Сезонная периодичность относится к числу наиболее общих явлений в живой природе. Она особенно ярко выражена в умеренных и северных широтах. В основе внешне простых и хорошо знакомых нам сезонных явлений в мире организмов лежат сложные приспособительные реакции ритмического характера, которые выяснены сравнительно недавно.
Животные, живущие в горных районах, могут использовать перелеты на высоте. Вместо того, чтобы путешествовать на большие расстояния, они переходят на более низкие высоты, когда снег достигает вершин гор. Некоторые окрашенные сов, а другие животные того же вида, которые не живут в горах, следуют дифференцированным образцам миграции. Резкое изменение окружающей среды или климата может привести к миграции при удалении. Если место обитания вида становится надолго непригодным для него, например, когда человеческое развитие истощает болото или полностью убивает лес, вид будет пытаться перейти в другую область и не вернется в свой первоначальный дом.
Сезонность в природе
В качестве примера рассмотрим сезонную периодичность в центральных районах нашей стра ны Щ. Здесь ведущее значение для растений и животных имеет годовой ход температуры. Период, благоприятный для жизни, продолжается около шести месяцев.
Признаки весны появляются, как только начинает сходить снег. Еще не распустив листья, зацветают некоторые ивы, ольха, лещина; на проталинах даже сквозь снег пробиваются ростки первых весенних растений; прилетают перелетные птицы; появляются перезимовавшие насекомые.
Эти животные перевозятся человеком, чтобы служить пищей или быть прирученными и тайными; они установили себя в местах, далеких от страны их происхождения, вызывая выгоды и вред во многих экосистемах. Так называемые спорадические миграции приводят к расширению области соответствующих видов, но чаще всего заканчиваются катастрофой для животных, принимающих участие в этом побеге. Наиболее распространенными причинами этих миграций в больших группах являются переполненность региона или ускоренное размножение этих видов.
Однако такие миграции обеспечивают животных лучшими условиями жизни, устраняя бесполезные рты, это естественный отбор, действующий на этих людей. Мы читаем их из Норвегии, эти грызуны в промежуточные периоды, размножаются в ускоренном порядке и их среды обитания перенаселены; затем они начинают спускаться по склонам к долинам, ласкам, ястребам и лисицам, всегда преследуя их по маршруту, многие умирают в пути, но ни один лемо не возвращается к месту своего происхождения в горах.
В середине лета, несмотря на благоприятную температуру и обилие осадков, рост многих растений замедляется или полностью прекращается. Уменьшается количество цветущих растений. Заканчивается размножение птиц. Вторая половина лета и ранняя осень — период созревания плодов и семян у большинства растений и накопления питательных веществ в их тканях. В это время уже заметны признаки подготовки к зиме. У птиц и млекопитающих начинается осенняя линька, перелетные птицы сбиваются в стаи.
Главной мотивацией для всех этих различных форм миграции является инстинкт выживания. Большинство миграций позволяют размножаться, оставляя область, где недостаточно пищи для поддержки своего населения. Они также предотвращают истощение источников пищи в районе в долгосрочной перспективе. Эти периодические движения означают, что каждый отдельный экземпляр с большей вероятностью найдет достаточно пищи в определенном месте.
Хотя миграция продуктов питания может происходить очень регулярно, существует несколько переменных, которые могут повлиять на доступность продовольствия, включая климат и уровень популяции других видов, находящихся на одной и той же территории. По этой причине некоторые виды используют нерегулярные закономерности миграции, которые постоянно меняются, адаптируются к новым условиям. Гнус путешествует по африканским равнинам в поисках воды. Когда их обычные источники воды исчерпываются, они направляются к саваннам для травы и больше воды.
Еще до прихода устойчивых морозов в природе наступает период зимнего покоя.
Состояние зимнего покоя
Зимний покой не просто остановка развития, вызванная низкой температурой, а очень сложное физиологическое приспособление. У каждого вида состояние зим него покоя наступает лишь на определенной стадии развития. Так, у растений (в зависимости от вида) зимуют семена, надзем ные и подземные части с покоящимися почками, а у некоторых травянистых растений — прикорневые листья. На разных стадиях развития наступает зимний покой у насекомых. Малярийный комар и бабочки-крапивницы зимуют в стадии взрослого насекомого, бабочки-капустницы — в стадии куколки, непарный шелкопряд — в стадии яйца.
Миграции в засушливые сезоны могут быть изменены звуком грозовых и дождевых облаков, которые видят животные. Модели миграции также приносят пользу спариванию и размножению, что позволяет родить молодых животных в регионах с более богатыми источниками пищи или дальше от опасных хищников.
Позже в их жизни реки снова поднимаются к спариванию, и они кладут яйца в том месте, где они родились. Молодой лосось был бы слишком уязвим для океанских хищников и, возвращаясь к месту происхождения, обеспечивал хранение яиц в местах размножения. Когда реки, в которых они размножаются, запружены, лосось сталкивается с серьезными проблемами, и в результате популяции этого вида резко сокращаются. Некоторые миграции обусловлены как потребностью в продуктах питания, так и воспроизводством.
Зимующие стадии растений и животных имеют много сходных физиологических особенностей. Значительно снижена интенсивность обмена. Ткани организмов, находящихся в состоянии зимнего покоя, содержат много запасных питательных веществ, особенно жиров и углеводов, за счет которых поддерживаются сниженные процессы обмена в течение зимовки. Обычно уменьшается количество воды в тканях, особенно в семенах, зимних почках растений. Благодаря всем этим особенностям покоящиеся стадии способны длительно переживать суровые условия зимовки.
В холодных водах поляка он находит огромное количество своей любимой еды, криль - крошечное креветообразное существо. Но у молодых китов не хватает жира, чтобы защитить их от холода, поэтому каждое лето они возвращаются в тропические воды, чтобы размножаться. Маршруты миграции варьируются от видов к видам, но многие из них имеют длину в тысячи километров.
Миграция серых китов доходит до девяти тысяч километров от начальной точки. Некоторые зависят от периода фото. По мере того, как дни становятся короче, инстинкты информируют животных о том, что наступает зима, и поэтому настало время отправиться на юг. И для животных, которые не могут видеть солнце, как в случае спящих в пещерах? Некоторые животные реагируют на температуру. Они также могут реагировать на внутренние сигналы, например, объем жировых запасов, доступных в их телах. Некоторые модели миграции следуют строгому балансу - когда запасы жира уменьшаются из-за падения предложения продовольствия, настало время искать более щедрое зимнее жилье.
Причины биологических ритмов. Фотопериодизм
У каждого вида в процессе эволюции выработался характерный годичный цикл интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Это явление получило название биологического ритма. Совпадение каждого периода жизненного цикла с соответствующим временем года имеет решающее значение для существования вида.
Но животные должны сохранить определенное количество жира, чтобы иметь энергию для путешествия. Эволюция организовала эти процессы таким образом, что, за исключением вмешательства извне, требуемые инстинкты работают отлично. В отсутствие внешних стимулов многие животные все еще знают, когда мигрировать и когда вернуться домой. Циркадные ритмы и годовые ритмы являются внутренними календарями, которые являются частью нервной системы животных. Мы не полностью понимаем эти ритмы, но они связаны с образцами активности мозга, которые меняются в зависимости от времени суток, фотопериодов и сезонов.
Наиболее заметна связь всех физиологических явлений у организма с сезонным ходом температуры. Но хотя она влияет на скорость жизненных процессов, все же не служит главным регулятором сезонлых явлений в природе. Биологические процессы подготовки к зиме начинаются еще летом, когда температура высока. Насекомые при высокой температуре все-таки впадают в зимующее состояние, у птиц наступает линька и появляется стремление к перелету. Следовательно, какие-то другие условия, а не температура влияют на сезонное состояние организма.
У людей также есть их, хотя они не используют их для миграции. Миграционные инстинкты развивались у разных видов по разным причинам, но чаще всего они реагируют на популяционное давление. Большинство миграций следуют схеме «оставляя прохладное место в обмен на горячую точку, а затем возвращаясь летом». Так почему же вид обитал в месте, которое было слишком холодно в течение части года? Первая гипотеза заключалась бы в том, что животные изначально жили в районах, которые были горячими круглый год и, следовательно, не нуждались в миграции.
По мере роста населения ресурсы были недостаточными. В теплые месяцы северные широты были относительно гостеприимными, и поэтому некоторые члены этого вида расширили свой ареал и стали жить в этих районах. Когда наступила зима, пища стала скудной, а холод был слишком сильным, поэтому животные временно переместились в более теплые широты. Вторая гипотеза заключается в том, что изменение климата несет ответственность за явление. Виды, живущие на севере, могут жить в этом районе все время, когда погода была более теплой.
Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных является изменение продолжительности дня. Реакция организмов на продолжительность дня получила название фотопериодизма. Значение фотопериодизма видно из опыта, показанного на рисунке Щ
При искусственном круглосуточном освещении или продолжительности дня более 15 ч сеянцы березы растут непрерывно, не сбрасывая листьев. Но при освещении в течение 10 или 12 ч в сутки рост сеянцев даже летом прекращается, вскоре происходит сбрасывание листьев и наступает зимний покой, как под влиянием короткого осеннего дня. Многие наши листопадные древесные породы: ива, белая акация, дуб, граб, бук — при длинном дне становятся вечнозелеными.
С течением десятков тысяч лет климат постепенно изменился, зимы стали слишком холодными, и виды были вынуждены ежегодно ездить на юг. Истина о миграции может включать сочетание двух гипотез и, вероятно, отличается от вида к виду. Тем не менее, первая теория более вероятна - демографическое давление - это сила, которая продвигает большинство миграций и действительно большую часть эволюции. Изменение климата могло повлиять на формирование или процесс миграционных моделей, но они не представляют собой первичную силу.
Некоторые из его методов навигации настолько странны, что мы даже не можем их понять. Солнце - это кажется очень простым. В общих терминах можно определить, в каком направлении оно продвигается, исходя из положения солнца. Но если мы рассматриваем такие вопросы, как время наблюдения, время года и возможное присутствие облаков, управляемое солнцем, является сложной проблемой. Однако муравьи и скворцы руководствуются солнцем. Некоторые птицы могут даже руководствоваться солнцем ночью - теории предполагают, что они «читают» положение, в котором солнце садится и использует его, чтобы определить его ход.
Продолжительность дня определяет не только наступление зимнего покоя, но и другие сезонные явления у растений. Так, длинный день способствует образованию цветков у большинства наших дикорастущих растений. Такие растения называют длинно дневными. Из культурных к ним относятся рожь, овес, большинство сортов пшеницы и ячменя, лен. Однако некоторые растения, преимущественно южного происхождения, например хризантемы, георгины, для цветения нуждаются в коротком дне. Поэтому они зацветают у нас лишь в конце лета или осенью. Растения такого типа называют короткодневными.
Другие считают, что поляризация солнечного света является частью процесса. Визуальные кадры - еще одна очень примитивная навигационная система. Летите в сторону этих гор, поверните немного влево, когда увидите первый и новый деревья, видящий океан и гнездо. Киты, которые путешествуют по Тихому океану с западного побережья Северной Америки, используют этот метод - ориентир навигации, который они используют, трудно пропустить, потому что весь континент служит этой цели. Они держат материк слева от них, когда они плывут на юг и направо по пути на север.
Сильно сказывается влияние длины днр и на животных. У насекомых и клещей длина дня обусловливает наступление зимнего покоя. Так, при содержании гусениц бабочки-капустницы в условиях длинного дня (более 15 ч) из куколок вскоре выходят бабочки и без перерыва развивается последовательный ряд поколений. Но если гусениц содержать при дне короче 14 ч, то даже весной и летом получаются зимующие куколки, которые не развиваются в течение нескольких месяцев, несмотря на достаточно высокую температуру. Подобный тип реакции объясняет, почему в природе летом, пока день длинный, у насекомых может развиваться несколько поколений, а осенью развитие всегда останавливается на зимующей стадии.
Луна и звезды - эксперименты с Планетарием показали, что многие птицы полагаются на звездные подсказки, чтобы обнаружить направление их миграции. Можно даже сказать, какую звезду они используют для ориентации. Фаро - когда животное прибывает в его общую область назначения, оно может найти конкретные точки маяка. Маяк не приведет к животному Саскачевана в Мексику, но, вероятно, помогает лососе найти хорошие точки нереста, например. И запах дождя может определить судьбу миграций гну.
Климат - условия ветра многочисленны, часто используются в качестве навигационной помощи птицами. Когда лишены других подсказок, таких как солнце или звезды, птицы предпочитают летать к ветру в тесте. В тех случаях, когда они могли видеть солнце и звезды, они летали в правильном направлении, независимо от преобладающего ветра.
У большинства птиц весенний, удлиняющийся день вызывает развитие половых желез и проявление гнездовых инстинктов. Осеннее сокращение дня вызывает линьку, накопление запасных жиров и стремление к перелету.
Длина дня является сигнальным фактором, определяющим направление биологических процессов. Почему именно сезонные изменения длины дня приобрели такое большое значение в жизни живых организмов?
Магнитное поле - Земля имеет магнитное поле, которое обычно не может быть обнаружено людьми, лишенными компаса. Однако некоторые виды животных способны обнаружить это поле и могут использовать его в своих миграциях. Летучие мыши и морские черепахи используют магнитную информацию, чтобы найти свой путь. Некоторые виды бактерий могут даже зависеть только от магнитного поля для ориентации. Мы не на 100% уверены в том, как животные обнаруживают магнитное поле, но мелкие частицы магнитного минерала, называемого магнетитом, были расположены в головном мозге некоторых видов.
Изменение длины дня всегда тесно связано с годовым ходом температуры. Поэтому длина дня служит точным астрономическим предвестником сезонных изменений температуры и других условий. Это объясняет, почему у самых разных групп орга низмов умеренных широт под влиянием движущих сил эволюции сформировались специальные фотопериодические реакции — приспособления к климатическим изменениям в различное время года.
Эти частицы могут реагировать на магнитное поле и активировать нервы, чтобы посылать направленную информацию в мозг животного. Морская черепаха: Морские дети-черепахи могут найти свой путь на маршруте миграции почти на 13 000 километров в первый раз, когда они бродят. Ученые отвлекали некоторых черепах от курса, но им удалось вернуться в путь без особых трудностей. Подозревая, что существует какая-то магнитная ориентация в использовании, следующий эксперимент подвергал животных различным магнитным полям, которые отличались от естественного поля Земли.
Фотопериодизм — это общее важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых разных организмов.
Биологические часы
Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Реакция организмов на продолжительность дня и ночи показывает, что они способны измерять время, т. е. обладают какими-то "биологическими часами". Эту способность имеют все виды живых существ, от одноклеточных до человека.
Участвующие черепахи потеряли свой путь. Воздействие магнита, который имитирует магнитное поле Земли, вернул их на дорогу - доказательство того, что черепахи способны обнаруживать магнитное поле Земли и использовать его для навигации. В какой-то момент осталось менее 20 экземпляров птицы. Все население крана в восточной части страны исчезло. Западные журавлины восстановились в некоторой степени, но биологи хотели восстановить присутствие этого вида в восточной части Соединенных Штатов. Это создает большую проблему, чем просто перенос некоторых семейств кранов.
"Биологические часы", кроме сезонных циклов, управляют многими другими биологическими явлениями, природа которых еще недавно оставалась загадочной. Они определяют правильный суточный ритм как активности целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений.
Управление сезонным развитием животных и растений.
Выяснение роли длины дня и регуляции сезонных явлений открывает большие возможности для управления развитием организмов.
Различные приемы управления развитием используют при круглогодичном выращивании на искусственном свету овощных культур и декоративных растений, при зимней и ранней выгонке цветов, для ускоренного получения рассады. Предпосевной обработкой семян холодом достигают колошения озимых культур при весеннем посеве, а также цветения и плодоношения уже в первый год многих двулетних растений. Увеличивая длину дня, удается повысить яйценоскость птиц на птицефермах.
Причины сезонных изменений. Сезонными изменениями в природе называют периодические явления, повторяющиеся ежегодно в одной и той же последовательности. Времена года характеризуются различными световыми и температурными условиями, определяющими ход изменений жизненных процессов растений и животных. Каждый из периодов времен года обусловлен географическим положением и климатическими условиями.
Смена времен года происходит благодаря годовому обращению Земли вокруг Солнца при неизменности наклона земной оси к плоскости орбиты. Положение Земли на ее орбите определяет наступление астрономических времен года. Яркость и продолжительность ежедневной солнечной радиации в разное время года влияет на температуру воздуха и почвы, на влажность, что влечет за собой изменения в жизни растений и животных. Но в связи с непостоянством периодических изменений погоды астрономические начала времен года не совпадают со сроками наступления периодических явлений в живой природе. Так, например, астрономическая весна наступает в день весеннего равноденствия (21 марта); натуралисты же считают началом весны 19 марта― средний срок прилета грачей.
Сроки наступления сезонных явлений и их продолжительность относительны, например срок прилета грачей колеблется между 7 и 31 марта.
Изучение сезонных.
явлений. Закономерности периодических сезонных изменений в жизни растений и животных изучает наука фенология; наблюдения за наступлением этих явлений называют фенологическими. Сущность этих наблюдений состоит в том, чтобы следить за ходом сезонных явлений и записывать даты их наступления, а в некоторых случаях и окончания. На основании многолетних фенологических наблюдений краеведческие организации составляют календари природы, которые отражают время наступления сезонных явлений в той или иной местности.
Значение изучения сезонных явлений. Потребность в изучении сезонных явлений возникла у человека очень давно в связи с развитием земледелия, рыболовства, охоты.
Определяя ежегодно даты наступления сезонных изменений и сопоставляя их со временем сельскохозяйственных работ, можно установить лучшие сроки обработки почвы, посева семян и тем повысить урожай. Так, например, по данным агробиостанции имени К. А. Тимирязева, наибольший урожай огурцов получают при посеве их во время зацветания лиловой сирени и желтой акации. Лучший срок посева репы ― время цветения осины.
Параллельные наблюдения за ходом развития растений и питающихся ими насекомых облегчают установление сроков борьбы с вредителями культурных растений.
Фенологические наблюдения дают богатый фактический материал, который служит доказательством учения Ч. Дарвина о естественном отборе и помогает понять сущность основного закона биологии ― единство организма и необходимых ему условий жизни. Наблюдения расширяют кругозор человека, повышают его интерес и любовь к природе. В то же время они не требуют сложного оборудования и доступны любому человеку.
Календарь природы
Каждый воспитатель детского сада должен научиться вести фенологические наблюдения и составлять календарь природы. Только в этом случае он сможет правильно наметит сроки доступных детям наблюдений и научит их видеть и слышать происходящее в природе.
Календарь природы и сельского хозяйства средней полосы Европейской части России может служить кратким пособием при организации фенологических наблюдений почти по всей стране, за исключением мест, имеющих иную растительность.
