Циркадные ритмы животных

Внутренние биологические часы некоторых животных позволяют им придерживаться жесткого распорядка дня даже тогда, когда они не могут знать, день сейчас или ночь.

Наиболее очевидные те биологические ритмы, которые соотносятся с природным суточным циклом – сменой дня и ночи внутри 24-часового периода. Это так называемые циркадные ритмы. Собственно, циркадные ритмы являются эндогенными процессами, то есть процессами, контролируемыми внутренними силами организма. Эти ритмы проявляются даже в том случае, когда внешние воздействия среды не меняются и искусственно сделаны постоянными. При изменении состояния внешней среды циркадные ритмы проявляются в организме и остаются еще некоторое время, тогда как нециркадные исчезают.

В каждом суточном цикле саранча активна на протяжении светлого времени и пассивна в темноте. Внешне это похоже на настоящий циркадный ритм, но если поместить саранчу в условия постоянного света или постоянной темноты, обычный для насекомых ритм активности быстро исчезает. В том же суточном цикле американский таракан (Periplaneta americana) активен только первые несколько часов темноты. Если это насекомые содержится при постоянном освещении или в темноте, то его поведение показывает, что действующий циркадный ритм является эндогенным.

На первый взгляд циркадные ритмы кажутся тем же самым, что и различные физиологические реакции, связанные с внешним суточным циклом. Но врожденные циркадные ритмы имеют четыре основные черты: они являются эндогенными, синхронизируются с внешними факторами, не подвержены влиянию температуры тела и могут быть разрушены только с течением времени, если внешние условия среды искусственно меняются.

Узнавание ритма

После нескольких дней, проведенных без воздействия основных естественных компонентов суточною цикла (например, смены света и темноты, тепла и холода), циркадные ритмы животных становятся менее четкими. Некоторые делаются немного короче, чем 24 часа, а некоторые немного длиннее, отсюда термин «циркадные», что означает «приблизительно сутки». Если южная летяга (Glaucomys volans) содержится в постоянной темноте, ее циркадный ритм активности сокращается, часто превращаясь 23,5-часовой цикл, который является ее наследственной периодичностью. Когда животное возвращается к нормальному 24-часовому режиму, периодичность света-темноты и температуры синхронизирует ее циркадный ритм таким образом, что он снова становится равным точно 24 часам. Эта способность внешних факторов синхронизировать циркадные ритмы называется «загрузкой», а воздействующие внешние факторы называются «программирующими», или «задающими» время.

Когда одногорбому верблюду (Camelus dromedarius) не хватает воды, колебания температуры его тела (разница между верхним и нижним значениями) увеличиваются от 2 °С до 6 °С, но циркадная периодичность изменения температуры не изменяется. Хотя температура тела влияет на многие физиологические процессы, она не затрагивает циркадные ритмы.

Циркадная активность комаров, проявляющаяся при низкой освещенности, становится более выраженной, если освещенность искусственно усилить. Таким образом, циркадные ритмы могут нарушаться многими искусственными внешними факторами. Что контролируют циркадные ритмы?

Если шишковидную железу, или эпифиз, воробья удалить хирургическим путем, он немедленно теряет свои циркадные ритмы. Если эпифиз пересадить обратно, воробей снова их обретает. Если пересадить эпифиз от птицы с иными циркадными ритмами, реципиент немедленно приобретает донорские ритмы взамен своих собственных. Более того, если прикрыть глаза воробья от воздействия света, его циркадные ритмы не меняются, но, если непрозрачный материал помешается на череп воробья, над шишковидной железой, птица теряет свои ритмы. У птиц циркадные ритмы регулирует секретируемый шишковидной железой гормон мелатонин, а эпифиз стимулируется светом от фоторецепторов в мозге, а не в глазах.

Сходный с результатом эксперимента по пересадке эпифиза у птиц эффект был получен в опытах с куколкой шелкопряда, которой пересаживали мозг. Без мозга куколка теряет свое циклическое поведение по превращению во взрослое насекомое, но если ей снова пересадить ее мозг, или мозг, полученный от других видов, циклическое поведение возвращается или соответственно становится таким, как у видов, мозг которых был имплантирован. Значит, и в этом случае поведение контролируется секрецией определенного
гормона.

У млекопитающих часть среднего мозга, известная как гипоталамус, содержит два небольших собрания клеток, называемых надзрительными ядрами. Эти клетки, безусловно, являются биологическими часами и совместное эпифизом запускают циркадные ритмы.

Надзрительные ядра «загружаются» внешним светом через глаза, но воздействуют на поведение не через гормональную активность (как у птиц и насекомых), а прямо через нервную систему.