Біоритми як фактори природного відбору та адаптації організмів

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Російська Академія Підприємництва

Новосибірський філія

Реферат з курсу

Концепція сучасного природознавства

Тема:

"Біоритми як фактори природного відбору та адаптації організмів"

Виконав: студент гр. М29з

Мінченко Я.А.

м. Новосибірськ

2010р.

Зміст

Введення

Історія та розвиток хронобіології

Класифікація біоритмів

Природа біоритмів

Циркадні біоритми

Місячні біоритми

Річні біоритми

Література

Введення

Одним із принципів сучасного матеріалістичного природознавства є принцип єдності організму та середовища. Складаючи єдність із середовищем проживання, всі живі організми і надорганізменнние системи має ритмічністю всіх процесів. Їх життєдіяльність підпорядкована періодичним ритмам, що відображає реакції біосистем на ритми природи і в цілому всього Всесвіту (астрономічні, геофізичні). «Весь рослинний і тваринний світ, а з ним і людина, споконвіку і невпинно відчуває на собі ритмічні впливу зовнішнього фізичного світу і одвічно відповідає на биття світового пульсу ритмічними пульсуючими реакціями», писав російський соціолог П. Я. Соколов.

Біологічні ритми - періодично повторювані зміни інтенсивності та характеру біологічних процесів і явищ. ¹

Ці періодичні процеси існують на всіх рівнях організації живих систем і охоплюють широкий діапазон частот. Чим складніше біосистеми, тим більша кількість біоритмів вона має. Біологічні ритми закріплені на генетичному рівні і є важливими факторами природного відбору та адаптації організмів.

Наявність біоритмів обумовлено синхронізацією біохімічних процесів в організмі. Оскільки живий організм є ієрархічною системою, то він повинен співставляти її функціонування з синхронізацією всіх підрівнів і підсистем не тільки в часі, але і в біологічному просторі. Така синхронізація пов'язана з наявністю біоритмів в системі. Чим складніше система, тим більше у неї біоритмів.

Історія та розвиток хронобіології

Хронобиология - наука, що вивчає біоритми.

З давніх часів добре відомо, що в залежності від часу доби листя і пелюстки рослин можуть здійснювати певні рухи. Ще в 1745 році Карл Лінней опублікував свої «квітковий годинник», які дозволяють за часом розпускання і закриття квітів визначати час доби.

Рис. 1 Квітковий годинник К. Ліннея (1745)

Перші дослідження добових ритмів у людини (частота серцевих скорочень, частота сечовипускань, температура тіла) були проведені в першій половині XIX століття. У підручниках цього періоду з фізіології людини можна зустріти свідчення про існування ендогенних (що виникають у самому організмі) ритмічних функцій. У 1928 році Forsgren відкрив добовий ритм секреції жовчі та накопичення глюкози в печінці. У 1936 році була остаточно встановлена ​​ендогенна природа добових ритмів квітів і рослин, для чого були виключені будь-які зовнішні впливи. Іншими віхами розвитку хронобіології стали відкриття орієнтації бджіл і птахів у польоті по сонцю, аналіз координації ритмічних функцій, а також підтвердження ендогенних ціркадіанних ритмів людини. За рахунок досліджень космосу, особливо за рахунок виключення впливу земного часу було дано новий імпульс становленню хронобіології як науки. Основний інтерес при вивченні біологічних ритмів як і раніше приділяється добовим, місячним і річним ритмам, особливо з точки зору екзогенної та ендогенної регуляції «внутрішнього годинника». ²

Класифікація біоритмів

Існує кілька класифікацій біоритмів.

Так, з точки зору взаємодії організму і середовища виділяють:

Адаптивні ритми (власне біоритми) - коливання з періодами, близькими до основних геофізичних циклів, роль яких полягає в адаптації організму до періодичних змін зовнішнього середовища. Їх частота стабільна.

Фізіологічні (робочі ритми) - коливання, що відображають діяльність фізіологічних систем організму ^3. Їх частота сильно варіює залежно від стану організму.

За природою виникнення:

Екзогенні ритми - виникають як реакція на періодичні зміни навколишнього середовища.

Ендогенні ритми - виникають на основі саморегулюючих процесів з запізнілої зворотним зв'язком, при цьому вони схильні до впливів зовнішнього середовища, які можуть зрушувати фазу біоритмів і впливати на їх амплітуду.

За рівнями організації біосистеми:

клітинний

органний

організменний

популяційний

біосферний

За частотою:

1. Ритми високої частоти (частки секунди - 30 хвилин)

2. Ритми середньої частоти (30 хвилин - 28 год):

3. Мезорітми (28 год - 7 діб)

4. Макрорітми (20 днів - 1 рік)

5. Мегарітми (десятки років)

Найбільш поширена в даний класифікація F. Halberg (1969) відображає періодичність біоритмів:

Короткохвильові ритми зачіпають окремі клітини (наприклад, ритм нервової діяльності) та тканини (наприклад, ритми електроенцефалограми, коливання війчастого епітелію та ін.)

У середньохвильовому діапазоні біоритми зачіпають цілі органами (наприклад, серце) і системи (кровообігу, дихання, гладкою мускулатурою).

У довгохвильовому діапазоні спостерігається вплив на весь організм (ритм сну / неспання). Більш тривалий діапазон впливає на весь організм (менструальний ритм у жінок) або цілу популяцію («хвилі життя»).

У залежності від постійної частот і їх модуляції в довго-і середньохвильовому діапазоні ритми можна позначати за їх періодичності (добові, місячні, річні), якщо вони є постійними і підтримуються синхронізованим дією чи не виходять з певного діапазону. У короткохвильовому діапазоні ритмічні функції схильні вираженої частотної модуляції, тому їх позначають по виконуваних їм функцій (дихальний, серцевий ритм, ритміка нервової діяльності).

У довгохвильовому діапазоні ритмічні процеси протікають між двома протилежними полюсами функцій, нагадуючи коливання маятника. У короткохвильовому діапазоні на перший план виходять імпульсні (релаксаційні) коливання. Маятникові коливання на графіку показують стабільну синусоїду і мають єдину частоту. В імпульсних коливаннях присутні високочастотні компоненти і раптові зміни графіка.

Природа біоритмів

Згідно з найбільш поширеною гіпотезою, живий організм є незалежною коливальної системою, яка характеризується цілим набором внутрішньо зв'язаних ритмів.

Цикли обміну речовин (метаболізм і катаболізм) безперервно відбуваються в клітинах і являють собою комплекси різноманітних біохімічних реакцій - розщеплення і синтезу речовин. Внаслідок цього в клітинах відповідно до метаболічними циклами постійно відбуваються періодичні зміни концентрацій речовин (ферментів, продуктів обміну, транспортної та матричної РНК та ін), які беруть участь у численних біохімічних реакціях. У результаті цих реакцій всі параметри внутрішнього середовища живих систем знаходяться в стані безперервних коливань щодо відповідних середніх значень.

Датчиками, що визначають швидкість і характер метаболічних процесів, в живих організмах є аллостеріческій модулятори і гормони, безперервно контролюють стан організму. Організм постійно прагне до підтримки гомеостазу (постійності) внутрішнього середовища-температури, pH, концентрації речовин, осмотичного тиску і ін У підтримці гомеостазу задіяні багато механізмів, в основному побудовані за принципом «зворотного зв'язку». Так, надлишок глюкози в крові запускає механізм її запасання (у вигляді глікогену), а недолік - до посилення розщеплення глікогену.

З цього випливає, що жоден процес у живих організмах не може відбуватися безперервно, а має чергуватися з протилежно спрямованим: вдих з видихом, робота з відпочинком, неспання зі сном, синтез з розщепленням і т.д. Таким чином, стан живого організму ніколи не буває статичним, а всі його фізіологічні та енергетичні параметри завжди перебувають у стані безперервних коливань щодо середніх значень як за частотою, так і за амплітудою.

Ці коливання і є біоритмами. За допомогою біоритмів живі організми за допомогою біоритмів забезпечують стійкість свого нерівноважного термодинамічного стану. Звідси можна вважати, що біоритми є способом існування всіх живих організмів. Вони дозволяють організму успішно пристосуватися до циклічних змін навколишнього середовища.

Ціркадіанние система включає безліч окремих підсистем, кожна з яких, ймовірно, здатна самостійно, незалежно від інших підсистем періодично змінюватися. Формування єдиної циркадианной системи забезпечується, з одного боку, за рахунок чіткої внутрішньої впорядкованості фазових співвідношень складових її ритмів, з іншого - за рахунок синхронізуючого дії зовнішніх датчиків часу. На думку більшості дослідників, регуляцію ритмів циркадианной системи забезпечує гіпоталамо-гіпофізарно система.

При високому ступені спряженості підсистем для синхронізації всієї системи в цілому не обов'язковий зовнішній датчик часу. Вроджена програма тимчасової упорядкованості функцій у процесі розвитку організму модифікується в напрямку пристосування до тимчасового профілю середовища. Здатність «пророкувати» час доби дозволяє організму опережающе передбачити вимоги до гомеостатичним системам і заздалегідь підключати для отримання пристосувального результату ті ефектори, включення яких у відповідну реакцію вимагає значного часу. наприклад, при нормальному сні температура тіла і зміст кортикостероїдів в плазмі починають підвищуватися задовго до закінчення сну і пробудження може наступити раніше, ніж буде включене світло. Вважають, що упорядкованість функцій у часі дозволяє організму розділяти не лише в просторі, але і в часі несумісні процеси, використовувати одні й ті ж структури, що вимагають у різний час різних локальних значень біохімічних або фізико-хімічних показників (наприклад, рН). Прикладами високоскоордінірованних в часі систем можуть бути гіпоталамо-гіпофізарно-тиреоїдна система, гіпоталамо-гіпофізарно-надниркова система, система підтримки оптимальної концентрації калію в плазмі і міжклітинному просторі.

У процесі природного відбору виживали лише ті організми, які могли не тільки уловити ті чи інші зміни в природних умовах, але і налаштувати ритмічний апарат в такт зовнішніх коливань. А це означало найкраще пристосування до навколишнього середовища. Так, тварини чергують ритми сну і неспання відповідно до найбільш вигідними для них умовами для добування їжі. Репродуктивні ритми (періоди родючості та безпліддя) також пристосовані до таких умов середовища, які найбільш оптимальні для вирощування потомства. Восени багато птахів відлітають на південь, а деякі тварини впадають в сплячку, що допомагає їм вижити, незважаючи на зовнішні екстремальні природні умови.

Циркадні біоритми

До циркадних (добовим) біоритмам відносяться зміна інтенсивності та характеру біологічних процесів і явища, які повторюються з періодичністю з періодом 24 ± 4 годин. Цим ритмам, обумовленим добовим (циркадного) ритмом зовнішнього середовища, пов'язаних з обертанням Землі навколо своєї осі, схильне більшість біохімічних і фізіологічних процесів росту, розвитку, руху і обміну речовин: частота поділу клітин, коливання і температури тіла, інтенсивність обміну речовин.

Так, у рослин добре відомі ритмічні цикли закриття квіток і опускання листя в нічний час і розкриття їх у денний час. При цьому ритми зберігаються навіть у відсутності сонячного світла, що було підтверджено дослідами російського біофізика С. Е. Шноля, який наводить приклад з квасолею мера, листя якої опускалися і піднімалися ввечері і вранці, навіть якщо вона знаходилася в повністю темній кімнаті. Таким чином, рослина як би «відчувало» час і визначало його своїми внутрішніми фізіологічними годинами. Зазвичай рослини визначають тривалість дня з переходу пігменту фітохрома з однієї форми в іншу при зміні спектрального складу сонячного світла. Так, на заході сонце має червоний колір внаслідок того, що червоне світло має велику довжину хвилі і менше розсіюється, ніж синій. У цьому західному або сутінковому світі багато червоного і інфрачервоного випромінювань, і рослини це сприймають. ⁴

До добовим ритмам відноситься чергування періодів активності спокою та активності тварин (денних і нічних). Для тварин важливо не абсолютне визначення часу, а відносне - коли зійде сонце і коли воно сяде, так як денні істоти використовують для пошуку їжі світлу частину дня, а нічні темну.

Цікавий добовий ритм вабливого краба (узбережжя Атлантичного океану) - це зміна забарвлення: з ранку краб більш світлий, але в міру того, як сонце піднімається все вище над горизонтом, він темніє. Пігмент, граючи захисну роль, оберігає його від палючих сонячних променів. Якщо ж цей час збігається з відливом, то більш темне забарвлення допомагає йому залишатися непоміченим на прибережному піску, куди краб відправляється в пошуках їжі.

Чітко виражені добові ритми у бджіл, мурашок.

Добові ритми людини

У людини відзначається близько трьохсот фізіологічних функцій, що мають добові ритми.

Згідно з «циркадианной системі людини», маса тіла є максимальною в 18-19 год, частота серцевих скорочень - в 15-16 ч. частота дихання - в ​​13-16 год, систолічний артеріальний тиск - у 15-18 год, рівень еритроцитів у крові - в 11-12 год, лейкоцитів - в 21-23 год, гормонів в плазмі крові (АКТГ, кортизол, 17-гідроксікортікостерон), циклічного аденозинмонофосфату - в 8-12 год, інсуліну, реніну - в 18 год, тестостерону - в 8 -9 ч, тироксину - в 14-15 год, загального білка крові - в 17-19 год, фібриногену-в 18 год, білірубіну (загального) - о 10 год, трансамінази - в 8-9 год, холестерину - в 18 год , азоту сечовини - в 22-23 ч.

Вранці сповільнюються, а ввечері прискорюються психічні процеси. У свою чергу, на ритми фізіологічних і психічних функцій впливають зміни сну і бадьорості, активності і спокою. Параметри добової кривої працездатності в період неспання (фаза, амплітуда, акрофаз) залежать від безлічі чинників: типу особистості, загальної обстановки, прийому їжі, рівня мотивації і т.д.

Порушення тимчасової упорядкованості ритмів біологічної системи позначають терміном десинхроноз. Вивчення механізмів виникнення десинхронозу має велике значення при організації режимів праці та відпочинку у представників різних спеціальностей, при проведенні профілактичних заходів з метою охорони здоров'я. Десинхроноз може виникати як результат фазової неузгодженості між ритмами біологічної системи і тими періодичними змінами в навколишньому середовищі, які для організму виступають як датчики часу (внешнеобусловленний десинхроноз, зовнішній десинхроноз), або внаслідок порушення координації між ритмами в самій системі. Зовнішній десинхроноз можна спостерігати у осіб, які вчинили переліт через 4-5 часових поясів, у космонавтів під час космічних польотів, при зміні денного режиму роботи на нічний.

У природі добові ритми складаються з процесів, обумовлених ендогенними ритмами, і реакції на добові зміни навколишнього середовища. При порушенні природного ритму середовища добові ритми різних фізіологічних функцій втрачають синхронність. Такі явища (десинхронізація) виникає, наприклад, при розведенні тварин і рослин в штучних умовах, при зміні часових поясів, при переході на літній / зимовий час і ін Десинхронізація може з'явитися причиною виникнення патологічних змін в організмі, зниження імунітету, погіршення адаптивних можливостей організму .

Таким чином, циркадная тимчасова програма реалізує дві різні задачі: з одного боку, вона зберігає свою автономію незалежно від впливу зовнішніх факторів. З іншого боку, вона здатна переставляти внутрішній годинник організму, що цикл, незважаючи на свою автономію, не був десинхронизированное з навколишнім світом.

Відзначено, що добові біоритми найбільш виражені у мешканців високих широт, де чітко виражені відмінності «денного» і «нічного» стану навколишнього середовища.

Місячні біоритми

Місячні (ціркулунарние) ритми - їх період в середньому 29,53 доби ѿ відповідають циклу фаз місяця, тобто місячно-місячному циклу.

Середня періодичність обертання Місяця навколо Землі впливає на численні геофізичними зміни: наприклад, зміна освітленості ночами, тиску повітря, температури, напрямку вітру, зміна магнітних полів Землі, і ці явища є тимчасовими покажчиками для ціркалунарних ритмів.

Найбільш вражаючі приклади орієнтації життєвих процесів на ціркалунарние ритми ми виявляємо у морських організмів. Наприклад, що мешкає на коралових рифах морський черв'як Палоло в певний час доби в останню декаду місячного циклу в жовтні і листопаді відокремлює свою рухому задню частину, наповнену продуктами статевої системи, у воду для продовження роду. Висока точність синхронізації по лунарного ритму характерна і для одного з виду комах, які синхронно виходять на морський берег для спарювання та відкладання яєць (потрібно враховувати, що тривалість життя самки в цьому випадку складає не більше 20 хвилин).

Місячні цикли періодів запліднення і народжуваності бувають не тільки синодичним, але і сізігіческімі з періодом в 14,7 діб. Один вид риб, які живуть на березі Каліфорнійської затоки, відкладає в молодик і повний місяць (під час припливу) на пляж ікру, яка розвивається на березі протягом 14 діб і потрапляє у воду з наступним великим припливом. Для деяких ендогенних ціркалунарних ритмів в лабораторних умовах була встановлена ​​синхронізація з місячним світлом.

Місячне світло обумовлює відмінності в нічний освітленості, що сприяє зміні активності тварин, що ведуть нічний або вечірній образ життя. Навіть якщо в умовах лабораторії виключити дію місячного світла, ціркалунарние процеси зберігають свою періодичність. Вона може бути обумовлена ​​синхронізацією з інших питань, пов'язаних з місячним циклом чинниками, наприклад, з коливаннями магнітного поля Землі. Сюди ж потрібно віднести коливання чутливості ока до рівня і спектру освітленості. У рибок гуппі найбільша чутливість до світла зміщується від фіолетового спектру в повний місяць в жовтий спектр в молодика. У людей також спостерігаються подібні зміни в чутливості зору, причому вона зміщується в тому ж колірному діапазоні. Крім того, відзначаються коливання в добовому обсязі сечі у людини, які збігаються з місячним циклом. Останнім часом було також виявлено, що є пов'язані з місячним ритмом коливання схильності до інфекцій.

У той час як причини згаданих вище феноменів та їх зв'язок з навколишнім середовищем ще не виявлені, можна точно сказати, що менструальний цикл жінок в цивілізованих країнах має ендогенний характер і, хоча і збігається за тривалістю з місячним циклом, але більше не синхронізований з ним. А у мавп, що живуть в області екватора, цикл овуляції синхронізований з місячними фазами.

Ріст рослин також пов'язаний з місячним циклом, що можна показати за коливаннями врожайності бобових, картоплі та редису. Вже давно широко використовуються «Місячні календарі», за якими визначають оптимальний час посадки та інших агротехнічних заходів.

Річні біоритми

Річні, або цірканнуальние біологічні ритми мають період коливання 1 рік ± 2 місяці і пов'язані з обертанням Землі навколо Сонця.

Ці ритми спостерігаються у всіх організмів від полярної до тропічної зони. Виразність річних (сезонних) ритмів наростає в міру збільшення географічної широти і чітко проявляється у організмів, які населяють помірні і полярні зони, де сезонні відмінності найбільш виразні. В основі коливальних функцій організму з річним періодом лежать, по-перше, пристосувальні реакції у відповідь на зміну основних параметрів зовнішнього середовища (температури, якісного та кількісного складу їжі, зміни водного режиму), по-друге, реакція на сигнальні фактори середовища, такі, як зміни фотоперіоду, напруженості геомагнітного поля, поява деяких хімічних компонентів. Річні біоритми проявляються, наприклад, в явищах міграцій, кочівель, зимової та літньої сплячки, репродуктивних процесах.

Зимова сплячка допомагає багатьом тваринам пережити несприятливий період. Тварини дивно точно визначають час для сплячки. Наприклад, ведмідь укладається в свій барліг завжди напередодні снігопаду. І потім 5,5 міс до квітневої температури в 12 ° звір спить, існуючи за рахунок накопиченого з осені жиру (запас його складає майже 1 / 3 маси тіла). Під час зимової сплячки температура тіла ведмедя знижується майже на 10 ° С, а частота дихання зменшується в 3 рази. Все це допомагає йому економно витрачати накопичені в теплу пору жізненниe ресурси. Якщо ж цей ритм порушений і звір з яких-небудь причин не заліг у барліг або раптом «несподівано» прокинувся в середині зими, він практично приречений на загибель. Ведмідь-шатун гине від голоду, перемагається безліччю паразитів, бурхливо розмножуються в що слабшає організмі.

Таких прикладів розладу біологічних годин досить багато. Іноді, при різкому осінньому потепління, деякі рослини можуть почати цвісти. Однак це негативно позначається на подальшій життєдіяльності рослини. ⁵

Відомі сезонні зміни захворюваності та смертності від деяких захворювань (зокрема, туберкульозу - весна, осінь).

Таким чином, біоритми є визначальною умовою існування живих організмів, спостерігаються на всіх рівнях організації живих систем і є адаптацією організмів до підтримання оптимального функціонування в умовах навколишнього середовища.

Використання знань про біоритми людини є важливим для поліпшення здоров'я (хрономедицина), працездатності, виживання в екстремальних умовах.

Література

1. Гіляров, М.С. Біологічний енциклопедичний словник / М. С. Гіляров. - М., 1986. - 893 с.

2. Горбачов, В.В. Концепції сучасного природознавства / В.В. Горбачов. - М., 2005. - 672 с.

3. Деряпа, Н.Р. Проблеми медичної біоритмології / Н. Р. Деряпа, М. П. Мошкін, В. С. Поснов. - М.: Медицина, 1985. - 208 с.

4. Доброборскій, Б.С Біологічні ритми як спосіб існування живої матерії Інтернет-джерело: http://www.neuch.ru/referat/80650.html

5. Доскін, В.А. Ритми життя / В. А. Доскін, Н. А. Лавреньева. - М.: Медицина, 1991. - 176 с.

6. Хільдебрандт, Г. Хронобіологія і хрономедицина / Г. Хільдебрандт, М. Мозер, М. Лехофер. - М.: Арнебія, 2006. - 144 с.