1.3.Свет и биологические ритмы

Специфическое значение светового фактора заключается в том, что закономерная динамика условий освещения играет особую роль в регуляции периодических явлений в жизни органического мира.

Ритмически меняющаяся среда потребовала приспособлений со стороны живых организмов. Произошло закономерное и постепенное согласование ритмов биологической активности живых организмов с ритмами суточной и сезонной циклики факторов окружающей среды. Смыслом этого явилось совмещение различных форм жизнедеятельности (рост, размножение и др.) с наиболее благоприятными периодами во внешней среде. В основе этого находится специфические биохимические и физиологические реакции, которые имеют ритмичный характер.

По современным представлениям в основе периодических процессов лежит внутренняя (эндогенная) программа, внутренние «часы», на которую действует сложный комплекс внешних условий. Одни из них прямо изменяют эту эндогенную программу в соответствии с конкретной экологической ситуацией. Другие выступают в роли датчиков времени и способствуют синхронизации эндогенных циклов с ходом периодических изменений во внешней среде. Эти факторы синхронизирую процессы на уровне отдельного организма и на уровне популяции. В качестве таких датчиков выступает фотопериод – смена дня и ночи.

Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи. У растений интенсивный рост, распускание цветков приурочены к определенному времени суток. Животные в течение суток сильно меняют свою активность. По этому признаку различают дневные и ночные виды. Суточный ритм организмов – это не только отражение смены внешних условий. Если поместить человека, или животное, или растение в постоянную, стабильную обстановку без смены дня и ночи, то сохраняется ритмика процессов жизнедеятельности, близкая к суточной. Организм как бы живет по своим внутренним часам, отсчитывая время. Суточный ритм наблюдается в организме во многих процессах (частота сердечных сокращений, ритм дыхания, выделение гормонов, кровяное давление, температура тела и др.).

Однако суточные ритмы проявляются не у всех видов, а только у тех, в жизни которых смена дня и ночи играют важную экологическую роль. Обитатели пещер или глубоких вод живут по другим ритмам, т.к. здесь нет смены времени суток. Среди наземных животных, у которых высокая скорость обмена веществ, наблюдается активность, не подчиняющаяся суточному ритму. Например, землеройки сменяют активность и отдых каждые 15-20 минут, т.к. они вынуждены питаться круглосуточно.

Годовые ритмы приспосабливают организмы к сезонной смене условий. Периоды роста, размножения, линек, миграций, спячек закономерно чередуются и повторяются таким образом, что критическое время года организмы встречают в наиболее устойчивом состоянии. Самый уязвимый процесс – размножение и выращивание молодняка – приходится на наиболее благоприятный сезон. Эта периодичность смены физиологического состояния в течение года во многом врожденная, т.е. проявляется как внутренний годовой ритм. Если, например, австралийских страусов поместить в зоопарк Северного полушария, период размножения у них наступит осенью, когда в Австралии весна. Перестройка внутренних годовых ритмов происходит с большим трудом, через ряд поколений.

Резкие кратковременные изменения погоды (летние заморозки, зимние оттепели) обычно не нарушают годовых ритмов растений и животных. Главный экологический фактор, на который реагируют организмы в своих годовых циклах - фотопериод – изменения в соотношении дня и ночи. Длина светового дня закономерно изменяются в течение года, и именно эти изменения служат точным сигналом приближения весны, лета, осени, зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня называется фотопериодизмом.

Под фотопериодическим контролем находятся практически все метаболические процессы, связанные с развитием и размножением растений и животных. По отношению к фотопериодизму растения делятся на три типа:

• растения короткого дня, у которых цветение и плодоношение наступает при 8-12 часовом освещении. Это растения южных районов (гречиха, просо, подсолнечник, конопля и др.);

• растения длинного дня, требуют удлинения дня до 16-20 часов. В умеренных широтах большинство растений принадлежит к растениям длинного дня (рожь, ячмень, овес, лук, лен, морковь);

• растения нейтральные к длине дня, например, виноград, флоксы, сирень и др.

Животные, особенно насекомые, также реагируют на продолжительность дня. Только в условиях длинного дня развивается капустная белянка, березовая пяденица. В тоже время многие совки, тутовый шелкопряд, саранчовые – типичные представители насекомых короткого дня.

Для растений свойственно состояние покоя, характеризующееся прекращением роста с замедлением физиолого-биохимических процессов. Если растение в северных широтах не впадает в состояние покоя, то зимой оно вымерзает.

У животных приспособления к переживанию неблагоприятных сезонных явлений более многообразны, чем у растений. Во время зимовки у животных происходит перестройка метаболизма, в результате чего у одних видов повышается холодостойкость, у других – уровень теплообразования. У птиц и млекопитающих наблюдается линька, смена шерстного и перьевого покровов. Своеобразным приспособлением к неблагоприятным сезонным явлениям служит спячка. Она может наступить на любой стадии развития. Различают летнюю и зимнюю спячку. Летняя наблюдается при высоких температурах и снижении влажности воздуха, зимняя – при понижении температуры. В период спячки у животных значительно (в 10-20 раз) снижается уровень обмена веществ и потребление кислорода. В результате млекопитающие и особенно пресмыкающиеся, земноводные и большинство беспозвоночных впадают в глубокое оцепенение. Однако у некоторых млекопитающих в состоянии так называемого зимнего сна снижение интенсивности обмена веществ невелико. Например, у бурых медведей в этот период даже рождаются медвежата.

Для насекомых и других членистоногих характерна диапауза, т.е. временная приостановка развития. У каждого вида она наступает на определенной стадии жизненного цикла. Так, у кольчатого шелкопряда диапауза наблюдается в фазе яйца и продолжается с середины лета до весны следующего года; у соснового шелкопряда – в фазе гусеницы; у капустной белянки – в фазе куколки; у крапивниц, лимонниц и других бабочек диапауза наступает осенью, во взрослом состоянии.

Широко распространенным приспособлением к неблагоприятным условиям у многих высших животных являются миграции, т.е. закономерные перемещения в определенном направлении, выработавшиеся в процессе исторического развития. Значительные миграции совершают кочующие и перелетные птицы. Миграции животных характеризуются строгой временной приуроченностью, массовостью и физиологической подготовкой организма к предстоящему перемещению.

Особым приспособлением к неблагоприятным условиям служит анабиоз – состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замедляются, что отсутствуют все видимые признаки жизни. Это состояние наиболее характерно для спор, сухих семян растений, высохших лишайников, для простейших одноклеточных животных, круглых червей, некоторых членистоногих.