Ритмы физиологических процессов

Итак, растения с наступлением ночи впадают в состояние "сна", заблаговременно начинают готовиться к зимовке, в определенное время раскрываются и закрываются их цветки. Поэтому можно предположить, что они каким-то образом воспринимают ритм движения времени. С помощью факторостатных камер, в которых в течение всего года поддерживаются постоянные температура, влажность воздуха, атмосферное давление, интенсивность искусственного освещения, получены веские доказательства в пользу существования у живых организмов "биологических часов". Растения в факторостатных камерах, несмотря на полную изоляцию от внешнего мира, продолжают вести себя так же, как и в естественных условиях, когда они воспринимают смену дня и ночи, чередование времен года. Примечательно, что там у них сохраняются суточные ритмы даже в том случае, если их постоянно содержат в темноте или на свету. У фасоли, как уже отмечалось, ночью листья опускаются вниз, как бы прижимаются к стеблю, а днем приподнимаются и располагаются перпендикулярно к нему. В факторостатных камерах и у других организмов наблюдаются периодические изменения, связанные со сменой дня и ночи. Одноклеточная эвглена зеленая днем всплывает на поверхность, а ночью погружается в глубину водоема. После помещения в факторостатную камеру она продолжает всплывать и погружаться в те же часы, что и в естественных условиях.

Интересно отметить, что обитательница южных морей одноклеточная водоросль гониаулакс (Goniaulax poliedra), скопления которой служат причиной ночного свечения моря, обладает суточным ритмом биолюминесценции. Максимум ее свечения наблюдается в полночь. В это время она светится в 40 - 60 раз интенсивнее, чем днем, Ритм свечения не зависит ни от температуры, ни от освещенности. Однако при длительном пребывании в темноте водоросли перестают светиться, поскольку прекращается фотосинтез и клетки отмирают.

Эндогенные суточные ритмы у разных организмов имеют общие признаки. Прежде всего следует отметить, что периодичность их обычно не соответствует полностью 24 часам. Так, например, периодичность движения листьев фасоли -27 -28 часов. Если организм поместить в факторостатную камеру с постоянными температурой и освещенностью, то "биологические часы" начнут либо спешить, либо отставать (периодичность составляет от 22 до 28 часов), поэтому эти ритмы называют циркадными, т. е. околосуточными.

У фасоли ночью листья опускаются вниз, а днем располагаются перпендикулярно к стеблю

Когда организм из факторостатной камеры вновь попадает в естественные условия, циркадные ритмы преобразуются в суточные. При этом в качестве синхронизатора периодичности выступают суточные изменения основных экологических факторов - освещенности, температуры.

Если организм остается в факторостатной камере длительное время, амплитуда колебаний эндогенных ритмов постепенно уменьшается, и ритмы затухают. Теперь для их возникновения в онтогенезе растения необходим определенный стимул извне, своего рода начальный толчок. Так, например, если фасоль вырастить из семян в темноте и при постоянной температуре, то ее листья не реагируют на смену дня и ночи и не изменяют своего положения. Для того чтобы возникли ритмические движения, необходимо растение подвергнуть кратковременному освещению. Листья фасоли не изменяют своего положения и в том случае, если она выросла при непрерывном освещении. Для таких растений индуктором ритмических движений листьев может быть полная темнота в течение 9-10 часов.

В факторостатных камерах у растений наблюдается тенденция к сохранению некоторых годичных циклов. Несмотря на то что живые организмы, находящиеся в них, не испытывают действия солнечного света, при наступлении весны в них изменяются процессы жизнедеятельности, например семена растений в это время лучше прорастают.

Каким же образом семена, высаженные в герметичной светонепроницаемой камере, узнают о приходе весны?

Ученые считают, что растениям и животным свойственны внутренние ритмы физиологических процессов, причем периодичность этих процессов может быть по времени различной. Рассмотрим несколько примеров. В опытах с дрожжевыми клетками было установлено, что концентрация некоторых веществ в них ритмично изменяется через несколько минут. Эти колебания характерны не только для клеток, но и для клеточных органоидов. Так, например, в течение минуты в митохондриях изменяется скорость потребления кислорода. Ритм потребления кислорода в свою очередь тесно связан с периодичными изменениями свойств мембран и объема митохондрий.

А вот другой пример. У растений фазы повышенной активности синтеза, продолжающиеся около 12 часов, сменяются фазами усиленной диссимиляции, иначе говоря, фазы более высокой активности фотосинтеза чередуются с фазами интенсивного дыхания.

Эти факты чрезвычайно интересны и приближают нас к объяснению сущности биологических часов с помощью так называемых периодических реакций, открытых в 1951 г. советским биофизиком Б. П. Белоусовым при изучении превращений в клетках лимонной кислоты. Когда исследователь смешал раствор лимонной кислоты со смесью серной кислоты и бромата калия, а затем добавил в качестве катализатора соль редкоземельного элемента церия, то увидел удивительное явление. Реакционная смесь стала периодически изменять свою окраску: она то становилась желтой, то обесцвечивалась, причем промежутки времени между окрашиванием и обесцвечиванием оставались неизменными. Дальнейшие исследования показали, что в зависимости от соотношения указанных компонентов интервалы между колебаниями в цвете раствора могут изменяться в пределах от долей секунды до многих часов.

В 1980 г. группа советских ученых, в том числе и Б. П. Белоусов, была удостоена Ленинской премии за открытия в области периодических реакций. Признание заслуг не застало ученого в живых: в 1970 г. он скончался.

Важно еще отметить, что открытие периодических реакций было сделано Б. П. Белоусовым отнюдь не случайно. Его интересовали процессы, протекающие в живых клетках, в частности превращения в митохондриях лимонной кислоты. Он считал, что периодическая реакция, протекающая в пробирке, имеет прямые аналогии с процессами, происходящими в живых клетках.

Для нас открытие Б. П. Белоусова интересно в связи с выяснением механизма биологических часов. Не исключено, что именно периодические реакции позволяют растениям воспринимать ход времени, реагировать на него ритмическими движениями своих органов.

По мнению ряда авторов, суточные ритмы наследуются, они присущи растениям и животным от рождения. Поскольку наследственность связана с молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), по всей вероятности, информация о суточных ритмах зашифрована в особенностях их строения.

Человек пока не открыл механизм "биологических часов". Однако нет сомнения в том, что это будет со временем сделано. Полное раскрытие сущности биоритмов даст в наши руки мощное средство управления темпами роста и развития растений.

Эндогенные суточные и годичные ритмы сформировались в результате длительной эволюции. Они позволили растениям приспособиться к сезонным изменениям погоды. Из года в год у растений одного и того же вида физиологические изменения, связанные со сменой времен года, происходили в одно и то же время. Основным ориентиром при этом растениям служила длина светового дня: увеличение ее в конце января указывало на приближение весны, а сокращение в конце лета было сигналом к началу подготовки к зиме, несмотря на то что климатические условия еще оставались благоприятными для роста растений. Те организмы, которые не могли распознавать смену времен года, погибли, поскольку они были хуже приспособлены к условиям существования, чем обладавшие этим качеством.

"Биологические часы" обеспечивают синхронизацию цветения растений, способствуют протеканию цветения в наиболее благоприятных для этого условиях. Дело в том, что растения зацветают не тогда, когда им заблагорассудится, а лишь после воздействия определенным фотопериодом, т. е. при известном соотношении продолжительности дня и ночи. Это явление, получившее название "фотопериодизм", обнаруживается не только в средних широтах, но и в тропиках. Несмотря на то, что здесь круглый год условия благоприятны для жизни растений, многие виды цветут лишь в определенный промежуток времени, который нередко бывает очень коротким.

По отношению к длине светового дня различают нейтральные, длиннодневные и короткодневные растения.

На образование цветков у нейтральных растений (например, у томатов) длина светового дня не влияет. Примером длиннодневных растений являются яровые злаки умеренной зоны. Они дружно зацветают при длине дня, равной 16-18 часам. К числу короткодневных растений относятся рис, просо, конопля, соя. Их цветение приурочено обычно к продолжительности дня меньшей 12 часов. В связи с тем что в тропических районах разница в длине дня и ночи очень незначительна, многие короткодневные растения, произрастающие здесь, обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к длине фотопериода. Так, например, на острове Ява максимальная разница в длине дня составляет всего лишь 48 минут. И тем не менее растения успешно "распознают" времена года. Некоторые сорта яванского риса реагируют на разницу в продолжительности дневного освещения, равную всего одной минуте! Этой минуты достаточно, чтобы более чем на один день задержать или ускорить цветение риса. Такая точность поистине уникальна. Ошибка "биологических часов" риса составляет всего 0,07%!

Таким образом, настройка и поддержание суточных и годичных ритмов основных физиологических процессов у растений представляют собой чрезвычайно важную адаптацию в условиях ритмически меняющихся параметров окружающей их среды.