6.1. Откуда взялись биологические ритмы

Определения и обозначения

Биологические ритмы — повторяющиеся во времени изменения процессов жизнедеятельности организма. Это, например, регулярные перемены сна, активности и температуры тела. Понятие помогает описывать не отдельное случайное изменение, а повторяющийся ход процессов.

Биологические часы — внутренняя система организма, которая задаёт последовательность и периодичность физиологических процессов. Она координирует работу разных процессов и помогает им повторяться в определённом порядке. Это понятие объясняет, почему организм способен сохранять ритм, а не только реагировать на происходящее вокруг.

Экзогенные ритмы — ритмы, возникающие под непосредственным влиянием периодических изменений внешней среды. Например, освещение меняется вслед за чередованием дня и ночи. Термин нужен, чтобы выделить случаи, когда повторение тесно связано с внешним циклом.

Эндогенные ритмы — ритмы, поддерживаемые внутренними механизмами организма даже при ослаблении внешних сигналов. Они могут продолжаться, когда привычный внешний цикл временно отсутствует. Это понятие позволяет отличить внутренний источник ритма от сигнала среды, который помогает его сверять.

Как это устроено

В природе регулярно повторяются условия, потому что движения Земли и небесных тел цикличны. Вращение Земли сменяет освещённую и тёмную части суток, а её обращение вокруг Солнца связано с повторением сезонов. Фазы Луны и приливы тоже меняются по закономерному циклу. Для организмов такие повторы означают, что условия активности, питания и существования не остаются одинаковыми постоянно.

Вращаясь вокруг своей оси, Земля поочерёдно обращает разные участки поверхности к Солнцу и от него. Поэтому на этих участках сменяются день и ночь, а вместе с ними — освещённость и температура. Организмам выгодно соотносить с этим циклом время активности и отдыха: так легче использовать подходящие условия. Отсюда связаны с суточным циклом сон и бодрствование, а также некоторые регулярные изменения температуры тела.

При обращении Земли вокруг Солнца меняются условия освещения и продолжительность светового дня, а в течение года сменяются сезоны. Это влияет на температуру, рост растений и доступность пищи. Организмы, способные заранее изменить поведение или подготовить тело к переменам, имеют больше шансов пережить неблагоприятный период. Поэтому сезонные ритмы проявляются, например, в миграциях птиц, зимней спячке животных и цветении растений.

Ритмы сформировались как приспособление к повторяющимся условиям: предсказуемая перемена позволяет подготовиться к ней, а не только реагировать постфактум. Если организм начинает менять активность в подходящее время, он может эффективнее использовать пищу, свет и безопасные условия. Такие особенности помогали выживанию и размножению. В ходе естественного отбора преимущество получали организмы, чьи реакции лучше соответствовали регулярно меняющейся среде.

Внутренние биологические часы сверяют свою работу с сигналами окружающей среды. Особенно важен свет: он сообщает о времени суток, а температура, влажность и доступность пищи также могут влиять на работу организма. Эти факторы выступают синхронизаторами — внешними сигналами, которые помогают согласовать внутренний ход процессов с реальными условиями. Их влияние объясняет, почему режим организма может меняться при смене окружающей обстановки.

Если привычные внешние сигналы ослабевают, внутренний ритм не обязательно сразу прекращается. Его продолжение обеспечивают механизмы организма, но без сверки с внешней средой ритм может постепенно расходиться с её циклом. Это важно для жизнедеятельности: внутренние часы позволяют сохранять упорядоченность процессов, а сигналы среды помогают вовремя их корректировать. Так организм одновременно опирается на собственную систему и учитывает изменения вокруг.

Основные биологические ритмы и причины их возникновения

Сначала сопоставьте вид ритма с циклом среды, который повторяется, а затем посмотрите, как организм отвечает на этот цикл. Последний столбец показывает, какую задачу решает ритм для организма. Таблица помогает не смешивать природную причину ритма с его проявлением и значением.

Разбор задач

Определите внешний фактор для трёх проявлений

Условие: нужно назвать фактор, лежащий в основе чередования сна и бодрствования человека, сезонных миграций птиц и приливно-отливной активности морских животных. В каждом случае требуется определить не сам ритм, а повторяющееся изменение среды. Чтобы не спутать примеры, сначала устанавливаем периодичность каждого проявления.

1. Чередование сна и бодрствования повторяется в пределах суток. Его главным внешним сигналом служит смена дня и ночи.
2. Миграции птиц связаны с сезонными изменениями условий. Их вызывают, в частности, изменения длины светового дня, температуры и доступности пищи.
3. Приливно-отливная активность совпадает с периодическим изменением уровня воды. Значит, соответствующий внешний фактор — чередование приливов и отливов.

Ответ: для сна и бодрствования — смена дня и ночи; для сезонных миграций — сезонные изменения среды, включая световой режим и доступность пищи; для активности морских животных — приливы и отливы. Важно указывать фактор, подходящий именно к масштабу ритма. Не следует объяснять все три примера одним только светом.

Суточный ритм цветков при постоянном освещении

Условие: растение раскрывает цветки по суточному ритму, хотя в лаборатории освещение остаётся постоянным. Нужно понять, означает ли это, что свет вообще не влияет на ритм. Различим внешний синхронизатор и механизм, который поддерживает повторение.

1. Постоянное освещение означает, что смена дня и ночи сейчас не задаёт растению очередной сигнал.
2. Если раскрытие всё же повторяется, значит, ритм поддерживается внутренним механизмом организма.
3. Следовательно, ритм имеет эндогенную основу, хотя в обычных условиях свет может помогать сверять его с сутками.

Ответ: растение сохраняет внутренний суточный ритм, а свет выступает возможным синхронизатором, но не единственной причиной каждого повторения. Постоянные условия позволяют увидеть работу биологических часов отдельно от смены освещённости. Это не доказывает, что внешняя среда никогда не влияет на цветение.

Нарушение сна после перелёта

Условие: после перелёта через несколько часовых поясов у человека нарушились сон и бодрствование. Нужно объяснить причину и указать, как световой режим помогает восстановиться. Для решения сравним местные условия с сигналами, к которым были настроены биологические часы.

1. После перелёта часы на месте назначения показывают другое время, а привычные внутренние ритмы ещё не успели перестроиться.
2. Из-за этого время сна может не совпадать с местной ночью, а бодрость — с нужным временем активности.
3. Регулярное освещение в соответствии с местным днём даёт организму повторяющийся внешний сигнал для синхронизации.

Ответ: режим нарушается из-за временного расхождения местного светового цикла и внутренних биологических часов. Постепенное согласование сна, бодрствования и пребывания на свету с местным временем помогает ритму перестроиться. Организм не переключается мгновенно, потому что внутренние процессы требуют времени для согласования.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой ритм полностью задаётся внешней средой. Такое объяснение кажется очевидным, потому что смену дня и ночи легко наблюдать. Проверьте себя вопросом: продолжится ли процесс, если внешний сигнал временно убрать? Если да, значит, необходимо учитывать внутренние часы.

Ошибка: путать возникновение ритма с его синхронизацией. Смену дня и ночи принимают за единственный механизм, который каждый раз запускает ритм, хотя внутренние процессы могут поддерживать его. Чтобы проверить объяснение, отдельно назовите источник повторения и сигнал, который сверяет ритм со средой.

Ошибка: объяснять сезонные ритмы только температурой. Температура заметна, поэтому легко забыть о продолжительности светового дня и доступности пищи. Проверьте, учтены ли несколько регулярно меняющихся условий, а не только одно из них.

Ошибка: считать биологические ритмы случайными колебаниями без приспособительного значения. Повторяемость может показаться простым совпадением, если не рассматривать пользу для организма. Проверьте себя: помогает ли ритм согласовать активность с условиями или подготовиться к их перемене? Если помогает, у него есть приспособительное значение.

Связь с другими темами

Для понимания ритмов нужно знать, что вращение Земли вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а её обращение вокруг Солнца связано со сменой времён года. Биологические ритмы показывают, как организмы приспосабливаются к условиям среды; их формирование связано с естественным отбором. Эти знания пригодятся при изучении режима дня и сна, смены часовых поясов, экологии и охраны здоровья. Они помогают понять, почему регулярность условий и сигналов важна для организма.

Что запомнить

• Биологические ритмы — закономерные повторяющиеся изменения процессов жизнедеятельности.
• Главные природные источники ритмов — смена дня и ночи, времён года, фаз Луны и приливов.
• Суточные ритмы связаны прежде всего с вращением Земли вокруг своей оси.
• Сезонные ритмы связаны с обращением Земли вокруг Солнца.
• Внешние факторы синхронизируют ритмы, а внутренние механизмы поддерживают их.
• Биологические ритмы повышают приспособленность организмов к предсказуемым изменениям среды.