Сонце і життєві ритми

Ми живемо в помірному кліматичному поясі — це єдиний пояс, де  змінюються 4 сезони року —  весна, літо, осінь, зима.

Фенологія — це наука про сезонні явища в природі. Вона реєструє та вивчає періодичні явища в живій та неживій природі, що пов’язані зі змінами сезонів. 

Зазвичай розрізняють чотири сезони: весну, літо, осінь і зиму. Залежно від сезону в дерев, кущів і трав змінюються зовнішній вигляд, процеси росту та розвитку.

Навесні збільшення тривалості дня для рослин є сигналом до розпускання листя, цвітіння і плодоношення. Зміну тривалості світлового періоду доби сприймає листя. У ньому утворюються речовини, що зумовлюють розвиток квіткових бруньок.

Весну поділяють на три періоди:

1-ий — рання весна — поява таловин, зникнення снігу на полях, цвітіння ранньоквітучих рослин-первоцвітів, початок сокоруху;

2-ий —  середня весна (квітуча) — триває до зацвітання черемхи;

3-ій  —  пізня весна — відцвітають бузок і яблуні, починає колоситися жито.

Колаборація

Котра зараз година? Чи можна, не дивлячись на годинник, відповісти на це запитання? 

Люди, тварини та рослини можуть „відчувати час” за допомогою біологічного годинника. Цей годинник без циферблата подарувала нам природа. У певний час дня розкриваються квіти, посилюється їхній запах. Навесні мешканці лісу пробуджуються від зимової сплячки. Ботаніки і садівники добре знають, що в кожній місцевості деякі квіти щоденно відкриваються й закриваються в один і той самий час.

Перед створенням цього годинника він спостерігав близько 50 рослин і відзначав реакцію квітки рослини вранці і ввечері, тобто коли вони розкривалися та закривалися.

Лінней відзначив і ті, які розкривалися на ніч і закривалися вдень — мірабіліс, дурман, нічна фіалка.

Також він звернув увагу, що в певні години доби інтенсивність освітлення помітно змінюється і на це реагують квіти кульбаби, тюльпанів: вони розпускалися при збільшенні інтенсивності та стуляли бутони при ослабленні світла. Квітки деяких рослин, навпаки, протягом дня при ослабленні світла розпускалися, а при дуже яскравих променях закривалися, начебто «мружилися» від сонця. 

А також, акумулювавши отримані попередниками знання, Лінней вирішив, що найкраще розмістити квіти по колу та розділити кожен вид на сектори. Суцвіття, що знаходились на кожному наступному секторі, розпускалися через годину після попереднього. Якщо врахувати, що рослини на першому секторі розпускалися приблизно о 4-й годині ранку, ця квіткова композиція, крім привабливого вигляду, дозволяла визначити час доби з точністю до години.

Квітковий сад, винайдений Карлом Ліннеєм, став дуже популярним серед людей різного віку, і кожен  хотів на власні очі спостерігати за надзвичайним видовищем загадки природи. 

З того часу подібні клумби стали висаджуватися на міських вулицях не тільки для створення декору, а й як механізм, що дозволяє визначити час за кольорами. Як квітковий годинник показує час? Створення цих надзвичайно красивих природних годинників було б неможливим без наявності в кожного суцвіття свого налагодженого століттями біоритму. Листя і квітки певного виду рослини здатні змінювати своє положення залежно від часу доби за рахунок дії 2 пігментів фітохрому (фоторецептора). Усі ми чудово знаємо, що природа живе за точними законами і кожне явище має свої тимчасові рамки. Однак важливо розуміти, що розпускання квітів або  закриття носить усе ж таки не точний, а зразковий характер, оскільки багато залежить від місцевості їхнього  проживання. Так, у різних кліматичних умовах або в місцях з довшим/коротшим світловим днем одні й ті ж суцвіття можуть розпускатися в різні години.

У наш час найвідоміший квітковий годинник, що працює за принципами К. Ліннея, розташований у швейцарському місті Женева. Знаходиться він в англійському парку. Його 5-метровий циферблат прикрашений 6500 різних кольорів. Рідкісний турист не привозить фотографію з ним. За кількістю знімків ця пам'ятка змагається лише з легендарним фонтаном Женевського озера.

Однак годинник виграє тим, що, фотографуючись з ним в різні пори не тільки доби, а й року, ви отримаєте різні зображення, оскільки, крім змін за добу, дизайн квіткового годинника змінюється чотири рази на рік. 

Щоб відремонтувати механізм величезного годинника, потрібно спуститися під землю. Але з моменту його створення в 1955 році він досі ще жодного разу не давав збоїв. 

До речі, секундна стрілка на 5-метровому циферблаті — теж предмет гордості колективу флористів, дизайнерів та годинникарів. Її довжина становить 2,5 метри, на даний момент вона є найдовшою у світі.

Комонов Павло, 10Бі

Сезонні біоритми особливо виражені у тварин, що мешкають у регіонах зі значними сезонними змінами клімату. З порами року пов'язані ритми розмноження тварин та їхніх міграцій, насамперед перелітних птахів. Змінюються фенологічні фази розвитку рослин — цвітіння, плодоносіння, скидання листків на зиму, що впливає на життя всіх тварин екосистем.

Тварини, що залишаються зимувати в умовах холодного клімату, реагують на зміни температури підвищенням ступеня теплоізоляції тіла. Так, теплоізоляційна здатність зимової «шуби» бурого ведмедя на 93 % вища за літню. Заєць-біляк змінює колір хутра: улітку він бурий, а взимку — білосніжний. Це допомагає йому ховатися від хижаків. А песець змінює своє хутро, яке стає густим і білим узимку, а влітку  —  коротшим і бурим. Ці зміни не лише маскують тварин, а й зберігають тепло в суворих зимових умовах.

Заціпеніння — стан різкого зниження життєвої активності, що настає у тварин через нестачу вологи (літнє заціпеніння) або в разі зниження температури навколишнього середовища (зимове заціпеніння).

Заціпеніння властиве, наприклад, протоптерам — дводишним рибам із пересихаючих водойм тропічної Африки. Цей процес має сезонний характер. Риби починають готуватися до сплячки з настанням посушливого сезону й у міру висихання тимчасових водойм. Протоптер проводить у стані заціпеніння 6—9 місяців, у періоди сильних посух — ще довше. У природних умовах протоптер виходить із заціпеніння з настанням періоду дощів, коли водойми наповнюються водою.

Птахи, такі як лелеки, долають до 10 тисяч кілометрів, орієнтуючись за зірками та магнітним полем Землі. Цікаво, що метелики монархи також мігрують! Вони летять з Канади до Мексики, подолавши понад 4000 км. А ось лосі мігрують на південь, щоб знайти корм, і можуть проходити до 50 км за день.

Сезонні ритми у тварин — це дивовижний прояв гармонії природи. Від зимової сплячки до міграцій та турботи про потомство — усе це демонструє, як жива природа пристосовується до викликів середовища. Дослідження цих явищ допомагає нам не лише краще розуміти навколишній світ, а й усвідомлювати, як важливо берегти природу. Вона надихає нас своєю мудрістю, і наше завдання — зберегти цю гармонію для майбутніх поколінь.

Караманов Артем, 8А

Цікаве: кожного року 28 квітня у світі відзначається День біологічного годинника.

Ритми травної системи: Є така приказка: «Сніданок з’їж сам, обід розділи з другом, вечерю віддай ворогу». І вона зовсім не безглузда і необґрунтована.

У першій половині дня утворюється найбільша кількість жовчі, що забезпечує оптимальні умови для перетравлення, зокрема, жирів. Крім цього, є дані, що рівень шлункової секреції та моторика шлунку досягають піку о 13—14 годині, незалежно від того, споживає людина їжу в цей час чи ні. Отже, є наукове підтвердження того, що вечерю треба віддати ворогу.

До речі, ця мудрість відома не лише в нас. Ось, наприклад, англійською: «Eat breakfast like a king, lunch like a prince, and dinner like a pauper» ( Їж сніданок як король, обід  —  як принц, а вечерю —   як жебрак).

Ритми нервової системи: Удень переважає тонус симпатичної вегетативної нервової системи, а вночі — парасимпатичної.

Ритми видільної системи: Уночі знижується видільна функція нирок і досягає мінімуму між 2 годиною ночі та 5 годиною ранку, тому падає рівень виведення води. Цей ритм зберігається, навіть якщо людина п’є вночі.

Ритми температури тіла:  Давно відомо, що температура тіла людини поступово зростає упродовж усього дня, вона є мінімальною приблизно о п’ятій ранку та досягає піку близько 19 години, після чого знову знижується перед  сном. Різниця температур може досягнути 0,8 градусів за Цельсієм.

Інше дослідження в тенісі показало, що швидкість і точність ударів також піддаються впливу циркадних ритмів. У дослідженні взяли участь шестеро топових гравців, які мали виконати почергово по 15 подач із акцентом на швидкість та  точність. Точність улучання близько 9 години ранку була найбільшою, а швидкість — найменшою, і впродовж дня ці параметри поступово змінювалися так, що до вечора вже переважала швидкість і сильно страждала точність гри.

На жаль, через незнання про циркадні ритми люди, мовби змагаючись зі своїм тілом, намагаються запровадити в ньому свої правила. Вони жаліються на погане самопочуття, не розуміючи, що саме такі чинники, як нерегулярне спання або пізнє вживання їжі, шкодять їхньому здоров’ю. Знання про циркадні ритми допоможе людству любити себе і бути щасливим та здоровим, бо коли циркадні ритми в нормі, то створюється так званий циркадний баланс —  стан, коли людина має чудове самопочуття, вона відчуває себе фізично здоровою, у неї хороший настрій і чудовий апетит, вона відпочила і сповнена енергії. 

Володіна Надія, 8А

• Є деяка  закономірність щодо розміру епіфізу. Загальне правило полягає в тому, що шишковидна залоза збільшується в розмірах у хребетних від екватора до полюсів. Найбільшим зареєстрованим є епіфіз  південнополюсних новонароджених тюленів  —  він може становити третину їхнього мозку! Епіфіз дорослих особин стає значно меншим порівняно з розміром усього мозку, але все одно є більшим, ніж в інших тварин. 

• Довгий час люди думали, що шишкоподібна залоза є вмістилищем душі. 

• Шишкоподібна залоза має найдовшу історію серед органів тіла як структура невідомої функції — пройшло майже два тисячоліття, поки дерматолог А. Лернер виявив її основну біологічну роль у 1958 році. 

Як уже зазначено вище, епіфіз синтезує гормон мелатонін. Як же це відбувається? Уся відповідальність за вироблення мелатоніну лежить тільки  на епіфізі. Він стимулює процес продукування цього гормону в темряві та зупиняє його виділення в денний період. Мелатонін вивільняється і дає сигнал організму — треба спати. От тому ми спимо вночі. Відповідно, коли до епіфізу доходять сигнали про те, що зовні світить сонце, мелатонін виробляється значно менше. До речі, назва гормону буквально походить від обставини його вироблення: «melas» латинською означає «чорний». Процес вироблення мелатоніну регулюється за допомогою фоточутливих клітин сітківки ока. Саме вони ловлять світло та посилають сигнал в епіфіз.

Птахи

 У птахів система передачі світла до епіфізу найунікальніша серед хребетних, бо вона може відбуватися трьома шляхами. 

• Перший спосіб  —  такий як у ссавців. У нормальних умовах він переважає.

• Другий  —  світло пробивається через череп одразу до епіфізу. У птахів тонші кістки, ніж у ссавців, тому це можливо. 

• Ну, і третій спосіб  —  у гіпоталамусі та проміжному мозку птахів є світлочутливі клітини, які реагують на світло, що проходить через череп. Переважно вони функціонують у гіпоталамусі,   а саме в ньому розташоване СХЯ. Фоторецептори цих клітин активують сигнальні каскади про світло і переправляють його до СХЯ. Від СХЯ сигнали йдуть до епіфізу.

Перед тим, як перейти до розгляду сприймання епіфізом світла рештою хребетних, познайомимося з таким поняттям як тім’яне око.

Тім’яне око  —  світлочутливий орган, наявний у деяких земноводних та рептилій. Насправді воно  не є справжнім оком, бо реагує лише на рівень освітлення і не сприймає зображення. Воно входить до тієї ж області мозку, що й епіфіз. Тім’яне око пов’язане з шишкоподібною залозою  (навіть одна з назв цього органу — шишкоподібне око) та здатне передавати їй сигнали про рівень освітленості, допомагаючи регулювати вироблення мелатоніну. 

Окремі види амфібій сприймають світло одразу шишковидною залозою, наприклад, прозорі тропічні жабки. Однак у  більшості сигнал передається класичним шляхом, через око або через тім’яне око, як у саламандр та тритонів.  

Ну, а тепер, розглянувши як саме доходить світло до епіфізу, розберемося детальніше з гормоном, задля якого цей процес робиться. 

Мелатонін – це гормон N-ацетил-5-метокситриптамін, який у природному порядку синтезують практично всі живі організми, як тварини, так і рослини. За оцінками вчених, «зародження» мелатоніну на нашій планеті відбулося близько 3,5 мільярдів років тому, оскільки ця речовина була виявлена в структурі древніх ціанобактерій.

Як ви вже знаєте, мелатонін  —  головний гормон, який регулює ритм сну. Але в нього, крім цього, є ряд інших важливих функцій, без яких ми б пропали.

Наприклад, мелатонін має антибактеріальні властивості: зменшує ризик пухлин, допомагає організму боротися з інфекціями. 

Дуже цікавим є те, що цей гормон гальмує передчасний розвиток репродуктивної системи, зменшуючи рівень гормонів, що відповідають за статеве дозрівання. З дорослішанням рівень гормону зменшується, відповідно це дає сигнал гормонам статевого дозрівання — «прохід дозволено»! 

Ще мелатонін зменшує рівень стресу: пригнічує гормон кортизол  —  гормон стресу.

Він знижує температуру, тому вночі в хребетних нижча температура, ніж удень. 

Виправляє десинхроз, тобто допомагає адаптуватися до швидкої зміни часових поясів.

А ще виявлено, що цей гормон покращує когнітивні функції нашого мозку.

Як бачимо, щоб мелатонін під час сну самостійно вироблявся в достатній кількості, доведеться дотримуватися здорового режиму.

Вище ми розглянули багато випадків користі мелатоніну. 

Що ж стається, коли порушується його вироблення і від чого воно буває? Організм позбавляється дуже великої підтримки. 

Отже, розглянемо чинники порушення синтезу цього гормону та наслідки. 

• Синє світло від гаджетів

Промені сонця мають спектр синього кольору. Як ви знаєте, сонячне світло гальмує вироблення мелатоніну. До чого тут наші смартфони, телевізори та комп’ютери? Справа в тому, що вони теж містять синє світло, і наш мозок сприймає його за денне як сигнал «спати не треба», отже, мелатоніну виробляється менше.

А як на нас упливає звичайне світло ламп? Якщо вони світять не холодним білим світлом,  якщо ми не перебуваємо під їхнім світлом цілу ніч, своєвчасно лягаємо, то це мало впливає на наш мелатонін. Сидіть біля ламп, спокійно читайте при їхньому світлі книжки —  це вам не нашкодить, а от щоб попіклуватися про себе, прибираймо гаджети принаймні за годину до сну. 

• Великий рівень стресу

 Великий стрес —  великий рівень кортизолу. Мелатонін допомагає перемогти стрес, але у великому стресі більше кортизолу, і тут він перемагає мелатонін. 

• Нічна робота 

Люди, які працюють уночі, так чи інакше весь час перебувають під впливом світла, що знижує рівень синтезу мелатоніну. 

Порушення вироблення мелатоніну підвищує ризик пухлин, наприклад, кількох типів раку, демонструються частіші випадки серцево-судинних та психічних розладів. 

Цікаво, що в численних дослідженнях було показано, що школярі і студенти, які лягають пізно, тобто в них пізній хронотип, вони «сови», навчаються гірше, ніж їхні однолітки з проміжним  хронотипом («голуби») і раннім («жайворонки»). Середній бал за попередню чверть у «жайворонків» достовірно вищий, ніж у «сов». Хоча рівень інтелекту в осіб із пізнім хронотипом у середньому не нижчий, ніж в інших хронотипів, а часто навіть вищий. 

Що нам може допомогти?

• Недарма режим дня так розхвалюють. Якщо людина лягає кожен день о тій самій годині, то її організму значно легше. До того ж треба намагатися лягати до одинадцятої, бо за середнім показником з 23 до 2 години ночі в нас відбувається пік вироблення мелатоніну. Лягаючи вчасно, ми забезпечимо собі якісніший та здоровіший відновлювальний сон.

• За годину до сну намагайтеся уникати використання гаджетів.

• Чим яскравіше світло, тим швидше мелатонін перестає вироблятися. Відкривайте свої штори чи ролети перед сном  —  тоді зранку ви будете прокидатися бадьорішими та більш виспаними. 

Піклуйтеся про свій мелатонін, любіть себе і будьте здоровими!

Володіна Надія, 8А

Але чому існують різні циркадні ритми, не було б легше, щоб у всіх він був один? У природі існує багато видів тварин і рослин, і їхня активність розподілена по-різному. І це не даремно, ось кілька важливих причин.

Перш за все, розподіл ресурсів. Денні та нічні організми використовують одні й ті самі ресурси, але в різний час. Це дозволяє їм не заважати і не конкурувати один з одним в пошуках їжі. Активність серед ночі є деякою формою диференціації ніші, де екологічна ніша видів поділяється не за кількістю ресурсів, а за кількістю часу. Яструби й сови можуть полювати на тому самому полі або лугу на один і той самий вид гризунів, не вступаючи в конфлікт, оскільки яструби — денні, а сови — нічні птахи. Таким чином вони не конкурують за здобич один з одним.

В океані і прісних водоймах багато видів риб мають свої часові ніші. Денні риби, такі як баракуди, полюють у сонячний час, а нічні види, наприклад вугрі, виходять на полювання в темний час доби. Таким чином вони не заважають один одному, і шанс на успішне полювання збільшується.

Також це допомагає адаптуватися до умов навколишнього середовища. Якщо умови в природі змінюються, наприклад, через погодні чи сезонні коливання, різноманіття циркадних ритмів допомагає екосистемі залишатися стабільною, оскільки різні види реагують на зміни по-різному.

Багато рослин розкривають свої квіти вдень, щоб привернути денних запилювачів, таких як бджоли. Є ще й нічні квіти. Вони часто розцвітають уночі, щоб привернути нічних запилювачів, таких як метелики й нічні бабки. Приклади таких квітів: 

Нічний квітучий джессамін

Ретунська Єлизавета, 10Бм