Prispôsobené rytmy života. Prezentácia o ekológii Prezentácia „Adaptívne rytmy života“ na hodine ekológie (10. ročník) na tému V Kanade liečia hudbou z biorytmov
>> Adaptívne rytmy života
§ 7 Adaptačné rytmy života
Pamätajte
Denný príspevok
a sezónne
zmeny v prírode
Život na Zemi sa vyvinul v podmienkach pravidelného dňa a noci a striedania ročných období v dôsledku rotácie planéty okolo svojej osi a okolo Slnka. Vonkajší rytmus životné prostredie vytvára periodicitu, teda opakovateľnosť podmienok v živote väčšiny druhov. Kritické obdobia, náročné na prežitie, aj priaznivé, sa pravidelne opakujú.
Adaptácia na periodické zmeny vonkajšieho prostredia sa u živých bytostí prejavuje nielen priamou reakciou na zmenu faktory, ale aj v dedične fixovaných vnútorných rytmoch.
Cirkadiánní rytmy. Cirkadiánne rytmy sa upravujú organizmov na zmenu dňa a noci. V rastlinách je intenzívny rast a kvitnutie načasované na určitú dennú dobu. Zvieratá počas dňa výrazne menia svoju aktivitu. Na základe tohto znaku sa rozlišujú denné a nočné druhy.
Denný rytmus organizmov nie je len odrazom meniacich sa vonkajších podmienok. Ak umiestnite človeka, alebo zvieratá, alebo rastliny do stáleho, stabilného prostredia bez zmeny dňa a noci, tak je zachovaný rytmus životných procesov blízky tomu dennému (obr. 35). Zdá sa, že telo žije podľa svojich vnútorných hodín a odpočítava čas.
Cirkadiánny rytmus môže ovplyvniť mnohé procesy v tele. U človeka podlieha dennému cyklu asi 100 fyziologických charakteristík: tep srdca, rytmus dýchania, sekrécia hormónov, sekrécia tráviacich žliaz, krvný tlak, telesná teplota a mnohé iné. Preto, keď je človek namiesto spánku bdelý, telo je stále naladené na nočný stav a bezsenné noci majú zlý vplyv na zdravie .
Cirkadiánne rytmy sa však neobjavujú u všetkých druhov, ale len u tých, v ktorých životoch hrá zmena dňa a noci významnú ekologickú úlohu. Obyvatelia jaskýň alebo hlbokých vôd, kde k takejto zmene nedochádza, žijú podľa rôznych rytmov. A medzi obyvateľmi pôdy denná frekvencia
nenájdete u každého. Napríklad malé piskory striedajú aktivitu a odpočinok každých 15-20 minút, bez ohľadu na deň alebo noc. Kvôli vysokej rýchlosti metabolizmu sú nútení jesť nepretržite.
Pri pokusoch za prísne konštantných podmienok si ovocné mušky Drosophila udržiavajú denný rytmus po desiatky generácií. Táto periodicita sa u nich dedí, ako aj u mnohých iných druhov. Tak hlboké sú adaptívne reakcie spojené s každodenným cyklom vonkajšieho prostredia.
Poruchy cirkadiánneho rytmu tela počas nočnej práce, vesmírnych letov, potápania a pod. predstavujú vážny medicínsky problém.
Ročné rytmy. Ročné rytmy prispôsobujú organizmy sezónnym zmenám podmienok (obr. 36). V živote druhov sa prirodzene striedajú a opakujú obdobia rastu, rozmnožovania, prepíjania, migrácie a hlbokého pokoja tak, aby organizmy zvládli kritické ročné obdobie v čo najstabilnejšom stave. Najzraniteľnejší proces - rozmnožovanie a odchov mláďat - sa vyskytuje počas najpriaznivejšej sezóny. Táto periodicita zmien fyziologického stavu počas roka je do značnej miery vrodená, to znamená, že sa prejavuje ako vnútorný ročný rytmus. Ak sa napríklad austrálske pštrosy alebo divoký pes dingo umiestnia do zoologickej záhrady na severnej pologuli, sezóna ich rozmnožovania sa začne na jeseň, keď je v Austrálii jar. Reštrukturalizácia vnútorných ročných rytmov prebieha s veľkými ťažkosťami v priebehu niekoľkých generácií.
Príprava na rozmnožovanie alebo prezimovanie je dlhý proces, ktorý sa v organizmoch začína dlho pred začiatkom kritických období.
Prudké krátkodobé zmeny počasia (letné mrazy, zimné topenia) väčšinou nenarušia ročné rytmy rastlín a živočíchov. Hlavným environmentálnym faktorom, na ktorý organizmy vo svojich ročných cykloch reagujú, nie sú náhodné zmeny počasia, ale fotoperióda- zmeny v pomere dňa a noci.
Dĺžka denného svetla sa počas roka prirodzene mení a práve tieto zmeny slúžia ako presný signál blížiacej sa jari, leta, jesene či zimy.
Schopnosť organizmov reagovať na zmeny dĺžky dňa sa nazýva fotoperiodizmus.
Ak sa deň skráti, druhy sa začnú pripravovať na zimu, ak sa predĺži, začnú aktívne rásť a rozmnožovať sa. V tomto prípade nie je pre Život organizmov dôležitý faktor zmeny dĺžky dňa a noci, ale
a jeho signálna hodnota, čo naznačuje nadchádzajúce hlboké zmeny v prírode.
Ako viete, dĺžka dňa značne závisí od zemepisnej šírky. Na severnej pologuli sú letné dni na juhu oveľa kratšie ako na severe. Preto južné a severné druhy reagujú rozdielne na rovnakú zmenu dňa: južné druhy sa začínajú rozmnožovať s kratšími dňami ako severné.
Príklady a ďalšie informácie
1. Jaskyniari – speleológovia podrobne študovali ich denné rytmy. Zostupovali do jaskyne na dlhú dobu (1-3 mesiace) bez hodiniek a svoj spôsob práce, spánku, jedla a odpočinku si vybudovali na základe vlastného zmyslu času. Komunikácia s povrchom bola jednosmerná, neprijímali žiadne informácie zvonku. Zvonku boli ich signály starostlivo zaznamenané a analyzované. Ukázalo sa, že za konštantných podmienok si človek udržiava pravidelný cyklus spánku a bdenia, no doba tohto cyklu nie je presne 24 hodín, ale môže sa líšiť o niekoľko minút. Počas mnohých dní sa tento rozdiel sčítava a speleológovia po určitom čase idú spať, keď je na povrchu deň, a v noci bdia. Na konci experimentu sa ukáže, že ich načasovanie sa o niekoľko dní nezhoduje so skutočnými dátumami.
Rovnaké výsledky boli získané v mnohých experimentoch so zvieratami. Za konštantných podmienok sa ukazuje, že ich vnútorný rytmus nie je striktne cirkadiánny, ale cirkadiánny, pri zmene dňa a noci sa zdá, že vonkajší rytmus koriguje vnútorný a upraví ho na 24 hodín.
2. Obyvatelia morskej prílivovej zóny majú najzložitejšie rytmy. Pri pobreží Atlantického oceánu teda voda stúpa a klesá dvakrát denne s periódou 12,4 hodiny. V dôsledku toho sa presné načasovanie prílivu a odlivu postupne posúva. Pri odlive mäkkýše pevne stlačia svoje ulity a kôrovce sa schovávajú v piesku alebo pod mokrými riasami. Okrem toho je tento rytmus ich života prekrytý aj dennou periodicitou. Kôrovce a kraby sú aktívnejšie počas denných prílivov ako v noci.
3. V jednom experimente boli lietajúce veveričky držané v klietkach v neustálej tme. V prírode sú tieto zvieratá aktívne v noci a cez deň spia. Pri pravidelnej zmene dňa a noci sa prebúdzajú a zaspávajú približne v rovnakom čase. V experimente žila každá poletujúca veverička podľa vlastného cirkadiánneho rytmu a ukázalo sa, že u rôznych jedincov je to mierne odlišné: u niektorých zaostávala za dňom 5-10 minút, u iných niekoľko minút pred dňom. V dôsledku toho po určitom období došlo k úplnému nesúladu všeobecnej činnosti: každé zviera sa prebudilo a zaspalo vo svojom vlastnom čase. Keď sa kolobeh dňa a noci obnovil, činnosť lietajúcich veveričiek sa vrátila do poriadku.
4. Druhy so širokým rozšírením reagujú rozdielne na rovnakú dĺžku dňa v rôznych častiach svojho areálu. Kritická dĺžka dňa, pri ktorej sa zastaví rast a vývoj lariev u motýľa kopijovitého, je 14,5 hodiny v zemepisnej šírke Suchumi, 18,06 hodiny v okolí Vitebska a 19,5 hodiny pri Petrohrade.
Úlohy.
1. Nakreslite si na papier kvetinové hodiny, určujúce postupnosť vysádzania rôznych rastlín na záhon, aby ste pomocou nich mohli určiť čas. V tabuľke je uvedený skrátený zoznam tých druhov, z ktorých slávny švédsky botanik Carl Linné prvýkrát vytvoril takéto hodiny v okolí mesta Uppsala, kde žil a pracoval.
2. V niektorých obzvlášť suchých oblastiach Austrálie a Afriky pôvodné druhy vtákov nevykazujú každoročný rytmus rozmnožovania. Ihneď po zriedkavých dažďoch kladú vajíčka v rôznych intervaloch. Vysvetlite dôvody tejto výnimky. Mali by sme očakávať výskyt fotoperiodizmu u týchto druhov?
3. Zmerajte si pulz pomocou pulzu v pokojnom stave v rôznych časoch dňa (napríklad o 8, 15 a 21 hodinách). Opakujte merania do 3-4 dní. Porovnajte výsledky. Je cirkadiánny rytmus evidentný vo vašej srdcovej frekvencii?
4. Uveďte príklady druhov, ktoré by podľa vás nemali mať cirkadiánny rytmus a vysvetlite, prečo si to myslíte.
5. Na mestských bulvároch niektoré topole počas tuhej zimy zamrzli. Najviac boli zasiahnuté stromy rastúce v blízkosti pouličného osvetlenia. prečo?
Témy na diskusiu.
1. Veľa ľudí tvrdí, že príprava na skúšky v tichosti v noci je oveľa produktívnejšia ako cez deň. súhlasíte s týmto? Svoju odpoveď zdôvodnite.
2. Ak bolo na vás organizovať prácu na nočnej zmene o hod podnik, čo by ste si vybrali: a) trvalú nočnú prácu so zvýšeným príplatkom pre tých, ktorí s takýmto režimom súhlasia; b) striedanie dennej a nočnej práce pre každého so zvýšeným odpočinkom po noci; c) len denná práca
Existujú v miernom alebo tropickom podnebí druhy, ktoré sú najcitlivejšie na dĺžku dňa?
Chernova N. M., Základy ekológie: učebnica. deň 10 (11) ročník. všeobecné vzdelanie učebnica inštitúcie/ N. M. Chernova, V. M. Galushin, V. M. Konstantinov; Ed. N. M. Černovej. - 6. vyd., stereotyp. - M.: Drop, 2002. - 304 s.
Stiahnite si učebnice pre všetky predmety, vypracovanie plánov hodín pre učiteľov, Ekológia pre 10. ročník online
Obsah lekcie poznámky k lekcii podporná rámcová lekcia prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Prax úlohy a cvičenia autotest workshopy, školenia, prípady, questy domáce úlohy diskusia otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotografie, obrázky, grafika, tabuľky, diagramy, humor, anekdoty, vtipy, komiksy, podobenstvá, výroky, krížovky, citáty DoplnkyŽivot na Zemi sa vyvinul v podmienkach pravidelnej zmeny dňa a noci a striedania ročných období v dôsledku rotácie planéty okolo svojej osi a okolo Slnka. Rytmus vonkajšieho prostredia vytvára periodicitu, t.j. opakovateľnosť podmienok v živote väčšiny druhov. Kritické obdobia, náročné na prežitie, aj priaznivé, sa pravidelne opakujú.
Adaptácia na periodické zmeny vonkajšieho prostredia sa u živých bytostí prejavuje nielen priamou reakciou na zmenu faktory, ale aj v dedične fixovaných vnútorných rytmoch.
Cirkadiánní rytmy
Denný príspevok biorytmy organizmy sa prispôsobujú kolobehu dňa a noci. V rastlinách je intenzívny rast a kvitnutie načasované na určitú dennú dobu. Zvieratá počas dňa výrazne menia svoju aktivitu. Na základe tohto znaku sa rozlišujú denné a nočné druhy.
Denný rytmus organizmov nie je len odrazom meniacich sa vonkajších podmienok. Ak umiestnite človeka, alebo zvieratá, alebo rastliny do stáleho, stabilného prostredia bez zmeny dňa a noci, tak je zachovaný rytmus životných procesov blízky tomu dennému (obr. 1). Zdá sa, že telo žije podľa svojich vnútorných hodín a odpočítava čas.
Ryža. 1. Denné rytmy pohybu fazuľových listov a aktivity potkanov za stálych svetelných podmienok v laboratóriu
Cirkadiánny rytmus môže ovplyvniť mnohé procesy v tele. U človeka podlieha dennému cyklu asi 100 fyziologických charakteristík: tep srdca, rytmus dýchania, sekrécia hormónov, sekrécia tráviacich žliaz, krvný tlak, telesná teplota a mnohé iné. Preto, keď je človek namiesto spánku bdelý, telo je stále naladené na nočný stav a bezsenné noci majú zlý vplyv na zdravie.
Cirkadiánne rytmy sa však neobjavujú u všetkých druhov, ale len u tých, v ktorých životoch hrá zmena dňa a noci významnú ekologickú úlohu. Obyvatelia jaskýň alebo hlbokých vôd, kde k takejto zmene nedochádza, žijú podľa rôznych rytmov. A dokonca aj medzi obyvateľmi pôdy nie každý vykazuje dennú periodicitu. Napríklad malé piskory striedajú aktivitu a odpočinok každých 15–20 minút, bez ohľadu na deň alebo noc. Kvôli vysokej rýchlosti metabolizmu sú nútení jesť nepretržite.
Pri pokusoch za prísne konštantných podmienok si ovocné mušky Drosophila udržiavajú denný rytmus po desiatky generácií. Táto periodicita sa u nich dedí, ako aj u mnohých iných druhov. Tak hlboké sú adaptívne reakcie spojené s každodenným cyklom vonkajšieho prostredia.
Poruchy cirkadiánneho rytmu tela počas nočnej práce, vesmírnych letov, potápania a pod. predstavujú vážny medicínsky problém.
Ročné rytmy
Ročné rytmy prispôsobujú organizmy sezónnym zmenám podmienok (obr. 2). V živote druhov sa prirodzene striedajú a opakujú obdobia rastu, rozmnožovania, prepíjania, migrácie a hlbokého pokoja tak, aby organizmy zvládli kritické ročné obdobie v čo najstabilnejšom stave. Najzraniteľnejší proces - rozmnožovanie a odchov mláďat - sa vyskytuje počas najpriaznivejšej sezóny. Táto periodicita zmien fyziologického stavu počas roka je do značnej miery vrodená, to znamená, že sa prejavuje ako vnútorný ročný rytmus. Ak sa napríklad austrálske pštrosy alebo divoký pes dingo umiestnia do zoologickej záhrady na severnej pologuli, sezóna ich rozmnožovania sa začne na jeseň, keď je v Austrálii jar. Reštrukturalizácia vnútorných ročných rytmov prebieha s veľkými ťažkosťami v priebehu niekoľkých generácií.
Ryža. 2. Ročný cyklus v živote jeleňov
Príprava na rozmnožovanie alebo prezimovanie je dlhý proces, ktorý sa v organizmoch začína dlho pred začiatkom kritických období.
Prudké krátkodobé zmeny počasia (letné mrazy, zimné topenia) väčšinou nenarušia ročné rytmy rastlín a živočíchov. Hlavná environmentálny faktor, na ktoré organizmy reagujú vo svojich ročných cykloch, nie sú náhodné zmeny počasia, ale fotoperióda – zmeny v pomere dňa a noci.
Dĺžka denného svetla sa počas roka prirodzene mení a práve tieto zmeny slúžia ako presný signál blížiacej sa jari, leta, jesene či zimy.
Schopnosť organizmov reagovať na zmeny dĺžky dňa je tzv fotoperiodizmus .
Ak sa deň skráti, druhy sa začnú pripravovať na zimu, ak sa predĺži, začnú aktívne rásť a rozmnožovať sa. V tomto prípade nie je dôležitá pre život organizmov samotná zmena dĺžky dňa a noci, ale jej hodnota signálu , čo naznačuje blížiace sa hlboké zmeny v prírode.
Ako viete, dĺžka dňa značne závisí od zemepisnej šírky. Na severnej pologuli sú letné dni na juhu oveľa kratšie ako na severe. Preto južné a severné druhy reagujú rozdielne na rovnakú zmenu dňa: južné druhy sa začínajú rozmnožovať s kratšími dňami ako severné.
Jednou zo základných vlastností živej prírody je cyklický charakter väčšiny procesov v nej prebiehajúcich. Všetok život na Zemi, od bunky po biosféru, podlieha určitým rytmom. Prirodzené rytmy pre každý organizmus možno rozdeliť na vnútorné (súvisiace s jeho vlastnou životnou činnosťou) a vonkajšie (cyklické zmeny v prostredí).
Vnútorné slučky. Vnútorné cykly sú predovšetkým fyziologické rytmy tela. Žiadny fyziologický proces neprebieha nepretržite. Rytmika sa nachádza v procesoch syntézy DNA a RNA v bunkách, v zostavovaní proteínov, v práci enzýmov a v aktivite mitochondrií. Delenie buniek, svalová kontrakcia, činnosť žliaz s vnútornou sekréciou, tlkot srdca, dýchanie, dráždivosť nervového systému, t. j. práca všetkých buniek, orgánov a tkanív tela, podlieha určitému rytmu. Okrem toho má každý systém svoje vlastné obdobie. Toto obdobie je možné zmeniť pôsobením faktorov prostredia len v úzkych medziach a pri niektorých procesoch to nie je možné vôbec. Tento rytmus sa nazýva endogénny.
Všetky vnútorné rytmy tela sú podriadené, integrované do integrálneho systému a v konečnom dôsledku pôsobia ako všeobecná periodicita správania tela. Rytmicky vykonávať jeho
fyziologických funkcií, telo akoby odpočítavalo čas. Pre vonkajšie aj vnútorné rytmy nástup ďalšej fázy závisí predovšetkým od času. Preto čas pôsobí ako jeden z najdôležitejších environmentálnych faktorov, na ktoré musia živé organizmy reagovať a prispôsobovať sa vonkajším cyklickým zmenám v prírode.
Vonkajšie rytmy. Hlavné vonkajšie rytmy sú geofyzikálnej povahy, pretože sú spojené s rotáciou Zeme voči Slnku a Mesiaca voči Zemi. Vplyvom tejto rotácie sa prirodzene menia mnohé faktory prostredia na našej planéte, najmä svetelné podmienky, teplota, tlak a vlhkosť vzduchu, atmosférické elektromagnetické pole, príliv a odliv oceánu atď. Okrem toho živú prírodu ovplyvňujú aj kozmické rytmy ako periodické zmeny slnečnej aktivity. Slnko sa vyznačuje 11-ročným a množstvom ďalších cyklov. Zmeny slnečného žiarenia výrazne ovplyvňujú klímu našej planéty. Vonkajšie rytmy sú pre každý organizmus okrem cyklického vplyvu abiotických faktorov aj prirodzenými zmenami v činnosti a správaní iných živých bytostí.
Množstvo zmien v životnej činnosti organizmov sa zhoduje v období s vonkajšími, geofyzikálnymi cyklami. Ide o takzvané adaptívne biologické rytmy – denné, prílivové, rovné lunárnemu mesiacu, ročné. Vďaka nim sa najdôležitejšie biologické funkcie tela, ako je výživa, rast, reprodukcia, zhodujú s najpriaznivejším časom dňa alebo roka.
Adaptívne biologické rytmy vznikli ako adaptácia fyziológie živých bytostí na pravidelné zmeny prostredia vo vonkajšom prostredí. V tom sa líšia od čisto fyziologických rytmov, ktoré podporujú nepretržitú životnú činnosť organizmov, dýchanie, krvný obeh, delenie buniek atď.
Cirkadiánny rytmus bol nájdený v rôznych organizmoch, od jednobunkových organizmov až po ľudí. U ľudí je zaznamenaných viac ako 100 fyziologických funkcií, ktoré sú ovplyvnené dennou periodicitou: spánok a bdenie, zmeny telesnej teploty, srdcová frekvencia, hĺbka a frekvencia dýchania, objem a chemické zloženie moču, potenie, svalová a duševná výkonnosť atď. V amébách sa počas dní rýchlosť delenia mení. U niektorých rastlín je na určitý čas načasované otváranie a zatváranie kvetov, dvíhanie a spúšťanie listov, maximálna intenzita dýchania, rýchlosť rastu coleoptile atď.
Na základe striedania období spánku a bdenia sa zvieratá delia na denné a nočné. Denná aktivita je výrazná napríklad u domácich kurčiat, väčšiny spevavých vtákov, sysľov, mravcov a vážok. Typickými nočnými zvieratami sú ježkovia, netopiere, sovy, diviaky, väčšina mačkovitých šeliem, žaby, šváby a mnoho ďalších. Niektoré druhy sú približne rovnako aktívne cez deň aj v noci, pričom sa striedajú krátke obdobia bdelosti a odpočinku. Tento rytmus sa nazýva polyfázický (mnoho piskorov, množstvo mäsožravcov atď.).
U mnohých zvierat denné zmeny ovplyvňujú predovšetkým motorickú aktivitu a nie sú sprevádzané výraznými odchýlkami vo fyziologických funkciách (napríklad u hlodavcov). Najvýraznejšie príklady fyziologických zmien počas dňa poskytujú netopiere. V lete, v období denného pokoja, sa mnohé z nich správajú ako poikilotermné zvieratá. Ich telesná teplota sa v tomto čase takmer rovná teplote okolia; Pulz, dýchanie a excitabilita zmyslových orgánov sú výrazne znížené. Aby vzlietla, vyrušená myš sa dlho zahrieva v dôsledku chemickej produkcie tepla. Vo večerných a nočných hodinách sú to typické homeotermické cicavce s vysokou telesnou teplotou, aktívnymi a presnými pohybmi a rýchlymi reakciami na korisť a nepriateľov.
U niektorých druhov sú obdobia aktivity prísne obmedzené na určitú dennú dobu, zatiaľ čo u iných sa môžu meniť v závislosti od situácie. Otváranie kvetov šafranu teda závisí od teploty, kvetenstvo púpavy - od svetla: v zamračenom dni sa koše neotvárajú. Aktivita drevokazy púštnej alebo potemníka sa presúva do rôznych denných hodín v závislosti od teploty a vlhkosti povrchu pôdy. Z nôr vychádzajú buď skoro ráno a večer (dvojfázový cyklus), alebo len v noci (jednofázový), prípadne počas dňa.
V experimente je možné rozlíšiť endogénne cirkadiánne rytmy od exogénnych, t.j. rytmov vyvolaných vonkajším prostredím. U mnohých druhov, pri úplnej stálosti vonkajších podmienok (teplota, osvetlenie, vlhkosť atď.), cykly, ktoré sú v perióde blízke dennému cyklu, pretrvávajú dlhú dobu. Napríklad u ovocných mušiek možno takýto endogénny rytmus vysledovať v priebehu desiatok generácií. Tak sa každodenná cyklickosť životnej aktivity mení na vrodené, genetické vlastnosti druhu. Takéto endogénne rytmy sa nazývajú cirkadiánne (z latinského circa - asi a zomrie - deň, deň), pretože ich trvanie nie je rovnaké u rôznych jedincov toho istého druhu, mierne odlišné od priemerného 24-hodinového obdobia.
Lietajúce veveričky, ktoré sa vyznačujú súmrakovou aktivitou, sa zobúdzajú synchrónne večer, v presne stanovenú hodinu. V experimente, keď sú v úplnej tme, udržiavajú cirkadiánny rytmus. Niektorí jednotlivci však začínajú svoj „deň“ o niekoľko minút skôr; iné - o niekoľko minút neskôr, ako je bežný denný cyklus. Ak je napr. lietajúce veveričky sa po niekoľkých dňoch prebudia a začnú sa pohybovať v úplne iných časoch, hoci každá si zachováva stálosť svojho cyklu. Keď sa cyklus dňa a noci obnoví, spánok a bdenie zvierat sa opäť zosynchronizujú. Vonkajší cirkadiánny cyklus teda reguluje trvanie vrodených cirkadiánnych rytmov a koordinuje ich so zmenami prostredia.
U ľudí sa cirkadiánne rytmy študovali v rôznych situáciách: v jaskyniach, hermetických komorách, pri potápaní atď. Zistilo sa, že typologické vlastnosti nervového systému zohrávajú veľkú úlohu pri odchýlkach od cirkadiánneho cyklu u ľudí. Cirkadiánne rytmy sa môžu líšiť aj medzi členmi tej istej rodiny.
Známy stereotyp správania, určený cirkadiánnym rytmom, uľahčuje existenciu organizmov pri každodenných zmenách prostredia. Keď sa však zvieratá a rastliny rozšíria a ocitnú sa v geografických podmienkach s odlišným rytmom dňa a noci, príliš silný stereotyp sa môže stať nepriaznivým. Preto sú schopnosti rozptylu mnohých druhov obmedzené hlbokou fixáciou ich cirkadiánnych rytmov. Napríklad sivé potkany sa líšia od čiernych potkanov výrazne väčšou plasticitou denného cyklu. U čiernych potkanov je takmer nemožné zmeniť a druh má obmedzený rozsah, zatiaľ čo šedé potkany sa rozšírili takmer po celom svete.
U väčšiny druhov je možná úprava cirkadiánneho rytmu. Zvyčajne sa nevyskytuje okamžite, ale prebieha v niekoľkých cykloch a je sprevádzaný množstvom porúch fyziologického stavu tela. Napríklad ľudia, ktorí lietajú na veľké vzdialenosti v zemepisnom smere, zažívajú desynchronizáciu svojho fyziologického rytmu s miestnym astronomickým časom. Telo najprv funguje ako predtým a potom sa začne prestavovať. Zároveň pociťujete zvýšenú únavu, malátnosť, túžbu spať cez deň a bdieť v noci. Adaptačné obdobie trvá niekoľko dní až dva týždne.
Desynchronizácia rytmu je dôležitým medicínskym problémom pri organizovaní nočnej práce a práce na zmeny pre ľudí v mnohých profesiách, pri letoch do vesmíru, potápaní, práci v podzemí atď.
Cirkadiánne a cirkadiánne rytmy sú základom schopnosti tela vnímať čas. Táto schopnosť živých bytostí sa nazýva „biologické hodiny“.
Množstvo vysoko organizovaných živočíchov má zložitú vrodenú schopnosť využívať orientáciu v čase na orientáciu v priestore. Vtáky počas dlhých letov tiež neustále upravujú svoj smer vzhľadom na Slnko alebo polarizované svetlo oblohy, pričom zohľadňujú dennú dobu. „Biologické hodiny“ živých organizmov ich orientujú nielen v dennom cykle, ale aj v zložitejších geofyzikálnych cykloch zmien v prírode.
Prílivové rytmy. Druhy žijúce v prímorskej zóne žijú v podmienkach veľmi zložitej periodicity vonkajšieho prostredia. Do 24-hodinového cyklu kolísania osvetlenia a iných faktorov sa prekrýva striedanie prílivov a odlivov. Počas lunárneho dňa (24 hodín 50 minút) sú 2 prílivy a 2 odlivy, ktorých fázy sa denne posúvajú približne o 50 minút. Sila prílivu a odlivu sa navyše prirodzene mení počas synodického, čiže lunárneho mesiaca (29,5 slnečného dňa). Dvakrát za mesiac (nov a spln) dosahujú svoju maximálnu hodnotu (tzv. jarné prílivy).
Tomuto zložitému rytmu podlieha život organizmov žijúcich v pobrežnej zóne. Počas odlivu ustrice pevne stlačia svoje ventily a prestanú sa kŕmiť. Frekvencia otvárania a zatvárania škrupiny sa v akváriách udržiava dlhú dobu. Postupne sa mení, ak sa akvárium presunie do inej geografickej oblasti, a nakoniec sa usadí v súlade s novým harmonogramom prílivu a odlivu, hoci mäkkýše ich účinky priamo nepociťujú. Experimenty naznačujú, že reštrukturalizácia je spôsobená tým, že ustrice vnímajú tie zmeny stavu atmosféry, ktoré sprevádzajú prílivové javy.
Strieborná ryba, ktorá žije pri pobreží Kalifornie, využíva vo svojom životnom cykle výšku jarných prílivov. Pri najvyššom prílive samičky kladú vajíčka na okraj vody a zahrabávajú ich do piesočnatej pôdy. Keď voda opadne, vajíčka ostanú
dozrieť vo vlhkom piesku. Liahnutie poteru nastáva po pol mesiaci a je načasované tak, aby sa zhodovalo s ďalším prílivom.
Periodicita rovnajúca sa lunárnemu mesiacu ako endogénnemu rytmu bola identifikovaná v mnohých morských a suchozemských organizmoch. Prejavuje sa načasovaním neresenia červov palolo mnohoštetinavcov, rozmnožovaním japonských morských ľalií a rojením množstva komárov a podeniek, ktoré sa zhodujú s určitými fázami Mesiaca. U mnohých zvierat bola odhalená periodicita rovnajúca sa lunárnemu mesiacu v reakcii na svetlo, na slabé magnetické polia a v rýchlosti orientácie. U ľudí sa predpokladá počiatočná súvislosť medzi menštruačnými cyklami a synodickým mesiacom, u operovaných pacientov boli zaznamenané zmeny v sklone ku krvácaniu atď. Adaptačný význam väčšiny endogénnych lunárnych rytmov je stále neznámy.
Ročné rytmy patria v živej prírode k najuniverzálnejším. Pravidelné zmeny fyzikálnych podmienok v priebehu roka spôsobili, že evolúcia druhov podliehala širokej škále prispôsobení tejto periodicite. Najdôležitejšie z nich súvisia s reprodukciou, rastom, migráciou a prežívaním nepriaznivých období roka. U druhov s krátkym životným cyklom sa ročný rytmus prirodzene prejavuje v niekoľkých generáciách (napríklad cyklomorfóza u dafnií a vírnikov).
Sezónne zmeny predstavujú hlboké zmeny vo fyziológii a správaní organizmov, ktoré ovplyvňujú ich morfológiu a vlastnosti životného cyklu. Adaptívny charakter týchto zmien je zrejmý: vďaka nim sa taký zásadný moment v živote druhu, akým je výskyt potomstva, obmedzuje na najpriaznivejšie ročné obdobie a skúsenosti s kritickými obdobiami sa vyskytujú v najstabilnejší stav.
Čím prudšie sú sezónne zmeny vo vonkajšom prostredí, tým výraznejšia je ročná periodicita životnej aktivity organizmov. Jesenné opadanie listov, rôzne diapauzy, zimný spánok, ukladanie tuku, sezónne prelínanie, migrácie a pod. sú rozvinuté najmä v krajinách mierneho a studeného podnebia, zatiaľ čo u obyvateľov trópov je sezónna periodicita v životných cykloch menej výrazná.
Ročné rytmy u mnohých druhov sú endogénne. Takéto rytmy sa nazývajú cirkány (lat. annus - rok). Týka sa to najmä chovných cyklov. Zvieratá južnej pologule chované v zoologických záhradách na severnej pologuli sa teda najčastejšie rozmnožujú v zime alebo na jeseň, v časoch zodpovedajúcich jari a letu v ich domovine. Austrálske pštrosy v prírodnej rezervácii Askania-Nova znášali vajíčka v zime priamo na sneh. Pes dingo rodí mláďatá v decembri, čo je v Austrálii koniec jari. Pri introdukcii a aklimatizácii druhov treba brať do úvahy stabilitu načasovania rozmnožovania v ročnom cykle.
Prudké rozmrazovanie v zime a mrazy v lete zvyčajne nenarušia sezónne zmeny rastlín a živočíchov. Zároveň presnosť ročného cyklu nie je vždy endogénneho charakteru. Napríklad semená radu rastlín klíčia v presne definovanom ročnom období, dokonca aj po experimentálne navodenom stave úplnej anabiózy, ktorá by mala narušiť „odpočítavanie“ času v tele. V dôsledku toho je klíčenie stimulované niektorými zmenami prostredia spojenými s geofyzikálnymi cyklami.
V súčasnosti sa intenzívne študuje odozva organizmov na slabé geoelektromagnetické polia, ale aj atmosférické odlivy a odlivy, ktoré sa prirodzene menia v cykloch rotácie Zeme.Ukázalo sa, že intenzita radu biologických procesov koreluje s kolísanie týchto jemných ukazovateľov stavu atmosféry počas roka, ako je motorická aktivita hmyzu, rýchlosť spotreby kyslíka hľuzami zemiakov atď.
Nástup ďalšej fázy ročného cyklu v živých organizmoch teda nastáva čiastočne v dôsledku endogénnych rytmov a čiastočne je spôsobený výkyvmi vonkajších faktorov prostredia. Je pozoruhodné, že ročná periodicita nezávisí od silných faktorov prostredia priamo pôsobiacich na organizmus (teplota, vlhkosť, atď.), ktoré podliehajú silnej premenlivosti počasia, ale od vlastností prostredia, ktoré sú sekundárne pre životnú aktivitu, ktorá však , sa počas roka veľmi prirodzene menia. Adaptačný význam tohto javu spočíva v tom, že krátkodobé zmeny poveternostných podmienok, ich prípadné výrazné odchýlky od normy, nemenia biologický rytmus organizmov, ktorý zostáva synchronizovaný so všeobecným priebehom zmien v prírode počas celého roka.
Jedným z najpresnejšie a pravidelne sa meniacich faktorov prostredia je dĺžka denného svetla, rytmus striedania tmavých a svetlých období dňa. Práve tento faktor slúži väčšine živých organizmov na orientáciu v ročných obdobiach.
Adaptívne rytmy života
Život na Zemi sa vyvinul v podmienkach pravidelného dňa a noci a striedania ročných období v dôsledku rotácie planéty okolo svojej osi a okolo Slnka. Rytmus vonkajšieho prostredia vytvára periodicitu, teda opakovateľnosť podmienok v živote väčšiny druhov. Kritické obdobia, náročné na prežitie, aj priaznivé, sa pravidelne opakujú.
Adaptácia na periodické zmeny vonkajšieho prostredia sa u živých bytostí prejavuje nielen priamou reakciou na meniace sa faktory, ale aj v dedične fixovaných vnútorných rytmoch.
Cirkadiánní rytmy. Cirkadiánne rytmy prispôsobujú organizmy cyklu dňa a noci. V rastlinách je intenzívny rast a kvitnutie načasované na určitú dennú dobu. Zvieratá počas dňa výrazne menia svoju aktivitu. Na základe tohto znaku sa rozlišujú denné a nočné druhy.
Denný rytmus organizmov nie je len odrazom meniacich sa vonkajších podmienok. Ak umiestnite človeka, alebo zvieratá, alebo rastliny do stáleho, stabilného prostredia bez zmeny dňa a noci, tak je zachovaný rytmus životných procesov blízky tomu dennému (obr. 35). Zdá sa, že telo žije podľa svojich vnútorných hodín a odpočítava čas.
Cirkadiánny rytmus môže ovplyvniť mnohé procesy v tele. U človeka podlieha dennému cyklu asi 100 fyziologických charakteristík: tep srdca, rytmus dýchania, sekrécia hormónov, sekrécia tráviacich žliaz, krvný tlak, telesná teplota a mnohé iné. Preto, keď je človek namiesto spánku bdelý, telo je stále naladené na nočný stav a bezsenné noci majú zlý vplyv na zdravie.
Cirkadiánne rytmy sa však neobjavujú u všetkých druhov, ale len u tých, v ktorých životoch hrá zmena dňa a noci významnú ekologickú úlohu. Obyvatelia jaskýň alebo hlbokých vôd, kde k takejto zmene nedochádza, žijú podľa rôznych rytmov. A dokonca aj medzi obyvateľmi pôdy nie každý vykazuje dennú periodicitu. Napríklad malé piskory striedajú aktivitu a odpočinok každých 15-20 minút, bez ohľadu na deň alebo noc. Kvôli vysokej rýchlosti metabolizmu sú nútení jesť nepretržite.
Poruchy cirkadiánneho rytmu tela
Pri pokusoch za prísne konštantných podmienok si ovocné mušky Drosophila udržiavajú denný rytmus po desiatky generácií. Táto periodicita sa u nich dedí, ako aj u mnohých iných druhov. Tak hlboké sú adaptívne reakcie spojené s každodenným cyklom vonkajšieho prostredia.
Poruchy cirkadiánneho rytmu tela počas nočnej práce, vesmírnych letov, potápania a pod. predstavujú vážny medicínsky problém.
Ročné rytmy. Ročné rytmy prispôsobujú organizmy sezónnym zmenám podmienok (obr. 36). V živote druhov sa prirodzene striedajú a opakujú obdobia rastu, rozmnožovania, prepíjania, migrácie a hlbokého pokoja tak, aby organizmy zvládli kritické ročné obdobie v čo najstabilnejšom stave. Najzraniteľnejší proces - rozmnožovanie a odchov mláďat - sa vyskytuje počas najpriaznivejšej sezóny. Táto periodicita zmien fyziologického stavu počas roka je do značnej miery vrodená, to znamená, že sa prejavuje ako vnútorný ročný rytmus. Ak sa napríklad austrálske pštrosy alebo divoký pes dingo umiestnia do zoologickej záhrady na severnej pologuli, sezóna ich rozmnožovania sa začne na jeseň, keď je v Austrálii jar. Reštrukturalizácia vnútorných ročných rytmov prebieha s veľkými ťažkosťami v priebehu niekoľkých generácií.
Príprava na rozmnožovanie alebo prezimovanie je dlhý proces, ktorý sa v organizmoch začína dlho pred začiatkom kritických období.
Prudké krátkodobé zmeny počasia (letné mrazy, zimné topenia) väčšinou nenarušia ročné rytmy rastlín a živočíchov. Hlavným environmentálnym faktorom, na ktorý organizmy vo svojich ročných cykloch reagujú, nie sú náhodné zmeny počasia, ale fotoperióda – zmeny v pomere dňa a noci.
Dĺžka denného svetla sa počas roka prirodzene mení a práve tieto zmeny slúžia ako presný signál blížiacej sa jari, leta, jesene či zimy.
Schopnosť organizmov reagovať na zmeny dĺžky dňa sa nazýva fotoperiodizmus.
Ak sa deň skráti, druhy sa začnú pripravovať na zimu, ak sa predĺži, začnú aktívne rásť a rozmnožovať sa. V tomto prípade nie je pre Život organizmov dôležitý samotný faktor zmeny dĺžky dňa a noci, ale jeho signalizačná hodnota, naznačujúca blížiace sa hlboké zmeny v prírode.
Ako viete, dĺžka dňa značne závisí od zemepisnej šírky. Na severnej pologuli sú letné dni na juhu oveľa kratšie ako na severe. Preto južné a severné druhy reagujú rozdielne na rovnakú zmenu dňa: južné druhy sa začínajú rozmnožovať s kratšími dňami ako severné.
Príklady a ďalšie informácie
Jaskyniari – speleológovia podrobne študovali ich denné rytmy. Zostupovali do jaskyne na dlhú dobu (1-3 mesiace) bez hodiniek a svoj spôsob práce, spánku, jedla a odpočinku si vybudovali na základe vlastného zmyslu času. Komunikácia s povrchom bola jednosmerná, neprijímali žiadne informácie zvonku. Zvonku boli ich signály starostlivo zaznamenané a analyzované. Ukázalo sa, že za konštantných podmienok si človek udržiava pravidelný cyklus spánku a bdenia, no doba tohto cyklu nie je presne 24 hodín, ale môže sa líšiť o niekoľko minút. Počas mnohých dní sa tento rozdiel sčítava a speleológovia po určitom čase idú spať, keď je na povrchu deň, a v noci bdia. Na konci experimentu sa ukázalo, že ich načasovanie je o niekoľko dní v rozpore so skutočnými dátumami.
Rovnaké výsledky boli získané v mnohých experimentoch so zvieratami. Za konštantných podmienok sa ukazuje, že ich vnútorný rytmus nie je striktne cirkadiánny, ale cirkadiánny, pri zmene dňa a noci sa zdá, že vonkajší rytmus koriguje vnútorný a upraví ho na 24 hodín.
Najkomplexnejšie rytmy majú obyvatelia morskej prílivovej zóny. Pri pobreží Atlantického oceánu teda voda stúpa a klesá dvakrát denne s periódou 12,4 hodiny. V dôsledku toho sa presné načasovanie prílivu a odlivu postupne posúva. Pri odlive mäkkýše pevne stlačia svoje ulity a kôrovce sa schovávajú v piesku alebo pod mokrými riasami. Okrem toho je tento rytmus ich života prekrytý aj dennou periodicitou. Kôrovce a kraby sú aktívnejšie počas denných prílivov ako v noci.
V jednom experimente boli lietajúce veveričky držané v klietkach v neustálej tme. V prírode sú tieto zvieratá aktívne v noci a cez deň spia. Pri pravidelnej zmene dňa a noci sa prebúdzajú a zaspávajú približne v rovnakom čase. V experimente žila každá poletujúca veverička podľa vlastného cirkadiánneho rytmu a ukázalo sa, že u rôznych jedincov je to mierne odlišné: u niektorých zaostávala za dňom 5-10 minút, u iných niekoľko minút pred dňom. V dôsledku toho po určitom období došlo k úplnému nesúladu všeobecnej činnosti: každé zviera sa prebudilo a zaspalo vo svojom vlastnom čase. Keď sa kolobeh dňa a noci obnovil, činnosť lietajúcich veveričiek sa vrátila do poriadku.
Druhy so širokým rozšírením reagujú rozdielne na rovnakú dĺžku dňa v rôznych častiach svojho areálu. Kritická dĺžka dňa, pri ktorej sa zastaví rast a vývoj lariev u motýľa kopijovitého, je 14,5 hodiny v zemepisnej šírke Suchumi, 18,06 hodiny v okolí Vitebska a 19,5 hodiny pri Petrohrade.
Načítava...