Ритмика и цикличность процессов в живой и неживой природе.
В природе все подчинено определенным ритмам. Периодические изменения в живой и неживой природе происходят чаще всего под влиянием космических факторов (вращение небесных объектов – Земли, Луны, Солнца и т. д.; пространственная ориентация осей вращения; а также более сложные явления типа 11-летнего цикла солнечной активности).
По характерным периодам действия ритмы бывают разного уровня. Большинство изменений вокруг нас происходит в суточном и годичном ритмах, которые возникают из-за вращения Земли в пространстве. Вращение вокруг собственной оси дает смену дня и ночи, а вращение вокруг Солнца вместе с наклоном земной оси – смену времен года. Эти ритмы действуют в антропной шкале времени, т. е., в шкале, соизмеримой с жизнью человека.
Один из важных путей воздействия света на живой организм связан с восприятием изменений длины светового дня в течение года (фотопериода). На экваторе длина светового дня постоянна и составляет примерно 12 часов, но чем дальше от экватора, тем больше будут сезонные колебания длины дня. Поэтому продолжительность дня является очень важным внешним фактором в умеренных широтах, где она изменяется в течение года в пределах примерно от 9 до 15 часов.
Действие фотопериода на растения. У растений такие явления, как цветение, образование плодов и семян, переход почек и семян в состояние покоя, листопад и прорастание семян тесным образом связаны с сезонными изменениями длины дня и температуры.
Наиболее глубокие изменения происходят во время цветения, когда меристема побегов переключается с образования листьев и боковых почек на образование цветков. Значение фотопериода было открыто еще в 1910 году, но впервые было четко описано только в 1920 г Гарнером и Аллардом. Эти авторы показали, что растения табака зацветают лишь после выдерживания на коротком фотопериоде в течение нескольких дней. Когда был исследован и ряд других растений, выяснилось, что некоторым растениям для цветения нужен длинный день (растения длинного дня), а некоторые зацветают, как только созреют, независимо от длины дня (растения, нейтральные в отношении фотопериода). Впоследствии выяснилось, что решающее значение имеет не длина дня, а продолжительность темного периода.
Биологические ритмы. Многие формы поведения животных повторяются с регулярными интервалами и служат одним из проявлений биологических ритмов, или биоритмов. Хорошо известны такие примеры, как периоды ухаживания и гнездования у птиц весной и перелеты определенных видов осенью. Интервалы между периодами активности могут варьировать в пределах от нескольких минут до нескольких лет, в зависимости от характера активности и вида животного. Например, многощетинковый червь пескожил, живущий в норе в илистом или песчаном дне, каждые 6-7 минут совершает движения, связанные с питанием. Этот цикл питания не имеет никаких внешних или внутренних физиологических мотивационных стимулов. По-видимому, он регулируется «биологическими часами» – механизмом, который в данном случае зависит от водителя ритма (пейсмекера), находящегося в глотке, откуда стимулы распространяются вдоль тела червя по брюшной нервной цепочке.
Ритмы, задаваемые внутренними «часами» или водителями ритма, называются эндогенными, в отличие от экзогенных, которые регулируются внешними факторами. Если не считать таких случаев, как цикл питания пескожила, большинство биологических ритмов являются смешанными, т. е. Частично эндогенными и частично экзогенными.
Во многих случаях главным внешним фактором, регулирующим ритмическую активность, служит фотопериод. Это единственный фактор, который может быть надежным показателем времени года, и он используется для установки «часов». Конкретная природа «часов» неизвестна, но нет сомнений, что здесь действует какой-то физиологический механизм, который может включать как нервные, так и эндокринные компоненты. Влияние фотопериода широко исследовалось в связи с поведением млекопитающих, птиц и насекомых. Хотя он, несомненно, играет важную роль в контроле таких видов активности, как подготовка к зимней спячке у млекопитающих, перелеты птиц и диапауза у насекомых, это не единственный внешний фактор, регулирующий биологические ритмы. У некоторых животных существуют лунные ритмы, как, например, у многощетинкового червя палоло или у комара Clunio maritimus.
Поведение многих насекомых, ведущих полностью наземный образ жизни, контролируется, по-видимому, эндогенными ритмами, связанными с чередованием света и темноты. Например, плодовая мушка дрозофила выводится из куколки на рассвете, а тараканы становятся наиболее активными после наступления темноты и перед рассветом. Эти регулярные биологические ритмы с периодом около 24 часов называются циркадианными или околосуточными ритмами.
Предполагают, что циркадианные ритмы имеют многообразное адаптивное значение, специфичное для каждого вида и, в частности, связанное с ориентацией. Такие животные, как рыбы, черепахи, птицы и некоторые насекомые, мигрирующие на большие расстояния, используют в качестве компаса Солнце и звезды. Другие животные (пчелы, муравьи и рачки-бокоплавы) ориентируются по Солнцу при поисках пищи и при возвращении домой. Ориентация по Солнцу или Луне надежна только в том случае, если животное способно каким-то образом определять время, чтобы учитывать суточные перемещения Солнца и Луны. Примером ситуации, когда присущий человеку физиологический циркадианный ритм отклоняется от естественного чередования дня и ночи, может служить «сдвиг фаз», с которым все чаще приходится сталкиваться пассажирам дальних авиалиний.
Ко второй группе можно отнести ритмы, действующие в геологической шкале времени, т. е., на протяжении очень длительных периодов, несоизмеримых с жизнью человека. Долгопериодические изменения влияют на погоду и климат на Земле, на геологические процессы, а через это и на всю среду обитания.
Если рассматривать историю Земли в геологической шкале времени, то можно убедиться, что в далеком прошлом глобальный климат был в среднем на 8-15°С теплее, чем сейчас. Большую часть времени полярные районы были свободны ото льда. Эти сравнительно теплые условия время от времени сменялись суровыми эпохами оледенений. Последнее подобное оледенение началось в плейстоцене – около 2 млн. лет назад – и продолжается до сих пор.
С тех пор длительные холодные периоды сменялись кратковременными периодами потепления. Изучение ледников и остающихся после них отложений позволило обнаружить несколько десятков ледниковых периодов. Они повторяются нерегулярно, промежутки между ними колеблются от 40 тыс. до нескольких сотен тысяч лет. Последний ледниковый период был 20 тыс. лет назад. Причины колебаний средней температуры на Земле на такой временной шкале – в изменениях характеристик вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца.
Следующий цикл в геологической истории Земли – инверсии магнитного поля. Период – 0,1-1 млн. лет. Связаны они с асинхронностью вращения внутреннего ядра. Эти смены полярности характеризуются временным исчезновением магнитного поля на период порядка 10 тыс. лет. В эти периоды у Земли исчезает защитная оболочка – магнитосфера. Частицы солнечного ветра и космические лучи могут беспрепятственно бомбардировать верхние слои атмосферы. Из-за этих столкновений образуются «ливни» вторичных частиц. Это приводит к повышению уровня радиации на поверхности Земли (правда, незначительному). Важнее то, что облучение верхней атмосферы космическими частицами уничтожает слой озона, защищающего все на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей. Исследовались ископаемые отложения, в частности ископаемый планктон, найденный в кернах на дне океанов. Было установлено, что вымирание нескольких видов радиолярий происходило именно в периоды смены полярности. Известно также, что около трети всех видов живых организмов вымерли в период, близкий к меловому, когда после очень длительного периода стабильной полярности снова возобновились частые смены полярности геомагнитного поля.
11-летний ритм солнечной активности. Огромную работу по исследованию связей земных процессов с солнечной активностью провел российский ученый А. Л. Чижевский. Ему удалось установить, что от активности Солнца зависит частота несчастных случаев, преступлений, внезапных смертей и целый ряд других явлений: уровень озер, грунтовых вод, сток рек, толщина донных отложений ила, количество льда в полярных морях, повторяемость засух, ураганов, ливней, среднегодовая температура. Он сделал впечатляющий анализ статистики эпидемий и пандемий холеры, тифа, дифтерии и гриппа в прошлом (до появления прививок и эффективных методов лечения) и установил их отчетливую связь с активностью Солнца.
Литература: Гуляев С. А., Жуковский В. М., Комов С. В. Основы естествознания. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор Биология. Т.2, с.245, 303