Экологическое значение биоритмов для живых организмов

Оглавление

Биологические ритмы 3

Свойства  биоритмов 4

Функции биоритмов 10

Классификации биоритмов 10

По длине  периода 10

По источнику  происхождения 15

По выполняемой  функции 16

Заключение 18

Список литературы 19

Приложения 20

 

 

 

Биологические ритмы

Биологический ритм - это колебательный процесс, приводящий к воспроизведению биологического явления или состояния биологической системы через приблизительно равные промежутки времени.

В жизнедеятельности растений и животных помимо сна немало проявлений и других ритмов: более 2400 лет назад  Гиппократ писал о подъемах и  падениях, присущих физическому состоянию  людей, почти 300 лет назад (1729) французский  математик и астроном Жан жак де Меран обнаружил 24-часовую периодическую активность у растений, в дальнейшем Христофор Гуфелянд (1797), рассматривая колебания температуры тела у здоровых и больных пациентов, высказал предположение о том, что в организме существуют "внутренние часы", ход которых определяется вращением Земли вокруг своей оси. Он впервые обратил внимание на универсальность ритмических процессов у биологических объектов и подчеркнул, что наша жизнь, очевидно, повторяется в определенных ритмах, а каждый день представляет маленькое изложение нашей жизни.

Хронобиология - наука, объективно исследующая на количественной основе механизмы биологической временнóй структуры, включая ритмические проявления жизни на всех уровнях организации живой системы. Действительно, хотя изучение периодичности жизненных явлений образует основу хронобиологических подходов, не всегда принимается во внимание, что колебания сочетаются с более медленными изменениями, которые не обязательно периодичны.

Биоритмология - наука, изучающая условия возникновения, природу, закономерности и значение биологических ритмов. Биоритм представляет собой колебания какого-либо биологического процесса (состояния), наступающие через приблизительно равные промежутки времени, когда процесс (состояние) возвращается к исходному проходя цикл. Повторяемость состояния (например, деление клетки) в ритме относительна. На самом деле каждый цикл повторения по своему содержанию отличается от предыдущего, но воспроизводится по тем же закономерностям.

Свойства  биоритмов

• Эндогенность
• Способность к самоподдержанию
• Способность захватываться внешними и внутренними циклами
• Пластичность

Итак, на основе имеющихся  данных, ритмические проявления жизни  наблюдаются на всех уровнях организации  живой системы. Это значит, что  в организме существует великое  множество ритмов, которые действуют  на уровне клеточных структур, клетки, тканей, органов, систем органов и  всего организма, т.е. образуют в  пространстве строго упорядоченную иерархическую структуру, что позволяет говорить о строении (предмет изучения морфологических дисциплин).

Биоритмы каждого уровня организма имеют собственную  функциональную активность, направленную на обеспечение деятельности своего уровня и организма в целом (предмет  физиологических дисциплин).

Будем называть все эти  ритмы эндогенными, генетически  фиксированными (человеку свое, мухам - свое, у рыбок свой ритм) физиологическими биоритмами. Эти ритмы способны к самоподдержанию за счет специализированного механизма - обособленного осциллятора; они составляют основу жизни организма; некоторые из этих ритмов поддерживаются в течение всей жизни и даже кратковременное их прерывание приводит к смерти; другие появляются в определенные периоды жизни индивидуума, причем часть из них находится под контролем сознания, а часть протекает независимо от него.

Известна концепция о трех ритмах, созданная австрийским психологом Германом Свобода, немецким врачом Вильгельмом Фисс и австрийским инженером Альфредом Тельчер в конце XIX и начале XX века. Согласно этой концеции человеку, кроме перечисленных выше ритмов, присущи особые ритмы: 23-суточный (физический), 28-суточный (эмоциональный) и 33-суточный (интеллектуальный). Отношение к ней спорное.

Физиологические ритмы могут  быть замаскированы апериодическими  колебаниями исследуемого показателя (шумами) и другими ритмическими колебаниями, форма их часто бывает сложной. Поэтому разработаны специальные  методы анализа, позволяющие выявлять и изучать скрытую периодичность  физиологических процессов (гармонический  анализ, автокорреляционный анализ, скользящее суммирование и др.).

Наличие свободнотекущих ритмов хорошо демонстрируется в экспериментах с исключением естественного освещения когда, например, люди в одиночку или небольшими группами с исследовательскими целями или из любви к сенсационным рекордам забирались в особо глубокие пещеры и оставались там на протяжении продолжительного периода времени.

Наручные часы одного из добровольцев-одиночек продолжали идти 105 суток, на протяжении которых он находился  в пещере под землей. Перед спуском  он решил, что будет спать, как  обычно, и ложиться всегда в одно и то же время. Однако вечерами ему  долго не удавалось заснуть, и  по утрам он вставал позже обычного. По прошествии трех недель испытуемый решил ложиться спать, лишь когда почувствует, что его клонит ко сну. У него развился устойчивый циркадный ритм с периодом 24,7 часа, сохранившийся до конца эксперимента.

Аналогичным образом и  у испытуемых в специально оборудованном  подземном жилище наблюдался циркадный  цикл с периодом больше 24 часов. Четырех  человек поселили в одном подземном  помещении при постоянном освещении. На протяжении 13 суток их циклы совпадали  по фазе, хотя один из испытуемых вставал  рано. Но с третьей недели трое остальных  испытуемых начали подремывать днем (что не запрещалось условиями  проведения опыта), и начиная с 17-х суток их ритм разошелся с ритмом рано встававшего товарища. Еще через несколько суток у каждого испытуемого начал сокращаться период ритма. Исследователь, пришедший объявить об окончании эксперимента, застал всех за праздничным столом, но один из великолепной четверки завтракал, другой обедал, а третий с четвертым ужинали.

Об индивидуальности течения  биологического времени у людей  свидетельствуют и данные, полученные при определении длительности индивидуальной минуты. По материалам А.В. Киреева (1984), длительность индивидуальной минуты у  людей 19-20-летнего возраста неодинакова  в разное время суток. Она наибольшая (69,9 с) в 8 ч и наименьшая (52,9 с) в 20 ч. У лиц 68-92-летнего возраста суточные колебания величины индивидуальной минуты исчезают, а среднесуточное ее значение меньше, чем у молодых  на 11,56 с.

Способность организма ощущать  ход времени получила определение "биологические часы". Согласно современным представлениям в основе биологических часов лежат эндогенные, генетически фиксированные ритмы, первоисточником которых являются физико-химические колебательные процессы (так называемые фазовые золь-гель переходы) с различными периодами.

В процессе эволюции физиологический  свободнотекущий ритм живого организма подстраивался к периодам геофизических циклов, которые в конкретной точке внешней среды приводили к ее циклическим изменениям в результате чего изменялись внешние (по отношению к живым организмам, обитающим в этой среде) факторы (свет, температура, влажность, прилив-отлив и т.п.) и живые организмы вынуждены были приспосабливаться к ним (хочешь жить - адаптируйся, не можешь - естественный отбор, "фтопку"), т.е. синхронизировать свои физиологические ритмы с циклическими изменениями окружающей среды. Эти синхронизированные с внешними циклами физиологические ритмы получил название экзогенных или экологических, по сути своей являясь адаптивными эндогенными физиологическими ритмами.

Таким образом, можно сказать, что при перемещении человека из одного полушария в другое, организм подстраивается под новое время  пробуждения синхронизируя свой адаптивный ритм для Восточного полушария с периодом геофизического ритма в точке прибытия Западного полушария, где у него после синхронизации будет наблюдаться адаптивный ритм для Западного полушария. Подобный захват позволяет сдвинуть свободнотекущий ритм вперед или назад на определенное время, что свидетельствует о пластичности биоритма. За счет пластичности свободнотекущего ритма достигается согласование ритмов между собой, их синхронизация. Так у людей, проживающих и в Западном, и в Восточном полушариях, момент пробуждения привязан к восходу Солнца, хотя относительно друг друга этот момент сдвинут на 12 часов. При перемещении человека из одного полушария в другое организм подстраивается под новое для себя время пробуждения, т.е. синхронизирует свой свободнотекущий ритм с геофизическим (солнечно-суточным) ритмом в точке прибытия.

Однако такие перемещения  случаются не каждый день, т.е. носят  непериодический характер. В каждом подобном случае организм вынужден экстренно  приспосабливаться к изменяющимся факторам внешней среды и перенапрягать  механизмы защиты и компенсации, поэтому такие периодические  изменения нередко переносятся  человеком болезненно и при нарушении  функции адаптивных систем могут  вызывать суб- и декомпенсацию отдельных систем жизнеобеспечения.

К большинству же факторов, которым свойственна ритмичность  в своих проявлениях, организмы  приспосабливались на протяжении эволюции, изменяя во времени физиологические  и биохимические процессы, которые  закрепились в их генетических аппаратах. Таким образом, в процессе эволюции приспособление к периодическим  изменениям в природе приобрело  упреждающий характер.

Предсказуемость геофизических  циклов предоставила естественному  отбору отличную возможность запрограммировать  особенности поведения, обеспечив  тем самым предвосхищение наступающих  перемен и своевременную к  ним адаптацию.

Врожденные периодические  программы - биологические ритмы, согласованные с циклами окружающей среды

Периодическая программа - повторяющаяся  последовательность во времени физиологических, биохимических или биофизических  явлений. Она основана на работе биологического осциллятора, генерирующего эндогенный биоритм, период которого представляет собой закрепленное эволюцией приближение  к тем циклам среды, с которыми они согласованы. О врожденном характере (т.е. генном контроле) колебаний свидетельствуют  разнообразные факторы, в том  числе возможность искусственного отбора по периоду и изменение  периода в результате химического  мутагенеза.

Осциллятор, задающий периодическую  программу, приурочивает каждую стадию программы к наиболее благоприятной  фазе геофизического цикла, т.е. по существу распознает местное время. Он также  обеспечивает достаточно стабильную последовательность событий в программе, т.е. фактически измеряет промежутки времени.

Cовокупность периодических программ есть совокупность осцилляторов, задающих эти программы и формирующих временную организацию биосистемы.

Проявлением и характеристикой, позволяющей судить о временной  организации человека, является его  хронотип. Чаще всего под этим термином понимают околосуточную динамику показателей, характеризующих общее состояние организма. Хронотип человека индивидуален, т.к. обусловлен, с одной стороны генетическими механизмами, а с другой – взаимодействием организма со средой.

Чаще всего хронотип человека определяют по уровню работоспособности - активной фазы биологического ритма "сон-бодрствование". Различия в этом ритме позволили распределить людей на "утренние" группы ("жаворонки"), "вечерние" группы ("совы") и "аритмичные" группы ("голуби"). "Совы" – поздно засыпают и поздно просыпаются, максимум суточных биоритмов активности и покоя у них сдвинут на более поздние часы в отличии от "жаворонков", которые рано просыпаются и рано засыпают. У "голубей" пик активности приходится примерно на середину дневного периода. На протяжении жизни временная организация человека может меняться: с возрастом смещаться в сторону "жаворонка" Происходит это вследствие изменения скорости секреции гормонов (в частности, гормона мелатонина, отвечающего за нормальное ритмическое течение биологических процессов организма). Именно отсюда склонность пожилых рано вставать и пораньше ложиться, а у молодых - бодрствовать допоздна и утром подольше поспать.

Функции биоритмов

1. Обеспечение единства организма и среды (адаптация)
2. Построение периодической программы организма
3. Обеспечение экономического режима функционирования
4. Биологические часы
5. Память на время
6. Ориентация по солнечному компасу

Классификации биоритмов

В зависимости от критериев, положенных в основу, ритмы классифицируют:

По  длине периода  

1. Циркадианные ритмы - с периодом около 24 часов - наиболее изучены. Причина их столь широкой известности состоит отчасти в том, что они наиболее распространены (достаточно сказать, что суточные ритмы наблюдаются почти у всех живых организмов), а отчасти в том, что наблюдать менее продолжительныве явления проще, чем длящиеся месяц или год.

Свое название циркадианные ритмы получили в связи с тем, что после искусственного устранения синхронизирующего фактора (т.е. создания постоянных условий), отмечалось сохранение ритма с периодом несколько отличающимся от исходных значений, т.е. биологические ритмы живых организмов не совпадали строго по времени с ритмическими колебаниями в природе и укладывались в период, несколько больший, чем 24 часа. Поэтому их назвали околосуточными или циркадианными (от лат. circa приблизительный и dies - день).