Адаптивні біологічні ритми і фотоперіодизм

Усі живі організми існують у світі, що постійно змінюється: день змінює ніч, за весною приходить літо, Місяць проходить свої фази, а морські припливи двічі на добу накривають узбережжя. Живі системи виробили здатність узгоджувати свої внутрішні процеси з цими зовнішніми циклами — це називають біологічними ритмами.

Що таке біологічні ритми

Біологічні ритми — це періодичні зміни інтенсивності й характеру біологічних процесів у живих системах. Вони охоплюють усі рівні організації: від клітинних реакцій до поведінки цілого організму й популяцій. За походженням біоритми поділяють на дві великі групи: зовнішні (адаптивні) та внутрішні (фізіологічні).

Зовнішні (адаптивні) ритми

Зовнішні біоритми відповідають періодичним змінам середовища — обертанню Землі навколо осі, рухові Місяця навколо Землі, зміні пір року. Їх ще називають адаптивними, бо вони дають змогу організму заздалегідь пристосуватися до умов, які повторюються. До цієї групи належать:

Добові ритми — найвідоміші

Добові ритми пов'язані зі зміною дня й ночі. Багато тварин мають чітко визначений час активності: сови, кажани й їжаки активні вночі, а більшість птахів і денних ссавців — удень. У рослин добову ритміку можна спостерігати за розкриванням і закриванням квіток. Карл Лінней створив навіть «квітковий годинник»: кульбаба розкриває суцвіття вранці, а нічна красуня — квітки ввечері. У людини добові коливання температури тіла, рівня гормонів, сну й неспання теж є добовим ритмом.

Припливно-відпливні й місячні ритми

Мешканці літоралі (прибережної смуги, яку періодично заливає вода) узгодили своє життя з припливами, що настають двічі на добу. Мідії й устриці щільно закривають стулки під час відпливу, а краби й морські жолуді активні, коли їх покриває вода. Припливно-відпливний ритм триває близько 12,4 години.

Місячні ритми (близько 29,5 доби) визначають розмноження багатьох морських організмів. Наприклад, масовий нерест коралів Великого Бар'єрного рифу відбувається через кілька ночей після повні. Морський черв'як палоло роїться лише один раз на рік у певну фазу Місяця.

Сезонні, річні й багаторічні ритми

Сезонні ритми охоплюють зміни впродовж року відповідно до пір року: весняний сокорух і цвітіння, осінній листопад, линяння тварин, перельоти птахів, сплячка. Річні ритми зберігаються навіть у сталих лабораторних умовах: ховрахи з незмінними температурою й освітленням приблизно раз на рік усе одно впадають у сплячку. Багаторічні ритми повторюються раз на кілька років: дуб і ялина дають багаті врожаї жолудів і шишок не щороку, а з інтервалом, чисельність зайця-біляка й рисі коливається циклічно.

Внутрішні (фізіологічні) ритми

Внутрішні ритми не пов'язані безпосередньо із циклами середовища. Це ритми роботи внутрішніх органів: скорочення серця, дихальні рухи, ритми електричної активності мозку, перистальтика кишечнику. Вони генеруються самим організмом і мають значно коротші періоди — від часток секунди до кількох хвилин або годин. Їхнє головне завдання — забезпечувати злагоджену роботу всіх систем організму.

Чи помічав ти, що навіть без будильника прокидаєшся приблизно в той самий час? Або що ввечері, ще до того як лягти, починаєш відчувати сонливість? Це працює твій внутрішній хронометр — біологічний годинник.

Що таке біологічний годинник

Біологічний годинник — це внутрішній механізм відліку часу, який зберігає ритм навіть за сталих умов середовища. Якщо людину помістити в печеру без годинника й денного світла, її добовий цикл не зникає, але стає трохи довшим за 24 години: у середньому близько 24,2 год (у ранніх дослідах у печерах виходило до 25 год через вплив штучного освітлення). Саме тому такі ритми називають циркадними, що з латини означає «близькодобові» (circa — близько, dies — день).

Як біологічний годинник «підводиться»

Внутрішній годинник потребує щоденного «підведення» ззовні. Головний зовнішній сигнал — зміна світла й темряви. У людини центр добових ритмів міститься в супрахіазматичних ядрах гіпоталамуса. Коли світло потрапляє на сітківку ока, сигнал надходить до гіпоталамуса, і той «коригує» час. У темряві шишкоподібна залоза (епіфіз) виділяє гормон мелатонін, який готує організм до сну — сповільнює пульс, знижує температуру тіла, викликає сонливість.

Завчасна підготовка до змін

Біологічний годинник дає змогу організму готуватися до подій заздалегідь, а не реагувати на них постфактум. Квітки розкриваються до прильоту запилювачів, тварини прокидаються ще до світанку, а концентрація травних ферментів у людини зростає перед звичним часом обіду. Це заощаджує час і ресурси.

Що ламає біологічний годинник

Сучасне життя часто порушує природні ритми. Найпоширеніші причини:

• швидкий переліт через кілька часових поясів — стан, відомий як джетлаг: людина відчуває сонливість удень і бадьорість уночі, знижується увага й працездатність

• змінна робота, особливо нічні зміни, коли доводиться бути активним у той час, коли організм налаштований на сон

• яскраве світло екранів (телефонів, планшетів, ноутбуків) у вечірній і нічний час — блакитне світло пригнічує вироблення мелатоніну, тому заснути стає важче

Гігієна сну — простий спосіб підтримувати біологічний годинник у здоровому стані. Достатньо лягати й прокидатися в той самий час (навіть у вихідні), уникати яскравих екранів за годину до сну й провітрювати кімнату.

Що є найнадійнішим сигналом пори року? Температура? Але взимку може бути відлига, а навесні — раптові заморозки. Кількість опадів? Теж непередбачувана. Найстабільніший сигнал — тривалість світлового дня. Вона змінюється протягом року строго закономірно, і саме на неї орієнтуються організми. Це явище називають фотоперіодизмом.

Що таке фотоперіодизм

Фотоперіодизм — це реакція організмів на тривалість світлового дня (фотоперіод). Оскільки тривалість дня змінюється закономірно й передбачувано, це найнадійніший сигнал пори року — на відміну від температури, яка може випадково коливатися (відлига взимку чи заморозки навесні).

Рослини довгого й короткого дня

За реакцією на тривалість дня рослини поділяють на три групи:

Важливо: назва «рослини довгого дня» не означає, що вони цвітуть довше. Вона вказує на те, що для переходу до цвітіння їм потрібна тривалість світлового дня, що перевищує певний поріг.

Осінній листопад — класичний приклад фотоперіодизму

Осінній листопад у листяних дерев помірного поясу запускає скорочення світлового дня, а не холод. Підготовка до листопаду починається ще в теплі дні, коли день стає коротшим. Дерева, що ростуть біля яскравих вуличних ліхтарів, довше тримають листя — штучне освітлення «обманює» їхній біологічний годинник. Листопад має два пристосувальні значення: він зменшує випаровування вологи взимку, коли вода з мерзлого ґрунту недоступна, а також захищає гілки від налипання снігу й обламування.

Фотоперіодизм у тварин

У тварин фотоперіод запускає цілу низку сезонних явищ. Осіннє линяння зайця-біляка й горностая — вони білішають, щоб стати непомітними на снігу. Міграційний неспокій і перельоти птахів — ластівки, лелеки, журавлі відлітають у вирій. Накопичення жиру перед сплячкою. Зимовий спокій комах. Строки розмноження в багатьох видів також залежать від тривалості дня. (Орієнтування й маршрути міграцій детальніше розглядаються в уроці «Орієнтування, міграції і комунікації тварин»).

Практичне використання фотоперіодизму

Людина навчилася керувати фотоперіодизмом для своїх потреб. У теплицях досвічуванням або затіненням регулюють строки цвітіння декоративних рослин — наприклад, хризантеми змушують зацвісти до свят, скорочуючи світловий день. У пташниках подовжують світловий день узимку, щоб кури продовжували нестися. Це дає змогу отримувати продукцію незалежно від природного сезону.

Зима в помірних широтах — несприятливий сезон: холодно, їжі мало або немає, вода замерзає. Як організми переживають цей період? Еволюція виробила кілька стратегій: сплячку, анабіоз і запасання корму. Сплячка й запасання корму вмикаються заздалегідь, переважно за сигналом скорочення дня, а не тоді, коли вже настали морози чи голод. Анабіоз і заціпеніння, навпаки, настають безпосередньо під дією несприятливих умов.

Сплячка

Сплячка — це стан зниженої життєдіяльності в несприятливий сезон. У справжній зимовій сплячці тварини (їжаки, бабаки, ховрахи, кажани) знижують температуру тіла майже до температури середовища, дихання й серцебиття сповільнюються в десятки разів. Організм витрачає заздалегідь накопичені запаси жиру. Цікаво, що ховрахи посушливих степів можуть засинати вже влітку, коли вигорає трава, — це літня сплячка (естівація).

Зимовий сон: чим він відрізняється від сплячки

Зимовий сон бурого ведмедя — не справжня сплячка, хоча в побуті це часто плутають. Температура тіла ведмедя знижується лише на кілька градусів, він легко прокидається, а ведмедиця в барлозі народжує й вигодовує ведмежат. Тому правильна назва цього стану — зимовий сон, а не сплячка.

Анабіоз

Анабіоз — це стан, у якому життєві процеси майже повністю зупиняються й відновлюються лише за сприятливих умов. Класичний приклад — тихоходки (Tardigrada): у висохлому стані вони витримують кип'ятіння, космічний вакуум і радіацію, а після зволоження повертаються до життя. До анабіозу здатні також коловертки, спори бактерій і грибів, цисти одноклітинних, насіння рослин. У холоднокровних (пойкілотермних) тварин — жаб, ящірок, змій — узимку настає заціпеніння, яке теж близьке до анабіозу.

Запасання корму

Запасання корму — це адаптивна поведінка, яка дає змогу пережити несприятливий сезон завдяки заготовленим харчовим ресурсам. Ось кілька прикладів:

• білка запасає горіхи й жолуді, сушить гриби на гілках

• сойка ховає жолуді в землю, часто забуваючи про них (так вона сприяє поширенню дуба)

• миші й хом'яки наповнюють нори зерном

• бобри складають гілки під воду біля хатки

• медоносні бджоли запасають мед у стільниках

Що запускає ці пристосування

Сплячку й запасання корму запускає переважно скорочення світлового дня, тобто вони готуються заздалегідь, а сплячку підтримує ще й внутрішній річний ритм (як у ховрахів у лабораторії). Така завчасна підготовка дає змогу організму накопичити ресурси до настання критичних умов. Анабіоз і заціпеніння настають безпосередньо під дією несприятливих умов: висихання, холоду, нестачі їжі. (Вроджена й набута поведінка детальніше розглядається в уроці «Поведінка тварин: інстинкти і научіння».)

У цьому розділі ми розв'яжемо кілька типових завдань НМТ з теми «Адаптивні біологічні ритми і фотоперіодизм». Кожен приклад супроводжується покроковим поясненням.

Приклад 1. Логічні пари: явище — тип біоритму

Завдання: Установи відповідність між явищем (1–4) і типом біологічного ритму (А–Д).

Розв'язання: Визначаємо період кожного явища. 1 — мідії реагують на припливи, які повторюються кожні 12,4 год, отже, це припливно-відпливний ритм (Б). 2 — нерест коралів приурочений до фази Місяця (повні), період близько 29,5 доби — місячний ритм (В). 3 — кульбаба розкриває квітки вдень і закриває вночі, період 24 год — добовий ритм (А). 4 — урожайні роки повторюються раз на кілька років — багаторічний ритм (Г). Сезонний (Д) — зайвий.

Правильна відповідь: 1 — Б, 2 — В, 3 — А, 4 — Г.

Приклад 2. Осінній листопад: що є сигналом?

Завдання: Який чинник є головним сигналом для осіннього листопаду в листяних дерев помірного поясу?

• А. Перші заморозки

• Б. Зменшення кількості опадів

• В. Скорочення тривалості світлового дня

• Г. Старіння дерева

Розв'язання: Осінній листопад — пристосування до зимового періоду, коли вода з мерзлого ґрунту недоступна. Щоб підготуватися до листопаду, дереву потрібен сигнал, який передує холодам. Найнадійніший сигнал — скорочення світлового дня, оскільки він змінюється закономірно. Перші заморозки (А) — ненадійний сигнал, бо можуть настати раптово. Зменшення опадів (Б) теж нестабільне. Старіння дерева (Г) взагалі не пов'язане з сезоном.

Ключ: В. Скорочення тривалості світлового дня.

Чому інші варіанти неправильні: А — мороз може настати після того, як підготовка до листопаду вже почалася, або не настати взагалі (відлига). Б — кількість опадів коливається від року до року. Г — старіння дерева — онтогенетичний процес, не пов'язаний із сезонною ритмікою.

Приклад 3. Рослини короткого дня

Завдання: Яку з перелічених культур відносять до рослин короткого дня?

• А. Жито

• Б. Пшениця

• В. Соя

• Г. Редиска

Розв'язання: Рослини короткого дня цвітуть, коли тривалість світлового дня менша за певну критичну величину. Вони походять переважно з південних широт. До них належать рис, соя, просо, хризантеми. Жито (А), пшениця (Б) і редиска (Г) — рослини довгого дня, вони цвітуть, коли день довший за критичну тривалість.

Ключ: В. Соя.

Приклад 4. Аналіз двох тверджень

Завдання: Оціни правильність двох тверджень.

I. Висохла тихоходка перебуває в анабіозі й після зволоження відновлює життєдіяльність.

II. Біологічний годинник зупиняється, щойно тварину переносять у сталі умови освітлення.

• А. Правильне лише I

• Б. Правильне лише II

• В. Обидва правильні

• Г. Обидва неправильні

Розв'язання: Твердження I — правильне. Тихоходки справді здатні впадати в анабіоз при висиханні, їхні життєві процеси майже зупиняються, а після зволоження вони повертаються до активного життя. Твердження II — неправильне. Біологічний годинник не зупиняється в сталих умовах — навпаки, він продовжує працювати, зберігаючи ритм (циркадний ритм стає «вільноплинним»). Саме тому ховрахи в лабораторії з незмінними умовами раз на рік усе одно впадають у сплячку.

Ключ: А. Правильне лише I.

Під час підготовки до НМТ учні часто припускаються однотипних помилок у темах адаптивних біоритмів і фотоперіодизму. Ознайомся з ними, щоб не втратити бали на іспиті.

• Помилка: Пояснюють осінній листопад зниженням температури, а не скороченням світлового дня. Виправити: Запам'ятай: сигналом для листопаду є скорочення тривалості світлового дня. Температура — ненадійний сигнал, що може коливатися. Доказ: дерева біля ліхтарів скидають листя пізніше.

• Помилка: Плутають зовнішні (адаптивні) ритми з внутрішніми — серцебиттям, диханням. Виправити: Зовнішні ритми (добові, місячні, сезонні) синхронізовані з циклами середовища. Внутрішні (серцебиття, дихання) генерує сам організм і вони не залежать від дня й ночі.

• Помилка: Плутають місячні ритми (близько 29,5 доби) з припливно-відпливними (близько 12,4 год), хоча припливи теж спричиняє Місяць. Виправити: Місячний ритм пов'язаний з фазами Місяця (період ~29,5 діб). Припливно-відпливний ритм має період ~12,4 год — це час між двома припливами. Обидва ритми пов'язані з Місяцем: припливи спричиняє його гравітація, а місячні ритми — зміна фаз (нічної освітленості). Періоди в них різні.

• Помилка: Вважають зимовий сон ведмедя справжньою сплячкою. Виправити: Бурий ведмідь перебуває в зимовому сні: температура тіла знижується лише на кілька градусів, він легко прокидається, ведмедиця народжує й вигодовує малят. Справжня сплячка (їжак, ховрах, кажан) — з глибоким зниженням температури й обміну речовин.

• Помилка: Плутають анабіоз (життєві процеси майже зупинені) зі сплячкою (обмін лише сповільнений). Виправити: В анабіозі метаболізм практично відсутній — тихоходка у висохлому стані не дихає й не споживає енергію. У сплячці обмін сповільнений, але не зупинений — тварина дихає, серце б'ється, хоча й повільно.

• Помилка: Вважають, що рослини довгого дня цвітуть довше, хоча назва стосується тривалості світлового дня, потрібної для цвітіння. Виправити: «Рослини довгого дня» — це ті, що потребують довгого світлового дня (> критичної тривалості) для переходу до цвітіння. Назва не описує тривалість самого цвітіння.

Тема «Адаптивні біологічні ритми і фотоперіодизм» входить до теми 5.4 (розділ 5) програми НМТ з біології. Розуміння цієї теми перевіряють завданнями різних форм.

Вимоги програми

За програмою НМТ ти маєш уміти:

• розрізняти типи адаптивних біоритмів: зовнішні (добові, місячні, припливно-відпливні, сезонні, річні, багаторічні) та внутрішні (фізіологічні)

• пояснювати роботу біологічного годинника й значення фотоперіодизму

• визначати адаптивний характер сплячки, анабіозу, запасання корму

Формати завдань на НМТ

Тему можуть перевіряти в кількох форматах:

• Логічні пари (завдання 25–28): 1–4 → А–Д, одна буква зайва. Типова форма — «явище → тип біоритму». За кожну правильно встановлену пару — 1 бал, максимум 4 бали.

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г): завдання 0 або 1 бал. У демоваріанті НМТ-2026 тему 5.4 представляло завдання № 23 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) за рисунком.

Стратегія виконання

Для завдань на логічні пари «явище → тип біоритму» дій за алгоритмом:

1. Визнач період явища: доба (24 год), припливний цикл (12,4 год), місяць (29,5 доби), рік (365 діб), кілька років (багаторічний).

2. Порівняй період з характеристиками типів ритмів.

3. Якщо явище пов'язане з порою року — це сезонний ритм (навіть якщо воно повторюється щороку).

4. Якщо явище зберігається в сталих умовах — це річний (ендогенний) ритм, а не сезонний.

Орієнтовний час на виконання всього тесту НМТ з біології — 60 хвилин. На завдання з цієї теми варто планувати 2–5 хвилин залежно від форми.

Запам'ятай найважливіше з теми «Адаптивні біологічні ритми і фотоперіодизм»:

• Зовнішні (адаптивні) біоритми: добові (≈24 год), припливно-відпливні (≈12,4 год), місячні (≈29,5 доби), сезонні, річні, багаторічні. Внутрішні (фізіологічні): серцебиття, дихальні рухи, ритми електричної активності мозку.

• Біологічний годинник відлічує час і за сталих умов (циркадний ритм людини ≈24,2 год), а зміна світла й темряви щодня його «підводить». У людини центр ритмів — ядра гіпоталамуса, епіфіз у темряві виділяє мелатонін.

• Фотоперіодизм — реакція на тривалість світлового дня; це найнадійніший сигнал пори року, бо тривалість дня змінюється закономірно, а температура коливається випадково.

• Осінній листопад, линяння й перельоти запускає скорочення світлового дня, а не холод. Доказ: дерева біля ліхтарів довше тримають листя.

• Рослини довгого дня — жито, пшениця, ячмінь, овес, редиска, шпинат; короткого дня — рис, соя, просо, хризантеми; нейтральні — томат.

• Сплячка (їжак, ховрах, кажан), зимовий сон (ведмідь), анабіоз (тихоходка, спори, насіння) і запасання корму (білка, сойка, бджоли) — пристосування до несприятливого сезону. Сплячку й запасання корму заздалегідь запускає скорочення дня, а анабіоз настає безпосередньо під дією несприятливих умов (висихання, холоду).