Дмитрий Шабанов: Фотопериодические реакции
Дмитрий Шабанов: Фотопериодические реакции
Автор: Дмитрий Шабанов
Опубликовано 02 ноября 2011 года
Мне уже приходилось писать, что меня огорчает недооценка нашей биологической природы. Биологический фундамент, на котором вырастает и наша культура, и наше "я", сплошь и рядом воспринимают как что-то неактивное, незыблемо-надёжное, не влияющее на "надстройку". Люди старательно отгораживаются от наших ближайших родственников терминологическими барьерами, решётками зоопарков и просто стеной иронии...
Я хочу обсудить здесь одну из особенностей нашей биологии, которую невозможно понять без учёта нашей эволюционной истории. Факты, на которые я опираюсь, общеизвестны. Выводы, которые я делаю на их основании, я в литературе не встречал, но никоим образом не претендую на приоритет в их трактовке. Возможно, это пример распространённого, но недостаточно прописанного знания.
Я хочу выяснить, есть ли у человека фотопериодические реакции; для этого нужно обсудить, что такое фотопериодизм. Разграничим понятия. Фотопериодизм - это регуляция годового цикла в зависимости от фотопериода, длины светового дня. От отличается от фотореакций - реакций на уровень освещённости.
Надо сказать, что это понятие часто трактуют неверно. Вот, заглянул в "Википедию". Читаю: "Реакция на длину светового дня регулирует начало брачного периода, линьки, зимней спячки и т.д. Ещё она проявляется в том, что ночью почти все животные спят". Логично? Конечно, нет. В течение суток длина светового дня не меняется, меняется освещённость. Последнее предложение в процитированном фрагменте я убрал. Сколько времени пройдёт до того, как кто-то умный его восстановит?
Фотореакции у человека известны. К примеру, у работников Крайнего Севера во время полярной ночи часто развивается темновая депрессия. Лечат её или гормонами, или просто пребыванием в ярко освещённых помещениях. Поскольку для успеха лечения важно не время пребывания на свету, а уровень освещённости, ясно, что мы имеем дело не с фотопериодизмом. Итак, ночной сон (и вообще любая суточная динамика) - не проявление фотопериодизма.
А почему организмы вообще реагируют на фотопериод? На их жизнь влияют в первую очередь температура, влажность, наличие пищи и других ресурсов. Понятно, что в умеренном климате динамика этих факторов зависит от сезона; это - вторично-периодические факторы. Первично-периодических совсем немного. Это смена времени дня, времени года, фаз луны и чередование приливов-отливов. Первично-периодические факторы задаются движением трёх небесных тел: Земли, Солнца и Луны. Небесные часы не торопятся и не отстают, вот потому-то организмы и ориентируются именно на них.
Рассмотрим для примера жизнь ласки - мелкого и изящного хищного зверька. Летом мех на её спине бурый, зимой - белый. Белую ласку сложнее заметить на снегу. Когда по осени ласка должна начать линять? После того, как выпадет снег? Тогда ей ещё долго предстоит бегать по снегу с бурой спиной. При наступлении осеннего, ещё легкого похолодания, чтоб успеть как раз к снегу? Но год на год не приходится; судя о переменчивом факторе (времени выпадения снега) по другому переменчивому фактору (температуре) неизбежно будешь совершать большие ошибки. Оптимальное решение таково. Каждая популяция ласок подстраивает начало линьки под такую длину светового дня, чтоб закончить её как раз к усреднённому сроку установления снежного покрова в своём местообитании. Ошибка (когда белая ласка бегает по голой земле или бурая - по снегу) неизбежна, и при таком варианте, но суммарно, за многие годы, она окажется минимальной.
Анализируя фотопериодические реакции, приходится различать причины каких-то изменений и запускающие их сигналы. К примеру, причина отлёта многих наших птиц зимой - бескормица (вторично-периодический фактор), а сигнал - уменьшение длины светового дня. Не везде длина светового дня - удобный для регуляции годового цикла фактор. На экваторе день и ночь всегда равны. На полюсах полгода длится полярный день, полгода - полярная ночь. Ясно, что фотопериодические реакции типичны для организмов умеренных широт.
Конечно, есть и другие ограничения. То, когда именно сурок отправится в зимовку, зависит в первую очередь от фотопериодической регуляции. Теплый или холодный осенний день могут повлиять на его выход из норы, но перестройка его организма на зимний лад уже запущена укорочением дня. А вот выход из спячки сурок к длине светового дня привязать не сможет - темно в норе. Приходится ориентироваться по прогреванию почвы. К счастью, земля и прогревается, и остывает медленно, и динамика температур на глубине норы оказывается более закономерной и плавной, чем на поверхности.
Разные популяции одних и тех же видов могут ориентироваться по разным факторам. Под Харьковом зелёные жабы выходят из спячки, когда прогреется земля, а нерест их определяется то ли температурой, то ли длиной светового дня. В Крыму, на засушливом мысе Тарханкут, нерест запускают весенние дожди.
Подводя итог, можно сказать, что сроки событий, происходящих вокруг нас, зависят от двух важнейших факторов - длины светового дня и температурного режима. Иногда к ним добавляется третий - влажность. Например, многие растения зацветают или сбрасывают листья, ориентируясь на длину светового дня, а прорастание их семян запускается влажностью и температурой (да ещё и после действия холодного периода, например). Пока климат стабилен, преимущество имеют те виды, которые регулируют свой цикл по длине светового дня. А когда климат меняется? Фотопериодическая регуляция оказывается невыгодной из-за десинхронизации процессов, регулируемых разными факторами.
Мухоловка-пеструшка - обычный европейский вид насекомоядных птиц. Зимуют они недалеко от экватора, примерно на десятом градусе северной широты. Хоть изменение длины дня там и невелико, именно оно запускает реакцию возвращения с зимовки на места размножения. Эта реакция подогнана так, чтобы, когда птицы долетят до мест размножения, построят гнёзда, отложат яйца и выведут птенцов, как раз наступил пик численности листоядных насекомых.
Следствием нынешних климатических перестроек стало более раннее наступление весны. В Западной Европе за полвека весна сдвинулась на более ранний срок на целых две недели! Численность гусениц зависит от температурной динамики, и пик их численности тоже сдвинулся вперёд, на то время, к которому птенцы мухоловки-пеструшки и множества других птиц просто не успевают вывестись. Результат - сокращение численности видов, сделавших ставку на астрономические часы. Ситуация не безнадёжна. Отбор постепенно сдвигает популяционную норму в пользу ранневылетающих особей. Если изменения климата не будут слишком быстрыми, а сокращающие численность виды не будут страдать от других несчастий, ситуация со временем исправится. Успеют современные виды перестроиться или вымрут, покажет будущее.
Настало время обратится к вынесенному в заголовок вопросу. Фотореакции у человека есть, а есть ли фотопериодические?
Наш годовой цикл размыт и регулируется в основном вторично-периодическими факторами. Кстати, по происхождению вид наш - африканский, и формировался недалеко от экватора, где фотопериодические реакции распространены меньше. Впрочем, большинство людей (кроме коренных африканцев) имеют примесь генов коренного европейского вида - неандертальцев. Для неандертальцев фотопериодические реакции могли быть более полезны.
Так или иначе, фотопериодические реакции у нас есть. И выражаются они в возрастании уровня половых гормонов в ответ на увеличение длины светового дня. Вам знакома расхожая мысль, что весной чаще влюбляются? Вот-вот. Влюблённость - сложный процесс, но уровень половых гормонов создает необходимую для него мотивацию.
В последнее время на постсоветском пространстве пропагандируют "день Святого Валентина". В пересаживании этого заморского праздника на местную почву заинтересованы торговцы некрасивыми красными и розовыми предметами в форме попок сердечек. Год за годом в феврале журналисты пичкают обывателей рассказами о событиях, "в память" о которых надо бежать за покупками. Эти россказни никак не связаны ни с причинами этой "традиции", ни со сроком её отмечания. С причинами понятно, а вот срок - случаен он или нет? Весьма закономерен. Длина дня начинает увеличиваться после 22 декабря, но вначале прибавка очень невелика. Заметной она становится к середине февраля. Вот к скачку концентрации половых гормонов в крови и привязывает усилия сувенирный бизнес...
У множества видов, живущих рядом с нами, наблюдаются похожие реакции. Та же ласка спаривается в марте, а через полтора месяца уже приносит детёнышей. Апрель-май - хорошее, кормное время...
А когда родятся человеческие дети, зачатые в феврале? В ноябре, под голодуху и холода (не у нас, нынешних, но у наших совсем недавних предков). А критические периоды эмбрионального развития придутся у них на весенний авитаминоз. Что-то не стыкуется...
Но наше отличие от ласки и подавляющего большинства других зверей не только в этом. Размножение человека - внесезонное, и беременность может наступить в любое время года. Во время становления нашего вида изменился даже сам характер женского репродуктивного цикла. Наверное, наибольшее отличие физиологии человека от физиологии других обезьян состоит в менструальном, а не эстральном цикле (я об этом уже упоминал). Овуляция при менструальном цикле скрыта. Сексуальная жизнь (и связанные с нею семейные отношения) у человека растянуты на весь год, а не привязаны к короткому периоду эструса (течки).
Так в чём же смысл фотопериодически регулируемого весеннего пика гормонов? Вероятнее всего, смысла в нём уже не осталось (хотя когда-то он был). Это физиологический рудимент - признак, сохранившийся от прежних этапов нашей эволюции. От каких?
Африканских? Не факт, и не только из-за нашего околоэкваториального происхождения. Отбор при становлении людей был направлен на формирование менструального цикла в условиях внесезонного размножения, ведь при сезонном размножении переходить на менструальный цикл бессмысленно. Вероятно, фотопериодизм человека - наследие ещё более давних времён. Наверное, мы получили его от наших далёких азиатских предков, некрупных обезьян с недолгим сроком беременности. Откуда они могли знать, что их предки заселят Африку, увеличатся в размерах, перейдут, после многих эволюционных экспериментов, к новым семейным отношениям и новому репродуктивному циклу, увеличат срок беременности, расселятся из Африки по всему миру...
Отбор против сложившихся на предыдущем эволюционном этапе фотопериодических реакций идёт не только у певчих птиц. Он шёл и у наших предков, и он уже почти загладил старый способ регуляции размножения, отточенный нашими далёкими предками.
Можем ли мы понять сами себя, не задумываясь о своей предыстории? Не смешите...