Ритмичность в биологии - это... Коэффициент ритмичности

Ритмичность в биологии - это очень интересное явление. Множество ученых сегодня занимается исследованием этого феномена. Ритмичность в биологии - это всеобщий процесс, касающийся всех живых организмов. В этом вы убедитесь, прочитав данную статью.

Принцип единства среды и организма является одним из принципов современного естествознания. Все живые организмы, а также надорганизменные системы, составляя единство со средой, в которой они обитают, обладают ритмичностью всех своих процессов. Жизнедеятельность их подчиняется периодическим ритмам, которые отражают реакции на ритмы всей Вселенной в целом (геофизические, астрономические), а также природы.

П.Я. Соколов, русский социолог, отмечает, что весь животный и растительный мир, а вместе с ним и человек, непрестанно и извечно испытывает на себе воздействия физического мира и отвечает ритмическими пульсирующими реакциями на биение мирового пульса.

Видео: учимся играть на пианино

Что такое биологические ритмы?

Рассмотрим подробнее интересующее нас понятие. Биологические ритмы представляют собой периодически повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических явлений и процессов. Данные периодические процессы имеют широкий диапазон частот. Они встречаются на каждом из уровней организации живых систем. Чем биосистема сложнее, тем она имеет большее число биоритмов. Они закреплены на генетическом уровне. Ритмичность в биологии - это явление, которое очень важно для адаптации и естественного отбора организмов.

Ее наличие обусловлено синхронизацией биохимических процессов. Поскольку живой организм представляет собой иерархическую систему, ему необходимо соразмерять функционирование ее с синхронизацией различных подсистем и уровней не только во времени, но также и в биологическом пространстве.

В этой статье вы подробно узнаете о том, что такое ритмичность в биологии. Проявления, свойства, примеры также будут рассмотрены ниже.

Хронобиология: возникновение и развитие

Наука, которая изучает биоритмы, называется хронобиологией. Хорошо известно еще с древних времен, что лепестки и листья растений в зависимости от времени суток совершают определенные движения. Карл Линней еще в 1745 году изобрел "цветочные часы" (на фото ниже), позволяющие определять время по распусканию и закрытию цветов.

Видео: Биоритмы в жизни человека. Часть 2

В первой половине 19 столетия были проведены первые исследования суточных ритмов уже у человека, таких как температура тела, частота мочеиспусканий и сердечных сокращений. В учебниках по физиологии этого периода встречаются указания на существование ритмических функций, которые являются эндогенными, то есть возникают в самом организме. В 1936 окончательно установлен был эндогенный характер суточных ритмов растений и цветов. Для этого любые внешние воздействия на них были исключены.

Другие вехи развития науки хронобиологии - открытие ориентации птиц и пчел в полете по солнцу, подтверждение наличия в человеческом организме эндогенных циркадианных ритмов. Новый импульс этой науке был дан в результате исследований космоса. По-прежнему главный интерес ученых при изучении биологических ритмов представляет исследование годовых, лунных и суточных ритмов.

Ритмы физиологические и адаптивные

Выделяют следующие их классификации с точки зрения взаимодействия среды и организма.

1. Ритмы адаптивные (биоритмы) - это колебания, совершающиеся с периодами, близкими к важнейшим геофизическим циклам. Их роль состоит в адаптации различных организмов к изменениям внешней среды, которые периодически происходят. Частота их стабильна.
2. Ритмы физиологические (рабочие) - колебания, которые отражают деятельность физиологических систем того или иного организма. Частота их существенно варьируется и зависит от состояния данного организма.

Ритмы экзогенные и эндогенные

Ритмы по природе возникновения делятся на экзогенные и эндогенные. Экзогенные - реакция организма на изменения окружающей среды. Эндогенные возникают в результате действия саморегулирующихся процессов, характеризующихся запаздывающей обратной связью. Они подвержены при этом воздействиям внешней среды, которые могут влиять на их амплитуду, а также сдвигать фазу биоритмов.

Ритмы по уровням организации биосистемы и частоте

Ритмы также делятся по уровням организации той или иной биосистемы. Они подразделяются на биосферные, популяционные, организменные, органные и клеточные.

Видео: Лучшая танцевальная аэробика для похудения

По частоте своей они бывают:

• ритмами высокой частоты (от одной доли секунды до 30 минут);
• средней (от 30 минут до 28 часов);
• мезоритмами (от 28 часов до 7 дней);
• макроритмами (от 20 дней до года);
• мегаритмами (периодичность - десятки лет).

Видео: БХАКТИ САНГАМА - Ежегодный фестиваль Святого Имени.

Природа биоритмов

Живой организм, согласно самой распространенной гипотезе, является независимой колебательной системой, характеризующейся набором ритмов, внутренне связанных. Циклы обмена веществ (катаболизм и метаболизм) происходят в клетках непрерывно. Это комплексы различных биохимических реакций - синтеза и расщепления веществ. В клетках вследствие этого, в соответствии с циклами метаболическими, непрерывно происходят изменения концентраций различных веществ (продуктов обмена, ферментов, матричной и транспортной РНК и др.), участвующих в биохимических реакциях. Параметры внутренней среды биосистем в результате данных реакций совершают непрерывные колебания, отступая от средних значений.

В живых организмах датчиками, которые определяют характер и скорость метаболических процессов, являются аллостерические гормоны и модуляторы, поддерживающие ритмичность в биологии. Это они непрерывно контролируют состояние организма. А он стремится поддержать постоянство (гомеостаз) внутренней среды - рН, температуры, осмотического давления, концентрации веществ и др. Многие механизмы задействованы в поддержании гомеостаза. Они построены в основном по принципу обратной связи. Например, избыток в крови глюкозы запускает механизм запасания этого вещества (в виде гликогена). Напротив, недостаток ее ведет к усиленному расщеплению гликогена.

Вывод из этого можно сделать следующий. В живых организмах ни один процесс не происходит непрерывно. Он должен непременно чередоваться с направленным противоположно: работа с отдыхом, вдох с выдохом, синтез с расщеплением, бодрствование со сном и т. д. Состояние живого организма, таким образом, не может быть статическим. Оно характеризуется таким понятием, как ритмичность. Определение наличия этого свойства живого организма можно произвести даже путем простого наблюдения. Вы можете заметить, что некоторые (а на самом деле все) его энергетические и физиологические параметры находятся всегда в состоянии совершения колебаний как по амплитуде, так и по частоте относительно средних значений.

Такие колебания и есть биоритмы. С помощью них живые организмы обеспечивают устойчивость своего термодинамического состояния. Позволяет успешно приспособиться к окружающей среде, ее циклическим изменениям именно ритмичность. Определение этого явления мы приводили в начале статьи.

Внутренние часы

Внешний датчик времени необязателен для синхронизации системы при высокой степени сопряженности всех ее подсистем. В процессе развития организма врожденная программа упорядоченности функций во времени модифицируется, позволяя ему приспосабливаться к временному профилю окружающей среды. Такой организм способен "предсказывать" время суток. Это позволяет ему подключать заранее различные эффекторы, которые включаются в ответную реакцию не сразу. Например, температура тела, а также содержание в плазме кортикостероидов при нормальном сне начинают задолго до его окончания повышаться. Поэтому пробуждение порой происходит раньше, чем включается свет.

Приведем и другие примеры ритмичности. Лишь те организмы выживали в процессе естественного отбора, которые обладали способностью не просто уловить в природных условиях различные изменения, но и настроить в такт внешних колебаний свой ритмический аппарат. Например, животные чередуют ритмы бодрствования и сна так, что это способствует обеспечению выгодных условий для добычи пищи. В природе репродуктивные системы (периоды бесплодия и плодородия) также приспособлены к условиям среды, являющимися самыми оптимальными для того, чтобы вырастить потомство. Многие птицы осенью улетают на юг. Это один из примеров того, как проявляется ритмичность. Биология знает и множество других примеров. Так, впадают в спячку некоторые животные. Это помогает им выжить, несмотря на то, что внешние природные условия бывают экстремальными.

Суточные биоритмы

Циркадная ритмичность в биологии - что это такое? Давайте разберемся. К суточным (циркадным) биоритмам относятся такие явления и изменения характера и интенсивности биологических процессов, периодичность повторения которых составляет 24±4 часов. Большинство физиологических и биохимических процессов обмена веществ, движения, развития, роста подвержено этим ритмам, которые обусловлены циркадным (суточным) ритмом внешней среды. Он, в свою очередь, связан с вращением вокруг своей оси нашей планеты. Примеры таких процессов: интенсивность обмена веществ, колебания температуры тела, частота деления клеток. Для всех них характерна суточная ритмичность.

Биология - наука, изучающая не только животных, но и растения. У последних, в частности, наблюдаются в ночное время ритмические циклы опускания листьев и закрытия цветков. В дневное время они раскрываются. Ритмы при этом сохраняются даже тогда, когда солнечный свет отсутствует. Это подтвердил своими опытами С.Э. Шноль, российский биофизик. Он в качестве примера привел фасоль Мэрана. Ее листья поднимались и опускались утром и вечером, даже если растение находилось в темной комнате. Оно как будто чувствовало время и внутренними физиологическими часами определяло его.

Растения обычно длительность дня определяют по переходу из одной формы в другую пигмента фитохрома при изменении характеристик солнечного света (его спектрального состава). Например, солнце на закате имеет красный цвет потому, что красный свет обладает наибольшей длиной волны и меньше, чем синий, рассеивается. В сумеречном или закатном свете много инфракрасного и красного излучений. Это и воспринимают растения, проявляя суточную ритмичность.

Биология - это наука, в которой на сегодняшний день накоплен большой опыт наблюдений за различными животными. Было установлено, в частности, что чередование периодов покоя и активности животных (ночных и дневных) также относится к суточным ритмам. Для них является важным определение времени не абсолютное, а относительное. Им нужно знать, когда солнце взойдет и сядет, поскольку дневные существа для поиска пищи используют светлую часть суток, а ночные - темную.

Приведем пример - рассмотрим суточный ритм обитающего на побережье Атлантического океана манящего краба. Он меняет свою окраску, проявляя суточную ритмичность. Биология - это наука, которая, как и другие, выявляет закономерности. Для чего же краб меняет свою окраску? Давайте разберемся.

Краб утром более светлый, но когда солнце все выше поднимается над горизонтом, он становится все темнее. Играя защитную роль, пигмент предохраняет манящего краба от палящих лучей солнца. Если при этом бывает отлив, то ему помогает более темная окраска оставаться на прибрежном песке незамеченным. А именно туда в поисках пищи отправляется краб.

Суточные ритмы у человека

Около 300 физиологических функций, которые имеют суточные ритмы, наблюдается в человеческом организме. Масса тела, исходя из циркадианной системы человека, максимальной является в 18-19 часов, частота дыхания - в 13-16 часов, сердечных сокращений - в 15-16 часов, уровень в крови эритроцитов - в 11-12 часов, лейкоцитов - в 21-23 часа и т. д.

Психические процессы ускоряются вечером и замедляются утром. На ритмы психических и физиологических функций, в свою очередь, влияют смены бодрствования и сна, покоя и активности. От множества факторов зависят в период бодрствования параметры кривой работоспособности: от уровня мотивации, приема пищи, общей обстановки, типа личности и т. д.

Термином "десинхроноз" обозначают нарушение в биологической системе временной упорядоченности ритмов. Изучение его механизмов имеет большое значение в деле организации труда и отдыха персонала, при проведении различных профилактических мероприятий, направленных на охрану здоровья. Десинхроз, в частности, наблюдается у лиц, которые совершили перелет на большое расстояние (через 4-5 часовых поясов), при смене режима работы с дневного на ночной, а также у космонавтов при совершении космических полетов.

Лунные биоритмы

Циркалунарные (лунные) биоритмы - ритмы, период которых составляет в среднем 29,53 дней. Эти ритмы в биологии соответствуют лунно-месячному циклу, то есть циклу фаз луны.

На многие геофизические процессы влияет периодичность вращения Луны вокруг нашей планеты. Например, меняется освещенность ночью, температура, давление воздуха, магнитные поля Земли, направление ветра. Все эти явления для циркалунарных ритмов являются временными указателями.

У морских организмов обнаруживаются самые впечатляющие примеры того, как эти ритмы влияют на жизненные процессы. Например, морской червь Палоло, обитающий на коралловых рифах, в октябре и ноябре, в заключительную декаду лунного цикла и при этом в определенное время суток, отделяет в воду свою заднюю часть, которая наполнена продуктами половой системы. Это нужно для продолжения рода.

Лунные циклы периодов рождаемости и оплодотворения могут быть не только синодическими (как в предыдущем примере). Встречаются и сизигические с интервалом в 14,7 дней. Так, один вид рыб, обитающих на берегу Калифорнийского залива, в полнолуние и новолуние (во время прилива) откладывает на пляж икру. Она развивается в течение 14 дней на берегу и в воду попадает со следующим приливом.

Лунный свет, о чем мы уже упоминали, обусловливает различия освещенности в ночное время. Это способствует тому, что активность животных, которые ведут вечерний или ночной образ жизни, меняется. Даже если исключить воздействие лунного света в лаборатории, периодичность циркалунарных процессов сохраняется. Она может обуславливаться другими факторами, связанными с лунным циклом. К примеру, это колебания магнитного поля нашей планеты.

Лунный цикл влияет также на рост растений. Это можно показать на примере колебаний урожайности редиса, картофеля и бобовых. Уже долгое время используются лунные календари, помогающие определить оптимальное время для агротехнических мероприятий и посадки растений.

Видео: Головка звукоснимателя Denon DL 103 r

Годичные биоритмы

Цирканнуальные (годичные) биоритмы в биологии имеют период колебания, составляющий 1 год ± 2 месяца. Они связаны с вращением вокруг Солнца нашей планеты.

Наблюдаются эти ритмы у всех организмов, от тропической до полярной зоны. Выраженность их нарастает по мере того, как увеличивается географическая широта. Анализ ритмичности позволил ученым сделать вывод о том, что у организмов, населяющих полярные и умеренные зоны, в которых наиболее заметны сезонные различия, она проявляется отчетливо. Основу годичных биоритмов составляют, во-первых, приспособительные реакции, возникающие в ответ на изменение важнейших параметров окружающей среды (водного режима, количественного и качественного состава пищи, температуры).

Во-вторых, ее составляет реакция организма на сигнальные факторы среды (например, изменения напряженности геомагнитного поля, фотопериода, появление определенных химических компонентов). Проявляются годичные биоритмы, например, в явлениях кочевок, миграций, летней и зимней спячки, репродуктивных процессах и т. д.

Многим животным зимняя спячка помогает пережить неблагоприятный период. Удивительно точно звери определяют время для нее. Медведь, например, в свою берлогу укладывается всегда накануне снегопада. И он спит после этого до апреля, пока температура не составит 12 °С (то есть 5,5 месяцев). В это время он существует за счет жира, накопленного с осени. Его запас составляет практически треть всей массы тела животного. Температура тела медведя во время спячки снижается примерно на 10 °С, в 3 раза уменьшается частота его дыхания. Это помогает экономить жизненные ресурсы, накопленные в теплое время. Так проявляется ритмичность организма медведя. Если нарушился ритм, и зверь не залег в берлогу по каким-то причинам или вдруг в середине зимы проснулся, он почти обречен на гибель. Шатуна будет одолевать множество паразитов, которые в слабеющем организме, страдающем от голода, бурно развиваются.

Итак, многочисленные примеры ритмичности были представлены в этой статье. Они подтверждают, что это всеобщее явление в животном мире. Биоритмы, более того, являются определяющим фактором существования живых организмов. Принцип ритмичности встречается на всех уровнях организации биосистем. Он служит для того, чтобы адаптировать организм для лучшего функционирования в окружающей среде.

Коэффициент

Итак, мы рассмотрели ритмичность в биологии, что это такое, вы теперь знаете. Однако интересующее нас понятие встречается не только в этой науке. В частности, экономисты сделали вывод о том, что она наблюдается и в производственной сфере. Сделав это открытие, они ввели понятие "коэффициент ритмичности". Он всегда стремится к единице. Как правило, коэффициент ритмичности определяется за сутки, декаду, месяц и т.п. С помощью него можно охарактеризовать, в частности, степень использования в процессе производства рабочего времени. Чем больше показатель ритмичности, тем производственный цикл плотнее, а экономические ресурсы (главным образом рабочее время) расходуются рациональнее.