Види біологічних ритмів

Циркадианные ритми

Великий інтерес представляють біологічні ритми з періодом близько доби. Вони так і називаються - околосуточными, циркадианными або циркадными - від лат. circa - близько і dies - день.

Біологічні процеси з циркадианной періодичністю досить різноманітні. Наприклад, три види грибів, що світяться підсилюють і послаблюють своє світіння кожні 24 години, навіть якщо штучно тримати їх при постійному світлі або в повній темряві. Щодоби змінюється світіння одноклеточной морської водорості Gonyaulax. У вищих рослин в циркадианном ритмі протікають різні метаболічні процеси, зокрема фотосинтез і дихання. У живців лимона з 24-годинний періодичністю коливається інтенсивність транспірації. Особливо наочні приклади - щодобові руху листя і розкриття-закривання квіток.

Різноманітні циркадианные ритми відомі і у тварин. Прикладом може служити близьке до актиниям кишечнополостное - морське перо (Cavernularia obesa), що представляє собою колонію з безлічі крихітних поліпів. Морське перо живе на піщаному мілководді, втягуючись у пісок вдень і розвертаючись ночами, щоб харчуватися фітопланктоном. Цей ритм зберігається в лабораторії при незмінних умовах освітлення.

Чітко працюють біологічний годинник у комах. Наприклад, бджоли знають, коли розкриваються певні квітки, і відвідують їх щодня в один і той же час. Бджоли також швидко засвоюють, в який час їм виставляють на пасіці цукровий сироп.

У людини не тільки сон, але й багато інші функції підпорядковані добовому ритму. Приклади тому - підвищення і пониження кров'яного тиску і виділення калію і натрію нирками, коливання часу рефлексу, пітливості долонь і т. д. Особливо помітні зміни температури тіла: вночі вона приблизно на 1° С нижче, ніж вдень. Біологічні ритми у людини формуються поступово в ході індивідуального розвитку. У новонародженого вони досить нестійкі - періоди сну, харчування і т. д. чергуються безсистемно. Регулярна зміна періодів сну і неспання на основі 24-25 годинного циклу починає відбуватися тільки з 15-тижневого віку.

Кореляція і «налаштування»

Хоча біологічні ритми і эндогенны, вони відповідають змін зовнішніх умов, зокрема зміни дня і ночі. Ця кореляція обумовлена т. н. «захоплюванням». Наприклад, циркадианные руху листя у рослин зберігаються в повній темряві лише кілька діб, хоча інші циклічні процеси можуть продовжувати повторюватися сотні разів незважаючи на сталість зовнішніх умов. Коли выдерживаемые в темряві листя квасолі, нарешті, припинили розправлятися і опускатися, досить короткою спалахи світла, щоб цей ритм відновився і протримався ще кілька діб. У циркадіанних ритмів тварин і рослин времязадающим стимулом зазвичай служить зміна освітленості - на світанку і ввечері. Якщо такий сигнал повторюється періодично і з частотою, близькою до властивої даному ендогенного ритму, відбувається точна синхронізація внутрішніх процесів організму з зовнішніми умовами. Біологічний годинник «захоплюються» навколишнього періодичністю.

Змінюючи зовнішній ритм по фазі, наприклад включаючи світло на ніч і підтримуючи днем темряву, можна «перевести» біологічний годинник так само, як звичайні, хоча така перебудова вимагає деякого часу. Коли людина переїжджає в інший часовий пояс, його ритм сну-неспання змінюється зі швидкістю два-три години на добу, тобто до різниці в 6 годин він пристосовується тільки через два-три дні.

У певних межах можна переналаштувати біологічні годинники і на цикл, який відрізняється від 24 годин, тобто змусити їх йти з іншою швидкістю. Наприклад, у людей, які довгий час жили в печерах з штучним чергуванням світлих і темних періодів, сума яких істотно відрізнялася від 24 годин, ритм сну і інших циркадіанних функцій підлаштовувався до нової тривалості «доби», що становила від 22 до 27 годин, однак сильніше змінити його було вже неможливо. Те ж саме відноситься і до інших вищих організмів, хоча багато рослин можуть пристосовуватися до «добі», тривалість яких становить цілу частину звичайних, наприклад 12 або 8 годин.

Припливні і місячні ритми

У прибережних морських тварин часто спостерігаються приливні ритми, тобто періодичні зміни активності, синхронізовані з підйомом і спадом води. Припливи обумовлені місячним тяжінням, і в більшості регіонів планети відбувається два припливу і два відливу протягом місячної доби (періоду часу між двома послідовними сходом Місяця.) Оскільки Місяць рухається навколо Землі в тому ж напрямку, що і наша планета навколо власної осі, місячні добу приблизно на 50 хвилин довше сонячних, тобто припливи наступають кожні 12,4 години. Такий же період у приливних ритмів. Наприклад, рак-відлюдник ховається від світла в відлив і виходить з тіні в прилив; з настанням припливу устриці відкривають свої раковини, розгортають щупальця актинії і т. п. Багато тварин, у тому числі деякі риби, приплив споживають більше кисню. З підйомом і спадом води синхронізовані зміни забарвлення вабливої крабів.

Багато приливні ритми зберігаються, іноді протягом декількох тижнів, навіть якщо тримати тварин в акваріумі. Значить, по суті своїй вони ендогенні, хоча в природі «захоплюються» і підкріплюються змінами у зовнішньому середовищі.

У деяких морських тварин розмноження корелює з фазами Місяця і відбувається зазвичай один раз (рідше - двічі) протягом місячного місяця. Користь такої періодичності для виду очевидна: якщо яйця і сперма викидаються у воду всіма особинами одночасно, шанси на запліднення досить високі. Цей ритм ендогенний і, як вважається, задається «перетином» 24-годинного циркадианного ритму з приливним, період якого 12,4 або 24,8 години. Таке «перетин» (збіг) відбуваються з інтервалами 14-15 × 29-30 діб, що відповідає місячним циклом.

Краще всього відомий і, ймовірно, найбільш помітний серед приливних і місячних ритмів той, що пов'язаний з розмноженням груниона - морської риби, мечущей ікру на пляжах Каліфорнії. Протягом кожного місячного місяця спостерігаються два особливо високих - сизигийных - припливу, коли Місяць знаходиться на одній осі з Землею і Сонцем (між ними або з протилежного від світила сторони). Під час такого припливу грунион нереститься, закопуючи ікринки в пісок біля самого краю води. Протягом двох тижнів вони розвиваються практично на суші, куди не можуть дістатися морські хижаки. Наступного сизигийный приплив, коли вода покриває буквально нашпигований ними пісок, з усіх ікринок за кілька секунд вилуплюються мальки, тут же спливають в море. Очевидно, що така стратегія розмноження можлива, тільки якщо дорослі грунионы відчувають час настання сизигийных припливів.

Менструальний цикл у жінок триває чотири тижні, хоча не обов'язково синхронізований з фазами місяця. Тим не менш, як показують експерименти, і в цьому випадку можна говорити про місячному ритмі. Терміни менструацій легко зрушити, використавши, наприклад, спеціальну програму штучного освітлення; однак вони будуть наступати з періодичністю, дуже близькою до 29,5 доби, тобто до місячного місяця.

Низькочастотні ритми

Біологічні ритми з періодами, набагато перевищують один місяць, важко пояснити на основі біохімічних флуктуацій, якими, ймовірно, обумовлені ритми циркадианные, і механізм їх поки невідома. Серед таких ритмів найбільш очевидні річні. Якщо дерева помірного поясу пересадити в тропіки, вони деякий час будуть зберігати циклічність цвітіння, скидання листя та періоду спокою. Рано чи пізно ця ритмічність порушиться, тривалість фаз циклу буде все більш невизначеною і в кінцевому підсумку зникне синхронізація біологічних циклів не тільки різних примірників одного і того ж виду, але навіть різних гілок одного дерева.

В тропічних областях, де умови середовища практично постійними протягом всього року, місцевим рослинам і тваринам часто притаманні довгострокові біологічні ритми з періодом, відмінним від 12 місяців. Наприклад, цвітіння може наступати кожні 8 або 18 місяців. Мабуть, річний ритм - це адаптація до умов помірної зони.