Циркадные ритмы и цикл сон-бодрствование у человека

Периоды сна и бодрствования у человека сменяются с циркадной периодичностью. При исследовании связи периодичности сна и бодрствования с внешними стимулами изучалось изменение продолжительности периода данных колебаний у человека. В отсутствие внешней стимуляции, которая позволяет человеку судить о времени суток, подопытные всё равно ложились спать и пробуждались в обычное время; таким образом, период ритма сон-бодрствование не изменялся и оставался равным 24 часам, затем, через некоторое время он увеличился до 36 часов. Когда подопытные возвратились в нормальные условия, то 24-часовой цикл был восстановлен.

Одним из наиболее эффективных внешних сигналов, поддерживающих 24-часовый цикл, является свет. У человека зрительные рецепторы посылают сигнал всупрахиазмальное ядро, и дальнейшее распространение сигнала приводит к выработке гормонов, регулирующих циркадную активность организма. Однако при этом отдельные органы, такие как сердце, печень, почки, имеют свои «внутренние часы» и могут «выбиваться из ритма», устанавливаемого супрахиазмальным ядром. Сигнал, поступающий в шишковидную железу, вызывает синтез и выделение в кровоток вызывающего сон нейрогормона мелатонина. У пожилых людей выделяется меньшемелатонина, что, вероятно, объясняет, почему старые люди чаще страдают бессонницей. Большая часть исследователей полагает, что супрахиазмальное ядро отвечает за циркадные ритмы и за колебания параметров, связанных с циклом сон-бодрствование: например, температуры тела, кровяного давления и диуреза.

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.

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.

Впоследствии известный математик К. Шеннон (осно­воположник теории информации) высказал предположе­ние о принципиальной возможности установления контак­тов с обитателями других миров путем применения меж­планетного кода, в основе построения которого должен быть использован принцип языка пчелиных танцев и спо­собы общения муравьев.

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,, и только к 11 час.раскры­ваются цветки торицы.

Соблюдая строгую и точную очередность, растения также и «засыпают» в определенное время.

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.

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-м 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.

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.

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.

11. Влажность.

Вода играет исключительно важную роль в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Поддержание количества воды на достаточном уровне составляет одну из основных физиологических функций любого организма.

Роль влажности как экологического фактора для наземных организмов обусловлена тем, что осадки (а соответственно влажность воздуха и почвы) распределяются на земной поверхности в течение года очень неравномерно. Так как большинство наземных животных и растений влаголюбивы, то недостаток влажности часто оказывается причиной, ограничивающей их жизнедеятельность и распространение.

У организмов в процессе эволюции сформировались различные приспособления к добыванию и экономному расходованию влаги (вспомните растения и животных пустыни и полупустыни, засушливых степей), к переживанию засушливого времени года в состоянии покоя и др. Так, многолетние растения пустыни имеют сильно развитые корни, иногда очень длинные (например, у верблюжьей колючки до 16 м), достигающие влажного слоя, или чрезвычайно разветвленные.

Большинство животных пустыни может обходиться без воды; источником влаги для грызунов, пресмыкающихся, насекомых и других мелких животных служит пища. У некоторых животных вода образуется в организме в результате окислительных реакций. Поэтому характерные для многих обитателей пустыни обильные жировые отложения служат своеобразным резервом воды в организме, например горб у верблюда, подкожные отложения жира у грызунов. Защитой от испарения воды у животных служит малая проницаемость наружных покровов тела.

Иной тип приспособления к недостатку влаги наблюдается у многих растений и животных, обитающих в условиях периодической сухости. У них возникает состояние покоя, которое характеризуется остановкой роста и развития, резко сниженным обменом. Некоторые грызуны и черепахи с наступлением жаркого и сухого периода в пустыне, когда выгорает растительность, впадают в летнюю спячку.

Состояние летнего покоя у многолетних растений часто сопровождается сбрасыванием листьев или полным отмиранием наземных частей, что имеет место у многих растений пустынь.

Атмосферные осадки и коэффициент увлажнения. Для наземных растений основной источник воды — атмосферные осадки.

Количество их зависит от общеклиматических условий, распределение — от рельефа, а конкретные условия увлажнения — еще и от почвы. Форма атмосферных осадков может быть разная (дождь, снег, роса и т.д.). Важен также характер распределения их по сезонам. Некоторое количество влаги в почве возникает и при непосредственной конденсации паров воды из воздуха. Конденсационная влага — одно из важных условий существования растений в песчаных пустынях. Значительную роль в водоснабжении растений играют также грунтовые воды: корни многих видов растений достигают зеркала грунтовых вод.

Очень важна для жизни растений относительная влажность воздуха (процентное отношение реального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре). Она показывает долю (процент) от того максимального количества влаги, которое могло бы содержаться при полном насыщении данного объема воздуха при данной температуре. Растения страдают от недостатка атмосферной влаги при низких показателях относительной влажности воздуха. При длительной засухе и суховеях возникает резкий воздушный дефицит влаги, вызывающий повреждение в первую очередь листьев культурных растений (так называемый запал).

Снег и град — это вода в твердой фазе, прямо физиологически недоступная для растений, но оказывающая большое косвенное воздействие на них. Снег особенно воздействует на водный режим территорий в весенний период. Снеготаяние определяет поемность рек, что влияет на состав, рост и развитие луговых растений. Тающий снег пополняет вод ные запасы почвы. Леса и болота задерживают до 85 % зимних осадков и медленно их расходуют в течение вегетационного периода, нивелируя недостаток и неравномерность поступления осадков летом. При инфильтрации снеговой воды в почву пополняется уровень грунтовых вод. Изморозь и иней также способствуют накоплению воды в почве, так как при их таянии часть влаги попадает в почву. Отрицательное воздействие на растения оказывает град. Особенно страдают виды с широкими листьями, получающие серьезные механические повреждения.

Роса, туман, изморозь и иней в отличие от дождя и снега относятся к неизмеряемым атмосферным осадкам. Они появляются в результате кон денсации водяных паров и тоже могут играть большую роль в жизни растений. Теплый воздух, как правило, содержит некоторое количество влаги. При охлаждении его относительная влажность увеличивается. Когда она достигает 100% («точка росы»), начинается конденсация паров в виде капель. Выпадение осадков в виде росы может достигать 10—20% от годовой суммы осадков. В безводных пустынях за счет этого существуют лишайники, поддерживается водный режим листьев ряда видов. Во влажных тропических лесах это явление важно для существования многочисленных эпифитов. В ряде горных систем в «туманных лесах» роса служит источником увлажнения листьев и почвы. В районах, характеризующихся неустойчивыми климатическими характеристиками, она сглаживает неравномерность выпадения дождей и уменьшает опасность

Эфемеры — однолетние растения с очень коротким жизненным циклом. Их жизнь длится всего лишь около месяца в мае. Самым ярким примером жизни растений-эфемеров может послужить пустыня. Такие растения, как мак, злаки, пробуждаются ранней весной и за один месяц до наступления жары успевают отцвести и дать семена.

Весной, пока верхний слой почвы хорошо обеспечен водой, эфемеры активно всасывают ее из почвы, но и много испаряют.

Листья у некоторых эфемеров почти лежат на земле, прикрывая ее собой и не давая солнцу быстро ее иссушать. Вот таким необычным способом растения-эфемеры приспособились к жизни в пустыне. К концу жизненного цикла растения-эфемеры отмирают совсем, даже корень. За один месяц вегетации они успевают оставить после себя только семена для возобновления жизни в следующем вегетационном периоде.

Но растения-эфемеры можно встретить не только в пустыне. Эфемеры растут в условиях, где условия произрастания от весны к лету резко изменяются в худшую сторону, связанные с обеспечением растений не только водой, но и светом. Поэтому, даже в широколиственных лесах средней полосы России, например, в дубравах, где летом недостаточно света, также встречаются эфемеры.

Ранней весной, когда на деревьях основная масса листьев еще не распустилась, эфемеры быстро отрастают и успевают дать семена. По мере распускания листьев на деревьях происходит постепенное или быстрое отмирание эфемеров. Эфемеры, которые можно встретить на территории России: крупка дубравная, бурачок пустынный, веснянка весенняя, проломник северный, малькольмия африканская, рогоглавник серповидный.

Кроме эфемеров, однолетних растений, существуют в природе подобные им растения эфемероиды - многолетние растения, у которых с наступлением неблагоприятных условий отмирает только надземная часть. Обычно в природе они растут рядышком, и узнав отличия между однолетними и многолетними растениями, можно без ошибки определить, какое это растение: эфемер или эфемероид.

Эфемероиды — многолетние травянистые растения с очень коротким периодом вегетации, который протекает в самый благоприятный период. После этого жизненный цикл растений эфемероидов начинает приостанавливаться, надземная часть растений начинает постепенно отмирать. За счет питательных веществ, накопленных в подземной части эфемероидов их жизнь возобновляется при наступлении благоприятных условий.

К эфемероидам относятся клубневые, корневищные и луковичные. Представители эфемероидов — всем известные подснежники, прострелы (сон-трава), пролески, сциллы, тюльпаны, гиацинты, весеннецветущие крокусы, анемоны, нарциссы, мускари, хионодоксы, ранункулюсы, хохлатки, рябчики, эремурусы.

У ранневесенних эфемероидов еще под снегом образуются ростки и бутоны почек возобновления. Во время цветения эфемероиды образуют собой яркий и пестрый ковер из цветков, хорошо заметных насекомым-опылителям. После того, как плоды созрели, и семена осыпались, в начале июня с изменением условий (мало воды или света), надземные органы эфемероидов отмирают. Подземные органы с почками возобновления и запасом крахмала находятся в состоянии глубокого покоя около десяти месяцев до будущей весны.

Представителями осенних эфемероидов являются осеннецветущие крокусы и безвременник, или колхикум. Они расцветают поздней осенью, когда листья с деревьев уже облетели и не заслоняют свет. Для активной жизни эфемероидам достаточно короткого светлого времени в лесу.

Все эфемероиды условно разделены на группы:

— К первой группе отнесены эфемероиды, у которых почки роста и возобновления находятся над уровнем почвы;

— Ко второй группе отнесены эфемероиды, у которых почки роста и возобновления находятся на уровне почвы и зимой покрываются снегом;

— К третьей группе относятся эфемероиды, у которых почки роста и возобновления находятся очень глубоко в почве. Даже при недостаточном снежном покрове и при частичном подмерзании корневой части, эфемероиды из этой группы быстро восстанавливаются. К этой группе эфемероидов относятся практически все весенние луковичные растения.

Дата добавления: 2015-08-31