4.2.2 СОНЯЧНА РАДІАЦІЯ ЯК ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЧИННИК
Завдяки періодичним змінам інтенсивності сонячної радіації внаслідок добового обертання Землі навколо своєї вісі та річного обертання навколо Сонця, даний екологічний фактор є одним з найважливіших чинників, що визначає ритмічність у всіх біосферних процесах (наряду з місячними циклами, важливими для прибережних морських екосистем). Реакції живих організмів на добовий ритм освітленості та тривалість світлового дня отримали назву фотоперіодизм. Фотоперіодизм вперше описаний для рослинних організмів, згодом був виявлених у більшості живих організмів.
Тривалість світлого періоду доби називають фотоперіодом. Фотоперіод залежить від розташування району за меридіаном. Наприклад, фотоперіод на території України для північних та південних районів відрізняється на годину: у період літнього сонцестояння фотоперіод в м. Шостка становить 16 год. 46 хв., а в м. Севастополь – 15 год. 34 хв. В період зимового сонцестояння в м. Шостка світла пора доби триває 7 год. 42 хв., а в м. Севастополі – 8 год. 48 хв.
Тривалість фотоперіоду в різних районах України
Тривалість світлого періоду доби разом з іншими кліматичними факторами визначає фенологічні зміни в екосистемах. Фенологічні зміни характерні не лише для біоценозів (періоди розмноження та плодоношення, масового виходу організмів, кочівлі та перельоти), але й для біотопів (льодостав, розкриття рік, поява й схід снігового покриву).
Для реєстрації інформації щодо умов освітлення живі організми мають спеціальні пристосування. Фотосинтезуючі організми мають спеціальні пігменти – фітохроми, криптохроми – які визначають фази проростання насіння та цвітіння рослин. У тварин такі пігменти входять до складу фоторецепторів та зорових аналізаторів (родопсин). Причому рівень розвитку зорового аналізатору не впливає на здатність реєстрації інформації про довжину дня. Зокрема у ссавців довжина дня реєструється супрахіазматичним ядром гіпоталамусу, яке збуджується нейронами гангліозних клітин сітківки, що не беруть участі у формуванні зображення. Фоторецепторні структури є у всіх без виключення груп тварин, незалежно від їх складності організації (найпростіші, кішковопророжнинні, плоскі черви).
Але паралельно зовнішньому ритмічному чиннику живі організми мають внутрішній ритмічний механізм, цикл якого є близьким до добового – циркадний ритм (правильніше – циркадіанний). Період циркадіанних ритмів дещо більше доби: у рослин триває 23-28 годин, у тварин – 23-25 годин (до речі, тривалість місячної доби 24,8 години!). Циркадіанні ритми відповідають за зміну періодів активності/спокою, синтезу ряду гормонів та більшість фізіолого-біохімічних процесів за умови відсутності зовнішніх чинників (ними крім зміни інтенсивності освітлення можуть бути акустичні хвилі, електромагнітне поле). Фотоперіод корегує циркадіанний годинник і наближає його до тривалості доби. Але більшість тварин може достатньо легко у певних межах корегувати свою добову активність незважаючи на фотоперіод (наприклад, див. правило Ю. Ашоффа).
Найвідомішим добовим ритмом є синтез гормонів мелатоніну та серотоніну, які регулюють метаболітичну активність організму ссавців. Інтенсивність освітлення сприймається через очі та збуджує супрахіазматичне ядро гіпоталамусу. В темну пору доби сигнали від гіпоталамусу викликають збільшення синтезу та вивільнення норадреналину. Цей нейромедіатор збуджує рецептори, які розташовані на мембранах пінеалоцитів епіфізу, стимулюючи вивільнення мелатоніну у кров’яне русло. Подібні добові зміни фізіологічної активності характерні для інших живих організмів.
Добовий ритм синтезу мелатоніну у пінеалоцитах епіфізу (а) та крові (б)
Подібні добові зміни фізіологічної активності характерні для інших живих організмів.
Зміна активності Albizia в залежності від періоду доби
Найбільш виражений вплив фотоперіод має на фізіолого-біохімічні процеси фотосинтезуючих організмів – перш за все зелених рослин. У зв’язку з тим, що тривалість щоденного освітлення змінюється залежно від географічної широти, їх фотосинтетичний апарат функціонує по-різному, а рослини поділяються на короткоденні та двогоденні.
Рослини довгого дня – розвиток, цвітіння та плодоношення відбувається більш інтенсивно за умов 18-20 годинного дня і затримується зі скороченням тривалості світлої пори доби. Ці рослини походять з високих широт – цибуля, льон, овес, капуста, буряк.
Рослини короткого дня – розвиток затримується при подовженні тривалості світлої пори доби понад 12 годин. Походять з тропічних та екваторіальних зон, де в тривалість дня практично незмінна. Ці рослини в умовах закритого грунту розквітають восени та взимку (орхідеї, фікуси, хризантеми, гербери, бегонії), а в умовах відкритого грунту дозрівання більш інтенсивно відбувається наприкінці літа та восени (кукурудза, соняшник, соя, томати, баклажани).
Рослини нейтрального дня – розвиток відбувається практично однаково за будь-якої довжини дня.
Крім добових ритмів виявлено інші періодичні зміни життєдіяльності організмів та функціонування екосистем. Зокрема для мешканців океану важливими є місячно-добові (припливно-відпливні) та місячні цикли. Зокрема розмноження багатьох гідробіонтів приурочено до певних фаз місяця, що є дуже важливим за умов зовнішнього запліднення (наприклад, багатощетинкові черви, коралові поліпи). Відомі багаторічні цикли, які найкраще вивчені на прикладі динамічних процесів у популяціях. Зокрема, масове розмноження сарани та непарного шовкопряда, мишовидних гризунів може бути приуроченим до періодів підвищеної сонячної активності. Але безпосередній механізм таких явищ не виявлено.
Частота захворюваності на дифтерію у Данії (зліва) та інтенсивність сонячної активності
Існують дані, що такими чинниками можуть виступати зміни напруженості магнітного поля Землі, інфразвукові коливання при полярних сяйвах, збільшення спектральної характеристики ультрафіолетового випромінювання, збільшення радіоактивності атмосфери. Крім того періоди підвищення сонячної активності призводять до відчутних кліматичних змін, що мають безпосередній вплив на розмноження та виживання тварин. Зокрема, відомо що частота аномальних кліматичних явищ зростає у періоди підвищеної сонячної активності.
Залежність частоти посух у СРСР від показників сонячної активності
(1 – числа Вольфа; 2 – частота магнітних бур; 3 – європейська частина СРСР; 4 – Казахстан)