Ритм сердца как градусник
В функционировании системы кровообращения решающая роль принадлежит регуляции сердечного ритма. По ночам, когда температура тела понижается, сердце гонит кровь медленнее, чем днем. При повышении температуры на 0,5 градуса частота сердцебиения увеличивается примерно на 10-15%. Врачи часто определяют температуру больного, подсчитывая его пульс, хотя в норме у частоты сердцебиения существует довольно большой разброс.
Прекращение синхронизирующего влияния
До сих пор мы говорили главным образом об искусственных циклах свет-темнота. Рассмотрим теперь, что происходит в том случае, когда внешний ритм исчезает и устанавливается либо постоянный свет, либо постоянная темнота. В обоих случаях в течение более или менее продолжительного времени биологический ритм остается, но его период обычно отклоняется от 24 часов. Разумеется, воздействуя на организм другими внешними факторами, этот 24-часовой ритм можно восстановить. В помещениях, где проводятся подобные опыты, необходимо поддерживать постоянную температуру и влажность, не обойтись и без звукоизоляции. По данным некоторых исследователей, организмы, попавшие в такие условия, черпают обширную информацию о ходе времени из воспринимаемых ими временных изменений магнитного и электрического поля, а также различного рода излучений. Полностью изолировать подопытных животных и растения от внешних воздействий в большинстве случаев невозможно либо слишком сложно, поэтому слабые сигналы, поступающие извне, как правило, не принимаются исследователями во внимание.
Взаимодействие приливного и суточного ритмов
Животные, обитающие в прибрежной полосе, дважды в течение суток затопляемой морем (в некоторых местах прилив покрывает сушу только один раз в сутки), должны были приспособиться к исключительным условиям. Не все организмы могут перебираться в безопасную зону с наступлением неблагоприятного периода : во время прилива они прячутся в укромном месте и выходят из своего убежища, лишь когда опасность минует. Отправляясь на поиски пищи, животные выбирают для этого разное время: рыбу манит прибрежная зона в часы прилива, птицы предпочитают полосу у подножия берега, обнажающуюся в часы отлива.
24-часовой цикл фотопериодической чувствительности
В какую часть ночи освещение оказывает наибольшее влияние на организм? Чтобы ответить на этот вопрос, экспериментаторы задавали растениям и животным 24-часовой цикл с искусственным отношением свет-темнота, разбив подопытные организмы на группы и каждую группу освещая коротким световым импульсом в различное время ночи.
Теория внутренних часов
Более проблематична теория внутренних часов. Если их собственный, внутренний период не равен 24 часам, а чуть меньше или чуть больше суток, то при нормальных условиях часы необходимо ежесуточно подводить. Известно, однако, что при дальних путешествиях и экспериментально создаваемых сдвигах ритма возникают неприятные субъективные ощущения, поскольку нарушается согласованность ритмических процессов, протекающих с различными скоростями.
Механизм фотопериодической чувствительности
Дальнейшее изучение явлений с фотопериодической регуляцией обнаружило немало новых не менее удивительных особенностей их протекания. Растения короткого и длинного дня поместили в условия короткого дня. Как и следовало ожидать, зацвели только растения короткого дня. Но если эти растения осветить ночью на короткое время, то у растений длинного дня начинается репродуктивное развитие, а у растений короткого дня-торможение. Иначе говоря, для развития растения существенна продолжительность не светлого, а темного периода суток. Поэтому растения длинного дня правильнее было бы называть растениями короткой ночи, а растения короткого дня-растениями длинной ночи. Таким образом, растения (а согласно последним наблюдениям, и животные), у которых проявляется фотопериодизм, «измеряют» продолжительность ночи. Если продолжительность ночи превосходит некоторый критический предел или становится короче его, то в организме начинаются физиологические изменения, приводящие к началу цветения растений, развитию половых клеток и прочих явлений.
Светочувствительность
Растения воспринимают свет прежде всего прозрачными клетками, составляющими кожицу листьев. В восприятии синхронизирующего воздействия света, по всей вероятности, принимает участие не хлорофилл, а пигменты, называемые фитохромами. В пользу такого предположения гово-
Влияние ритма, задаваемого движением Луны
Из всех небесных тел Луна, по-видимому, была первым после Солнца светилом, которое с незапамятных времен привлекало внимание человека. Неисчислимы легенды и суеверия о магическом влиянии естественного спутника Земли (вспомним хотя бы небылицы о лунатизме). Однако свет и создаваемое массой Луны притяжение действительно оказывают влияние на жизнь на Земле. И этот факт неоспорим.
Приспособление ритмов к среде: ритм, задающий фазу
Каким образом ритмы согласуются с циклом внешнего освещения?
Если проследить в темноте или в более удобной для наблюдения полутьме за каким-нибудь животным, активным в ночное время, например за крысой или мышью, то окажется, что почти все 24 часа животное сохраняет активность: шевелит усами, исследует пищу, умывается, встает на задние лапы-хотя в его деятельности и прослеживается циркадный ритм. Но стоит в го или иное определенное время суток начать систематически включать на один час свет, как суточный ритм изменится. Создается впечатление, что животное стремится использовать короткий светлый период как своего рода временную веху. Если свет пришелся на начало активности, то на следующие сутки животное «встает» позже: вести тайный образ жизни удобнее не при свете. Наоборот, если включение света приходится на конец «рабочего дня», когда животное отправляется на покой, то в следующий раз оно примется за работу пораньше, чтобы успеть спрятаться в нору к тому моменту, когда ожидается включение света.
Теория внешних и внутренних часов
Мы уже упоминали о двух различных представлениях о регуляции ритмических процессов; каждое из них пытается представить объяснение этому явлению, все еще продолжающему вызывать споры.
Сторонники теории внешних часов отрицают существование самостоятельных внутренних колебаний и утверждают, что периодическая информация поступает извне, а роль биологических часов сводится лишь к тому, чтобы воспринять эту информацию и передать ее дальше. Иначе говоря, сторонники внешней теории уподобляют биологические часы солнечным.
Важнейший из факторов - свет
Свет является наиболее сильным синхронизирующим фактором не только для суточных движений листьев, но и для других биологических ритмов. Искусственно изменяя фазу внешнего цикла свет-темнота, можно произвольно сдвигать у подопытных растений и животных ритмы по фазе, то есть добиваться наступления определенной части цикла в любое заданное время суток. Удается изменять и период, но лишь в достаточно жестких пределах.
Ориентация с помощью часов
Туристам хорошо известно, что по Солнцу и наручным часам нетрудно определить, где находится север. Для этого часы поворачивают так, чтобы часовая стрелка указывала на Солнце, тогда биссектриса угла между часовой стрелкой и 12 часами даст направление на север. Объясняется такой способ определения стран света просто. Земля совершает за 24 часа оборот вокруг своей оси; значит, Солнце (имеется в виду его видимое движение по небосводу) за то же время описывает угол в 360°, то есть каждый час проходит дугу в 15°. В Северном полушарии Солнце в 12 часов стоит точно на юге, в Южном-на севере. Часовая стрелка наручных часов вращается вдвое быстрее Солнца, то есть проходит за час угол в 30°, двигаясь в том же направлении, что и Солнце.
Размножение косуль
Весьма интересно размножение косуль. Спаривание у них происходит в июле-августе, но оплодотворенная яйцеклетка не внедряется в слизистую оболочку матки и не развивается. То и другое совершается лишь во второй половине декабря, и потомство появляется на свет в мае, когда вокруг в изобилии свежие зеленые растения. Часть тех косуль, которые в разгар брачного периода остались без партнера, спариваются в декабре, и развитие яйцеклетки у них начинается сразу же после оплодотворения: период беременности таких косуль сокращается на 3 месяца.
Организмы короткого и длинного дня
Итак, изменение относительной продолжительности дня и ночи точно извещает организм (причем заранее) о предстоящей смене времен года, о наступлении холодов или тепла. Но, пожалуй, самое удивительное не в том, что в целях приспособления к условиям окружающей среды природа использует столь астрономически точную систему оповещения, а скорее в том, что растения и животные по своему образу жизни делятся на организмы короткого дня, длинного дня и, возможно, организмы смешанного типа.
Движения растений
Отправляясь в азиатские походы, Александр Македонский взял с собой ученых - историков и естествоиспытателей. Один из них по имени Андро-тений обратил внимание на ритмическое движение листьев рожкового дерева. По свидетельству Андротения, листья этого растения ночью утомленно повисали, а утром снова поднимались. Андротений подробно описал свои наблюдения в дневнике, но они долго