Свет и биологические ритмы

С самого возникновения жизнь на нашей планете осуществляется в условиях ритмически меняющейся среды. Движение Земли вокруг солнца вызывает закономерные и периодические изменения ее освещенности и соответственно обуславливает длительность дня и ночи по сезонам года. Все это требует со стороны живых существ так или иначе приспосабливаться к окружающей среде; им свойственна ритмичность жизнедеятельности. Иными словами, многие организмы способны «измерять время». В качестве датчиков времени могут выступать различные периодически изменяющиеся факторы среды. Но в эволюции большинства живых организмов основное значение имеют закономерные изменения количественных параметров освещенности. Соотношение светлой и темной части суток называется фотопериодом. Свойство организмов воспринимать соотношение длительности дня и ночи получило название фотопериодизма. Только на экваторе, где продолжительность дня и ночи не изменяется по сезонам, и в некоторых особых условиях (глубины моря, пещеры, непрерывный полярный день) ведущее значение в регуляции биологических ритмов приобретают другие факторы.

Суточная периодичность свойственна большинству видов растений и животных. Время открытия и закрытия цветков у высших растений, начала или окончания бодрствования у животных согласовано с суточным ходом освещенности. Животные по отношению к световому фактору подразделяются на дневных, сумеречных и ночных (в зависимости от периода их наибольшей активности). У дневных животных длительность активного периода зависит от продолжительности дня и подвержена сезонным изменениям. Формирование видового стереотипа активности — сложный процесс, отражающий приспособление ко многим факторам среды; при этом условия освещения далеко не всегда имеют отношение к этому процессу. В большинстве случаев общий характер активности животных определяется типом питания, взаимоотношениями с хищниками и конкурентами, суточными изменениями комплекса абиотических факторов и т.п. Так, суточная активность пойкилотермных животных во многом определяется температурным режимом среды. Среди грызунов, обитателей открытых пространств, наиболее выражена ночная активность, когда слабее пресс хищников. Сумеречно-ночной тип активности куньей акулы прямо связан с аналогичным типом активности ее главной пищи — ракообразных.

Режим освещения выступает в роли сигнального фактора, который определяет время начала и окончания активности. У дневных видов утреннее нарастание освещенности по достижении определенного порога стимулирует начало активной деятельности. По отношению к птицам известный орнитолог А.Н. Промптов назвал эту пороговую освещенность пробуждающей яркостью (1940) и установил конкретные ее величины для ряда видов. У ночных видов начало активности соответствует определенной степени снижения освещенности, а утреннее ее повышение определяет окончание активного периода.

Большинство организмов, обитающих в условиях сезонной смены климатических режимов, характеризуется сезонной периодичностью процессов жизнедеятельности. У растений это связано с сезонным характером репродукции и проявляется в согласовании периода цветения и созревания плодов с периодом наиболее активного фотосинтеза. В зависимости от длительности светового периода, необходимого для перехода растений к цветению, выделяют: растения короткого дня, цветение которых происходит при продолжительности светового периода 12 ч. и менее (конопля, капуста, хризантема и др.); растения длинного дня, для успешного цветения и дальнейшего развития которых необходима продолжительность непрерывного светового периода более 12 ч. в сутки (лен, лук, овес, морковь, картофель, пшеница и др.); фотопериодически нейтральные растения, развитие генеративных органов у которых наступает в широком интервале периода освещенности (кроме очень короткой, означающей для растений световое голодание). Это виноград, одуванчик, гречиха, сирень и др.

Продолжительность дня существенно сказывается и на поведении животных. С наступлением весенних дней у оседлых птиц проявляются гнездовые инстинкты, перелетные мигрируют к местам гнездований; у теплокровных зверей происходит линька. Осеннее сокращение дня обуславливает стремление птиц к перелету; у млекопитающих — впадение в спячку, отрастание зимней шерсти; у насекомых — образование зимующих стадий. Уменьшение длительности дня сигнализирует живым организмам о близком наступлении зимнего периода, и они могут заранее подготовиться к нему. В связи с этим возникает возможность искусственного регулирования развития животных и растений. Например, благодаря увеличению в теплицах светового дня до 12–15 ч. зимой выращивают декоративные растения и овощные культуры. Наоборот, при затенении летом у позднецветущих осенних растений быстрее появляются цветки и созревают семена. Продлением за счет искусственного освещения светового периода зимой можно увеличить яйценосность кур, гусей, уток, регулировать размножение пушных зверей на зверофермах.