Таинственные регуляторы времени

Все мы привыкли к тому, что день сменяется ночью, а за осенью наступает зима, что весной по утрам нас встречает громкоголосое пение птиц. Мы знаем, что весной после долгой зимней спячки просыпаются и покидают свои норы медведи и барсуки, ежи и суслики. Кто дает им сигнал, что наступила весна, а с ней тепло и обилие пищи? По каким часам узнают летучие мыши, например, что сумеречные насекомые - майские жуки, ночные бабочки - совки, пяденицы, бражники, которыми они питаются, уже появились в воздухе и что им пора вылетать на охоту?

Издавна было известно, что растения и животные обнаруживают периодически повторяющуюся активность. Суточный цикл сна и бодрствования животных, человека и даже некоторых растений очевиден. Некоторые растения расцветают, когда день укорачивается, а другие - когда он становится длинным. Составленные еще Карлом Линнеем цветочные часы, показывающие время в течение всего дня, основаны на способности различных цветков открываться и закрываться в определенное время. Интересно, что замурованные в подземельях растения в темноте и при постоянной температуре все-таки "знают", который час. Они вовремя складывают листья и "засыпают". То же самое наблюдается и в опытах с животными: в полной изоляции они ложились спать и просыпались точно "по будильнику".

Ученые выяснили, что все живые организмы, от одноклеточных растений до человека, обладают определенными биологическими ритмами. В настоящее время родилась даже новая область знаний - биоритмология. Она позволяет ответить на вопросы: что такое "биологические часы" живых организмов? Каковы принципы их работы? Как растения и животные узнают время? Помогают ли им эти "часы" в борьбе за существование, а если помогают, то каким образом? Не случайно известный американский ученый Карл Хампер сказал, что биологические часы представляют, вероятно, одну из самых интригующих тайн современной биологии.

Современные ученые резко расходятся во взглядах на природу биологических часов. Признанный авторитет в этой области Дж. Л. Клаудсли-Томпсон (цит. по Р. Уорду, 1974) называет три устоявшиеся точки зрения по этому вопросу: биологические ритмы приобретаются в результате обучения; биологические ритмы являются врожденными; биологические ритмы связаны с реакцией организма на раздражители космического происхождения. Каждая из этих гипотез имеет ярых приверженцев, но никто из них не располагает пока достаточными доказательствами своей правоты. Весьма возможно, что истину надо искать где-то посередине. Сейчас точно установлено, что живые существа обладают "внутренним механизмом", способным измерять время. В этом заключается суть проблемы биологических ритмов.

Мы уже привыкли к определенным биоритмам продолжительностью в сутки или в несколько месяцев. Действительно, средняя длина периода биологического ритма на Земле равна 24 часам. Оказывается не люди, а сама природа "создала" или "придумала" земные сутки. Периодические изменения освещения, температуры, влажности воздуха, барометрического давления и многих других внешних факторов оказывают влияние на живой организм, и он на всякое изменение во внешней и внутренней среде отвечает как единая система, сложившаяся в процессе эволюционного развития. Самым главным "часовщиком" живой природы, вызывающим периодическую деятельность различных функций организма, отмечает Н. А. Агаджанян (1967), является Солнце. Все живые обитатели нашей планеты приспособились к условиям жизни на ней. Каждый оборот Земли вокруг своей оси приносит смену дня и ночи. Так было миллионы лет, и все живое на земле не могло не реагировать в процессе эволюции на строгий суточный цикл нашей планеты. Для обозначения суточного ритма употребляется термин "циркадный". Надо отметить, что период длительности циркадного (суточного) биоритма составляет 20-28 часов, поэтому правильнее его называть околосуточным.

Поведение большинства животных обусловлено суточной ритмикой, т. е. сменой дня и ночи. Это можно наблюдать в двигательной их активности, в голосовых реакциях. Суточный ритм активности может определяться временем питания. У насекомых, питающихся нектаром и пыльцой, фаза активности может совпадать со временем раскрывания цветков у растений.

Большинство птиц, как насекомоядных, так и растительноядных, ведет дневной образ жизни и только некоторые из них, такие как козодой, сова и филин, изменили своим пернатым "родичам" и свой рабочий день начинают в вечерних сумерках и заканчивают в предутренние часы. Таким образом, мы отмечаем у птиц свой ритм бодрствования и отдыха. Интересно, что лесные птицы, обитающие летом за Полярным кругом, несмотря на круглосуточный день, имеют четкий суточный ритм, свойственный птицам средних широт, т. е. у всех птиц, обитающих летом на севере, есть ночной сон.

Барсук выходит из своего убежища в поисках пищи поздним вечером, а рыжая лисица отправляется на охоту ранним утром. Юркие ящерицы - типично дневные животные, а травяная лягушка- ночное. А полевки, наиболее массовый вид мышевидных грызунов в нашей стране, летом активны ночью, а зимой - днем. Исследователи К. М. Рыков и А. Д. Слоним (1960) выдвинули гипотезу, что способность центральной нервной системы животного концентрировать во времени состояния покоя и активности является врожденной и генетически закодированной. Ориентировка же во времени и само построение периодики являются результатом воздействия солнечного цикла, цикла вращения земли. Действительно, циркадные ритмы находятся в определенных фазовых соотношениях с тремя строго различными периодами внешних ритмов, соответствующих движению земли к солнцу, луне и звездам. Первый период называется солнечными сутками, второй - лунными и третий - звездными. Эти ритмы влияют на земную жизнь, так как с ними связана изменчивость интенсивности различных излучений.

Биологические ритмы, четко приуроченные к определенным сезонам года и повторяющиеся с годичными интервалами (сезонные перелеты птиц, миграции насекомых, рыб, млекопитающих; процессы, связанные с запасанием на зиму корма, зимовкой, линькой, выращиванием потомства и т. д.), получили название сезонных. Все вышеперечисленные врожденные формы деятельности в значительной мере зависят от сезонных колебаний освещения, температуры, возможности добывания пищи, так называемого трофического фактора. Сумеречное освещение - важнейший "датчик времени", т. е. заход солнца, например, является решающим раздражителем при установке ритмов активности ночных животных. Для дневных животных большое значение имеет рассвет.

В сезонной ритмике жизнедеятельности организмов очень ярко проявляется закономерность приспособительного значения любых циркадных (суточных) ритмов - синхронизация периодов активной жизнедеятельности с наиболее благоприятными для них внешними условиями. В сезонной же биоритмике более отчетливо по сравнению с суточной проявляется и ее вторая замечательная черта - приспособление к переживанию неблагоприятного времени. Сезонная биоритмика, например, обеспечивает появление потомства именно в то время, когда оно имеет больше всего шансов выжить, и исключает появление потомства в неблагоприятный период.

Следовательно, указывает А. Д. Слоним (1976), сам сезонный цикл лишь в известной мере можно рассматривать как вызываемый внутренними (эндогенными) факторами. В большей мере он определяется внешними стимулами. Между суточными и сезонными ритмами у животных существуют определенные зависимости. Они заключаются в том, что в характере активности животного на протяжении суток наблюдаются сезонные изменения.

Познакомившись с сущностью биоритмики, свойственной всем живым организмам, рассмотрим действие "биологических часов" у рукокрылых.

Каждый вечер с наступлением темноты летучие мыши покидают свои убежища, в которых они проводят большую часть суток, и вылетают на охоту за насекомыми. Почему же они оставляют укрытия только в сумерках, а не днем? Как они узнают о наступлении "своего" времени?

Оказывается, у летучих мышей ритмика активности связана с процессом питания в определенное время, что обусловлено способностью организма "отсчитывать" время. Поскольку ритмика активности возникает в результате условно-рефлекторной связи, то летучие мыши, находящиеся в изолированной камере, способны повышать свой обмен и температуру тела в определенные часы, соответствующие часам активности, т. е. времени вылета на кормежку. Этот ритм отсутствует у детенышей, когда они еще не могут самостоятельно летать и кормятся материнским молоком круглые сутки.

Суточный ритм газообмена сохраняется у летучих мышей, даже находящихся в состоянии зимней спячки. Он очень слабо выражен в первой и достаточно заметен во второй половине периода спячки. У зимующих рукокрылых рода ночниц, находящихся под наблюдением, температура тела с начала февраля повышалась до 15-25 0 С. Весной у летучих мышей снова начинает функционировать более четко ритм периодической активности. В его формировании принимает участие смена освещения. В дальнейшем (летом и осенью) ритмические процессы проходят уже независимо от воздействия освещения, закрепляясь в виде особого физиологического ритма, связанного с отсчетом времени в центральной нервной системе (условный рефлекс на время).

Характер и время поисков, затраченное на добывание нужного количества корма, в значительной степени зависят от доступности и обилия пищи, а также от различия способов охоты рукокрылых. С этим связана активность отдельных видов летучих мышей, живущих в одних и тех же условиях. Так, водяная и прудовая ночницы активны не более получаса в вечерних и еще меньше - в утренних сумерках, ночь они проводят в убежищах. Активность кожанов северного, двухцветного, позднего и ушана начинается в поздних сумерках и продолжается всю ночь. Вечерницы же оставляют свои убежища засветло, сразу же после захода солнца, и возвращаются в них до полуночи, чтобы снова вылететь на более короткое время под утро.

Специалисты-энтомологи у сумеречных и ночных насекомых выделяют три категории, или три типа ритмики активности, схожих, по нашему мнению, с ритмами активности рукокрылых (табл. 2).

Кратковременная активность в вечерних и утренних сумерках. Этот тип активности характерен для вечерниц и нетопырей (карлика и лесного). В течение времени, близкого к заходу и восходу солнца, протекает роение и сумеречный лёт самых разнообразных насекомых, так как условия в это время очень благоприятны для их активности: освещенность такова, что не требует приспособленного к темноте зрения, в сумерках отсутствуют губительные для многих видов насекомых солнечные лучи. Как правило, у сумеречных насекомых вечерний лёт интенсивнее утреннего. Это объясняется тем, что вечером температура воздуха еще высока и возрастает влажность. Поэтому не случайно, что нетопыри в вечерних сумерках кормятся около получаса, а в предрассветные сумерки всего десять-пятнадцать минут.

Сумеречно-ночная активность. Начало активности - после захода солнца, максимум - в густых сумерках, хотя активность продолжается до середины ночи. Данный тип активности характерен для части ночниц, вылетающих на кормежку в сумерках и в середине ночи возвращающихся в свои убежища, а также для комаров, многих ручейников, некоторых бабочек и жуков, которыми кормятся ночницы.

Ночная активность. Максимум - в конце первой половины ночи. Из рукокрылых всю ночь активны усатая ночница, ушан обыкновенный и кожаны. Вылетают они в поздние сумерки и возвращаются в свои убежища перед рассветом. Этот тип активности наблюдается и у многих насекомых: совок, шелкопрядов, хохлаток, перепончатокрылых и жесткокрылых. Перечисленными видами насекомых питаются усатая ночница, ушан, широкоушка и кожаны.

Энтомологи считают, что ритмика активности насекомых складывается в основном под влиянием трех факторов. Первый фактор - внутренняя ритмика. Предполагается, что так называемые "биологические часы" относительно автономны по отношению к общеобменным процессам организма. Это явление присуще как животным, так и растениям. Второй фактор - освещенность, своего рода сигнал, сообщающий насекомым о наступлении дня или ночи. Третий фактор - температура воздуха. Действие ее на суточный ритм сходно с действием света. Как и свет, температура вызывает торможение или возбуждение всех процессов обмена в организме.

Как же факторы, вызывающие изменение активности лёта насекомых, влияют на активность рукокрылых?

Вылет на кормежку летучих мышей, как и насекомых, начинается обычно через какое-то определенное время после захода солнца. Имеется и другая сторона воздействия освещенности на активность насекомых и летучих мышей. Для насекомых продолжительность дня служит жизненно важным фактором, регулирующим их развитие и размножение в соответствии со сменой экологических условий в течение года. Изменение продолжительности дня влияет главным образом на скорость развития гусениц: в условиях длинного дня у них наблюдаются наиболее дружные развитие и рост.

В условиях Белоруссии, например, максимум освещенности приходится на период с 1 по 20 июля. В это время наблюдается и массовый вылет сумеречных и ночных насекомых. Поэтому не случайно, что период массовых родов и дальнейшего развития молодняка рукокрылых, т. е. время, когда летучие мыши особенно нуждаются в обильном корме, совпадает с наибольшей продолжительностью дня. Такая приуроченность роста детенышей к сезону с длительным освещением соответствует необходимости добывания значительно большего количества корма для них и создает таким образом благоприятные условия развития. Подобное совпадение отмечено у насекомоядных птиц.

Установлено, что температурный и световой факторы среды действуют на летучих мышей как непосредственно, так и косвенно - через изменение активности насекомых, которыми они питаются. На кормовую активность рукокрылых влияют также осадки и ветер.

Пищевая специализация летучих мышей резко ограничивает их размещение в воздушном пространстве. Особенно это относится к видам, для которых характерно однообразие кормового режима. Поэтому в местах охоты рукокрылых можно заметить отчетливо выраженную "вертикальную зональность" (определение профессора А. П. Кузякина), когда разные виды летучих' мышей кормятся на разных высотах, что можно связать с наличием подобной зональности и у насекомых.

Большинство видов пластинчатоусых жуков (майский, июньский и др.) так же как и вечерницы начинает массовый лёт сразу же после захода солнца. Лета-. ют эти жуки высоко над кронами деревьев, перелетая иногда расстояние до 4 километров. Рыжие вечерницы охотятся за ними в самом высоком (верхнем) воздушном ярусе. По мере охлаждения верхних слоев воздуха, нижний предел температуры которых 9° С, большинство жуков опускается все ниже и ниже. Вслед за ними снижаются и рыжие вечерницы. К полуночи вечерницы охотятся уже на высоте 5-8 метров. Нагревшаяся за день поверхность земли, остывая, излучает тепло, что на протяжении всей ночи создает оптимальные температурные условия в среднем воздушном ярусе для отдельных групп насекомых. Вероятно, поэтому ушан и кожаны охотятся за насекомыми в средних и нижних частях крон деревьев на высоте 3-4 метров всю ночь, до утреннего похолодания. Поскольку комаров больше всего в приводном слое воздуха, ночницы кормятся ими в самом нижнем воздушном ярусе, т. е. над самой поверхностью воды.

Как "мы видим, вертикальная зональность - это еще одно свидетельство приспособления летучих мышей к питанию определенными видами насекомых в определенное время.

В заключение следует отметить, что летучие мыши, приспосабливаясь в процессе длительной эволюции к условиям жизни, приобрели высокую пищевую специализацию, благодаря которой они полнее используют имеющийся в природе корм. Вместе с тем у них выработалась особая биоритмика, специфичный для каждого вида характер поисков и добычи насекомых, который обеспечивает добывание необходимого количества пищи в течение сумеречно-ночной части суток.