Колебания – основа жизни

          Движение это жизнь, остановка – смерть. Отсюда медленное движение – и жизнь такая же, быстрое – и жизнь скоротечна. Шустро движется в поверхностной пленке воды инфузория и живет она не долго. Глядишь, и уже разделилась на две. Медленно бредет черепаха, неспешно течет по ее сосудам прохладная кровь. Соответственно живет эта рептилия нескончаемо долго.

Однако разобраться, кто дольше живет черепаха или инфузория дело затруднительное. Каждая из них проживает свою продолжительную для нее жизнь с массой интересных опасных и счастливых событий. Живут же они в разном времени, поэтому, что для черепахи скоротечно, для инфузории – века.

Однако и медленно движущаяся черепаха имеет внутри, в частях своего тела, движения быстрые. Черепашье сердце бьется быстрее, чем движется его хозяйка. В мире есть и еще более контрастные несоответствия скоростей движения. Судите сами. Стоят египетские пирамиды, их медленные изменения не поспевают за летящими тысячелетиями. Атомы в молекулах вещества пирамид колеблются с чудовищной скоростью, составляющей в секунду единицу с 14 нулями.

Самые простые на свете движения: шевеление былинки, «тик-так» – маятника часов, обороты катящегося колеса. Это, по-видимому, самые распространенные в нашем мире повторяющиеся движения – колебания. Можно сказать, что все на свете колеблется, потому что нет на планете ни одного тела, которое бы не состояло из атомов. А ведь неподвижные атомы существуют только на картинках в учебниках. Это не важно, что сфинкс перед пирамидами недвижим тысячелетия, мы-то знаем, с какой скоростью колеблются его атомы, связанные в кристаллической решетке его вещества. Колебания вездесущи, и не удивительно, что характерны они и для всех живых систем. В организмах из быстрых колебаний, например движений атомов, складываются менее быстрые – циклические изменения химического состава, происходящие в клетках. Работа клеток, производящих гормоны, приводит к еще более медленным циклам, измеряемым продолжительностью жизни того или иного гормона, – преобразованиям органов. Еще более медленными будут преобразования всего организма, например, к соответствующим временам года. Организм становится к осени более холодостойким, а каждую весну это качество заметно теряет. Все эти и многие другие колебания одновременно происходят в одном и том же организме. Уже поэтому можно предположить, что все они, и большие и маленькие, как-то связаны между собой. Тогда любой организм представляется системой взаимосвязанных колебаний. В то же время организм живет, вступает в разнообразные отношения со средой обитания, приспосабливается к ней и подстраивает свои функции к колебаниям этой среды.

Простой пример. По сезонам колеблется температура воздуха, и теплокровные организмы в соответствии с этими колебаниями переодеваются. Так внешние колебания вынуждают появляться у всех организмов колебания, например, длины и густоты меха или перьев. Так у нас складывается представление уже о более сложных колебаниях, где внешние являются причиной появления таких же по величине внутриорганизменных циклов. Так система стала намного сложнее, больше, и появились новые зависимости: колебания организмов зависят от определенных колебаний внешнего мира, в котором они живут.

Итак, весь мир, как неживой, так и живой, непрерывно колеблется, и это качество оказывается общим для всех предметов этого мира. Такая вездесущесть заставляет предположить необычайную важность колебаний в природе. Даже одно это должно заставить многих ученых обратить свое внимание именно на них. И действительно, в химии и физике существуют целые разделы, посвященные колебаниям. Естественно, что и при изучении живых систем в биологии не только изучаются колебания в каждом разделе, но существует еще и отдельное биологическое направление, исследующее только колебания в живых системах. Это и не удивительно, ведь колебания очень прочно связаны с такими особенностями организмов, как приспособление к условиям внешней среды. Без приспособлений, экологи их называют адаптациями, жизнь организмов, скорее всего, невозможна. Видимо поэтому ученые называют биологические ритмы основой адаптаций. 

Ритмы неорганических систем

Природа изобилует различными колебательными системами как неживыми, так и живыми.

Здесь нам нужно определиться с некоторыми терминами. Прежде всего, что же такое колебательная система? Она определяется как система, в которой в результате нарушения состояния равновесия возникают собственные колебания, обусловленные свойствами самой системы. Теперь нужно определить, что такое собственные колебания. Их же называют еще свободными. Это такие колебания в любой физической системе, которые совершаются при отсутствии внешнего воздействия, за счет накопленной системой энергии. Такое накопление может быть за счет начального смещения системы от точки равновесия, или за счет придания системе какой-то начальной скорости. В реальных системах такие колебания всегда постепенно затухают, а амплитуда их уменьшается, потому что она зависит от первоначального толчка. В отличие от перечисленных, автоколебания относят к незатухающим, то есть это такие колебания, которые существуют в системе и при отсутствии внешнего воздействия. Их характеристики: амплитуда, период определяются свойствами самой системы. Все колебательные системы способны колебаться по внутренним причинам, но такие как струна или колокол начинают свои колебания от внешнего толчка. Нужно нарушить состояние их равновесия, и тогда возникнут их собственные колебания. А они обусловлены уже свойствами самой системы, то есть струны или колокола. Но равновесие обязательно нужно нарушить, например, дернуть за струну. Будем дергать – будет звучать.

Что касается автоколебаний, то они могут существовать и при отсутствии периодического внешнего воздействия, потому что зависят только от самой системы. Причины их возникновения не наружные, а внутренние. Из-за этого такие колебания часто называют эндогенными. Автоколебательная система всегда имеет три основных элемента: 1) колебательную систему; 2) источник энергии; 3) устройство, регулирующее поступление энергии. Например, часы имеют а) маятник или балансир (осциллятор), б) пружинный или гиревой завод (источник энергии); в) анкерный ход (регулятор поступление энергии).

Слово «синхронизация» означает приведение двух или нескольких процессов к такому их протеканию, когда одинаковые элементы процессов  совершаются с неизменным сдвигом по фазе друг относительно друга. Примером могут служить речи оратора и его переводчика при синхронном переводе. Синхронизация периодических процессов достигается приведением к взаимному соответствию (например, равенству, или кратности) их периодов, то есть установлением постоянного соотношения между их начальными фазами (постоянный взаимный сдвиг фаз). Так что в общем случае синхронизация - это установление и поддержание такого режима колебаний двух или нескольких систем, при котором их периоды равны или кратны друг другу

Возьмем несколько общеизвестных примеров из неорганического мира. Земля вращается вокруг Солнца, да еще вокруг собственной оси. Круг за кругом с незапамятных времен пробегает планета, крутясь как волчок. Можно сказать, что Земля колеблется, ведь колебания – это повторяющиеся движения, а может быть, и просто изменения состояния, обладающие той или иной степенью повторяемости. Атомы в кристаллических решетках колеблются с очень большой скоростью (частотой), примерно 10¹³ герц. И с еще меньшим периодом колеблются световые волны в видимом диапазоне – 10¹² –10¹⁷ герц. Человек использует для своих надобностей электрический ток, колебания переменного тока в наших сетях стандартно – 50 герц. А эти колебания по частоте уже близки некоторым ритмам нашего организма. По собственным ощущениям мы знаем, что наше сердце делает примерно одно сокращение в секунду, а один период в секунду в физике принят за 1 герц.

Общеизвестны различные колебания в неживых системах – в неживых природных объектах. Перечислим некоторые из них, расположив по мере уменьшения частоты, а стало быть – увеличения периода. После переменного тока можно вспомнить звуковые волны, частоты которых могут быть и 20 герц. И, наконец, волны, которые мы можем наблюдать. Это морские волны, возникающие под влиянием ветра. Частота их различна от мелкой быстрой ряби и зыби на воде, до длинных океанических волн, медленно и лениво набегающих на берег даже при полном безветрии. В тропических широтах ночью из открытого иллюминатора слышится «дыхание» океана – медленный шелест пробегающей вдоль борта волны. Она настолько длинная и пологая, что проходит 2 – 3 минуты и короткое затишье. Затем снова шелест – это катится новая волна.

Еще один ритм, наблюдаемый в океане, это приливы и отливы. Периодичность этого явления может быть полусуточная – примерно 12,4 часа. Такая частота приливов преобладает на побережье Атлантического океана, Северного моря и в некоторых районах Индийского океана. А вот суточные приливы, когда в сутках наблюдается лить один подъем и один спад воды можно обнаружить у побережья Мексиканского залива, в Юго-Восточной Азии и у берегов Нивой Гвинеи.

Следующий общеизвестный природный ритм - суточный. Это период обращения нашей планеты вокруг собственной оси. Он равен 24 часам, а по общей измерительной шкале – 1,16 х 10⁵ герц. Следуя за уменьшением частоты колебаний в неживой природе, мы обнаружим и другие геофизические циклы: лунный или синодический составляет 29,53 суток и годовой, длиною примерно 365 дней. В нашей солнечной системе есть и другие планеты, и их год, как и земной, зависит от величины орбиты. Если Земля облетает вокруг светила за 365 суток, то Меркурий делает это всего за 88 земных дней. Год на этой планете с нашей точки зрения невелик. А вот если бы мы жили на Плутоне, то год бы составил 250 земных лет, велико расстояние от Солнца и очень медленны сезонные колебания условий на планете.

Само наше светило тоже колеблется, – например, с периодичностью в 11 лет изменяется активность его излучения. Это можно заметить по колебанию числа солнечных пятен на поверхности. Разная активность светила создает множество колебаний природных условий на всех планетах своей системы. Отметим, что Солнце выступает как автоколебательная система, и она заставляет колебаться множество планетарных систем, получающих такие периодические внешние воздействия. Этот 11-летний солнечный цикл прослеживается на целом ряде явлений органической и неорганической природы. Синхронно с изменениями на солнце происходят колебания магнитного поля планеты, синхронно изменяется частота северных сияний. Естественно, что изменения активности нашего светила не могут не отразиться на климате Земли и формируют соответствующую погодную цикличность. Даже с землетрясениями и колебаниями уровня озер у солнечного цикла была учеными обнаружена высокая корреляция. Особенно много сделал в изучении воздействия солнечной цикличности на биологические и социальные явления русский ученый А.Л. Чижевский. В своей книге «Земное эхо солнечных бурь» он описал, как солнечно-земные связи коррелируют с ходом солнечной активности эпидемий, войн и даже революций.

На нашей планете проявлены погодные изменения, связанные с солнечной активностью. Описан и более продолжительный погодный ритм. Его называют брикнеровский цикл, по имени климатолога Эдуарда Брикнера, описавшего как переход от влажных холодных лет к теплым, сухим и имеющего общую продолжительность примерно 35 лет. В конце 19-го века Э. Брикнер обнаружил, что с этой же периодичностью изменяется уровень Каспийского моря. Обнаружен учеными и еще один цикл, который может быть синхронен брикнеровскому. Он не связан с солнечной активностью, а создается периодичностью повторения взаимного расположения Солнца, Луны и узлов лунной орбиты на небесной сфере. Этот цикл называется сарос, в нем в одной последовательности повторяются солнечные и лунные затмения, так что их можно рассчитать заранее и предсказать. Цикл сарос равен 18 годам и 11 суткам.

Совсем в недавнем прошлом ученые забили тревогу в очередной раз. Они обнаружили, что на Каспии высыхает залив Кара-Богаз-Гол. Нужно принимать срочные меры! Началось поспешное сооружение плотины, которая препятствовала бы уходу воды из залива в море. Миллионы рублей и массу труда потребовала стройка, но близко к ее завершению начался общий подъем воды в Каспийском море. Так что и по сю пору залив не высох, и где-то там под водой стоит почти достроенная плотина. А ученые уже вспомнили о трудах Э. Брикнера. Можно было бы просто посчитать период описанного им цикла и обойтись без плотины. Дешевле бы встало.

Иногда можно встретить ссылки еще на один цикл климатический, но с очень большим, как у геологического, периодом. Его называют сверхсаросом. Связан же он не с чередой затмений, а с изменениями температуры такими большими, что можно говорить об общем изменении климата. Длина этого цикла приблизительно 1800 лет. С такой периодичностью достигается температурный минимум или максимум в европейской части России. Так, согласно летописям, температурный минимум в Подмосковье наблюдали во времена Ивана Грозного (1530-84 гг.). Это был век «страшных зим», когда от мороза трескались деревья и птицы замерзали на лету. Можно посчитать, когда же приблизительно вернется снова и прикинуть в какие годы Подмосковье будет жарче всего по причине этого колебания климата, а не в связи с парниковым эффектом.

Особенностью нашей планеты является присутствие на ней жизни. Организмы, населяющие ее, очень активны и вмешиваются даже в геологические, точнее, геохимические процессы. Речь идет о планетарных кругооборотах вещества. Периоды этих циклов различаются. Один из самых быстрых и самых известных среди них – это оборот воды в атмосфере. Вода испаряется с поверхности океана, образуются облака. Они проливаются дождем на поверхность планеты, и вода вновь стекает в мировой океан. Частота такого оборота парообразной воды в атмосфере составляет 25 раз в год. Довольно быстр и оборот углерода. Этот элемент – главный строитель органического вещества. В атмосфере он находится в виде углекислого газа. Атмосферный углерод оборачивается всего за 8 лет. Что касается азота, тоже важного вещества для органических соединений, то его оборот происходит примерно за 100 лет. В то же время вода на нашей планете имеется отнюдь не только парообразная. Это вода мирового океана, морей рек, озер, ледников и подземные воды, а, кроме того, основная часть планетарной воды находится в толще горных пород нашей планеты. Мы остановим внимание на воде, находящейся только на поверхности Земли. Ее здесь тоже очень много. Суша-то ведь очень небольшая часть поверхности планеты, да и то на ней располагаются озера, реки, ледники, болота. Так вот, эта поверхностная вода, включая и океаническую, полностью оборачивается за 3650 лет. Несколько быстрее воды протекает кругооборот кислорода. На его полный цикл требуется 2500 лет. Углерод же, как самый необходимый элемент на планете полностью оборачивается за 300-400 лет. Конечно, мы говорим об атмосферном углероде, а не о законсервированном в толще планеты в виде нефти, угля, газа, а также на поверхности в виде мертвой органики древесных стволов.

Неживое и живое

Вот теперь, слегка познакомившись с колебаниями в неживой природе, можно перейти к так называемым биологическим ритмам, то есть ритмам живых организмов. Хотя первые шаги на этом пути мы уже сделали, ведь разделить живую и неживую природу весьма непросто. Любой организм строит себя, используя материал неживой природы, причем постоянно обновляет свое тело, для чего такие материалы ему необходимы в течение всей его жизни. Можно сказать, что организм осуществляет в течение своей жизни кругообороты веществ, как и планета, на которой он живет. Правда, частота этих оборотов у него несколько выше.

Насколько же справедливо высказанное мнение о полном единстве организма и его окружения? В Библии сказано о пути человека: «Из праха во прах». Каждое живое создание в конце концов сливается с землей, обогащая почвенный покров. В этом смысле почва приходится матерью всему живому. Более того, даже слово «гуманность» имеет корень – «гумус», то есть плодородная почва. Если направление «во прах» всем очевидно, то происхождение «из праха» – не совсем ясно. Ведь организм рождается матерью, возникает из яйцеклетки. Как кратко выразился Р. Вирхов еще в 19 веке: «Все живое из яйца». После чего было покончено с теориями о самозарождении жизни. Какое же здесь «из праха»?

Тем не менее, все мы действительно «из праха». Чтобы убедиться в этом стоит вспомнить о нашей связи со всем сущим на Земле и в том числе друг с другом. Начнем с дыхания, во время которого мы захватываем в свой организм и усваиваем массу полезных веществ. Каждый человек дышит, то есть на каждый вдох в его организм попадает огромное количество атомов. Примерно квадриллион (10¹⁵) из них это выдохнутые другими людьми в ближайшие несколько недель. А ведь при вдохе часть атомов нами усваивается, превращаясь в атомы нашего организма. Никто не стал подсчитывать обмен с другими дышащими существами: кошками, собаками, крысами, наконец. Все мы постоянно в течение всей жизни обмениваемся атомами не только с другими живыми существами, а также с самой Землей (Джереми Рифкин "Приближение биосферного века". Иформ.агенст. «Эхо – Восток» Киев: 1995). Так что ежегодно 98% наших атомов заменяются новыми, которые перед этим существовали где-то в природе отдельно от нас. Каждые пять лет, таким образом, полностью меняется все тело человека. Вот и получается, что весь физико-химический состав нашего организма находится в постоянном обмене с окружающей средой. Так что по составу от «праха» не отличим, постоянно из него черпает вещество и в него же отправляет свое. В житейском же смысле полезно подумать о качестве нашего «праха». Если оно ухудшается от дурного окружения, то соответственно убыстряется наше перемещение «во прах».

Ритмы живых

Не будем более отвлекаться от главной темы и познакомимся с колебаниями (конечно далеко не всеми), присущими живым организмам. Естественно, что по частотам они не должны отличаться от колебательных систем в неживой природе. Любой организм это большая и очень сложно устроенная система взаимосвязанных колебаний. Наиболее высокие частоты здесь характерны для наименьших частей организма. Выше мы говорили о взаимосвязи ритмов организма. Там получалось, что самые быстрые изменения – в биохимическом составе клеточной протоплазмы. В клетках протекают разные колебательные процессы, секреторные клетки продуцируют нужные организму вещества, нервные клетки с определенной частотой посылают нервные импульсы. В организме кошки ученые описали ритм холодового рецептора. Он при постоянной температуре окружающей среды (33,2°С) имеет частоту 10 разрядов в секунду, это всего в пять раз медленнее, чем колебания переменного тока в цепи. Сердечные сокращения, о которых уже шла речь, тоже обладают высокой частотой, почти такую же имеет и ритм дыхания. Секреция гормонов имеет примерно часовую периодичность, а чуть большую – периодичность питания. Вспомните, мы едим примерно 4 – 5 раз в день. Вот мы уже и добрались до суточного ритма. Поскольку это универсальный ритм для всего живого на планете, то на нем несколько задержимся.

Суточный ритм организмов имеет период приблизительно 24 часа. Из-за такой приближенности Ф. Халберг предложил называть этот ритм циркадным (околосуточным) и ниже мы рассмотрим это подробнее. Сейчас же нас интересует, откуда мог появиться у организмов такой ритм. Как мы предполагали, любой организменный ритм должен иметь аналог в неживой природе и к нему адаптироваться. У суточных ритмов аналогов в природе оказывается несколько. Так, организмы могли синхронизировать колебания своих функций к лунным суткам, продолжительность которых равна 24 час. 50 мин. А могли стать основой для такой синхронизации звездные или сидерические сутки. Они связаны с периодом вращения планеты и составляют 24 часа 56 мин.

Процесс, с которым возможна синхронизация колебаний, служит для живых организмов датчиком времени. Прекрасный датчик времени – ритм смены света и темноты (фотопериодизм). Вот и использует его любое земное существо для контроля точного выполнения своих функций. И здесь не страшно, что соотношение света и темноты изменяется от сезона к сезону. Такое изменение можно дополнительно применять уже для коррекции годового ритма.

Суточный ритм для любого организма настолько важен, что к этой периодичности «привязаны» практически все физиологические функции организма. Секреция гормонов и в соответствии с ней: суточная динамика температуры тела, учащение пульса и дыхания, усиление и ослабление мышечного тонуса, перераспределение кровотока. Пищеварение имеет суточный ритм и соответственно большое число пищеварительных функций обладают этой же периодичностью и связаны между собой фазовыми отношениями. Это и изменение перистальтики кишечника, и выделение желудочного сока и соляной кислоты, и подача в кишечник желчных кислот и ритм продвижения в кишечнике пищевой массы. Естественно, существует и суточный ритм потребления пищи. Та же ситуация с любой функцией организма, а каждая функция реализуется через массу физиологических и биохимических процессов, и все они имеют суточный ритм. Так и получается, что любой организм – это целый набор суточных ритмов, по некоторым данным их более 300.

Как появились у организмов суточные часы? Приспосабливаться к суточным колебаниям приходилось издавна, и «шли» такие часы по-разному в долгой истории планеты. В разные времена наша Земля вращалась с разной скоростью, и организмы были вынуждены с помощью естественного отбора изменять период своего околосуточного ритма. Так, в раннем девоне земные сутки были почти на 2 часа короче нынешних. В конце мелового периода, когда с планетарной сцены уходили динозавры и «воцарялись» млекопитающие, им приходилось сверять свои внутренние часы с длиной суток, которая составляла 23,5 часа. Изменение длины суток продолжается и в настоящее время, поэтому лучше иметь приблизительно суточные часы, они позволяют быстрее подстраиваться к любым изменениям периода.

Кроме суточных, для организмов был очень важен и лунный ритм. Такой геофизический цикл, как смена фаз луны, тоже ведь удобный датчик времени для отчета. Основные действующие на организмы факторы здесь будут: световое воздействие (изменение лунного света) и гравитационное (периодические приливы).

И еще одно природное колебание климатических факторов послужило для всех организмов важным указателем времени и заставило, подстраивать под себя многие физиологические, да и поведенческие функции. Речь идет о годовом природном ритме. В наших высоких широтах он проявляется как непрерывная последовательность прохождения четырех времен вода. Каждое из них со своими специфическими условиями климата и соответственно фазами развития организмов. В полярных областях сюда добавляется и значительное изменение освещенности: полгода – ночь, полгода – день. Что касается тропических стран, то различия в освещении там почти не ощутимы по сезонам, а температурные колебания летом и зимой отличаются едва ли не меньше, чем днем и ночью, поэтому годовой цикл там проявляется по-другому. Он выражается здесь заметными различиями в увлажненности. Время дождей здесь ежегодно сменяется временем засухи.

Четыре из названных колебаний имеют особое значение в жизни организмов, это околоприливные, околосуточные, окололунные и окологодовые ритмы.

В связи с их особой значимостью организмы не только используют эти природные ритмы, но и имеют собственные, внутриорганизменные, с такими же частотами. Это так называемые автоколебания или эндогенные ритмы организмов. Имея их, все живые организмы легко подстраиваются к соответствующим геофизическим, сверяя и корректируя ход своих часов. Дело в том, что только автоколебательные системы способны к синхронизации. Вот и пришлось в процессе эволюции обзавестись внутренними часами, чтобы жить в согласии с внешним миром. Вовремя к отливу приспособиться, вовремя спать улечься и проснуться, вовремя шубу сменить или ее цвет. Другие, тоже низкочастотные колебания, уже не относятся к автоколебательным системам (или их эндогенность пока не доказана). Для их поддержания необходимы другие, часто не внутриорганизменные, а внутрипопуляционные механизмы. Это относится как к пятисуточным эстральным циклам у грызунов, так и к многолетним колебаниям численности или плодоношения (Эстральный цикл – это периодически повторяющиеся изменения во влагалище половозрелых самок млекопитающих, соответствующие циклическим процессам в яичниках (течка)). И, тем не менее, чтобы выживать, организмам приходится не только поддерживать такие колебания, но и приводить их в соответствие с ритмами внешней среды.

Относительно коротки из многолетних колебаний – двухлетние. С ними знаком любой агроном. Это колебания плодоношения семян злаковых растений, особенно тех, которые использует человек в своей сельскохозяйственной практике. Наши культурные злаки проявляют 2-летний ритм урожайности и соответственно все наши пищевые конкуренты имеют такой же ритм колебаний численности, синхронно успевая увеличивать свое число к большому урожаю.

Чуть больше по периоду 3-летние циклы. Их тоже легко проследить по колебаниям численности наших мелких грызунов. Поскольку самые массовые из них – различные виды полевок – обязательно имеют такие цикличности, то называют эти колебания «полевочьими циклами». Подстраивают полевки свой трехлетний цикл к существующему в их местообитаниях 3-летнему ритму осадков. Дело в том, что полевки – зверьки зеленоядные, а трава растет тем лучше, чем больше дождей.

Более продолжительные периоды: 5-, 7- и даже 11-летние проявляются в урожайности деревьев – как хвойных, так и плодовых. Садоводы знают, что плодоношение их яблонь циклично. Заметно это по годам с особенно большим урожаем, когда гнутся, и даже ломаются ветви под тяжестью плодов. А случаются годы, когда яблок почти нет. Зоологи знают 5- и 7-летние колебания численности мышей, а лесники утверждают, что урожайность семян хвойных имеет примерно такую же цикличность. И мыши и белки, конечно, зависят от семян, они же семяеды, а какова зависимость их кормовых растений. Где тот геофизический фактор, диктующий залог урожайности? Оказывается, в этой же местности климатологам давно известны ритмы атмосферной циркуляции, с которыми тесно связано колебания увлажненности. В теплый период года это обычно и есть наши знакомые 5-, 7- и 11-летние циклы. К ним-то и подстраивает свои колебания все живое.

Охотникам в Сибири, да и во всей Северной Азии, знаком цикл колебаний обилия зайцев. Обычно он имеет период 11 – 12 лет. Примерно 11-летнюю цикличность показала в изменении своей численности и популяция американского зайца-беляка. Соответственно, такую же цикличность обнаружила и численность канадской рыси, которая этим зайцем питается. Экологи узнали это, обработав данные по закупке шкур в Компании Гудзонова залива. Отчеты о закупке шкур с 1825 по 1950 годы представили собой прекрасную основу для определения естественной цикличности в популяциях многих животных. Такие перечни закупленных шкурок всегда соответствуют не столько изменениям интенсивности промысла, сколько изменениям численности промысловых животных в данном месте. На севере промысел был всегда одинаковой интенсивности, потому что для местного населения это основное занятие. Графики с этими данными, отражающими динамику численности в популяциях разных видов животных теперь можно встретить в любом учебнике экологии. Природные колебания с примерно той же частотой мы уже помним: циклы солнечной активности, ритмы атмосферной циркуляции.

Вполне вероятны и многие более длинные популяционные цикличности. Изменяется численность и с периодами в 20, 35 и даже 80 лет. Но уже известны брикнеровские циклы, а, кроме того, можно настраивать свою цикличность с помощью кратных циклов. Вспомним, выше мы давали определение синхронизации, она ведь может происходить не только при равенстве, но и при кратности периодов. Тогда солнечная цикличность станет поддерживать еще и 22-летнюю. Не исключено, что у растений колебания могут оказаться еще меньшими по частоте, они как более медленные в сравнении с животными существа легко настраиваются к более длинным ритмам. Помню в 1972 году в Центральной Барабе выдался особенно мокрый год, старожилы такого не помнили. Озера переполнились, и даже на самых возвышенных обычно сухих местах поднялся и зашумел тростник своими метелками. Ботаники объяснили феномен долгим сохранением в почве корневищ этого злака. Пролежали они 30 – 40 лет в земле. Никто их не съел, вот и поднялись растения с приходом большой воды, обновили свои подземные части и запаслись терпением на следующее 30-летие.

Ритмы живых организмов синхронны природным колебаниям

Жить в меняющемся мире очень трудно. Только приспособился к обстановке, а она и изменилась, приобретенные адаптации стали негодны. Так и происходит на свете. Живут себе люди на склонах Везувия, разводят виноградники, строят дома. Все счастливы. И вдруг – извержение. Все погибло и дома и виноградники, да и сами жители не всегда успевают спастись.

Однако природа подарила всему живому замечательный дар – множество важных колебательных процессов, которые повторяются, не просто беспорядочно, а через примерно одинаковые промежутки времени. Многие из них имеют гармонический характер, то есть их частота постоянна. (Хотя, строго говоря, ни в природе, ни в технике действительно гармонических колебаний нет. Только некоторые колебательные системы на отдельных отрезках времени своего существования показывают этот тип колебаний.) Это означает, что к таким колебаниям есть возможность приспособиться. Как это возможно? Да, очень просто! Если организм может определять время, и отмечать повторы событий, то он способен делать прогнозы важных для себя изменений в своей среде. Тогда к изменению условий у него появляется возможность заранее приготовится. Многие события, повторяющиеся с большой частотой, формируют такие адаптации к ним, которые можно приравнять к появлению часов. Например, смена дня и ночи – суточная периодичность давно используется живыми организмами для отсчета времени. Другие, такие как извержение Везувия, прогнозируются много хуже, может процесс не колебательный, а возможно – период слишком велик, да еще и изменчив. Бывают такие процессы в природе, которые имеют очень сложный ход, их называют полипериодическими, потому что проявляются они при наложении друг на друга многих колебаний разных по частоте.

Миллиарды организмов в зоне отлива прекрасно приспособлены к жизни здесь, в столь изменчивой среде. Для этого они выработали соответствующий местным колебаниям ритм собственной жизнедеятельности. Ползает под водой у берега моллюск хитон. Питается, встречается с соплеменниками, обороняется от врагов. В нужное время моллюск присасывается брюшной присоской к поверхности камня, и как раз начинается отлив. Камни обнажились, на них пятнами заметны надежно прилепившиеся хитоны, прикрытые сверху прочной черепицей своей защитной раковины. Не успел присосаться к камню – пропал.

Или, например, другой ритм природы – суточный. Ночью становится темно и все, кому важен свет, перестают заниматься активной деятельностью. Им нужно успеть в убежище, чтобы не попасть в зубы ночному хищнику. Внутренние часы дают знать хозяину, что пора на покой, и он остался жив, потому что всю ночь отсыпался в своем гнезде.

А вот еще один природный цикл - годовой. К каждому сезону года нужно подготовиться, уж очень разные условия у нас зимой и летом. К зиме нелишне отрастить шубу потеплее. Прозевал, не совпали твои внутренние часы с природными, и остался голым в мороз.

Итак, сохранение, режима дня, режима года, а иногда и многолетнего режима – это залог выживания организмов. Причем это не только удачное совпадение изменений организма с изменениями в его окружении, это еще и некоторая гарантия удачного повторения. Ведь мышка, которая прожила свой день в соответствии со своим режимом дня, если сохранит его и завтра, то очень высока вероятность в благополучном прожитии и завтрашнего дня. Так и строится жизненная тактика. Одна ее часть – поведенческая – строгое повторение режима дня, то есть стереотип поведения. Другая же – синхронизация собственных ритмов жизнедеятельности с природными колебаниями в местообитаниях. Именно поэтому все живые организмы используют для своего выживания природные ритмы среды. Еще одна сторона такого использования, это употребление внешнего ритма как датчика времени для собственных часов, то есть координация хода своих организменных часов, приведение их в соответствие с природными.

Лев Ердаков