritam može uticati na mnoge procese u tijelu. Kod ljudi dnevnom ciklusu podliježe oko 100 fizioloških karakteristika: otkucaji srca, ritam disanja, lučenje hormona, lučenje probavnih žlijezda, krvni pritisak, tjelesna temperatura i mnoge druge. Stoga, kada je osoba budna umjesto da spava, tijelo je još uvijek podešeno na noćno stanje i neprospavane noći loše utiču na zdravlje .
Međutim, cirkadijalni ritmovi se ne javljaju kod svih vrsta, već samo kod onih u čijim životima promjena dana i noći igra važnu ekološku ulogu. Stanovnici pećina ili dubokih voda, gdje te promjene nema, žive u različitim ritmovima. A među stanovnicima zemlje, dnevna frekvencija
ne nalazi se kod svih. Na primjer, sićušne rovke se izmjenjuju između aktivnosti i odmora svakih 15-20 minuta, bez obzira na dan ili noć. Zbog visokog metabolizma, primorani su da jedu 24 sata dnevno.
U eksperimentima pod strogo stalnim uslovima, voćne mušice Drosophila održavaju dnevni ritam desetinama generacija. Ova periodičnost je kod njih naslijeđena, kao i kod mnogih drugih vrsta. Tako su duboke adaptivne reakcije povezane sa dnevnim ciklusom spoljašnjeg okruženja.
Poremećaji cirkadijalnog ritma organizma tokom noćnog rada, letova u svemir, ronjenja i sl. predstavljaju ozbiljan medicinski problem.
Godišnji ritmovi. Godišnji ritmovi prilagođavaju organizme sezonskim promjenama uslova (Sl. 36). U životu vrsta, periodi rasta, razmnožavanja, linjanja, migracije i dubokog mirovanja prirodno se izmjenjuju i ponavljaju na način da organizmi dočekaju kritično doba godine u najstabilnijem stanju. Najranjiviji proces - reprodukcija i uzgoj mladih životinja - odvija se u najpovoljnijoj sezoni. Ova periodičnost promena fiziološkog stanja tokom godine u velikoj meri je urođena, odnosno manifestuje se kao unutrašnji godišnji ritam. Ako se, na primjer, australski nojevi ili divlji pas dingo smjeste u zoološki vrt na sjevernoj hemisferi, njihova sezona razmnožavanja će početi u jesen, kada je proljeće u Australiji. Restrukturiranje unutrašnjih godišnjih ritmova odvija se s velikom mukom, tokom niza generacija.
Priprema za razmnožavanje ili prezimljavanje je dug proces koji u organizmima počinje mnogo prije početka kritičnih razdoblja.
Oštre kratkoročne promjene vremena (ljetni mrazevi, zimske odmrzavanja) obično ne remete godišnje ritmove biljaka i životinja. Glavni faktor životne sredine na koji organizmi reaguju u svojim godišnjim ciklusima nisu slučajne promene vremena, već fotoperiod- promjene u odnosu dana i noći.
Dužina dnevne svjetlosti se prirodno mijenja tokom cijele godine i upravo te promjene služe kao tačan signal približavanja proljeća, ljeta, jeseni ili zime.
Sposobnost organizama da reaguju na promjene u dužini dana naziva se fotoperiodizam.
Ako se dan skrati, vrste se počinju pripremati za zimu; ako se produži, počinju aktivno rasti i razmnožavati se. U ovom slučaju za život organizama nije važan faktor promjene dužine dana i noći, već
i njegovu signalnu vrijednost, što ukazuje na predstojeće duboke promjene u prirodi.
Kao što znate, dužina dana u velikoj meri zavisi od geografske širine. Na sjevernoj hemisferi ljetni dani su mnogo kraći na jugu nego na sjeveru. Stoga južne i sjeverne vrste različito reagiraju na istu količinu promjene dana: južne vrste počinju se razmnožavati s kraćim danima od sjevernih.
Primjeri i dodatne informacije
1. Istraživači pećina - speleolozi su detaljno proučavali njihove dnevne ritmove. Spuštali su se u pećinu na duži vremenski period (1-3 mjeseca) bez sata i gradili način rada, spavanja, hrane i odmora na osnovu vlastitih osjećaja za vrijeme. Komunikacija s površinom bila je jednosmjerna, nisu primali nikakve informacije izvana. Izvana, njihovi signali su pažljivo snimani i analizirani. Pokazalo se da u stalnim uslovima osoba održava redovan ciklus spavanja i budnosti, ali period ovog ciklusa nije baš jednak 24 sata, već se može razlikovati za nekoliko minuta. Tokom mnogo dana ova razlika se zbraja i nakon nekog vremena speleolozi odlaze u krevet kada je dan na površini, a ostaju budni noću. Na kraju eksperimenta, ispostavilo se da se njihovo vrijeme nekoliko dana ne poklapa sa stvarnim datumima.
Isti rezultati dobiveni su u brojnim eksperimentima sa životinjama. U stalnim uslovima, njihov unutrašnji ritam ispada ne striktno cirkadijanski, već cirkadijalni; kada se dan i noć menjaju, spoljašnji ritam kao da ispravlja unutrašnji i prilagođava ga na 24 sata.
2. Stanovnici morske međuplime i oseke imaju najsloženije ritmove. Tako, uz obalu Atlantskog okeana, voda se diže i spušta dva puta dnevno u periodu od 12,4 sata. Posljedično, točno vrijeme plime i oseke se postupno mijenja. Za vrijeme oseke, mekušci čvrsto stisnu svoje školjke, a rakovi se skrivaju u pijesku ili pod vlažnim algama. Osim toga, ovaj ritam njihovog života također se nadovezuje na dnevnu periodičnost. Rakovi i rakovi su aktivniji tokom dnevne plime nego noću.
3. U jednom eksperimentu, leteće vjeverice su držane u kavezima u stalnom mraku. U prirodi su ove životinje aktivne noću, a spavaju danju. Uz redovnu promjenu dana i noći, oni se bude i zaspu otprilike u isto vrijeme. U eksperimentu je svaka leteća vjeverica živjela u skladu sa svojim cirkadijalnim ritmom, a pokazalo se da se kod različitih jedinki malo razlikovao: kod nekih je zaostajala 5-10 minuta za danom, u drugima je bila nekoliko minuta ispred dana. Kao rezultat toga, nakon određenog perioda, došlo je do potpunog neslaganja opće aktivnosti: svaka se životinja probudila i zaspala u svoje vrijeme. Kada je obnovljen ciklus dana i noći, aktivnost letećih vjeverica se vratila u red.
4. Vrste sa širokom distribucijom različito reaguju na istu dužinu dana u različitim dijelovima svog područja. Kritična dužina dana u kojoj prestaje rast i razvoj larvi kod leptira kiselice lanceta je 14,5 sati na geografskoj širini Suhumi, 18,06 sati u okolini Vitebska i 19,5 sati u blizini Sankt Peterburga.
Zadaci.
1. Nacrtajte cvjetni sat na komad papira, određujući redoslijed sadnje različitih biljaka u gredicu kako biste pomoću njega odredili vrijeme. U tabeli je prikazan skraćeni popis onih vrsta od kojih je poznati švedski botaničar Carl Linnaeus prvi stvorio takav sat u blizini grada Upsale, gdje je živio i radio.
2. U nekim posebno sušnim područjima Australije i Afrike, autohtone vrste ptica ne pokazuju godišnji ritam razmnožavanja. Polažu jaja u različitim intervalima odmah nakon rijetkih kiša. Objasnite razloge za ovaj izuzetak. Treba li očekivati pojavu fotoperiodizma kod ovih vrsta?
3. Izmjerite puls koristeći svoj puls u mirnom stanju u različito doba dana (na primjer, u 8, 15 i 21 sat). Ponovite mjerenja u roku od 3-4 dana. Uporedite rezultate. Da li je cirkadijalni ritam evidentan u vašem otkucaju srca?
4. Navedite primjere vrsta za koje mislite da ne bi trebalo da imaju cirkadijalni ritam i objasnite zašto tako mislite.
5. Na gradskim bulevarima neke od topola su se smrzle tokom oštre zime. Najviše je pogođeno drveće koje raste u blizini ulične rasvjete. Zašto?
Teme za diskusiju.
1. Mnogi ljudi tvrde da je noćna priprema za ispite u tišini mnogo produktivnija nego danju. Da li se slažete sa ovim? Obrazložite svoj odgovor.
2. Da je na vama da organizujete rad u noćnoj smeni u preduzeće, šta biste izabrali: a) stalni noćni rad sa povećanom platom za one koji pristaju na takav režim; b) naizmjenični radni dan i noć za svakog sa povećanim odmorom nakon noći; c) samo dnevni rad
U umjerenoj ili tropskoj klimi, postoje li vrste koje su najosjetljivije na dužinu dana?
Chernova N. M., Osnovi ekologije: Udžbenik. dana 10 (11) razred. opšte obrazovanje udžbenik institucije/ N. M. Černova, V. M. Galušin, V. M. Konstantinov; Ed. N. M. Chernova. - 6. izd., stereotip. - M.: Drfa, 2002. - 304 str.
Preuzmite udžbenike za sve predmete, izrada planova časova za nastavnike, Ekologija za 10. razred online
Sadržaj lekcije beleške sa lekcija podrška okvirnoj prezentaciji lekcija metode ubrzanja interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe radionice za samotestiranje, obuke, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike, grafike, tabele, dijagrami, humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, ukrštene reči, citati DodaciŽivot na Zemlji se razvijao u uslovima pravilne smene dana i noći i smenjivanja godišnjih doba usled rotacije planete oko svoje ose i oko Sunca. Ritam spoljašnje sredine stvara periodičnost, odnosno ponovljivost uslova u životu većine vrsta. Redovno se ponavljaju i kritični periodi, teški za preživljavanje i oni povoljni.
Prilagođavanje periodičnim promjenama u vanjskoj sredini se kod živih bića izražava ne samo direktnom reakcijom na promjenu faktori, ali i u nasljedno fiksiranim unutrašnjim ritmovima.
Cirkadijski ritmovi
Dnevnica bioritmovi organizmi se prilagođavaju ciklusu dana i noći. Kod biljaka se intenzivan rast i cvjetanje cvjetova tempiraju na određeno doba dana. Životinje uvelike mijenjaju svoju aktivnost tokom dana. Na osnovu ove osobine razlikuju se dnevne i noćne vrste.
Dnevni ritam organizama nije samo odraz promjenjivih vanjskih uslova. Ako osobu, životinje ili biljke smjestite u stalno, stabilno okruženje bez promjene dana i noći, onda se održava ritam životnih procesa, blizak dnevnom (Sl. 1). Čini se da tijelo živi prema svom unutrašnjem satu, odbrojavajući vrijeme.
Rice. 1. Dnevni ritmovi kretanja listova graha i aktivnosti štakora u uslovima konstantnog osvetljenja u laboratoriji
Cirkadijalni ritam može uticati na mnoge procese u tijelu. Kod ljudi dnevnom ciklusu podliježe oko 100 fizioloških karakteristika: otkucaji srca, ritam disanja, lučenje hormona, lučenje probavnih žlijezda, krvni pritisak, tjelesna temperatura i mnoge druge. Stoga, kada je osoba budna umjesto da spava, tijelo je još uvijek podešeno na noćno stanje i neprospavane noći loše utiču na zdravlje.
Međutim, cirkadijalni ritmovi se ne javljaju kod svih vrsta, već samo kod onih u čijim životima promjena dana i noći igra važnu ekološku ulogu. Stanovnici pećina ili dubokih voda, gdje te promjene nema, žive u različitim ritmovima. Čak i među stanovnicima zemlje, ne pokazuju svi dnevnu periodičnost. Na primjer, sićušne rovke se izmjenjuju između aktivnosti i odmora svakih 15-20 minuta, bez obzira na dan ili noć. Zbog visokog metabolizma, primorani su da jedu 24 sata dnevno.
U eksperimentima pod strogo stalnim uslovima, voćne mušice Drosophila održavaju dnevni ritam desetinama generacija. Ova periodičnost je kod njih naslijeđena, kao i kod mnogih drugih vrsta. Tako su duboke adaptivne reakcije povezane sa dnevnim ciklusom spoljašnjeg okruženja.
Poremećaji cirkadijalnog ritma organizma tokom noćnog rada, letova u svemir, ronjenja i sl. predstavljaju ozbiljan medicinski problem.
Godišnji ritmovi
Godišnji ritmovi prilagođavaju organizme sezonskim promjenama uslova (slika 2). U životu vrsta, periodi rasta, razmnožavanja, linjanja, migracije i dubokog mirovanja prirodno se izmjenjuju i ponavljaju na način da organizmi dočekaju kritično doba godine u najstabilnijem stanju. Najranjiviji proces - reprodukcija i uzgoj mladih životinja - odvija se u najpovoljnijoj sezoni. Ova periodičnost promena fiziološkog stanja tokom godine u velikoj meri je urođena, odnosno manifestuje se kao unutrašnji godišnji ritam. Ako se, na primjer, australski nojevi ili divlji pas dingo smjeste u zoološki vrt na sjevernoj hemisferi, njihova sezona razmnožavanja će početi u jesen, kada je proljeće u Australiji. Restrukturiranje unutrašnjih godišnjih ritmova odvija se s velikom mukom, tokom niza generacija.
Rice. 2. Godišnji ciklus u životu jelena
Priprema za razmnožavanje ili prezimljavanje je dug proces koji u organizmima počinje mnogo prije početka kritičnih razdoblja.
Oštre kratkoročne promjene vremena (ljetni mrazevi, zimske odmrzavanja) obično ne remete godišnje ritmove biljaka i životinja. Main faktor životne sredine, na koje organizmi reaguju u svojim godišnjim ciklusima, nije slučajna promjena vremena, već fotoperiod – promjene u odnosu dana i noći.
Dužina dnevne svjetlosti se prirodno mijenja tokom cijele godine i upravo te promjene služe kao tačan signal približavanja proljeća, ljeta, jeseni ili zime.
Sposobnost organizama da reaguju na promjene u dužini dana naziva se fotoperiodizam .
Ako se dan skrati, vrste se počinju pripremati za zimu; ako se produži, počinju aktivno rasti i razmnožavati se. U ovom slučaju, ono što je bitno za život organizama nije promena same dužine dana i noći, već njena vrijednost signala , što ukazuje na predstojeće duboke promjene u prirodi.
Kao što znate, dužina dana u velikoj meri zavisi od geografske širine. Na sjevernoj hemisferi ljetni dani su mnogo kraći na jugu nego na sjeveru. Stoga južne i sjeverne vrste različito reagiraju na istu količinu promjene dana: južne vrste počinju se razmnožavati s kraćim danima od sjevernih.
Jedno od osnovnih svojstava žive prirode je cikličnost većine procesa koji se u njoj odvijaju. Sav život na Zemlji, od ćelije do biosfere, podliježe određenim ritmovima. Prirodni ritmovi za bilo koji organizam mogu se podijeliti na unutrašnje (vezane za vlastitu vitalnu aktivnost) i vanjske (ciklične promjene u okolišu).
Unutrašnje petlje. Unutrašnji ciklusi su prvenstveno fiziološki ritmovi tijela. Nijedan fiziološki proces se ne odvija kontinuirano. Ritmičnost se nalazi u procesima sinteze DNK i RNK u ćelijama, u sastavljanju proteina, u radu enzima i u aktivnosti mitohondrija. Podjela ćelija, kontrakcija mišića, rad endokrinih žlijezda, rad srca, disanje, razdražljivost nervnog sistema, odnosno rad svih ćelija, organa i tkiva u tijelu, podliježu određenom ritmu. Štaviše, svaki sistem ima svoj period. Ovaj period se može promijeniti djelovanjem faktora okoline samo u uskim granicama, a za neke procese to uopće nije moguće. Ovaj ritam se naziva endogenim.
Svi unutrašnji ritmovi tela su podređeni, integrisani u integralni sistem i na kraju deluju kao opšta periodičnost ponašanja tela. Ritmično izvodeći svoje
fiziološke funkcije, tijelo kao da odbrojava vrijeme. I za spoljašnje i za unutrašnje ritmove, početak sledeće faze zavisi prvenstveno od vremena. Stoga vrijeme djeluje kao jedan od najvažnijih okolišnih faktora na koje živi organizmi moraju reagirati, prilagođavajući se vanjskim cikličnim promjenama u prirodi.
Vanjski ritmovi. Glavni vanjski ritmovi su geofizičke prirode, jer su povezani sa rotacijom Zemlje u odnosu na Sunce i Mjeseca u odnosu na Zemlju. Pod uticajem ove rotacije prirodno se menjaju mnogi faktori životne sredine na našoj planeti, posebno svetlosni uslovi, temperatura, pritisak i vlažnost vazduha, atmosfersko elektromagnetno polje, okeanske plime itd. Osim toga, na živu prirodu utiču i kosmički ritmovi kao što su periodične promjene sunčeve aktivnosti. Sunce karakteriše 11-godišnji i niz drugih ciklusa. Promjene sunčevog zračenja značajno utiču na klimu naše planete. Osim cikličkog utjecaja abiotičkih faktora, vanjski ritmovi za bilo koji organizam su i prirodne promjene aktivnosti i ponašanja drugih živih bića.
Brojne promjene u životnoj aktivnosti organizama poklapaju se u periodu sa vanjskim, geofizičkim ciklusima. To su takozvani adaptivni biološki ritmovi - dnevni, plimni, jednaki lunarnom mjesecu, godišnji. Zahvaljujući njima, najvažnije biološke funkcije organizma, kao što su prehrana, rast, reprodukcija, poklapaju se sa najpovoljnijim doba dana ili godine za to.
Prilagodljivi biološki ritmovi nastali su kao adaptacija fiziologije živih bića na redovite promjene okoliša u vanjskoj sredini. Po tome se razlikuju od čisto fizioloških ritmova koji podržavaju kontinuiranu vitalnu aktivnost organizama, disanje, cirkulaciju krvi, diobu stanica itd.
Cirkadijalni ritam je pronađen u različitim organizmima, od jednoćelijskih do ljudi. Kod ljudi se bilježi preko 100 fizioloških funkcija na koje utiče dnevna periodičnost: spavanje i budnost, promjene tjelesne temperature, otkucaja srca, dubine i učestalosti disanja, volumena i hemijskog sastava urina, znojenja, mišićne i mentalne performanse itd. U amebama se tokom dana brzina podjele mijenja. Kod nekih biljaka otvaranje i zatvaranje cvjetova, podizanje i spuštanje listova, maksimalni intenzitet disanja, brzina rasta koleoptila i sl. vremenski su tempirani na određeno vrijeme.
Na osnovu izmjenjivanja perioda spavanja i budnosti, životinje se dijele na dnevne i noćne. Dnevna aktivnost je izražena, na primjer, kod domaćih pilića, većine ptica vrbarica, vjeverica, mrava i vretenaca. Tipične noćne životinje su ježevi, šišmiši, sove, divlje svinje, većina mačaka, travnate žabe, žohari i mnoge druge. Neke vrste su približno podjednako aktivne i danju i noću, s naizmjeničnim kratkim periodima budnosti i odmora. Ovaj ritam se naziva polifazni (mnogo rovki, veliki broj mesoždera, itd.).
Kod jednog broja životinja dnevne promjene utječu prvenstveno na motoričku aktivnost i nisu praćene značajnim odstupanjima u fiziološkim funkcijama (na primjer, kod glodara). Najupečatljivije primjere fizioloških promjena tokom dana daju slepi miševi. Ljeti, u periodu dnevnog odmora, mnogi od njih se ponašaju kao poikilotermne životinje. Njihova tjelesna temperatura u ovom trenutku je skoro jednaka temperaturi okoline; Puls, disanje i ekscitabilnost osjetilnih organa naglo su smanjeni. Da bi poletio, poremećeni miš se dugo zagrijava zbog kemijske proizvodnje topline. U večernjim i noćnim satima to su tipični homeotermni sisari visoke tjelesne temperature, aktivnih i preciznih pokreta te brze reakcije na plijen i neprijatelje.
Kod nekih vrsta, periodi aktivnosti su strogo ograničeni na određeno doba dana, dok se kod drugih mogu mijenjati ovisno o situaciji. Dakle, otvaranje cvjetova šafrana ovisi o temperaturi, cvasti maslačka - o svjetlosti: po oblačnom danu košare se ne otvaraju. Aktivnost pustinjskih ušica ili tamnih buba pomiče se u različito doba dana ovisno o temperaturi i vlažnosti površine tla. Iz svojih jazbina izlaze rano ujutro i uveče (dvofazni ciklus), ili samo noću (jednofazni), ili tokom dana.
U eksperimentu je moguće razlikovati endogene cirkadijalne ritmove od egzogenih, tj. onih koje nameće vanjsko okruženje. Kod mnogih vrsta, uz potpunu konstantnost vanjskih uvjeta (temperatura, osvijetljenost, vlažnost, itd.), ciklusi koji su po periodu bliski dnevnom ciklusu nastavljaju da traju dugo vremena. Kod voćnih mušica, na primjer, takav endogeni ritam može se pratiti kroz desetine generacija. Tako se dnevna cikličnost životne aktivnosti pretvara u urođena, genetska svojstva vrste. Takvi endogeni ritmovi nazivaju se cirkadijanskim (od latinskog circa - oko i dies - dan, dan), jer njihovo trajanje nije isto kod različitih jedinki iste vrste, malo se razlikuje od prosječnog perioda od 24 sata.
Vjeverice vjeverice, koje karakterizira aktivnost sumraka, bude se sinhrono uveče, u strogo određeno vrijeme. U eksperimentu, u potpunom mraku, održavaju cirkadijalni ritam. Međutim, neki pojedinci počinju svoj „dan“ nekoliko minuta ranije; drugi - nekoliko minuta kasnije od normalnog dnevnog ciklusa. Ako je, na primjer, cirkadijalni ritam 15 minuta kraći od dnevnog ritma, tada će za takvu životinju nakon tri dana vremensko odstupanje sa vanjskim ritmom biti 45 minuta, nakon 10 dana - već 2,5 sata, itd. Dakle, sve leteće vjeverice se bude nakon nekoliko dana i počinju se kretati u potpuno različito vrijeme, iako svaka održava konstantnost svog ciklusa. Kada se obnovi ciklus dana i noći, san i budnost životinja se ponovo sinhronizuju. Dakle, eksterni cirkadijalni ciklus reguliše trajanje urođenih cirkadijanskih ritmova, usklađujući ih sa promenama okoline.
Kod ljudi su cirkadijalni ritmovi proučavani u različitim situacijama: u pećinama, hermetičkim komorama, ronjenju, itd. Otkriveno je da tipološke karakteristike nervnog sistema igraju veliku ulogu u odstupanjima od cirkadijalnog ciklusa kod ljudi. Cirkadijalni ritmovi mogu varirati čak i među članovima iste porodice.
Poznati stereotip ponašanja, određen cirkadijalnim ritmom, olakšava postojanje organizama tokom svakodnevnih promjena u okolini. Međutim, kada se životinje i biljke rašire i nađu u geografskim uvjetima s drugačijim ritmom dana i noći, prejak stereotip može postati nepovoljan. Stoga su mogućnosti širenja brojnih vrsta ograničene dubokom fiksacijom njihovih cirkadijalnih ritmova. Na primjer, sivi pacovi se razlikuju od crnih po znatno većoj plastičnosti dnevnog ciklusa. Kod crnih štakora to je gotovo nemoguće promijeniti, a vrsta ima ograničen raspon, dok su se sivi štakori proširili gotovo po cijelom svijetu.
Kod većine vrsta moguće je prilagođavanje cirkadijanskog ritma. Obično se ne javlja odmah, već se odvija u nekoliko ciklusa i praćen je brojnim poremećajima u fiziološkom stanju organizma. Na primjer, ljudi koji lete na velike udaljenosti u smjeru širine doživljavaju desinhronizaciju svog fiziološkog ritma s lokalnim astronomskim vremenom. Tijelo prvo nastavlja funkcionirati kao prije, a zatim se počinje obnavljati. Istovremeno, osjećate povećan umor, malaksalost, želju za spavanjem tokom dana i budnim tokom noći. Period adaptacije traje od nekoliko dana do dvije sedmice.
Desinhronizacija ritma važan je medicinski problem u organizaciji noćnog i smjenskog rada za ljude brojnih zanimanja, u svemirskim letovima, ronjenju, podzemnim radovima itd.
Cirkadijalni i cirkadijalni ritmovi su u osnovi sposobnosti tijela da osjeti vrijeme. Ova sposobnost živih bića naziva se „biološki sat“.
Brojne visoko organizirane životinje imaju složenu urođenu sposobnost da koriste orijentaciju u vremenu kako bi se orijentirali u prostoru. Ptice tokom dugih letova također stalno prilagođavaju svoj smjer u odnosu na Sunce ili polariziranu svjetlost neba, uzimajući u obzir doba dana. “Biološki satovi” živih organizama orijentiraju ih ne samo u dnevnom ciklusu, već iu složenijim geofizičkim ciklusima promjena u prirodi.
Plimni ritmovi. Vrste koje žive u litoralnoj zoni žive u uslovima veoma složene periodičnosti spoljašnje sredine. Na 24-časovni ciklus fluktuacija u osvetljenju i drugim faktorima nadovezana je promena oseka i oseka. Tokom lunarnog dana (24 sata i 50 minuta) postoje 2 plime i 2 oseke, čije se faze dnevno pomiču za otprilike 50 minuta. Snaga plime, osim toga, prirodno se mijenja tokom sinodijskog, ili lunarnog, mjeseca (29,5 solarnih dana). Dva puta mjesečno (mlad i pun mjesec) dostižu svoju maksimalnu vrijednost (tzv. proljetne plime).
Život organizama koji žive u obalnom pojasu podložan je ovom složenom ritmu. Tokom oseke, ostrige čvrsto stisnu ventile i prestaju da se hrane. Učestalost otvaranja i zatvaranja školjke održava se dugo vremena u akvarijima. Postupno se mijenja ako se akvarij premjesti na drugo geografsko područje, i na kraju se slegne u skladu s novim plimnim rasporedom, iako mekušci ne doživljavaju direktno njihove učinke. Eksperimenti sugeriraju da je restrukturiranje uzrokovano percepcijom kamenica onih promjena u stanju atmosfere koje prate plime i oseke.
Srebrna riba, koja živi uz obalu Kalifornije, koristi visinu proljetne plime u svom životnom ciklusu. Za vrijeme najveće plime, ženke polažu jaja na rubu vode, zakopavajući ih u pješčano tlo. Kako se voda povlači, jaja ostaju
sazrevaju u vlažnom pesku. Izleganje mlađi se događa nakon pola mjeseca i vremenski se poklopi sa sljedećom plimom.
Periodičnost jednaka lunarnom mjesecu kao endogeni ritam identificirana je kod brojnih morskih i kopnenih organizama. Očituje se u vremenu mriještenja palolo poliheta, razmnožavanju japanskih morskih ljiljana i rojenju brojnih hironomidnih komaraca i majmuna, koji se poklapaju s određenim mjesečevim fazama. Kod jednog broja životinja otkrivena je periodičnost jednaka lunarnom mjesecu u reakciji na svjetlost, na slaba magnetna polja i u brzini orijentacije. Kod ljudi se pretpostavlja inicijalna veza između menstrualnih ciklusa i sinodijskog mjeseca, uočene su promjene u sklonosti krvarenju kod operisanih pacijenata itd. Još uvijek je nepoznat adaptivni značaj većine endogenih lunarnih ritmova.
Godišnji ritmovi su među najuniverzalnijima u živoj prirodi. Redovne promjene fizičkih uslova tokom cijele godine dovele su do toga da se evolucija vrsta podvrgne raznim adaptacijama na ovu periodičnost. Najvažniji od njih se odnose na reprodukciju, rast, migraciju i preživljavanje nepovoljnih perioda u godini. Kod vrsta s kratkim životnim ciklusom, godišnji ritam se prirodno manifestira u nizu generacija (na primjer, ciklomorfoza kod dafnije i rotifera).
Sezonske promjene predstavljaju duboke promjene u fiziologiji i ponašanju organizama, utičući na njihovu morfologiju i karakteristike životnog ciklusa. Prilagodljiva priroda ovih promjena je očigledna: zahvaljujući njima, tako ključan trenutak u životu vrste kao što je pojava potomstva, ispada da je ograničen na najpovoljnije doba godine, a iskustvo kritičnih razdoblja događa se u najstabilnije stanje.
Što su sezonske promjene u vanjskom okruženju oštrije, to je izraženija godišnja periodičnost životne aktivnosti organizama. Jesenji opadanje lišća, razne dijapauze, hibernacija, skladištenje masti, sezonsko linjanje, migracije itd. razvijeni su uglavnom u zemljama umjerene i hladne klime, dok je kod stanovnika tropskih krajeva sezonska periodičnost životnih ciklusa manje izražena.
Godišnji ritmovi kod mnogih vrsta su endogeni. Takvi se ritmovi nazivaju cirkan (latinski annus - godina). Ovo se posebno odnosi na cikluse uzgoja. Tako se životinje južne hemisfere koje se drže u zoološkim vrtovima na sjevernoj hemisferi razmnožavaju najčešće zimi ili u jesen, ponekad u proljeću i ljetu u njihovoj domovini. Australski nojevi u prirodnom rezervatu Askania-Nova zimi su polagali jaja direktno na snijeg. Pas dingo rađa štence u decembru, što je kraj proljeća u Australiji. Prilikom introdukcije i aklimatizacije vrsta mora se voditi računa o stabilnosti vremena razmnožavanja u godišnjem ciklusu.
Jaka odmrzavanja zimi i mrazevi ljeti obično ne remete sezonske promjene u biljkama i životinjama. Istovremeno, tačnost godišnjeg ciklusa nije uvijek endogene prirode. Na primjer, sjeme određenog broja biljaka klija u strogo određeno doba godine, čak i nakon eksperimentalno izazvanog stanja potpune anabioze, što bi trebalo poremetiti „odbrojavanje“ vremena u tijelu. Posljedično, klijanje je stimulirano nekim promjenama u okolišu povezanim s geofizičkim ciklusima.
Trenutno se intenzivno proučava odgovor organizama na slaba geoelektromagnetska polja, kao i atmosferske oseke i tokove, koji se prirodno mijenjaju u ciklusima Zemljine rotacije, a pokazalo se da je intenzitet niza bioloških procesa u korelaciji sa fluktuacije ovih suptilnih pokazatelja stanja atmosfere tokom cijele godine, kao što su motorna aktivnost insekata, brzina potrošnje kiseonika gomoljima krompira, itd.
Dakle, početak sljedeće faze godišnjeg ciklusa u živim organizmima nastaje dijelom kao rezultat endogenih ritmova, a dijelom uzrokovan fluktuacijama vanjskih faktora okoline. Važno je napomenuti da godišnja periodičnost ne zavisi od moćnih faktora životne sredine koji direktno deluju na organizam (temperatura, vlažnost, itd.), koji su podložni jakoj vremenskoj varijabilnosti, već od svojstava životne sredine koja su sekundarna u odnosu na životnu aktivnost, koja, međutim, , mijenjaju se vrlo prirodno tokom cijele godine. Adaptivni smisao ove pojave je da kratkotrajne promjene vremenskih prilika, njihova moguća značajna odstupanja od norme, ne mijenjaju biološki ritam organizama, koji ostaje sinhronizovan sa općim tokom promjena u prirodi tokom cijele godine.
Jedan od faktora sredine koji se najpreciznije i najredovnije mijenja je dužina svjetlosnog dana, ritam naizmjeničnih tamnih i svijetlih perioda dana. Upravo ovaj faktor služi većini živih organizama za orijentaciju u godišnjim dobima.
Prilagodljivi ritmovi života
Život na Zemlji se razvijao u uslovima redovnog dana i noći i naizmeničnih godišnjih doba usled rotacije planete oko svoje ose i oko Sunca. Ritam spoljašnje sredine stvara periodičnost, odnosno ponovljivost uslova u životu većine vrsta. Redovno se ponavljaju i kritični periodi, teški za preživljavanje i oni povoljni.
Prilagođavanje periodičnim promjenama u vanjskom okruženju izražava se kod živih bića ne samo direktnom reakcijom na promjenjive faktore, već i u nasljedno fiksiranim unutrašnjim ritmovima.
Cirkadijski ritmovi. Cirkadijalni ritmovi prilagođavaju organizme ciklusu dana i noći. Kod biljaka se intenzivan rast i cvjetanje cvjetova tempiraju na određeno doba dana. Životinje uvelike mijenjaju svoju aktivnost tokom dana. Na osnovu ove osobine razlikuju se dnevne i noćne vrste.
Dnevni ritam organizama nije samo odraz promjenjivih vanjskih uslova. Ako osobu, životinje ili biljke smjestite u stalno, stabilno okruženje bez promjene dana i noći, onda se održava ritam životnih procesa, blizak dnevnom (Sl. 35). Čini se da tijelo živi prema svom unutrašnjem satu, odbrojavajući vrijeme.
Cirkadijalni ritam može uticati na mnoge procese u tijelu. Kod ljudi dnevnom ciklusu podliježe oko 100 fizioloških karakteristika: otkucaji srca, ritam disanja, lučenje hormona, lučenje probavnih žlijezda, krvni pritisak, tjelesna temperatura i mnoge druge. Stoga, kada je osoba budna umjesto da spava, tijelo je još uvijek podešeno na noćno stanje i neprospavane noći loše utiču na zdravlje.
Međutim, cirkadijalni ritmovi se ne javljaju kod svih vrsta, već samo kod onih u čijim životima promjena dana i noći igra važnu ekološku ulogu. Stanovnici pećina ili dubokih voda, gdje te promjene nema, žive u različitim ritmovima. Čak i među stanovnicima zemlje, ne pokazuju svi dnevnu periodičnost. Na primjer, sićušne rovke se izmjenjuju između aktivnosti i odmora svakih 15-20 minuta, bez obzira na dan ili noć. Zbog visokog metabolizma, primorani su da jedu 24 sata dnevno.
Poremećaji cirkadijalnog ritma tijela
U eksperimentima pod strogo stalnim uslovima, voćne mušice Drosophila održavaju dnevni ritam desetinama generacija. Ova periodičnost je kod njih naslijeđena, kao i kod mnogih drugih vrsta. Tako su duboke adaptivne reakcije povezane sa dnevnim ciklusom spoljašnjeg okruženja.
Poremećaji cirkadijalnog ritma organizma tokom noćnog rada, letova u svemir, ronjenja i sl. predstavljaju ozbiljan medicinski problem.
Godišnji ritmovi. Godišnji ritmovi prilagođavaju organizme sezonskim promjenama uslova (Sl. 36). U životu vrsta, periodi rasta, razmnožavanja, linjanja, migracije i dubokog mirovanja prirodno se izmjenjuju i ponavljaju na način da organizmi dočekaju kritično doba godine u najstabilnijem stanju. Najranjiviji proces - reprodukcija i uzgoj mladih životinja - odvija se u najpovoljnijoj sezoni. Ova periodičnost promena fiziološkog stanja tokom godine u velikoj meri je urođena, odnosno manifestuje se kao unutrašnji godišnji ritam. Ako se, na primjer, australski nojevi ili divlji pas dingo smjeste u zoološki vrt na sjevernoj hemisferi, njihova sezona razmnožavanja će početi u jesen, kada je proljeće u Australiji. Restrukturiranje unutrašnjih godišnjih ritmova odvija se s velikom mukom, tokom niza generacija.
Priprema za razmnožavanje ili prezimljavanje je dug proces koji u organizmima počinje mnogo prije početka kritičnih razdoblja.
Oštre kratkoročne promjene vremena (ljetni mrazevi, zimske odmrzavanja) obično ne remete godišnje ritmove biljaka i životinja. Glavni faktor životne sredine na koji organizmi reaguju u svojim godišnjim ciklusima nisu slučajne promene vremena, već foto-period - promene u odnosu dana i noći.
Dužina dnevne svjetlosti se prirodno mijenja tokom cijele godine i upravo te promjene služe kao tačan signal približavanja proljeća, ljeta, jeseni ili zime.
Sposobnost organizama da reaguju na promjene u dužini dana naziva se fotoperiodizam.
Ako se dan skrati, vrste se počinju pripremati za zimu; ako se produži, počinju aktivno rasti i razmnožavati se. U ovom slučaju za život organizama nije važan sam faktor promjene dužine dana i noći, već njegova signalna vrijednost, koja ukazuje na predstojeće duboke promjene u prirodi.
Kao što znate, dužina dana u velikoj meri zavisi od geografske širine. Na sjevernoj hemisferi ljetni dani su mnogo kraći na jugu nego na sjeveru. Stoga južne i sjeverne vrste različito reagiraju na istu količinu promjene dana: južne vrste počinju se razmnožavati s kraćim danima od sjevernih.
Primjeri i dodatne informacije
Istraživači pećina - speleolozi su detaljno proučavali njihove dnevne ritmove. Spuštali su se u pećinu na duži vremenski period (1-3 mjeseca) bez sata i gradili način rada, spavanja, hrane i odmora na osnovu vlastitih osjećaja za vrijeme. Komunikacija s površinom bila je jednosmjerna, nisu primali nikakve informacije izvana. Izvana, njihovi signali su pažljivo snimani i analizirani. Pokazalo se da u stalnim uslovima osoba održava redovan ciklus spavanja i budnosti, ali period ovog ciklusa nije baš jednak 24 sata, već se može razlikovati za nekoliko minuta. Tokom mnogo dana ova razlika se zbraja i nakon nekog vremena speleolozi odlaze u krevet kada je dan na površini, a ostaju budni noću. Na kraju eksperimenta, ispostavilo se da je njihovo vrijeme nekoliko dana u suprotnosti sa stvarnim datumima.
Isti rezultati dobiveni su u brojnim eksperimentima sa životinjama. U stalnim uslovima, njihov unutrašnji ritam ispada ne striktno cirkadijanski, već cirkadijalni; kada se dan i noć menjaju, spoljašnji ritam kao da ispravlja unutrašnji i prilagođava ga na 24 sata.
Stanovnici morske međuplime i oseke imaju najsloženije ritmove. Tako, uz obalu Atlantskog okeana, voda se diže i spušta dva puta dnevno u periodu od 12,4 sata. Posljedično, točno vrijeme plime i oseke se postupno mijenja. Za vrijeme oseke, mekušci čvrsto stisnu svoje školjke, a rakovi se skrivaju u pijesku ili pod vlažnim algama. Osim toga, ovaj ritam njihovog života također se nadovezuje na dnevnu periodičnost. Rakovi i rakovi su aktivniji tokom dnevne plime nego noću.
U jednom eksperimentu, leteće vjeverice su držane u kavezima u stalnom mraku. U prirodi su ove životinje aktivne noću, a spavaju danju. Uz redovnu promjenu dana i noći, oni se bude i zaspu otprilike u isto vrijeme. U eksperimentu je svaka leteća vjeverica živjela u skladu sa svojim cirkadijalnim ritmom, a pokazalo se da se kod različitih jedinki malo razlikovao: kod nekih je zaostajala 5-10 minuta za danom, u drugima je bila nekoliko minuta ispred dana. Kao rezultat toga, nakon određenog perioda, došlo je do potpunog neslaganja opće aktivnosti: svaka se životinja probudila i zaspala u svoje vrijeme. Kada je obnovljen ciklus dana i noći, aktivnost letećih vjeverica se vratila u red.
Vrste sa širokom distribucijom različito reaguju na istu dužinu dana u različitim dijelovima svog raspona. Kritična dužina dana u kojoj prestaje rast i razvoj larvi kod leptira kiselice lanceta je 14,5 sati na geografskoj širini Suhumi, 18,06 sati u okolini Vitebska i 19,5 sati u blizini Sankt Peterburga.