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 па 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 из 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.

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, а час спустя - мак, к 6 часов 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 час. 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-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.

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. Это обстоятельство впер­вые отметил в 1914 г. польский исследователь И. Шиманский. Он обратил внимание на то, что суточные ритмы активности сохраняются в условиях постоянной темноты и температуры. В связи с этим ученый высказал предполо­жение о существовании у животных врожденной способ­ности к измерению времени.

При наступлении летнего времени за Полярным кругом у лесных птиц сохраняется четкий суточный ритм, нес­мотря на круглосуточный день. Летом на севере актив­ность птиц достигает минимума в 22-23 час. и макси­мума - в 14-15 час. Птицы, обитающие летом на севере, несмотря на непрерывное солнечное освещение, имеют ночной сон. Этот же ритм у них сохраняется и в обычные дни.

Многие птицы ведут дневной образ жизни. Днем они добывают корм, а когда приближается вечер - устраи­ваются на ночлег. Интересно, что для одной и той же разновидности птиц это время строго определено. Так, напри­мер, скворцы заканчивают поиски корма за час до захода Солнца. В течение получаса они собираются группами по нескольку десятков птиц, а затем улетают на ночевку за 13 км. После прилета на новое место они в течение часа успокаиваются, а уже на рассвете вылетают вновь.

У плодовых мух дрозофил, как и у многих других на­секомых, вылет из куколок происходит на рассвете. Дей­ствия биологических часов отмечено у насекомых. У сверчков, например, максимум суточной двигательной актив­ности приходится на 15 час. Личинки поденки проявляют наибольшую активность в период с 19 до 7 час. Этот ритм у них не исчезает в течение четырех месяцев в условиях ускоренного или круглосуточного освещения.

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.