Биологические часы и их проявление в живой природе

Как показали многочисленные исследования различных ученых, растения и животные содержат в себе некий часовой механизм измерения времени — так называемые биологические часы. В чем проявляется действие этих часов, как они показывают время?

С древнейших времен человек наблюдал за периодическими изменениями у окружающих его живых организмов. Со времен Аристотеля (IV в. до н. э.) и до наших дней у исследователей не ослабевает интерес к удивительному и загадочному чувству времени. Некоторые факты, отмеченные исследователями, настолько поразительны и необычайны, что заставляют серьезно задуматься о природе их происхождения.

Человек с давних пор восхищался умением птиц находить дорогу к дому. Открытие способности птиц ориентироваться по Солнцу изумило исследователей. А то обстоятельство, что во время ночных полетов птицы ориентируются по звездам, буквально потрясло ученый мир. Изучение перелетов птиц позволило сделать важный вывод: многие птицы ежегодно совершают перелеты за сотни и тысячи километров по определенному маршруту. Если птицы сбиваются с пути или их специально удаляют от перелетных путей, то они все же самостоятельно находят дорогу к тем местам, через которые проходит их перелет в дальние края, и продолжают перелет по своему обычному маршруту. Немецкий ученый из Германии Г. Крамер в 1945 г. начал экспериментальное изучение способов ориентации птиц. Он обнаружил, что днем птицы ориентируются, сопоставляя положение Солнца со временем, которое показывают их биологические часы. Как доказали исследования, для такой ориентации по Солнцу точность хода их внутренних часов очень высока. Ошибка не превышает одной минуты. Наблюдения Крамера показали, что многие птицы (особенно мелкие) совершают ночные перелеты. Днем они вынуждены пополнять запасы энергии, израсходованные во время полета. Птицы совершают перелет в ночное время еще и потому, что ночью меньше отвлекающих факторов, и им легче преодолевать большие расстояния. Исследования дневных и ночных перелетов птиц Крамер проводил несколько необычным и оригинальным методом. Он помещал исследуемых птиц в круглую клетку со стеклянным верхом так, чтобы птицы могли видеть лишь участок неба, находящийся под углом зрения примерно 70°. Прозрачный пол клетки позволял наблюдателю следить за птицей. Важное условие в опытах Крамера было то, с какой стороны попадал свет в клетку. Оказалось, что направление полета птица определяла по Солнцу. Она знала, что для того, чтобы найти восток утром, надо двигаться по направлению к Солнцу, а в конце дня так, чтобы оно оставалось непосредственно сзади. В одном из своих экспериментов Крамер «остановил» Солнце, поместив источник света в течение всего дня с одной стороны клетки. И что же произошло? Птица «перепутала» все стороны света, приняв восток за запад в 6 час. утра и север за запад в полдень. Аналогичные опыты проводились в условиях искусственного ночного неба. В этих экспериментах было наглядно показано, что птицы во время перелетов хорошо ориентируются по звездам. Когда птице в планетарии показали весеннее небо, она повернулась на северо-восток, как это бывает в естественных условиях; под осенним небом — на юго-запад. Изменяя положение звезд на небосводе планетария, в котором была установлена клетка, можно было создавать у птицы впечатление ее постепенного перемещения на юг. Таким образом, птица, никогда не покидавшая своей клетки и ни разу не летавшая на юг, определяла направление перелета в южные страны. Понять, как птица определяет широту своего местоположения, вполне возможно. Она, подобно штурману, определяет высоту над горизонтом и направление на какую-то определенную звезду. Что же касается долготы, то определение ее штурман обычно производит путем сравнения местного времени, которое может быть определено, например, по восходу или заходу солнца, с показаниями точных часов — хронометра, идущего по гринвичскому времени. Надо полагать, что и у птицы есть точные внутренние часы, которые в отличие от хронометра штурмана показывают местное время того пункта, где она находится. Для подкрепления этой гипотезы немецкий ученый Ф. Зауэр провел эксперименты, в которых картина ночного неба менялась в соответствии с изменяемой долготой. Реагируя на изменение долготы, птицы определяли направление полета иначе, чем они это делали при изменении широты.

Не менее удивительно и загадочно поведение пчел. Свои наблюдения о ритмических танцах пчел, о их особом тонком чувстве времени, впервые опубликовал немецкий ученый К. Фриш еще в 1926 г. Он сделал важное открытие: танцы пчел позволяют им общаться между собой, являются их языком. Аналогичным образом общаются и муравьи.

Ритмические танцы пчел позволяют им сообщать друг другу о приближающейся опасности, указывать направление и расстояние до найденного источника корма. Чем медленнее исполняемый танец, тем дальше находится корм. Примечательно, что расстояние преуменьшалось при попутном ветре и преувеличивалось — при встречном. По-видимому, при определении расстояния пчелы учитывают мышечную работу. В своих сообщениях путем танца пчелы передают основную характеристику корма, точное его местоположение по отношению к Солнцу и расстояние. Нет сомнений, что такую информацию пчелы могут передавать, лишь имея внутренние биологические часы. Интересно отметить, что расположение Солнца в зените сбивает ориентировку пчел во времени и пространстве. Такой случай можно наблюдать лишь на экваторе, где Солнце бывает в зените. Не имея ориентировки во времени и пространстве, пчела в такой ситуации оставалась на месте. Пчелы обладают довольно высоко развитым чувством времени. По наблюдению многих исследователей, они в определенное время вылетают на поиски пищи и возвращаются в улей. Безусловно, без внутренних биологических часов они этого сделать не смогли бы.

Биологические часы есть и у растений. Их действие проявляется в периодических движениях листьев вслед за перемещением Солнца, во времени цветения и плодоношения, раскрывания и закрывания цветов, уровне фотосинтеза и т. д. У растений наиболее интересна суточная периодичность раскрывания цветов в утренние часы и закрывания в вечерние. Каждое растение «просыпается» в свое время. На рассвете открывает свои лепестки козлобородник. В 4 часа утра расправляет голубые цветки цикорий, а час спустя — мак, к 6 часам расцветает одуванчик, полевая гвоздика, к 7 часам — белая кувшинка, колокольчики, кульбаба копъелистная, огородный картофель и ястребинка зонтичная, в 8 часов утра вспыхивают яркие ноготки, бархатцы, вьюнки, к 10 часам — нежная кислица, и только к 11 часам раскрываются цветки торицы. Соблюдая строгую и точную очередность, растения также и «засыпают» в определенное время. В полдень начинает закрывать лепестки осот полевой, около 2 часов дня — картофель и одуванчик, в 3 часа исчезают цветущие венчики кульбабы копьелистной и мака, между 3 и 4 часами — торицы, к 4 часам складывают оранжевые лепестки ноготки, а в 5 часов — ястребинка зонтичная. В последующий час белая кувшинка смыкает свой венчик и уходит под воду. В это же время «засыпает» кислица и лютик. И, наконец, самыми последними, около 8 часов вечера, закрываются цветки шиповника. Существуют «ночные» цветы, раскрывающие лепестки ночью. Ровно в 8 часов вечера раскрывает свои яркие желтые лепестки энотера. Примерно в это же время распускаются цветы душистого табака, а после 9 часов — цветы горицвета. Учитывая такую интересную особенность пробуждения и засыпания различных растений, на садовой клумбе можно устроить живые часы. Для этого на клумбе рассаживают цветы в таком порядке, в каком они раскрываются и закрываются. По этим живым часам можно довольно точно определить время суток.

Интересно понаблюдать за тем, когда начинают пробуждаться и петь различные птицы. Начало ночи возвещают петухи, они поют первый раз в полночь, второй раз — до зари, около 2 часа ночи. В это же время пробуждается соловей и жаворонок. В 3-му часу ночи оживляются перепела, полевые жаворонки, затем — кукушка, иволга, крапивник. Придерживаясь своего внутреннего расписания, в 4 часа с гнезд слетают скворцы, трясогузки, зеленушки, к 6 часов утра просыпаются воробьи.

Биологические часы определяют суточную периодичность жизнедеятельности у многих животных. Она наиболее выражена в смене фаз двигательной активности и относительного покоя. Период активности в суточном ритме включает в основном короткие движения (бег, перелеты, порхание и т. д.) и более длительный относительный покой. Так, например, у некоторых хищников (щук, пауков, кошачьих) развилась способность к «оперативному покою», в котором они находятся, подкарауливая свою жертву. В состоянии покоя животные обычно находятся без движений, однако некоторые из них ненадолго пробуждаются (обезьяны гамадрилы просыпаются ночью на 30 мин. через каждые 2- З часа). Активность животных может приходиться на различное время суток (на дневное, ночное и на сумерки). Среди животных, активных в дневное время, наиболее типичные представители — куры, домашние свиньи, а также многие виды ящериц. На дневные часы у них приходится 80−90% двигательной активности. Наиболее характерные представители животного мира, у которых преобладает активность в ночное время, — летучие мыши, совы, черные хорьки, травяные лягушки, некоторые виды змей. Приблизительно одинаковую активность в дневное и ночное время имеют степной хорек, некоторые виды полевок, степная пеструшка, стерлядь, балтийский лосось.

При однократном чередовании фаз активности и покоя ритм называют монофазным, при многократном — полифазным. Как известно, человек спит один раз в сутки — ночью. Он имеет монофазный ритм чередования активности и покоя. Полифазный ритм наблюдается у домашней свиньи. У нее 14 фаз сна за сутки. Количество фаз активности и покоя у многих животных в зависимости от индивидуального развития и времен года может изменяться, при этом возможно смещение их положения в течение суток. Так, например, полевки в летнее время активны ночью, а в зимнее — днем. Весной и осенью у них на протяжении суток происходит чередование нескольких фаз активности и покоя. С наступлением зимы снижается активность в дневное время у желтогорлой мыши.

При соблюдении постоянства внешней среды (освещенности, температуры, влажности и т. д.) время наибольшей активности и покоя остается неизменным на протяжении длительного периода времени.

Биологические часы обнаружены почти у всех живых организмов, начиная с одноклеточных и кончая самыми высокоорганизованными — животными и человеком. Однако у человека действие биологических часов зависит от многих факторов, и их экспериментальное изучение более сложное и трудоемкое. В связи с этим процессы, свидетельствующие о существовании биологических часов, сначала изучаются на животных, а затем уже на человеке.