Биоритмы как факторы естественного отбора и адаптации организмов

Министерство образования и науки Российской Федерации Российская Академия Предпринимательства Новосибирский филиал Реферат по курсу Концепция современного естествознания Тема:

«Биоритмы как факторы естественного отбора и адаптации организмов»

Выполнил: студент гр. М29з Минченко Я.А.

г. Новосибирск

2010 г.

Содержание Введение История и развитие хронобиологии Классификация биоритмов Природа биоритмов Циркадные биоритмы Лунные биоритмы Годичные биоритмы Литература

Введение

Одним из принципов современного материалистического естествознания является принцип единства организма и среды. Составляя единство со средой обитания, все живые организмы и надорганизменнные системы обладает ритмичностью всех процессов. Их жизнедеятельность подчинена периодическим ритмам, отражающим реакции биосистем на ритмы природы и в целом всей Вселенной (астрономические, геофизические). «Весь растительный и животный мир, а с ним и человек, извечно и непрестанно испытывает на себе ритмические воздействия внешнего физического мира и извечно отвечает на биение мирового пульса ритмическими пульсирующими реакциями», писал русский социолог П. Я. Соколов.

Биологические ритмы — периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Гиляров, М. С. Биологический энциклопедический словарь/ М. С. Гиляров. — М., 1986. — с. 65.

Эти периодические процессы существуют на всех уровнях организации живых систем и охватывают широкий диапазон частот. Чем сложнее биосистема, тем большее количество биоритмов она имеет. Биологические ритмы закреплены на генетическом уровне и являются важными факторами естественного отбора и адаптации организмов.

Наличие биоритмов обусловлено синхронизацией биохимических процессов в организме. Поскольку живой организм является иерархической системой, то он должен соразмерять ее функционирование с синхронизацией всех подуровней и подсистем не только во времени, но и в биологическом пространстве. Такая синхронизация связана с наличием биоритмов в системе. Чем сложнее система, тем больше у нее биоритмов.

История и развитие хронобиологии Хронобиология — наука, изучающая биоритмы.

С древних времен хорошо известно, что в зависимости от времени суток листья и лепестки растений могут совершать определенные движения. Еще в 1745 году Карл Линней опубликовал свои «цветочные часы», которые позволяют по времени распускания и закрытия цветов определять время суток.

Рис. 1 Цветочные часы К. Линнея (1745)

Первые исследования суточных ритмов у человека (частота сердечных сокращений, частота мочеиспусканий, температура тела) были проведены в первой половине XIX века. В учебниках этого периода по физиологии человека можно встретить указания на существование эндогенных (возникающих в самом организме) ритмических функций. В 1928 году Forsgren открыл суточный ритм секреции желчи и накопления глюкозы в печени. В 1936 году была окончательно установлена эндогенная природа суточных ритмов цветов и растений, для чего были исключены любые внешние воздействия. Другими вехами развития хронобиологии стали открытие ориентации пчел и птиц в полете по солнцу, анализ координации ритмических функций, а также подтверждение эндогенных циркадианных ритмов человека. За счет исследований космоса, особенно за счет исключения влияния земного времени был дан новый импульс становлению хронобиологии как науки. Основной интерес при изучении биологических ритмов по-прежнему уделяется суточным, лунным и годовым ритмам, особенно с точки зрения экзогенной и эндогенной регуляции «внутренних часов». Хильдебрандт, Г. Хронобиология и хрономедицина/ Г. Хильдеб-рандт, М. Мозер, М. Лехофер. — М.: Арнебия, 2006. — с. 15−16

Классификация биоритмов Существует несколько классификаций биоритмов.

Так, с точки зрения взаимодействия организма и среды выделяют:

Адаптивные ритмы (собственно биоритмы) — колебания с периодами, близкими к основным геофизическим циклам, роль которых заключается в адаптации организма к периодическим изменениям внешней среды. Их частота стабильна.

Физиологические (рабочие ритмы) — колебания, отражающие деятельность физиологических систем организма Деряпа, Н. Р. Проблемы медицинской биоритмологии / Н. Р. Деряпа, М. П. Мошкин, В. С. Посный. — М.: Медицина, 1985. — с. 5. Их частота сильно варьирует в зависимости от состояния организма.

По природе возникновения:

Экзогенные ритмы — возникают как реакция на периодические изменения окружающей среды.

Эндогенные ритмы — возникают на основе саморегулирующихся процессов с запаздывающей обратной связью, при этом они подвержены воздействиям внешней среды, которые могут сдвигать фазу биоритмов и воздействовать на их амплитуду.

По уровням организации биосистемы:

клеточный органный организменный популяционный биосферный По частоте:

1. Ритмы высокой частоты (доли секунды — 30 минут)

2. Ритмы средней частоты (30 минут — 28 ч):

3. Мезоритмы (28 ч — 7 суток)

4. Макроритмы (20 дней — 1 год)

5. Мегаритмы (десятки лет) Наиболее распространенная в настоящее классификация F. Halberg (1969) отражает периодичность биоритмов:

Коротковолновые ритмы затрагивают отдельные клетки (например, ритм нервной деятельности) и ткани (например, ритмы электроэнцефалограммы, колебания реснитчатого эпителия и пр.).

В средневолновом диапазоне биоритмы затрагивают целые органами (например, сердце) и системы (кровообращения, дыхания, гладкой мускулатурой).

В длинноволновом диапазоне наблюдается воздействие на весь организм (ритм сна/бодрствования). Более длительный диапазон затрагивает весь организм (менструальный ритм у женщин) или целую популяцию («волны жизни»).

В зависимости от постоянной частот и их модуляции в длиннои средневолновом диапазоне ритмы можно обозначать по их периодичности (суточные, месячные, годовые), если они являются постоянными и поддерживаются синхронизированным действием или не выходят из определенного диапазона. В коротковолновом диапазоне ритмические функции подвержены выраженной частотной модуляции, поэтому их обозначают по выполняемым им функциям (дыхательный, сердечный ритм, ритмика нервной деятельности).

В длинноволновом диапазоне ритмические процессы протекают между двумя противоположными полюсами функций, напоминая колебания маятника. В коротковолновом диапазоне на первый план выходят импульсные (релаксационные) колебания. Маятниковые колебания на графике показывают стабильную синусоиду и имеют единственную частоту. В импульсных колебаниях присутствуют высокочастотные компоненты и внезапные изменения графика.

Природа биоритмов Согласно наиболее распространенной гипотезе, живой организм является независимой колебательной системой, которая характеризуется целым набором внутренне связанных ритмов.

Циклы обмена веществ (метаболизм и катаболизм) непрерывно происходят в клетках и представляют собой комплексы разнообразных биохимических реакций — расщепления и синтеза веществ. Вследствие этого в клетках в соответствии с метаболическими циклами постоянно происходят периодические изменения концентраций веществ (ферментов, продуктов обмена, транспортной и матричной РНК и др.), которые участвуют в многочисленных биохимических реакциях. В результате этих реакций все параметры внутренней среды живых систем находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно соответствующих средних значений.

Датчиками, определяющими скорость и характер метаболических процессов, в живых организмах являются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующие состояние организма. Организм постоянно стремится к поддержанию гомеостаза (постоянства) внутренней средытемпературы, pH, концентрации веществ, осмотического давления и др. В поддержании гомеостаза задействованы многие механизмы, в основном построенные по принципу «обратной связи». Так, избыток глюкозы в крови запускает механизм ее запасания (в виде гликогена), а недостаток — к усилению расщепления гликогена.

Из этого следует, что ни один процесс в живых организмах не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез с расщеплением и т. д. Таким образом, состояние живого организма никогда не бывает статическим, а все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений как по частоте, так и по амплитуде.

Эти колебания и являются биоритмами. С помощью биоритмов живые организмы с помощью биоритмов обеспечивают устойчивость своего неравновесного термодинамического состояния. Отсюда можно считать, что биоритмы являются способом существования всех живых организмов. Они позволяют организму успешно приспособиться к циклическим изменениям окружающей среды.

Циркадианная система включает множество отдельных подсистем, каждая из которых, вероятно, способна самостоятельно, независимо от других подсистем периодически изменяться. Формирование единой циркадианной системы обеспечивается, с одной стороны, за счет четкой внутренней упорядоченности фазовых соотношений составляющих ее ритмов, с другой — за счет синхронизирующего действия внешних датчиков времени. По мнению большинства исследователей, регуляцию ритмов циркадианной системы обеспечивает гипоталамо-гипофизарная система.

При высокой степени сопряженности подсистем для синхронизации всей системы в целом не обязателен внешний датчик времени. Врожденная программа временной упорядоченности функций в процессе развития организма модифицируется в направлении приспособления к временному профилю среды. Способность «предсказывать» время суток позволяет организму опережающе предвидеть требования к гомеостатическим системам и заранее подключать для получения приспособительного результата те эффекторы, включение которых в ответную реакцию требует значительного времени. например, при нормальном сне температура тела и содержание кортикостероидов в плазме начинают повышаться задолго до окончания сна и пробуждение может наступить раньше, чем будет включен свет. Считают, что упорядоченность функций во времени позволяет организму разделять не только в пространстве, но и во времени несовместимые процессы, использовать одни и те же структуры, требующие в разное время различных локальных значений биохимических или физико-химических показателей (например, рН). Примерами высокоскоординированных во времени систем могут быть гипоталамо-гипофизарно-тиреоидная система, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система, система поддержания оптимальной концентрации калия в плазме и межклеточном пространстве.

В процессе естественного отбора выживали лишь те организмы, которые могли не только уловить те или иные изменения в природных условиях, но и настроить ритмический аппарат в такт внешних колебаний. А это означало наилучшее приспособление к окружающей среде. Так, животные чередуют ритмы сна и бодрствования в соответствии с наиболее выгодными для них условиями для добывания пищи. Репродуктивные ритмы (периоды плодородия и бесплодия) также приспособлены к таким условиям среды, которые наиболее оптимальны для выращивания потомства. Осенью многие птицы улетают на юг, а некоторые животные впадают в спячку, что помогает им выжить, несмотря на внешние экстремальные природные условия.

Циркадные биоритмы К циркадным (суточным) биоритмам относятся изменение интенсивности и характера биологических процессов и явления, которые повторяются с периодичностью с периодом 24±4 часов. Этим ритмам, обусловленным суточным (циркадным) ритмом внешней среды, связанным с вращением Земли вокруг своей оси, подвержено большинство биохимических и физиологических процессов роста, развития, движения и обмена веществ: частота деления клеток, колебания и температуры тела, интенсивность обмена веществ.

Так, у растений хорошо известны ритмические циклы закрытия цветков и опускания листьев в ночное время и раскрытия их в дневное время. При этом ритмы сохраняются даже в отсутствии солнечного света, что было подтверждено опытами российского биофизика С. Э. Шноля, который приводит пример с фасолью Мэрана, листья которой опускались и поднимались вечером и утром, даже если она находилась в полностью темной комнате. Таким образом, растение как бы «чувствовало» время и определяло его своими внутренними физиологическими часами. Обычно растения определяют длительность дня по переходу пигмента фитохрома из одной формы в другую при изменении спектрального состава солнечного света. Так, на закате солнце имеет красный цвет вследствие того, что красный свет имеет большую длину волны и меньше рассеивается, чем синий. В этом закатном или сумеречном свете много красного и инфракрасного излучений, и растения это воспринимают. Горбачев, В. В. Концепции современного естествознания / В. В. Горбачев. — М., 2005. —с. 274−275

К суточным ритмам относится чередование периодов активности покоя и активности животных (дневных и ночных). Для животных важно не абсолютное определение времени, а относительное — когда взойдет солнце и когда оно сядет, так как дневные существа используют для поиска пищи светлую часть дня, а ночные темную.

Интересен суточный ритм манящего краба (побережье Атлантического океана) — это изменение окраски: с утра краб более светлый, но по мере того, как солнце поднимается все выше над горизонтом, он темнеет. Пигмент, играя защитную роль, предохраняет его от палящих солнечных лучей. Если же это время совпадает с отливом, то более темная окраска помогает ему оставаться незамеченным на прибрежном песке, куда краб отправляется в поисках пищи.

Четко выражены суточные ритмы у пчел, муравьев.

Суточные ритмы человека У человека отмечается около трехсот физиологических функций, имеющих суточные ритмы.

Согласно «циркадианной системе человека», масса тела является максимальной в 18—19 ч, частота сердечных сокращений — в 15—16 ч. частота дыхания — в 13—16 ч, систолическое артериальное давление — в 15—18 ч, уровень эритроцитов в крови — в 11—12 ч, лейкоцитов — в 21—23 ч, гормонов в плазме крови (АКТГ, кортизол, 17-гидроксикортикостерон), циклического аденозинмонофосфата — в 8—12 ч, инсулина, ренина — в 18 ч, тестостерона — в 8—9 ч, тироксина — в 14—15 ч, общего белка крови — в 17—19 ч, фибриногена —в 18 ч, билирубина (общего) — в 10 ч, трансаминазы — в 8—9 ч, холестерина — в 18 ч, азота мочевины — в 22—23 ч.

Утром замедляются, а вечером ускоряются психические процессы. В свою очередь, на ритмы физиологических и психических функций влияют смены сна и бодрствования, активности и покоя. Параметры суточной кривой работоспособности в период бодрствования (фаза, амплитуда, акрофаза) зависят от множества факторов: типа личности, общей обстановки, приема пищи, уровня мотивации и т. д.

Нарушение временной упорядоченности ритмов биологической системы обозначают термином десинхроноз. Изучение механизмов возникновения десинхроноза имеет большое значение при организации режимов труда и отдыха у представителей различных специальностей, при проведении профилактических мероприятий с целью охраны здоровья. Десинхроноз может возникать как результат фазового рассогласования между ритмами биологической системы и теми периодическими изменениями в окружающей среде, которые для организма выступают как датчики времени (внешнеобусловленный десинхроноз, внешний десинхроноз), либо вследствие нарушения координации между ритмами в самой системе. Внешний десинхроноз можно наблюдать у лиц, совершивших перелет через 4—5 часовых поясов, у космонавтов во время космических полетов, при смене дневного режима работы на ночной.

В природе суточные ритмы складываются из процессов, обусловленных эндогенными ритмами, и реакции на суточные изменения окружающей среды. При нарушении естественного ритма среды суточные ритмы разных физиологических функций теряют синхронность. Такие явления (десинхронизация) возникает, например, при разведении животных и растений в искусственных условиях, при смене часовых поясов, при переходе на летнее/зимнее время и др. Десинхронизация может явиться причиной возникновения патологических изменений в организме, снижению иммунитета, ухудшению адаптивных возможностей организма.

Таким образом, циркадная временная программа реализует две различные задачи: с одной стороны, она сохраняет свою автономию независимо от воздействия внешних факторов. С другой стороны, она способна переставлять внутренние часы организма, чтобы цикл, несмотря на свою автономию, не был десинхронизирован с окружающим миром.

Отмечено, что суточные биоритмы наиболее выражены у обитателей высоких широт, где четко выражены отличия «дневного» и «ночного» состояния окружающей среды.

Лунные биоритмы Лунные (циркулунарные) ритмы — их период в среднем 29,53 суток? соответствуют циклу фаз луны, т. е. лунно-месячному циклу.

Средняя периодичность вращения Луны вокруг Земли влияет на многочисленные геофизическими изменения: например, изменение освещенности по ночам, давления воздуха, температуры, направления ветра, изменение магнитных полей Земли, и эти явления являются временными указателями для циркалунарных ритмов.

Наиболее впечатляющие примеры ориентации жизненных процессов на циркалунарные ритмы мы обнаруживаем у морских организмов. Например, обитающий на коралловых рифах морской червь Палоло в определенное время суток в последнюю декаду лунного цикла в октябре и ноябре отделяет свою подвижную заднюю часть, наполненную продуктами половой системы, в воду для продолжения рода. Высочайшая точность синхронизации по лунарному ритму характерна и для одного из вида насекомых, которые синхронно выходят на морской берег для спаривания и откладывания яиц (нужно учитывать, что продолжительность жизни самки в этом случае составляет не более 20 минут).

Лунные циклы периодов оплодотворения и рождаемости бывают не только синодическими, но и сизигическими с периодом в 14,7 суток. Один вид рыб, живущих на берегу Калифорнийского залива, откладывает в новолуние и полнолуние (во время прилива) на пляж икру, которая развивается на берегу в течение 14 суток и попадает в воду со следующим большим приливом. Для некоторых эндогенных циркалунарных ритмов в лабораторных условиях была установлена синхронизация с лунным светом.

Лунный свет обусловливает различия в ночной освещенности, что способствует изменению активности животных, ведущих ночной или вечерний образ жизни. Даже если в условиях лаборатории исключить действие лунного света, циркалунарные процессы сохраняют свою периодичность. Она может быть обусловлена синхронизацией с другими связанными с лунным циклом факторами, например, с колебаниями магнитного поля Земли. Сюда же нужно отнести колебания чувствительности глаза к уровню и спектру освещенности. У рыбок гуппи наибольшая чувствительность к свету смещается от фиолетового спектра в полнолуние в желтый спектр в новолуние. У людей также наблюдаются сходные изменения в чувствительности зрения, причем она смещается в том же цветовом диапазоне. Кроме того, отмечаются колебания в суточном объеме мочи у человека, которые совпадают с лунным циклом. В последнее время было также выявлено, что имеются связанные с лунным ритмом колебания склонности к инфекциям.

В то время как причины упомянутых выше феноменов и их связь с окружающей средой еще не выявлены, можно точно сказать, что менструальный цикл женщин в цивилизованных странах имеет эндогенный характер и, хотя и совпадает по продолжительности с лунным циклом, но более не синхронизирован с ним. А у обезьян, живущих в области экватора, цикл овуляции синхронизирован с лунными фазами.

Рост растений также связан с лунным циклом, что можно показать по колебаниям урожайности бобовых, картофеля и редиса. Уже давно широко используются «Лунные календари», по которым определяют оптимальное время посадки и других агротехнических мероприятий.

Годичные биоритмы Годичные, или цирканнуальные биологические ритмы имеют период колебания 1 год ± 2 месяца и связаны с вращением Земли вокруг Солнца.

Эти ритмы наблюдаются у всех организмов от полярной до тропической зоны. Выраженность годовых (сезонных) ритмов нарастает по мере увеличения географической широты и отчетливо проявляется у организмов, населяющих умеренные и полярные зоны, где сезонные различия наиболее отчетливы. В основе колебательных функций организма с годовым периодом лежат, во-первых, приспособительные реакции в ответ на изменение основных параметров внешней среды (температуры, качественного и количественного состава пищи, изменения водного режима), во-вторых, реакция на сигнальные факторы среды, такие, как изменения фотопериода, напряженности геомагнитного поля, появление некоторых химических компонентов. Годичные биоритмы проявляются, например, в явлениях миграций, кочевок, зимней и летней спячки, репродуктивных процессах.

Зимняя спячка помогает многим животным пережить неблагоприятный период. Животные удивительно точно определяют время для спячки. Например, медведь укладывается в свою берлогу всегда накануне снегопада. И потом 5,5 мес до апрельской температуры в 12° зверь спит, существуя за счет накопленного с осени жира (запас его составляет почти 1/3 массы тела). Во время зимней спячки температура тела медведя снижается почти на 10 °C, а частота дыхания уменьшается в 3 раза. Все это помогает ему экономно расходовать накопленные в теплое время жизненныe ресурсы. Если же этот ритм нарушен и зверь по каким-либо причинам не залег в берлогу или вдруг «неожиданно» проснулся в середине зимы, он практически обречен на гибель. Медведь-шатун гибнет от голода, одолеваемый множеством паразитов, бурно размножающихся в слабеющем организме.

Таких примеров разлада биологических часов достаточно много. Иногда, при резком осеннем потеплении, некоторые растения могут начать цвести. Однако это отрицательно сказывается на последующей жизнедеятельности растения. Доскин, В. А. Ритмы жизни/ В. А. Доскин, Н. А. Лавреньева. — М.: Медицина, 1991. — с. 7,9,14−15

Известны сезонные изменения заболеваемости и смертности от некоторых заболеваний (в частности, туберкулеза — весна, осень).

Таким образом, биоритмы являются определяющим условием существования живых организмов, наблюдаются на всех уровнях организации живых систем и являются адаптацией организмов к поддержанию оптимального функционирования в условиях окружающей среды.

Использование знаний о биоритмах человека является важным для улучшения здоровья (хрономедицина), работоспособности, выживаемости в экстремальных условиях.

1. Гиляров, М. С. Биологический энциклопедический словарь/ М. С. Гиляров. — М., 1986. — 893 с.

2. Горбачев, В. В. Концепции современного естествознания / В. В. Горбачев. — М., 2005. — 672 с.

3. Деряпа, Н. Р. Проблемы медицинской биоритмологии / Н. Р. Деряпа, М. П. Мошкин, В. С. Посный. — М.: Медицина, 1985. — 208 с.

4. Доброборский, Б. С Биологические ритмы как способ существования живой материи Интернет-источник: http://www.neuch.ru/referat/80 650.html

5. Доскин, В. А. Ритмы жизни/ В. А. Доскин, Н. А. Лавреньева. — М.: Медицина, 1991. — 176 с.

6. Хильдебрандт, Г. Хронобиология и хрономедицина/ Г. Хильдебрандт, М. Мозер, М. Лехофер. — М.: Арнебия, 2006. — 144 с.