Сезонные ритмы "Бог способен явить любые чудеса - в нарушение законов природы, но ежедневно творит намного большие: Эти чудеса в естественном ходе вещей, т. е. в самих законах природы, которые нам привычны, и поэтому мы не замечаем их чудесности". Эразм Роттердамский (1469 -1536)
Пи тер Бре йгельстарший, известный также как «Мужицкий» (1525 -1569) — фламандский живописец и график. Мастер пейзажа и жанровых сцен.
Охотники на снегу (февраль – март) (П. Брейгель, 1565 г. )
Сенокос (июнь – июль) (П. Брейгель, 1565 г. )
Жатва (август – сентябрь) (П. Брейгель, 1565 г. )
Возвращение стад (октябрь – ноябрь) (П. Брейгель, 1565 г. )
Вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Сезонная периодичность различных факторов среды Адаптивная роль сезонных биологических ритмов Эндогенная природа сезонных ритмов Регуляция сезонных ритмов - фотопериодизм Организмы короткого и длинного дня Механизм фотопериодической чувствительности
• Сезонными ( или годовыми) ритмами называются любые закономерно повторяющиеся изменения в живой природе, протекающие с периодом в один год. • Сезоны – отдельные фазы годового ритма
• Изменения климата, обусловленные наклоном земной оси, приводят к смене времён года на Земле
• 23° 26' • • P, P' — полюсы мира, T, T' — точки равноденствия, E, C — точки солнцестояния, П, П' — полюса эклиптики, PP' — ось мира, ПП' — ось эклиптики, ATQT'- небесный экватор, ETCT' — эклиптика Годовое движение Солнца по небесной сфере и связанные с ним понятия • Эклиптика— большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годовое движение Солнца. Плоскость эклиптики пересекается с плоскостью небесного экватора под углом ε = 23° 26'. • Две точки, в которых эклиптика пересекается с небесным экватором, называются точками равноденствия. В точке весеннего равноденствия Солнце в своём годовом движении переходит из южного полушария небесной сферы в северное; в точке осеннего равноденствия — из северного полушария в южное. Две точки эклиптики, отстоящие от точек равноденствия на 90° и тем самым максимально удалённые от небесного экватора, называются точками солнцестояния. Точка летнего солнцестояния находится в северном полушарии, точка зимнего солнцестояния — в южном полушарии.
Физические факторы среды с относительно четкими сезонными изменениями 1. Свет (суммарная солнечная радиация, спектральный состав , длина светового дня). 2. Температура 3. Влажность 4. Вариаций геомагнитного поля 5. Градиент электрического потенциала атмосферы 6. Уровень электропроводности воздуха 7. Ионизация воздуха и содержание в нем озона
Суммарная солнечная радиация 1997, 2010 гг.
Прибывание (убывание) длины светового дня – самый надежный показатель сезона + d - d
Среднемесячная температура за 1993 – 2010 гг.
Роза ветров в 2009 и 2010 гг. в Томске
• Адаптивная роль сезонных биологических ритмов • • В процессе эволюции у живых организмах сформировалась библиотека специальных программ для приспособления к сезонной динамике экологической обстановки
1. Сезонные программы обеспечивают отдельным особям и популяциям относительную гарантию выживания в условиях непостоянной среды обитания. 2. Сезонная периодичность жизнедеятельности позволила растениям и животным проникнуть во все климатические зоны.
Сезонные программы необходимы для: 1. синхронизации биологических явлений с ритмами среды; 2. синхронизации процессов, свойственных разным особям одной популяции (половое размножение, стайное поведение, миграции); 3. разобщения во времени несовместимых процессов (размножение- линька, наращивание биомассы – зимовка и др. ).
Сезонные биологические состояния (программы)
ние Зим оя сост нее
• Сезонные биологические состояния формируются в результате специфической комбинации фаз годовых циклов физиологических процессов
Годовой цикл сезонных биологических сосотояний у зяблика (Fringilla coelebs) и годовых циклов физиологических процессов состояние Энергетический е е мн 3. Липогенез и 4. Активность репродуктивной системы е Л ответственных за линьку и нь ка эндокринной системы, ни Активность гормонов же 7. но Миграционная активность 1 Локомоторная активность 6. 2 зм 5. 3 ное жироотложение 5 4 Осеннее миграционное состояние Катаболизм протеинов 6 он аци игр е и ее м енн остоян с 2. 7 Зи Вес метаболизм Ра 1.
Количество детей, родившихся с патологиями (2001 -2006 гг. ).
Типы неактивных состояний 1. Ангидробиоз (жизнь без воды) 2. Криптобиоз (скрытая жизнь) 3. Диапауза насекомых 4. Летняя и зимняя спячка позвоночных
• Роющие лопатницы (Cyclorana alboguttata) живут на самых засушливых территориях Австралии, им часто приходится пережидать без воды и еды по несколько лет.
• Лесно й суро к ( Marmota monax) • Спячка продолжается с октября по март-апрель
• Сурок альпийский (Marmota marmota) • Зимой впадают в глубокую спячку, которая длится с октября по март.
Арктический длиннохвостый суслик (Spermophilus parryi) зимняя спячка длится до 7, 5— 8 месяцев Перед спячкой запасает корм, но использует его только после весеннего пробуждения. . Температура в гнёздах зимой - от− 3 до – 5°С • Температура тела суслика во время спячки снижается до +10 °C, потери веса Залегает в спячку в конце августа – составляют 30— 40 %. сентябре, пробуждается в апреле – мае.
• Северный кожанок • Бурый ушан
Потребление кислорода, мл/г. час Изменение уровня метаболизма у северного кожанка при впадении в спячку 16 12 8 4 0 0 60 120 180 Время (мин) впадения в спячку при внешней температуре t= 2 o. C
Ход зимней спячки у северного кожанка (1) и бурого ушана (2) по данным измерения температуры тела Температура, о. С бурый ушан Plecotus auritus северный кожанок Ptesicus nilssonii
Электрическая активность разных отделов головного мозга европейского ежа при погружении в спячку (В, Г), развитии глубокого оцепенения (Д, Е). Под каждой записью указана температура мозга (по Б. М. Штарку). В Г Д Е
• Большой карликовый лемур - Cheirogaleus major - распространен в лесах и лесистых засушливых областях восточной и северной частях Мадагаскара
• Американский белогорлый козодой (Phalaenoptilus nuttallii )
Эндогенная природа сезонных ритмов
• Красноклювый ткачик ( Quelea quelea) обитает в приэкваториальных областях. • Содержался в течение 2 -х лет в условиях с ритмом свет –темнота 12: 12. Размеры половых желез изменялись с периодом около 12 месяцев.
Тонкоклювый буревестник ( Pufinus tenurostris) Гнездится на островах между Австралией и Тасманией. 85% самок ежегодно с 24 по 26 ноября откладывает по одному яйцу У содержащихся в неволе при ритме освещения 12: 12 птиц половозрелость наступала одновременно с их собратьями по воле.
Температурный порог роста Сезонные вариации порогов роста растений умеренного климата Зима Зи Весна Осень Лето
Регуляция сезонных ритмов: изменение продолжительности дня и ночи
В 1918 г. два американских ученых В. Гарнер и Х. Аллард обнаружили явление, названное ими Фотопериодизм- -ответ организма на суточный ритм освещения, т. е. на соотношение темного ( длина ночи) и светлого ( длина дня) периодов суток Ф = Тн /Тд. • Выражается в изменении процессов роста и развития. • Присущ растениям и животным.
Зяблик (Fringilla coelebs) - опыты канадского зоолога Роуэна N W S E
Организмы короткого и длинного дня
• Растения длинного дня • Растения короткого дня 1. 2. 3. 4. 5. 6. (растения северных широт) : пшеница, ячмень, овес, мак, картофель свекла (растения южных широт): просо, кукуруза, конопля, хлопчатник рис соя
Торможение цветения растения короткого дня каланхоэ ночным 15 - секундным импульсом света. Число зацветших растений при импульсе, поданном в середине ночи, минимально 1 2 3 4 3 2 6 часов 18 часов
Вяхирь и сизый голуби
Развитие яйцеклетки вяхиря и городского голубя Вяхирь ☼ Сизый 1 2 3 4 5 6 7 Месяцы 8 9 10 11 12
Растения и животные способны измерять продолжительность светлого и темного времени суток с большой точностью
Для фотопериодической реакции белены важно сочетание освещенности и температуры Температура, Продолжит Фотопериод градусы ельность ическая Цельсия светового реакция дня белены 22, 5 10 ч 20 мин. цветение 22, 5 10 ч не зацветает 28, 5 11 ч 30 мин. цветение 15. 5 8 ч. 30 мин цветение
Механизм фотопериодической чувствительности имеет сходство у растений и животных
1. Работа фоточувствительной системы осуществляется по принципу ПЕТЛИ с ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, состоящей из отдельных стадий. 2. Происходит переключение фоточувствительной системы из одного рабочего состояния в другое (цис - транс переходы) в зависимости от интенсивности и спектрального состава света
ЦИС- , ТРАНС- ИЗОМЕРЫ РАСПОЛОЖЕНИЕ ОДИНАКОВЫХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ ПО ОДНУ СТОРОНУ (ЦИС) ИЛИ ПО РАЗНЫЕ СТОРОНЫ (ТРАНС-) ДВОЙНОЙ СВЯЗИ H 3 C H H H 3 C C C H Цис - Изомер H CH 3 Транс - Изомер
В течение суток условия освещения меняются из-за того, что солнце находится под разным углом к горизонту. • Утром и на протяжении большей части дня соотношение энергии красных ( = 600 – 700 нм) и дальних красных • ( >700 - 800 нм) лучей составляет 3: 1. • В вечерние часы преобладает дальний красный свет.
Принцип работы фитохромной системы
Рост и развитие растений зависят от фотосинтеза • Оптимальными для фотосинтеза являются длины волн в красной области ( 600 -700 нм), так как они используются с наименьшими потерями. • Для оценки качества и количества красного света у растений есть пигмент (хромофор) – ФИТОХРОМОБИЛИН. • Комплекс фитохромобилина с белком называется ФИТОХРОМОМ.
1. ФХк - «фитохром красный» - поглощает свет в «дневной» красной области - = 660 нм; 2. ФХдк - «фитохром дальний красный» - поглощает сумеречный красный свет - = 730 нм; ФХк ФХдк
1. Под действием красного света хромофор в составе фитохрома ФХк претерпеват цис-транс изомеризацию и превращается в в хромофор ФХдк (фотосинтез - разрешен). 2. Изменения в хромофоре передаются белку и приводят к изменению в его конформации, которые далее возбуждают в клетке цепь сигналов, приводящих к фотоморфогенезу или иным изменениям в жизни растений.
Формула хромофора фитохромобилина
Обратный переход ФХдк ФХк совершается под действием света = 730 нм или самопроизвольно и медленно в темноте (фотосинтез запрещен) ФХк 660 ФХдк Фк ФХ дк 730 Фдк ФХк
= Фитохромная система улавливает изменения в соотношении красный / дальний красный свет. • Это имеет огромное приспособительное значение, так как синхронизирует рост растений, цветение, клубнеобразование, переход почек в состояние покоя и многие другие процессы в жизни растений с суточными и сезонными изменениями спектра солнечного света.
Физико – химический принцип механизма фоторецепции одинаков у всех животных. Он основан на фотоизомеризации хромофора, воспринимающего свет пигмента, с последующим изменением конформации его белковой части.
Родопсин (зрительный пигмент палочек) состоит: 1. гликопротеин (опсин) 2. хромофорная группа - 11 -цис-ретиналь. • Ретиналь является альдегидом витамина А 1 (ретинола). • Опсин представляет собой фоторецептор, связанный с белком. • При воздействии света происходит реакция фотоизомеризации ретиналя: • 11 -цис-ретиналь переходит в трансретиналь. • В темноте транс-ретиналь снова принимает цис-конформацию.
Каждое сезонное состояние основано на специфической комбинации фаз годовых ритмов физиологических процессов Состояние физиологического покоя Состояние активной жизнедеятельности 1. Высокий уровень 1. Торможение метаболизма; 2. Подавление роста, развития , размножения; энергетического обмена и Полное или частичное подавление питания; соединений; 3. 4. 5. синтеза органических 2. Интенсивный рост, развитие, размножение; Подавление локомоторной активности; 3. Усиленное питание Повышение устойчивости 4. Повышенная к неблагоприятным условиям. локомоторная активность.
Изменения климата, обусловленные наклоном земной оси, приводят к смене времён года на Земле
Скачать презентацию Сезонные ритмы Бог способен явить любые чудеса —
Sezon_2012.ppt