15. Вплив світла, фотоперіод, біологічний «годинник». Теплове та світлове випромінювання, фар.

Одне з фундаментальних властивостей живої природи - це циклічність більшості відбуваються в ній процесів. Між рухом небесних тіл і живими організмами на Землі існує зв'язок.

Живі організми мають різними механізмами, точно визначають положення Сонце, що реагують на ритм припливів, фази Місяця і рух нашої планети. Вони ростуть і розмножуються в ритмі. Якої приурочений до тривалості дня та зміни року, обумовленому у свою чергу рухом Землі навколо Сонце. Збіг фаз життєвого циклу до пори року, до умов якого вони пристосовані, має вирішальне значення для існування виду. У процесі історичного розвитку циклічні явища, що відбуваються в природі, були сприйняті і засвоєні живою матерією, і в організмів виробилося властивість періодично змінювати свій фізичний стан.

Рівномірний чергування в часі будь-яких станів організму називається біологічним ритмом.

Розрізняють зовнішні (екзогенні), що мають географічну природу і наступні за циклічними змінами у зовнішньому середовищі, і внутрішні (ендогенні), або фізіологічні, ритми організму.

Фотоперіодизм

Один з важливих шляхів впливу світла на живі організми пов'язаний із сприйняттям змін довжини світлового дня, або фотоперіоду. Чим далі від екватора, де довжина світлового дня завжди складає приблизно 12 год, тим більше її сезонні коливання. У помірних широтах тривалість дня протягом року варіює від 9 до 15 год, тому абсолютно очевидно, що вона служить одним з важливих сигналів до сезонної перебудови життєдіяльності. Добре відомо, що в рослин такі етапи їх життєвого циклу (вони називаються ще фенологічними фазами або просто фенофаз), як цвітіння, плодоношення, проростання, поява й опадання листя і т. п. чітко узгоджуються з закономірними змінами протягом року довготи дня і температури , причому порушення з яких-небудь причин такої адаптивної кореляції призводить до загибелі рослин.

Найбільш глибокі зміни у рослин відбуваються під час цвітіння, коли меристеми втечі замість листя і бічних бруньок починають формувати квітки. Значення фотоперіоду для зацвітання рослини було відкрито ще в 1910 р., але вперше чітко описано Гарнером і Аллард в 1920 р. Ці дослідники показали, що рослини тютюну зацвітають лише після витримування їх протягом деякого часу в умовах короткого світлового дня. У природі такі умови виникають восени, але їх можна створити і влітку в теплиці, підтримуючи там освітлення протягом 7 год на добу. Відповідно до цього тютюн назвали короткодневним рослиною (КДР), або рослиною короткого дня. При вивченні інших видів було виявлено, що деяким для цвітіння потрібно довгий день, це - дліннодневние рослини (ДДР), або рослини довгого дня. Існують рослини, які цвітуть незалежно від довготи дня; їх називають нейтральними. Така залежність фізіологічного (фенологического) стану від тривалості світлого часу доби називається фотопериодизмом.

Подальші дослідження ускладнили картину. Наприклад, деякі рослини при одній температурі ведуть себе як нейтральні, а при іншій - ні; є такі, яким необхідна зміна одного фотоперіоду іншим, іноді певний фотоперіод лише прискорює зацвітання, не є згідно його умовою, і т. п.

Важливий крок вперед у розумінні всього цього був зроблений тоді, коли стало ясно, що важлива довжина не світлого, а темного періоду доби. Таким чином, короткодневние рослини насправді виявляються «длінноночнимі». Якщо вирощувати ці рослини в умовах короткого дня, перериваючи довгу ніч невеликим світлим періодом, то цвітіння не дочекатися. Навпаки, дліннодневний вигляд в таких умовах зацвіте. Разом з тим ефект довгого дня не знімається перериванням короткої нічної темряви.

У багатьох випадках головним зовнішнім фактором, регулюючим ритмічну активність, служить фотоперіод, т. е. тривалість дня (і ночі). Це єдиний надійний показник зміни пір року, за яким можна «звіряти» біологічні годинники. Точна природа годин невідома, хоча безсумнівно, що тут діє якийсь фізіологічний механізм, який може включати як нервові, так і ендокринні компоненти. Вплив фотоперіоду широко вивчався на ссавців, птахів і комах. Хоча очевидно, що він відіграє важливу роль у контролі таких видів активності, як підготовка до сплячки у ссавців, міграції у птахів і діапауза у комах, це не єдиний зовнішній фактор, що регулює біологічні ритми.

Біологічний годинник

Циркадні і добові ритми лежать в основі здатності організму відчувати час. Механізм, відповідальний за таку періодичну активність - будь то харчування або розмноження, - отримав назву «біологічного годинника». Вражаюча точність роботи біологічного годинника, керуючих життєдіяльністю багатьох рослин і тварин, є об'єктом досліджень вчених різних країн світу.

Як видно з наведених кривих, листя бобових на ніч знічуються, а вдень знову розправляються. Графік активності щурів складається з послідовно чергуються прямокутних ям (день - щур спить) і плато (ніч - щур не спить). Кімнатні мухи здебільшого вилуплюються з лялечок вранці. Ця адаптація має настільки глибоке коріння, що навіть в умовах постійних освітленості, температури і вологості мухи зберігають властиву їм періодичність поведінки.

Безліч тварин - різні види птахів, черепах, бджіл та інші - орієнтуються у своїх подорожах по небесним світилам. Здається, що для цього потрібно володіти не тільки хорошою пам'яттю, що дозволяє запам'ятовувати положення Сонця або інших світил, але і чимось на зразок хронометра, що показує, скільки часу знадобилося Сонцю та зіркам, щоб зайняти нове місце на небозводі. Організми, що володіють такими внутрішніми біологічними годинами, отримують ще одну перевагу - вони здатні «передбачати» наступ регулярно повторюваних подій і відповідним чином підготуватися до майбутніх змін. Так, бджолам їх внутрішні годинники допомагають прилетіти на квітку, на якому побували вчора, точно до того часу, коли він розпускається. Квітка, який відвідує бджола, також має якісь внутрішнім годинником, що сигналізують про час розпускання. Про існування власних біологічних годин відомо кожному. Прокинувшись кілька днів поспіль від дзвінка будильника, швидко звикаєш прокидатися раніше, ніж він задзвонить. Сьогодні є різні точки зору на природу біологічного годинника, їх принцип дії, але одне безсумнівно вони реально існують і широко поширені в живій природі. Певні внутрішні ритми притаманні й людині. Хімічні реакції в його організмі відбуваються, як це було показано вище, з певною періодичністю. Навіть під час сну електрична активність мозку людини змінюється кожні 90 хвилин.

Біологічний годинник, на думку цілого ряду вчених, являють собою ще один екологічний чинник, що обмежує активність живих істот. Вільному розселення тварин і рослин перешкоджають не тільки екологічні бар'єри, вони прив'язані до свого середовища існування не тільки конкуренцією і симбіотичних відносинами, межі їх ареалів визначаються не тільки адаптаціями, але їх поведінка управляється ще й опосередковано, через внутрішні біологічні годинники, рухом далеких небесних тіл.

Теплове випромінювання — спільний процес конвекції і теплопровідності, при якій враховується температура всіх тіл, які мають температуру вище абсолютного нуля. Тобто це електромагнітне випромінювання з безперервним спектром, що випускається нагрітими тілами за рахунок їх теплової енергії., це є свічення тіл, зумовлене нагріванням.

Залежно від температури тіла, що випромінює, теплове випромінювання може належати різних діапазонів згідно із законом зміщення Віна, але синонімом даного терміну часто називають інфрачервоне випромінювання. Характеристики теплового випромінювання (всі залежать від температури):

— енергетична світність тіла(інтегральна випромінювальна здатність)

— спектральна випромінювальна здатність

— інтегральна поглинальна здатність

— спектральна поглинальна здатність

Відношення випромінювальної здатності до поглинальної здатності тіла не залежить від природи тіла, є функцією довжини хвилі тіла і температури.

Чим більше тіло поглинає певного (електромагнітного)випромінювання, тим більше воно випромінює тих самих хвиль при тій самій температурі.

Світло — у широкому розумінні цього слова, електромагнітні хвилі, мінімальні довжини яких вимірюються одиницями нанометрів а максимальні - долі міліметра (діапазон частот: 3·1011 - 3·1017 Гц).

Фізичні властивості оптичного випромінювання і методи його дослідження характеризуються значною мірою загальності. Саме в діапазоні спектру оптичного випромінювання проявляються і хвильові і корпускулярні властивості світла. Хвильові властивості обумовлюються дифракцією, інтерференцією та поляризацією. Тим часом деякі властивості не можна зрозуміти не ввівши уявлення про світло як про потік частинок - фотонів. Ця дуалістична теорія знаходить загальне пояснення в квантовій механіці.

Швидкість розповсюдження світла в вакуумі приблизно складає 3·108м/с. В будь-якому іншому середовищі швидкість світла є меншою. Відношення швидкості світла в середовищі та у вакуумі називають абсолютном показником заломлення у цьому середовищі. Взагалі для різних довжин хвиль показник заломлення різний, звідки виникає явище дисперсії.

Різні види оптичного випромінювання розрізняють за такими ознаками: тип генерації світла (теплове випромінювання, люмінесценція), степінь однорідності спектру (монохроматичне світло, немонохроматичне), впорядкованість орієнтації електричних та магнітних векторів (природнє світло, поляризоване лінійно, по колу, еліптично), розсіяння потоку випромінювання (напрямлене, дифузійне, змішане).

При падінні оптичного випромінювання на певну поверхню, частина його відбивається, причому кут падіння рівний куту відбивання (у випадку падіння на площину). Частина потоку світла поглинається тілом і перетворюється на теплову енергію, котра йде на нагрівання тіла, хоча можливі і інші перетворення світла: фотоефект (фотоелектронна емісія), фотолюмінесценція, фотохімічні перетворення.

16. Вплив температури. Пойкілотермні та гомойотермні організми.

Пойкілоте́рмні органі́зми (грец. ποικιλος — мінливий і грец. θέρμη — тепло) — організми, які не спроможні підтримувати температуру тіла на стабільному рівні. До П.т. належать усі безхребетні, а з хребетних — круглороті, риби, земноводні і плазуни. Терморегуляція П.т. на відміну від гомойотермних тварин недосконала. Лише при руховій активності температура тіла П.р. може значно відрізнятися вд температури зовн. середовища (напр., у тунця під чс швидкого плавання, вона перевищує т-ру морської води на 10º, у джмеля в повітрі вона становить 38—40ºС при т-рі повітря 4—8ºС). При підвищенні або зниженні температури середовища за межі оптимальної П.т. Впадають у заціпеніння або гинуть.

Гомойоте́рмні органі́зми (грец. όμοιος грец. θέρμη — тепло) — здатність підтримувати температуру тіла на відносно стабільному рівні з добовими, сезонними коливаннями, котрі не перебільшують 2°С.

Усі організми залежно від здатності підтримувати температуру тіла поділяються на гомойотермні та пойкілотермні. Гомойотермні можуть інтенсивно продукувати тепло, і їхня температура не залежить від температури зовнішнього середовища. Пойкілотермні мають температуру, яка незначною мірою відрізняється від температури зовнішнього середовища. Маючи постійну (ізотермічну) температуру тіла, гомойотермні організми завоювали значно більший ареал проживання, ніж пойкілотермні. Тим часом пойкілотермія дає переваги в разі обмеження добування їжі при несприятливих метеорологічних умовах. Постійна температура забезпечується перебігом метаболічних реакцій та є однією з умов оптимуму протікання біохімічних реакцій. Відповідно до правила Ван-Гоффа інтенсивність енергетичних реакцій має прямо пропорційну залежність від температури: при підвищенні температури на 10°С швидкість обмінних реакцій збільшується в 2 - 4 рази. Однак при температурі понад 43 °С у людини спостерігається інактивація ферментів, часткова денатурація білка. Це обумовлює верхню межу можливої температури існування. При зниженні температури сповільнюється протікання біохімічних та фізіологічних реакцій, і при температурі < 26 °С зупиняється серце. Окремо кожна клітина підтримує життєдіяльність до моменту замерзання цитоплазми при температурі - 4 °С. У медицині широко використовують "індуковану" гіпотермію для продовження життєдіяльності клітин організму за відсутності кровообігу: наприклад, при оперативних втручаннях на серці. Вимірювання температури тіла проводять контактними (різні термометри) і безконтактними (термометрія - реєстрація інфрачервоного випромінювання) методами. Температури оболонки тіла і його ядра не збігаються. Так, у людини температура різних ділянок шкіри неоднакова (від 28 °С кінцівок до 34 °С голови). "Середня температура тіла" - це усереднення відповідних середніх значень температури шкіри і внутрішньої температури з урахуванням вагових коефіцієнтів. Температура ядра більшості гомойотермних незалежно від маси лежить у межах від 36 °С до 39 °С, у людини вона становить 37,5 °С. Це пов'язано з інтенсивністю метаболізму (М).