Расскажите что вам известно о биологических ритмах живых организмов
Биоритмы живых организмов
Биоритмы и биологические часы живых организмов
Нобелевская премия 2017 г. по медицине присуждена американцам Джеффри Холлу, Майклу Росбашу из Брандейского университета в Массачусетсе, и Майклу Янгуиз Нью-йоркского Университета Рокфеллера.
Они награждены за открытие молекулярных механизмов, контролирующих суточные биоритмы организмов.
Их открытия объясняют, как растения, животные и человек приспосабливают свои биоритмы к движению Земли.
Исследователи независимо друг от друга, проводя эксперименты на плодовой мушке дрозофилы (Drosophila) выделили ген, который контролирует нормальные биоритмы организма и определяет работу «биологических часов» животного.
Они выяснили, что этот ген контролирует белок, который накапливается в клетках за ночь и расходуется в течение активной части суток.
Затем они описали механизм, который регулирует этот процесс внутри клетки.
Ученые полагают, что биологические часы работают по такому же принципу и в более сложных биологических системах, в том числе и в человеческом организме.
Биоритмы
Современной науке известно более 300 биоритмов, которым подчиняется человеческий организм. Существуют биоритмы суточные, месячные, сезонные, годовые.
Все они характеризуются чередованием функциональной активности и отдыха органов и систем, что обеспечивает полноценное восстановление физиологических резервов организма.
Особое место в этой иерархии занимают циркадные (суточные) ритмы, связанные с циклической сменой дня и ночи, т.е. с вращением Земли вокруг своей оси.
По подсчетам ученых, около 500 процессов в человеческом организме происходит в суточном режиме.
В суточном ритме колеблются все физиологические показатели организма, начиная с температуры тела и заканчивая количеством кровяных телец.
В течение дня меняются концентрация и активность многих веществ в различных тканях, органах и жидкостных средах. Циркадным ритмам подчинены:
• интенсивность обменных процессов;
• энергетическое обеспечение клеток;
• чувствительность к воздействию факторов внешней среды;
• переносимость физических нагрузок.
В дневное время в нашем организме преобладают обменные процессы, направленные на извлечение энергии из накопленных питательных веществ.
Ночью – восполняется потраченный за день запас энергии, активизируются процессы регенерации, происходит восстановление тканей и «починка» внутренних органов.
Центр управления циркадными ритмами находится в головном мозге. Точнее, в супрахиазмальном ядре гипоталамуса, в клетках которого работают часовые гены.
Супрахиазмальное ядро получает световую информацию от фоторецепторов сетчатки глаза, а затем посылает сигналы в центры мозга, ответственные за циклическую выработку гормонов – регуляторов суточной активности организма.
Таким образом, гипоталамус является генератором биологических ритмов организма, играющий ведущую роль в регуляции деятельности желез внутренней секреции.
Изменение длительности светового дня влияет на активность «центра управления» и приводит к «циркадным стрессам», которые могут стать толчком к развитию многих заболеваний и ускорить процесс старения.
Согласно гипотезе «гипоталамических часов» старость рассматривается как нарушение внутренней среды организма, связанное с нарастанием активности гипоталамуса.
Существуют ли в человеческом организме биологические часы, отсчитывающие срок жизни и запускающие процессы старения в разных органах в разное время? Где они находятся, как действуют и можно ли их повернуть вспять?
Исследования, связанные с одной из теорий старения – теории предельного деления клеток, о которой мы подробнее расскажем в следующем разделе, привели к гипотезе о существовании «клеточных часов», которые отмеряют время жизни отдельной клетки и соответственно тканей и органов, где они расположены и человеческого организма в целом.
Согласно этой гипотезе, можно предположить, что часы, отсчитывающие время нашей жизни, заключены в каждой клетке организма.
Если принять эту версию, то получается, что почти все клетки человеческого организма имеют собственный «счетчик времени», отмеряющий продолжительность жизни.
Исключение составляют опухолевые, раковые клетки, которые способны «обнулять» работу клеточных часов, что позволяет им делиться бесконечное количество раз.
Согласно другой научной гипотезе, в организме должны быть «большие биологические часы», которые отсчитают отпущенное ему время жизни от рождения до смерти.
Вероятно, именно эти часы в определенный момент запускают деструктивные процессы в организме, которые принято называть старением.
Можно предположить, что «большие биологические часы» в организме являются частью единой временной системы, в которую входят часы головного мозга, часы отдельных органов и систем и клеточные часы.
Главным в этой системе может быть эпифиз, небольшая железа (шишковидное тело), расположенная в центре головного мозга. Основной функцией эпифиза является регуляция эндокринной системы и выработка гормонов.
Считается, что именно эпифиз способен улавливать колебания электромагнитного фона Земли, изменения временных и сезонных ритмов.
Каждую секунду, принимая, словно антенна, электромагнитные импульсы, он транслирует их генетическому аппарату, отсчитывая пройденное время.
Далее эпифизу подчиняется центральная нервная система, по которой настраиваются «часы» всех систем и органов. Возможно на эту же временную волну настраиваются и клеточные часы.
Таким образом, функционирует единая временная система человеческого организма.
Но это пока всего лишь версии гипотезы, которые требуют дополнительных исследований и убедительных весомых доказательств.
Характеристика абиотических факторов среды
Вопрос 2. Расскажите о приспособлениях живых организмов к недостатку воды.
Вода — необходимый компонент клетки, поэтому ее количество в том или ином местообитании определяет характер растительности и животного мира в данной местности. В некоторой зависимости от количества воды в окружающей среде находится и содержание ее в теле растений и животных и их устойчивость к высыханию.
Засухоустойчивые растения (верблюжья колючка, саксаул, пустынная полынь) обладают очень длинной, уходящей в глубину на 10 и более метров корневой системой. Их листья обычно узкие и жесткие, с восковым налетом на поверхности, что снижает потери воды при испарении. У некоторых растений (кактусы, молочаи) образуется толстый стебель с хорошо развитой фотосинтезирующей и водозапасающей тканью, а листья превращаются в колючки или чешуйки. Ряд трав успевает вырасти и отцвести за влажный весенний период, а затем переживает засуху в состоянии семян, луковиц, клубней. В жаркий день листья некоторых растений могут поворачиваться к падающим лучам солнца «ребром», например, как это происходит у дикого салата (отрицательный гелиотропизм). Эвкалипт для снижения транспирации тоже поворачивает листья ребром к солнцу. Такая ориентация пластинок защищает организм от чрезмерной потери воды и перегрева.
Многие животные также хорошо приспособлены к условиям пониженной влажности. Часть из них никогда не пьет, используя метаболическую воду и воду из пищи. Членистоногих защищает от испарения плотный хитиновый панцирь, а пресмыкающихся — ороговевшие покровы, утратившие кожные железы. Продуктом выделения у многих животных является практически безводная мочевая кислота. Существует и множество поведенческих адаптации: ночной образ жизни, спячка в засушливый период и т.д.
Вопрос 3. Благодаря какой части спектра солнечного излучения у растений осуществляется фотосинтез?
Для осуществления фотосинтеза растения используют видимую часть спектра. При этом водоросли и высшие растения, обладающие зеленым светочувствительным пигментом (хлорофиллом), более эффективно используют крайние участки спектра — красно-оранжевый и сине-фиолетовый. Зеленый цвет листьев обусловлен тем, что именно эту составляющую солнечного излучения хлорофилл поглощает слабее (а значит, сильнее отражает). Бурые и красные водоросли, обладающие несколько иными светочувствительными пигментами, настроены преимущественно на сине-зеленую часть спектра.
Вопрос 4. Расскажите, что вам известно о биологических ритмах живых организмов.
Поведенческая и физиологическая активность очень многих организмов характеризуется ритмичностью: дыхание и сердцебиение, деятельность, синхронная с приливами и отливами (т.е. с фазами луны), и т.д. Наиболее распространенный фактор, определяющий биологические ритмы, — это освещенность, которая меняется в течение суток и сезонно. Растения и животные реагируют на соотношение между продолжительностью периода освещенности и темноты в течение суток или времени года. Это явление называется фотопериодизмом.
Фотопериодизм регулирует суточные и сезонные ритмы жизнедеятельности организмов, а также представляет собой климатический фактор, который определяет жизненные циклы многих видов.
У растений фотопериодизм проявляется в синхронизации периода цветения и созревания плодов с периодом наиболее активного фотосинтеза; у животных — в совпадении периода размножения с обилием пищи, в миграциях птиц, смене шерстного покрова у млекопитающих, впадении в спячку, изменениях в поведении и т.д.
Многие цветы открываются и закрываются в определенное время; животные также организуют свой распорядок дня в зависимости от освещенности (дневная либо ночная активность). Целый ряд биохимических и физиологических процессов в организме человека изменяется с ритмом в 24 часа (сон и бодрствование, температура тела, артериальное давление, выделение гормонов).
Для сезонных ритмов определяющей является длина светового дня. От нее зависят сроки цветения и созревания плодов, а также начало листопада у растений, миграция птиц, смена шерстного покрова у млекопитающих, начало брачного сезона, подготовка к спячке и т.д.
Биологические ритмы человека
Биологические ритмы в живой природе
Каждую весну распускается зеленая листва, каждую зиму выпадает снег. С восходом солнца растения раскрывают свои цветы, первый луч падает на зеленый лист и запускает процессы фотосинтеза. Перелетные птицы осенью собираются в теплые края, белка запасает спелые орехи, а медведь и еж ищут укрытие поудобнее, чтобы пережить неблагоприятное холодное и голодное зимнее время.
Изучая поведение животных в природе, внимательный наблюдатель замечает, что птицы начинают готовиться к перелету с первыми признаками приближающейся осени. Хозяин таежных лесов медведь начинает искать место для спячки еще до того, как ударят первые морозы и снегопады заметут лесные тропы.
И горе тому животному, которое не успеет до холодов. Без помощи человека оно обречено на гибель, как Серая шейка в одноименной детской сказке. Медведь, поднятый среди зимы из берлоги, получает прозвище медведь-шатун. Злой, голодный, ходит по лесу, нагоняя страх на охотников, но и он обречен на мучительную гибель от голода. Мясом такого погибшего зверя брезгуют даже падальщики.
Можно заметить, что еще до появления первых признаков смены сезона, поведение животных меняется. И это не зря. Таким образом природа позволяет живым организмам заблаговременно подготовиться к грядущим переменам в природе и предупредить стресс, связанный с перестройкой сложных биохимических процессов и физиологических функций во время действия неблагоприятного фактора с помощью биологических ритмов организма.
Определение понятия биоритмы
Биоритмы — сформированная в ходе эволюции модель приспособления, проявляющаяся в виде повторяющихся изменений характера и степени выраженности биохимических и физиологических реакций, характеризующая способность живых существ выживать в периодически изменяющихся условиях среды.
Способность организма изменять процессы жизнедеятельности под влиянием условий внешней среды генетически обусловлена и характерна всем живущим организмам. Она характерна не только отдельным клеткам, но и целым популяциям.
Биологические ритмы организма человека сформировались за миллионы лет эволюции и определяются движением планеты Земля.
Влияние этого ритмического рисунка накладывается на всех обитателей (растения, домашние и дикие животные, многоклеточные и одноклеточные организмы) на нашей удивительной планете. И человек – не исключение. Испокон веков он живет в сложной системе биоритмов, от изменяющихся за несколько секунд молекулярных, происходящих в живой клетке и обеспечивающих процессы энергетического обмена, до длительных годовых, связанных с движением Земли вокруг Солнца.
Хронобиология
Исследование ритмических колебаний биохимических и физиологических процессов в живых организмах в зависимости от суточных, годовых, либо лунных циклов продолжаются со Средневековья до наших дней. Прорывом в исследованиях стали опыты Е.А. Форсгрена, шведского физиолога, который в уникальных опытах на лабораторных кроликах выявил суточные колебания в клетках печени уровня гликогена — сложного полисахарида, участвующего в энергетическом обмене.
Лишь в 1960 году на симпозиуме в Cold Spring Harbor Laboratory, после того, как доклады исследователей, представляющих различные отрасли науки, были заслушаны, выяснилось, что ученые из разных областей физиологии, биологии, генетики, биохимии описывали одни и те же феномены, связанные с изменением активности процессов во времени, и приняли решение выделить хронобиологию как отдельную науку.
Исследование биохимических процессов продолжается. В настоящее время ученые выделяют около 300 различных биохимических и физиологических процессов в организме человека, активность которых изменяется на протяжении времени и регулярно чередуется, имея свои минимумы и максимумы значений.
Классификация биоритмов
Согласно классификации советских ученых-медиков Н.И. Моисеевой и В.Н. Сысуева (1961), в зависимости от периода — промежутка времени между двумя максимальными или минимальными значениями — биологические ритмы делятся на:
Высокочастотные ритмы длятся от миллисекунды до получаса. К этой категории относятся сердечные сокращения, дыхательные движения, волны перистальтики в кишечнике. Медицинская аппаратура позволяет зафиксировать ритмы и получить сведения о функции различных систем человеческого организма. Электроэнцефалография регистрирует периодическую активность головного мозга, электромиография — мышечную активность, электрокардиография — сердечные сокращения, и данные используются не только в научных целях, но и для диагностики патологии.
К среднечастотным относятся биоритмы с продолжительностью от 30 минут до 6 дней. В эту группу входят циркадианные или циркадные (суточные) ритмы: повышение температуры тела к восемнадцати часам и снижение до минимума к полуночи, цикл «сон-бодрствование», о котором подробно рассказано на странице 22 учебника «Биология 10 класс» под редакцией В.И.Сивоглазова. Изменения некоторых показателей можно зафиксировать при суточном исследовании — холтеровском мониторировании ЭКГ или артериального давления. И такие исследования широко применяются в медицине для подбора необходимого лечения.
В группу низкочастотных ритмов относят колебания с периодичностью от 28 часов до десятилетий. В данный раздел входят менструальный цикл у женщин, а также годовые ритмы. Так, зимой по сравнению с летом, снижается в крови содержание сахара, увеличивается количество АТФ и холестерина.
Ранее считали, что как таковых, недельных ритмов у живых организмов нет, а деление на недели пошло от чередований фаз луны еще со времен Древнего Вавилона. И только в последнее время, когда биохимия сделала гигантский шаг вперед, и появилась возможность определить концентрацию биологически активных веществ не только в крови, но и в моче, ученые выявили колебания гормональных показателей, выделяемых надпочечниками, с примерным семидневным циклом.
В ходе астрономических наблюдений установлено, что за время оборота Солнца вокруг своей оси, который составляет двадцать семь суток, регистрируются различные значения магнитного поля между планетами Солнечной системы. Положение Земли изменяется с периодичностью в 6,75 суток. Планета оказывается в разнообразных секторах солнечного магнитного поля, что вызывает изменения планетарного геомагнитного поля, которое влияет на климатические условия, а также жизнедеятельность живых организмов.
В последние десятилетия ритмы современной жизни с ночными клубами, предприятиями, работающими круглосуточно, путешествиями на другую сторону земного шара значительно влияют на биологические ритмы человека. Учитывая влияние социальной жизни на физиологию человека, выделяют:
Физиологические биоритмы — непрекращающаяся работа биохимических процессов в каждой клетке организма, для обеспечения чередования циклов вдоха-выдоха, непрерывного сокращения сердца, для бесперебойной работы системы кровообращения и других систем. Они обеспечивают жизнедеятельность организма независимо от условий среды обитания. Способность физиологических ритмов к изменениям обеспечивает адаптационный резерв человека к существованию в экстремальных условиях от архипелагов Арктики до жаркой пустыни Каракум.
Вращение Луны вокруг нашей голубой планеты, и Земли вокруг Солнца приводит к смене сезонов года в окружающей природе и формированию геофизических биоритмов, которые обеспечивают перестройку физиологических биоритмов под сезонные климатические изменения.
Социальные биоритмы формируются под влиянием условий жизни, принятых в обществе, где человек обитает: сменная работа, чередование труда и пассивного отдыха, активная клубная жизнь у молодежи или приверженность ЗОЖ. Через некоторое время стабильных чередований физических нагрузок, труда и отдыха у человека формируются автоматические колебания, близкие к его обычному циклу труд-отдых. Наличие социальных биоритмов подтверждает высокую способность человека адаптироваться к окружающей его среде.
Подводя итоги, отметим, что к сегодняшнему дню хронобиология достигла определенных успехов и позволила сделать ряд выводов, касающихся живой природы:
Исследования биоритмов не прекращаются, и в 2017 году группа ученых из США получили Нобелевскую премию за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадными ритмами.
Что вы знаете о биологических ритмах живых организмов?
Биологические ритмы интересны тем, что во многих случаях сохраняются даже при постоянстве условий среды. Такие ритмы называют эндогенными, т. е. «идущими изнутри» : хотя обычно они и коррелируют с ритмичными изменениями внешних условий, например чередованием дня и ночи, их нельзя считать прямой реакцией на эти изменения. Эндогенные биологические ритмы обнаружены у всех организмов, кроме бактерий. Внутренний механизм, поддерживающий эндогенный ритм, т. е. позволяющий организму не только чувствовать течение времени, но и измерять его промежутки, называется биологическими часами.
Считается, что такова природа всех биологических часов: химические реакции в каждой клетке организма протекают ритмично, клетки «подстраиваются» друг под друга, т. е. синхронизируют свою работу, и в результате пульсируют одновременно. Эти синхронизированные действия можно сравнить с периодическими колебаниями часового маятника.
Циркадианные ритмы. Большой интерес представляют биологические ритмы с периодом около суток. Они так и называются – околосуточными, циркадианными или циркадными – от лат. circa – около и dies – день.
Биологические процессы с циркадианной периодичностью весьма разнообразны. Например, три вида светящихся грибов усиливают и ослабляют свое свечение каждые 24 часа, даже если искусственно держать их при постоянном свете или в полной темноте. Ежесуточно изменяется свечение одноклеточной морской водоросли Gonyaulax. У высших растений в циркадианном ритме протекают различные метаболические процессы, в частности фотосинтез и дыхание. У черенков лимона с 24-часовой периодичностью колеблется интенсивность транспирации. Особенно наглядные примеры – ежесуточные движения листьев и раскрывания-закрывания цветков.
Разнообразные циркадианные ритмы известны и у животных. Примером может служить близкое к актиниям кишечнополостное – морское перо (Cavernularia obesa), представляющее собой колонию из множества крошечных полипов. Морское перо живет на песчаном мелководье, втягиваясь в песок днем и разворачиваясь по ночам, чтобы питаться фитопланктоном. Этот ритм сохраняется в лаборатории при неизменных условиях освещения.
Четко работают биологические часы у насекомых. Например, пчелы знают, когда раскрываются определенные цветки, и навещают их ежедневно в одно и то же время. Пчелы также быстро усваивают, в какое время им выставляют на пасеке сахарный сироп.
У человека не только сон, но и многие другие функции подчинены суточному ритму. Примеры тому – повышение и понижение кровяного давления и выделения калия и натрия почками, колебания времени рефлекса, потливости ладоней и
Адаптивные биологические ритмы и характеристика основных биологических ритмов
Важное свойство, которым обладает географическая оболочка нашей планеты — ритмичность. Что такое ритмичность в биологии?
Понятие адаптивных биологических ритмов
Ритмичность в биологии — это процесс повторения явлений в определенное время.
Будучи одной из составляющих географической оболочки, биосфера также подвержена ритмичности. Жизнедеятельность организмов на планете во многом зависит от движения тел Солнечной системы, изменений температуры, влажности и освещенности. На все эти изменения живые организмы реагируют.
На случай периодических изменений интенсивности экологических факторов у организмов есть специальные приспособленческие реакции — это адаптивные биологические ритмы.
Адаптивные биологические ритмы в зависимости от длительности причин возникновения делятся на:
Такое явление как «биологические часы» непосредственно связано с биологическими адаптивными ритмами.
Биологические часы — способность живых организмов выдавать реакцию на течение времени.
С помощью этого явления живые организмы могут согласовывать свои физиологические ритмы с изменениями, происходящими в окружающей среде.
Характеристика биологических ритмов
Рассмотрим подробнее каждый из вариантов биологических ритмов.
Суточные ритмы
Планета Земля вращается вокруг своей оси — полный оборот она совершает за 24 часа. В результате, в течение суток два раза меняется освещенность, которая становится причиной температурных колебаний, изменения влажности и атмосферного давления. Все это непосредственно влияет на активность живых организмов.
Солнечный свет очень важен для жизнедеятельности: он задает периодичность процессов фотосинтеза, транспирации, времени, когда будут раскрываться и закрываться цветки у растений. Животных изменения освещенности тоже затрагивают: смена дня и ночи влияет на особенности их физиологических процессов. Отсюда условное деление всех животных на ночных и дневных.
Однако в случае изменения условий среды, меняется и суточная активность живых организмов.
В жарких пустынях, когда температура днем достигает максимума, а влажность — минимума, дневные животные проявляют свою активность ночью.
Суточные ритмы связаны и с человеком, который также является частью природы. Интенсивность более ста его жизненных функций определяется временем суток.
Приливно-отливные ритмы
Приливно-отливные ритмы — результат взаимодействий Земли и Луны. Наиболее полно и явно они наблюдаются у обитателей прибрежных участков Мирового океана (такие участки называются литорали).
В течение лунных суток — они длятся 24 часа и 50 минут — прилив и отлив происходят по два раза. Такая смена природных условий заставляет организмы к ней приспосабливаться. Каждый организм приспосабливается по-своему:
Приливно-отливные ритмы определяют размножение рыб атерин-грунион. Нерест осуществляется только тогда, когда Луна находится в определенной фазе.
Сезонные ритмы
Сезонные ритмы — результат вращения Земли вокруг Солнца. Это вращение приводит к изменению климата на планете. Сезонные ритмы определяют такие процессы как размножение, развитие, жизненные циклы, линька, спячка, миграция, состояние покоя и период вегетации у растений, а также многое другое.
Многолетние циклы
Многолетние циклы — результат изменения солнечной активности и взаимодействия небесных тел Солнечной системы.
Массовое размножение перелетной саранчи в отдельные годы — яркий пример многолетних циклов.
Также пример многолетних циклов — периодическое отклонение холодного перуанского течения у берегов Южной Америки. Это явление называется Эль-Ниньо, и происходит оно раз в 11-12 лет.
Фотопериодизм
Длительность светового дня — важное условие существования и жизни всех организмов, а также самый стабильный экологический фактор.
Фотопериодизм — комплекс наследственных реакций живого организма на то, как изменяется световой период суток.
Это свойство встречается у всех организмов. Однако наиболее ярко проявляется у тех, что живут в условиях, когда сезонные изменения среды происходят резко.
Изменение длительности светового дня у растений проявляется тем, что они меняют интенсивность синтеза фитогормонов. За счет этого регулируется рост и развитие растения.
Фотопериодизм очень ярко проявляется у перелетных птиц: сокращение светового дня является сигналом для миграции.