3.4.1. Тепло

Тепло — це один із найголовніших екологічних чинників, який визначає розподіл організмів на земній кулі. Кількісним показником тепла є температура, яка відображає середню кінетичну швидкість атомів і молекул у будь-якій системі. Від температури залежить і швидкість біохімічних

реакцій в організмі, обмін його речовин. Швидкість реакцій визначається коефіцієнтом, який показує, у скільки разів змінюється швидкість реакцій при зміні температури на 10 °C (позначається Q₁₀) і відносно легко розраховується:

Q10 = ( К1 ) (Т2 — 10 Т1) ,

К₂

де К₁ і К₂ — рівень метаболізму за температури Т₁ і Т₂

Для більшості хімічних реакцій величина цього коефіцієнта дорівнює 2—3 (закон Вант-Гоффа). Оскільки величина Q₁₀ для різних біохімічних реакцій різна, зміни температури можуть сильно впливати на збалансованість обміну речовин.

Істотне зниження температури становить небезпеку такого уповільнення обміну речовин, за якого стане неможливим здійснення основних життєвих функцій організму. Критичний момент — замерзання води у клітинах, оскільки поява кристалів льоду несумісна зі збереженням цілісності внутрішньоклітинних структур.

Підвищення температури веде до денатурації білків. Цей процес спостерігається приблизно при +60 °C, але порушення біохімічних і фізіологічних процесів починається раніше, вже при деякому перевищенні +42…+43° C. Посилення метаболізму при високих температурах тіла також може вивести організм із ладу ще задовго до теплового руйнування ферментів, оскільки різко зростають потреби у поживних речовинах і кисні. Таким чином, життя організмів у середовищі з низькими, високими та мінливими температурами потребує адаптацій, що формуються у процесі еволюції та індивідуального розвитку.

У процесі еволюції живих організмів виробилися різноманітні пристосування, які дозволяють регулювати обмін речовин при змінах температури навколишнього середовища. Це досягається двома шляхами: 1) різними біохімічними та фізіологічними перебудовами (зміна набору, концентрації та активності ферментів, зневоднення, зниження точки замерзання розчинів тіла тощо); 2) підтриманням температури тіла на стабільнішому рівні, ніж температура навколишнього середовища, що дозволяє не порушувати хід біохімічних реакцій, що склався.

Температурні межі існування видів

У середньому активна життєдіяльність організмів вимагає досить вузького діапазону температур, обмеженого критичними порогами замерзання води та теплової денатурації білків, приблизно в межах від 0 до +50 °C. Існують екологічні групи організмів, оптимум яких зміщений у бік низьких або високих температур.

Кріофіли — види, що надають перевагу холоду та спеціалізовані до життя в цих умовах. Понад 80 % біосфери сконцентровано в постійно холодних областях із температурою нижче +5 °C — це глибини Світового океану, арктичні та антарктичні пустелі, тундра, високогір’я. Види, що мешкають тут, мають підвищену холодостійкість. Основні механізми цих адаптацій біохімічні — значну роль тут відіграють біохімічні механізми, які запобігають утворенню льоду усередині клітин. При цьому реалізуються два основні шляхи — протистояння замерзанню (резистентність) і стійкість до замерзання (толерантність).

Біохімічний механізм резистентності — накопичення у клітинах макромолекулярних речовин-антифризів, які знижують точку замерзання рідин тіла та перешкоджають утворенню кристалів льоду в організмі. Такого типу адаптації до холоду виявлені, наприклад, у антарктичних риб родини нототенієвих, які живуть за температури тіла —1,86 °C, плаваючи під поверхнею суцільного льоду у воді з такою ж температурою. Глибоководні риби у приполярних районах також весь час знаходяться у переохолодженому стані.

Інший шлях холодостійкості — толерантність — пов’язаний із тимчасовим припиненням активного стану (гіпобіозом або криптобіозом). У комах, наприклад, накопичення захисних органічних речовин, таких як гліцерин, сорбіт, манніт і інших, перешкоджає кристалізації внутрішньоклітинних розчинів і дозволяє переживати критичні морозні періоди у стані заціпеніння. Жуки-туруни у тундрі витримують переохолодження до –35 °C, накопичуючи до зими близько 25 % гліцерину та знижуючи вміст води в тілі з 65 до 54 %. Улітку гліцерину у їх тілі не виявлено. Деякі комахи витримують узимку до –47 і навіть –50 °C із замерзанням позаклітинної, але не внутрішньоклітинної вологи.

Термофіли — це екологічна група видів, оптимум життєдіяльності яких приурочений до області високих температур. Термофілією відрізняються багато представників мікроорганізмів, рослин і тварин, що трапляються в гарячих джерелах, на поверхні ґрунтів, що прогріваються, в органічних залишках, що розкладаються при їх саморозігріванні.

Верхні температурні межі активного життя відрізняються у різних груп організмів. Найбільш термостійкі — бактерії. У деяких видів архебактерій, поширених у воді термальних джерел, експериментально виявлено здатність до росту та поділу клітин за температур, що перевищують +110 °C. Деякі бактерії, що окислюють сульфур (наприклад, Sulfolobus acidocaldarius), розмножуються при +85…+90 °С.

Відомі десятки видів, здатних бути активними при +50 °C і вище в таких місцях існування, як компости, копиці сіна, зерно, що зберігається, ґрунт, що прогрівається, звалища тощо. Найпростіші — амеби та інфузорії, одноклітинні водорості можуть розмножуватися за температури близько +54…+56 °С. Критичні температури тіла деяких тварин, наприклад пустельних ящірок, можуть досягати +48…+49 °С, але для більшості видів температури тіла, що перевищують +43…+44 °С, несумісні з життям унаслідок розбалансування фізіологічних процесів і коагуляції колагену. З ускладненням організації живих істот їх здатність бути активними при високих температурах знижується.

Вузька спеціалізація та латентні стани набагато розширюють межі життя відносно окремих чинників середовища. Якщо середні температурні межі активності організмів характеризуються діапазоном від 0 до +40…+45 °С, то спеціалізовані види (кріофіли та термофіли) розширюють його більше ніж удвічі (від –10 до близько +110 °C), а у стані криптобіозу та анабіозу деякі форми життя здатні витримувати температури, близькі до абсолютного нуля або такі, що набагато перевищують точку кипіння.

Температура тіла і тепловий баланс організмів

Температура тіла живих істот по-різному залежить від температури навколишнього середовища. Баланс тепла в організмі складається з його надходження та витрат. Джерела надходження теплової енергії поділяються на зовнішні та внутрішні. Зовнішнє (екзогенне) тепло організм отримує від нагрітих води, повітря, навколишніх предметів, прямої сонячної радіації. При цьому велику роль відіграють площа покривів та їх теплопровідність. Внутрішнє (ендогенне) тепло виробляється як обов’язковий атрибут обміну речовин.

Для характеристики організмів за основними джерелами необхідного їм тепла використовують терміни «ектотермний» («екзотермний») і «ендотермний». Ектотермія— життєдіяльність переважно за рахунок нагрівання із зовнішнього середовища, ендотермія — за рахунок тепла, що виробляється самим організмом.

Витрати тепла відбуваються через поверхню тіла за рахунок випромінювання та теплопровідності, а також за рахунок енергоємного випаровування води організмами. Співвідношення цих теплообмінних процесів визначає температуру живих істот і впливає на швидкість метаболічних реакцій.

Життєдіяльність і активність більшості видів на Землі залежать перш за все від тепла, що надходить ззовні, а температура тіла зумовлена зовнішньою температурою. Такі організми називають пойкілотермними. Пойкілотермність властива всім мікроорганізмам, грибам, рослинам, безхребетним тваринам і значній частині хордових. Дві групи вищих тварин — птахів і ссавців — відносять до гомойотермних. Вони здатні підтримувати постійну оптимальну температуру тіла у широкому діапазоні температур середовища.

Серед пойкілотермних організмів є такі, які все життя проводять в умовах постійних зовнішніх температур (глибини океанів, печери тощо), у зв’язку з чим температура їх тіла не змінюється. Таке явище називають удаваною гомойотермією. Вона властива, наприклад, ряду риб і голкошкірих.

Ще одна група тварин — гетеротермні. До неї входять види, що впадають у сплячку або тимчасове заціпеніння. Ці види в активному стані підтримують постійну температуру тіла на високому рівні, а в неактивному — знижену, що супроводжується уповільненням обміну речовин. Це бабаки, ховрахи, кажани, вовчки, їжаки, колібрі, серпокрильці тощо. Таким чином, терміни «пойкілотермія», «гомойотермія», «удавана гомойотермія» і «гетеротермія» відображають ступінь мінливості температури тіла живих істот.

Усі живі організми потенційно ендотермні, але значно відрізняються за рівнем обміну та можливостями збереження тепла. Порушення теплового балансу змінюють температуру тіла. Відновити порушений баланс можна трьома шляхами: 1) зміною теплопродукції, 2) зміною тепловіддачі та 3) переміщенням у просторі у зону оптимальних температур середовища. Пойкілотермні та гомойотермні організми по-різному реалізують можливості температурних адаптацій.

Температурні адаптації пойкілотермних організмів

Температура тіла пойкілотермних тварин змінюється услід за температурою навколишнього середовища. Вони переважно ектотермні: вироблення та збереження власного тепла у них недостатньо для протистояння тепловому режиму місця існування. У зв’язку з цим реалізуються два основні шляхи адаптації: спеціалізація та толерантність.

Спеціалізовані види стенотермні, вони пристосовані до життя у таких ділянках біосфери, де коливання температури відбуваються лише у вузьких межах. Вихід за ці межі для них згубний. Наприклад, коралові поліпи живуть лише в діапазоні температур води від +20,5…+30,0 °C, тобто у тропічному поясі океану. Голотурія Elpidia glacialis мешкає при температурі води 0…+1 °C і не витримує відхилення від цього режиму ані на градус.

Інший шлях адаптації пойкілотермних видів — розвиток пристосувань клітин і тканин до широкого коливання температур. Цей шлях (толерантність) пов’язаний із періодичним гальмуванням обміну речовин і переходом організмів до латентного стану, особливо тоді, коли температура середовища істотно відхиляється від оптимуму.

Ефективні температури розвитку пойкілотермних організмів. Залежність темпів росту та розвитку від зовнішніх температур дає можливість розрахувати проходження життєвого циклу видів у конкретних умовах. Після холодового пригнічення нормальний обмін речовин особин відновлюється для кожного виду за певної температури, яка зветься температурним порогом розвитку, або біологічним нулем розвитку. Чим більше температура середовища перевищує порогову, тим інтенсивніше протікає розвиток і, отже, тим швидше завершується проходження окремих стадій і всього життєвого циклу організму (онтогенезу).

Для здійснення генетичної програми розвитку пойкілотермним організмам необхідно отримати ззовні певну кількість тепла. Це тепло вимірюється сумою ефективних температур. Під ефективною температурою розуміють різницю між температурою середовища та температурним порогом розвитку організмів. Для кожного виду вона має верхні межі, оскільки дуже високі температури вже не стимулюють, а гальмують розвиток.

Суму ефективних температур розраховують за формулою:

X = (T — C) · t,

де X — сума ефективних температур, T — температура навколишнього середовища, С — температура порога розвитку і t — кількість годин або діб із температурою, що перевищує поріг розвитку.

Знаючи середній хід температур в будь якому районі, можна розрахувати появу певної фази або кількість можливих генерацій виду, що цікавить нас. У кліматичних умовах Північної України може відродитися лише одна генерація метелика яблуневої плодожерки, а на півдні України — до трьох, що необхідно враховувати під час розроблення заходів захисту садів від шкідників. Саме сума ефективних температур, яку потрібно набрати для завершення життєвого циклу, часто обмежує географічне поширення видів.

Температурна компенсація. Ряд пойкілотермних видів, що мешкають в умовах мінливих температур, мають здатність підтримувати більш-менш постійний рівень обміну речовин у досить широких межах зміни температури тіла. Це явище зветься температурною компенсацією і відбувається в основному за рахунок біохімічних адаптацій. Наприклад, у черевоногих (літторини, Littorina littorea) і двостулкових (мідій, Mytilus edulis) молюсків, які трапляються на узбережжі Баренцового моря, інтенсивність обміну речовин майже не залежить від температури в тих межах, з якими молюски стикаються щодня під час припливів і відпливів. У весняно-літній період цей діапазон сягає понад 20 °C (від +6 до +30 °C). У холодній воді їх метаболізм такий же інтенсивний, як і в теплому повітрі. Це забезпечується роботою ферментів, які при пониженні температури змінюють свою конфігурацію таким чином, що зростає їх спорідненість до субстрату, і реакції протікають активніше.

Інші способи температурної компенсації пов’язані із заміною ферментів, що діють, на подібні за функцією, але які працюють при іншій температурі (ізоферменти). Такі адаптації вимагають часу, оскільки відбувається інактивація одних генів і вмикання інших із подальшими процесами побудови білків. Подібна аклімація (зміщення температурного оптимуму) лежить в основі сезонних перебудов, а також виявляється у представників поширених видів у різних за кліматом частинах ареалу. Ряд пойкілотермних організмів має здатність до часткової регуляції теплообміну, тобто певними способами збільшувати надходження тепла до організму або віддавати його надлишок.

Можливості регуляції температури у пойкілотермних тварин. Найважливіша особливість тварин — їхня рухливість, здатність переміщатися у просторі — створює принципово нові адаптивні можливості, зокрема й у терморегуляції. Тварини активно обирають місце життя зі сприятливішими для них умовами. На відміну від рослин тварини, що мають мускулатуру, продукують значно більше власного, внутрішнього тепла. Під час скорочення м’язів вивільняється значно більше теплової енергії, ніж при функціонуванні будь-яких інших органів і тканин, оскільки ККД використання хімічної енергії для здійснення м’язової роботи відносно низький. Чим потужніша та активніша мускулатура, тим більше тепла може генерувати тварина.

Пойкілотермні тварини залишаються екзотермними, оскільки загальний рівень їх метаболізму не настільки високий, щоб внутрішнього тепла було достатньо для обігріву тіла. Проте деякі з пойкілотермних тварин у стані активності здатні підтримувати температуру тіла вищу, ніж у навколишньому середовищі. Наприклад, метелики-бражники, що ведуть нічний спосіб життя, літають і живляться на квітках навіть при +10 °C. Під час польоту температура їх грудного відділу підтримується на рівні +40…+41 °C. Інші комахи можуть літати у холодному повітрі, заздалегідь розігріваючи свої літальні м’язи для злету (сарана, джмелі, оси, бджоли, великі нічні совки). Джмелі збирають нектар навіть при +5 °C, маючи температуру тіла +36…+38 °C. При припиненні активності комахи швидко остигають. Генерувати тепло для обігріву можуть у деяких випадках і рептилії. Самка пітона, що обвиває своїм тілом кладку, скорочуючи мускулатуру, здатна

Рис. .8. Випаровувальна терморегуляція у тварин (Чернова, Билова, 2004): 1 — випаровування зі слизових оболонок (ящірка),

2 — натирання слиною (антилоповий ховрах), 3 — випаровування за рахунок частого дихання (собака)

підвищувати температуру на 5—6 °C у діапазоні зовнішніх температур +25…+33 °C. У прохолоднішому повітрі змія стає млявою та неактивною.

Основні способи регуляції температури тіла у пойкілотермних тварин — поведінкові: зміна пози, активний пошук сприятливих місць, низка спеціалізованих форм поведінки, спрямована на створення мікроклімату (риття нір, спорудження гнізд тощо). Зміною пози тварина може посилити або послабити нагрівання за рахунок сонячної радіації. Наприклад, пустельна сарана у прохолодні ранішні години підставляє сонячним променям широку бічну поверхню тіла, а опівдні — вузьку спинну. Ящірки, навіть високо в горах, у період нормальної активності можуть підтримувати температуру тіла завдяки нагріванню прямими сонячними променями, а також використовуючи тепло нагрітих скель і каміння. У сильну спеку тварини ховаються у тінь, у нори, щілини. У пустелях вдень, наприклад, деякі види ящірок і змій піднімаються на кущі або зариваються в менш нагріті глибші шари піску, уникаючи контактів із розпеченою поверхнею ґрунту. Ще складніші форми поведінки соціальних комах: бджіл, мурашок, термітів, які будують гнізда з добре регульованою усередині них температурою, майже постійною у період їх активності.

У деяких пойкілотермних тварин ефективно діє механізм випаровувальної терморегуляції (рис. 3.8). За рахунок цього жаби за годину при +20 °C витрачають на суходолі близько 7770 Дж, що у 300 разів більше за їх власну теплопродукцію. Багато рептилій при наближенні температури до верхньої критичної починають важко дихати або тримати рот відкритим, посилюючи віддачу води зі слизових оболонок. Бджоли, що літають у спеку, уникають перегріву, виділяючи з рота краплю рідини, випаровування якої видаляє надлишок тепла.

Незважаючи на ряд можливостей фізичної та поведінкової терморегуляції, пойкілотермні тварини можуть здійснювати її лише у вузькому діапазоні температур. Унаслідок низького загального рівня метаболізму вони не можуть забезпечити постійність теплового балансу і достатньо активні тільки у вузькому діапазоні верхніх температурних меж існування. Мешкання в умовах постійно низьких температур для холоднокровних тварин утруднене.

Температурні адаптації гомойотермних організмів

Гомойотермія — принципово інший шлях температурних адаптацій, що виник на основі різкого підвищення рівня окиснювальних процесів у птахів і ссавців у результаті еволюційного вдосконалення кровоносної, дихальної та інших систем органів.

Основні відмінності гомойотермних тварин від пойкілотермних:

1. потужний потік внутрішнього, ендогенного тепла;

2. розвиток цілісної системи ефективних терморегуляторних механізмів;

3. постійне протікання всіх фізіологічних процесів в оптимальному температурному режимі.

Гомойотермні тварини зберігають постійний тепловий баланс між теплопродукцією та тепловіддачею і, відповідно, підтримують постійну високу температуру тіла. Організм типової гомойотермної (не гетеротермної) тварини не може бути тимчасово «зупинений» так, як це відбувається при гіпобіозі або криптобіозі у пойкілотермних.

Гомойотермні тварини завжди забезпечують певний мінімум теплопродукції, що дає можливість роботи кровоносної системи, органів дихання, виділення та інших, навіть у стані спокою. Цей мінімум отримав назву базального метаболізму. Перехід до активності посилює вироблення тепла і, відповідно, вимагає посилення тепловіддачі.

Теплокровним властива хімічна терморегуляція — рефлекторне збільшення теплопродукції у відповідь на зниження температури середовища. Хімічна терморегуляція повністю відсутня у пойкілотермних, у яких, у разі виділення додаткового тепла, воно генерується за рахунок безпосередньої рухової активності тварин.

При дії холоду в організмі теплокровних тварин окиснювальні процеси не слабшають, а посилюються, особливо у скелетних м’язах. У багатьох тварин спочатку спостерігається м’язове тремтіння — неузгоджене скорочення м’язів, що приводить до виділення теплової енергії. Крім того, клітини м’язової та багатьох інших тканин виділяють тепло і без здійснення робочих функцій, переходячи до стану особливого то-

10

нусу терморегуляції. При подальшому зниженні температури середовища тепловий ефект тонусу терморегуляції зростає.

Під час продукування додаткового тепла суттєво посилюється обмін ліпідів, оскільки нейтральні жири містять основний запас хімічної енергії. Внаслідок цього жирові запаси тварин забезпечують кращу терморегуляцію. Ссавці мають навіть спеціалізовану буру жирову тканину, під час окиснення якої вся хімічна енергія, що вивільняється, розсіюється у вигляді тепла, тобто йде на обігрів організму. Бура жирова тканина найбільш розвинена у тварин — мешканців холодного клімату та гетеротермних тварин.

Підтримання температури тіла за рахунок зростання теплопродукції вимагає значних витрат енергії, тому тварини при посиленні хімічної терморегуляції або мають потребу у великій кількості корму, або витрачають багато жирових запасів, накопичених раніше. Наприклад, бурозубка-крихітка (Sorex minutissimus) має виключно високий рівень метаболізму. У тварини чергуються дуже короткі періоди сну та активності, вона діяльна у будь-яку годину доби і за добу з’їдає корму учетверо більше маси власного тіла. Так само і птахам, що залишаються на зиму у помірних широтах, потрібно багато корму: їм страшні не стільки морози, скільки нестача кормів. Зокрема, при гарному врожаї насіння ялини та сосни шишкарі взимку навіть виводять пташенят. Посилення хімічної терморегуляції, таким чином, має свої межі, обумовлені можливістю добування їжі. При нестачі корму взимку такий шлях терморегуляції екологічно невигідний.

У межах відповідного діапазону зовнішніх температур гомойотермні тварини підтримують температуру тіла, не витрачаючи на це додаткової енергії, а використовуючи ефективні механізми фізичної терморегуляції, що дозволяє краще зберігати або відводити тепло базального метаболізму. Цей діапазон температур, у межах якого тварини відчувають себе найкомфортніше, називається термонейтральною зоною. За нижнім порогом цієї зони починається хімічна терморегуляція, за верхнім — витрати енергії на випаровування.

Фізична терморегуляція екологічно вигідна, оскільки адаптація до холоду здійснюється не за рахунок додаткового вироблення тепла, а за рахунок збереження його в тілі тварини. Крім того, цей вид терморегуляції дає можливість захисту від перегріву шляхом посилення тепловіддачі до зовнішнього середовища.

Способи фізичної терморегуляції численні. У філогенетичному розвитку ссавців механізми фізичної терморегуляції стають все досконалішими та різноманітнішими. До них слід віднести рефлекторне звуження та розширення кровоносних

10

судин шкіри, що міняє її теплопровідність, зміну теплоізолювальних властивостей хутра та пір’яного покриву, протиточний теплообмін шляхом контакту судин при кровопостачанні окремих органів, регуляцію випаровувальної тепловіддачі.

Густе хутро ссавців, пір’яний і, особливо, пуховий покрив птахів дозволяють зберігати навколо тіла прошарок повітря з температурою, близькою до температури тіла тварини, і, тим самим, зменшувати випромінювання тепла у зовнішнє середовище. Тепле зимове хутро ссавців Заполяр’я дозволяє їм у холоди обходитися без істотного підвищення обміну речовин і знижує потребу в живленні — песці на узбережжі Північного Льодовитого океану узимку споживають корму навіть менше, ніж влітку. У морських ссавців (ластоногих і китів) шар підшкірної жирової клітковини розподілений по всьому тілу. Товщина підшкірного жиру в особин окремих видів тюленів сягає 7—9 см, а загальна його маса становить до 40—50 % маси тіла. Теплоізолювальний ефект такої «жирової панчохи» настільки високий, що під тюленями, які годинами лежать на снігу, сніг не тане, хоча внутрішня температура тіла тварини підтримується на рівні +38 °C.

Важливе значення для підтримання температурного балансу має відношення поверхні тіла до його об’єму, оскільки відомо, що масштаби продукування тепла залежать від маси тварини, а теплообмін відбувається через її покриви.

Зв’язок розмірів і пропорцій тіла тварин із кліматичними умовами їх мешкання був виявлений ще в XIX ст. Згідно

з правилом Бергмана (1848), якщо два близькі види теплокровних тварин відрізняються розмірами, то більший мешкає в холоднішому, а дрібніший — у теплому кліматі. Бергман підкреслював, що ця закономірність виявляється лише в тому випадку, якщо види не відрізняються іншими пристосуваннями до терморегуляції.

Д. Аллен у 1877 р. помітив, що у багатьох ссавців і птахів Північної півкулі відносні розміри кінцівок та інших виступаючих частин тіла (хвостів, вух, дзьобів) збільшуються з поширенням на південь. Ця закономір-

Рис. .9. Вуха африканського довговухого тушканчика як орган терморегуляції

(Соколов и др., 1977)

ність отримала назву правила Аллена. Значення окремих ділянок тіла в терморегуляції далеко не рівноцінне. Виступаючі частини тіла мають велику відносну поверхню, яка вигідна в умовах спекотного клімату. У певних ссавців, наприклад, значення для підтримки теплового балансу мають вуха, насичені великою кількістю кровоносних судин. Величезні вуха африканського слона, маленької пустельної лисички-фенека, американського зайця перетворилися на спеціалізовані органи терморегуляції (рис. 3.9).

Під час адаптацій тварин до холоду проявляється закон економії поверхні: компактна форма тіла з мінімальним відношенням площі до об’єму найвигідніша для збереження тепла.

Поведінкові способи регуляції теплообміну для теплокровних тварин не менш важливі, ніж для пойкілотермних: від зміни пози та пошуків схованок до спорудження складних нір, гнізд, здійснення ближніх і дальніх міграцій. У норах рийних тварин хід температур згладжений тим сильніше, чим більша глибина нори. У середніх широтах на глибині 150 см від поверхні ґрунту сезонні коливання температури майже не спостерігаються.

У ряді випадків гомойотермні тварини використовують із метою терморегуляції групову поведінку. Наприклад, деякі пінгвіни в лютий мороз і бурани збиваються у щільну купу, так звану «черепаху». Особини, що опинилися на периферії, через деякий час пробиваються всередину, і «черепаха» поволі кружляє та переміщується. Усередині такого скупчення температура підтримується близько +37 °C навіть у найлютіші морози. Мешканці пустель — верблюди — у спеку також збиваються разом, притискаючись один до одного боками, але цим досягається протилежний ефект — запобігання сильному нагріванню усієї поверхні тіла сонячними променями. Температура у центрі скупчення тварин дорівнює температурі їх тіла (+39 °C), тоді як шкіра на спині та боках крайніх тварин нагрівається до +70 °C.

Поєднання ефективних способів хімічної, фізичної та поведінкової терморегуляції при загальному високому рівні окислювальних процесів в організмі дозволяє гомойотермним тваринам підтримувати свій тепловий баланс на тлі широких коливань зовнішньої температури.

Екологічні вигоди пойкілотермії та гомойотермії

Пойкілотермія та гомойотермія — дві альтернативні стратегії виживання організмів в умовах температур, що змінюються. Кожна з них має свої переваги та недоліки.

Пойкілотермність — підпорядкування організмів перебігу зовнішніх температур. Виробляючи порівняно мало ендогенного тепла та маючи лише окремі терморегуляторні реакції, пойкілотермні організми не можуть забезпечити сталості теплообміну, тому при коливаннях температури середовища їх активність переривчаста. Перехід особин до неактивного стану пов’язаний із розвитком механізмів толерантності їх до змін температури тіла.

Гомойотермність — стратегія протистояння впливу чинників середовища. Організм гомойотермної тварини завжди функціонує тільки у вузьких температурних межах. За цими межами життя неможливе, оскільки організм втрачає здатність витримувати значні коливання температури тіла. Проте, відрізняючись високою інтенсивністю окислювальних процесів в організмі та маючи потужний комплекс терморегуляторних засобів, гомойотермні тварини можуть підтримувати для себе постійний температурний оптимум навіть при значних відхиленнях зовнішніх температур, що дозволяє їм освоювати різні середовища існування.

Поєднання елементів різних стратегій

Ряд тварин здатні поєднувати переваги обох стратегій теплообміну. У деяких видів гомойотермних, що освоюють екстремальні умови, а особини перебувають на межі можливого підтримання теплового балансу тіла, виникають елементи пристосування, що нагадують пойкілотермію і дозволяють економити енергію. Гетеротермія — особлива адаптивна стратегія птахів і ссавців, коли закономірно поєднується використання вигод як постійності температури тіла, так і її зміни. Основні форми прояву гетеротермії — здатність впадати в сплячку або торпідний стан (заціпеніння).

Зимівля характерна для низки ссавців, поширена у однопрохідних, комахоїдних, гризунів і рукокрилих. Впадаючи у сплячку, тварини припиняють підтримання високої температури тіла, знижуючи її лише до декількох градусів вище нуля. Часто тварини проводять у сплячці довгі місяці (іноді до половини року), поступово витрачаючи накопичені резерви (табл. 3.1). Зимовий сон ведмедів, до речі, не називають сплячкою, оскільки температура цих звірів знижується лише на 3—6 °C, а зниження рівня метаболізму незначне.

Торпідний стан, або заціпеніння, супроводжує зимівлю тварин, але виникає і в інших умовах як самостійна адаптація. Низка дрібних видів птахів і ссавців знижує рівень обміну і температуру тіла за несприятливих погодних змін або регулярно в добових циклах. У колібрі, наприклад, із настанням ночі температура тіла знижується з +36…+40 до +18 °C, птахи сідають на гілки й ціпеніють. Кажани, навпаки, активні у присмеркові та нічні години і впадають у торпідний стан удень. Перехід до заціпеніння стимулюється також і нестачею корму. За одних і тих самих температурних умов забезпечені кормом тварини можуть продовжувати активний спосіб життя й генерувати тепло на терморегуляцію, а за браку їжі впадають у стан заціпеніння.

Таблиця .1.

Кратність зниження рівня метаболізму під час сплячки (М_с) порівняно з активним станом (М_а) у гризунів (Шилов, 1998)

Між короткочасним заціпенінням гетеротермних тварин і тривалою зимівлею існує низка переходів. У пустелях ряд дрібних ссавців (мишоподібні гризуни, вовчки, деякі ховрахи, тенреки тощо) впадають не тільки у зимову, а і в літню сплячку, яка зветься естивацією (від лат. aestes — літо). Температура їх тіла падає при цьому не так значно (до +25…+27 °C), але відповідне зниження рівня метаболізму дозволяє економити не тільки енергію, а й воду. Таким чином, широке поширення гетеротермності дозволяє вважати фундаментальним значення цього явища для виживання тварин у несприятливих умовах.

3.4.2. Світло

Усім живим організмам для життєдіяльності необхідна енергія, що надходить ззовні. Основне джерело її — сонячна радіація, на яку припадає близько 99,9 % загального балансу енергії Землі. Якщо прийняти сонячну енергію, що досягає Землі, за 100 %, то приблизно 19 % її поглинається під час проходження через атмосферу, 34 % відбивається у космічний простір і 47 % досягає земної поверхні у вигляді прямої та розсіяної радіації. Пряма сонячна радіація — континуум електромагнітного випромінювання з довжинами хвиль від 0,1 до 30 000 нм. На ультрафіолетову частину спектра припадає 1—5 %, на видиму — 16—45 %, на інфрачервону — 49—84 %.

Розподіл сонячної енергії за спектром істотно залежить від маси атмосфери й змінюється залежно від висоти стояння Сонця. Кількість розсіяної радіації (відбиті промені) зростає зі зменшенням висоти стояння Сонця та збільшенням каламутності атмосфери. Спектральний склад сонячної радіації безхмарного неба характеризується максимумом енергії в діапазоні 400—480 нм.

Світло як умова орієнтації тварин

Для тварин сонячне світло не є таким вкрай необхідним чинником, як для зелених рослин, оскільки всі гетеротрофи існують за рахунок енергії, накопиченої автотрофами. Проте й у житті тварин світлова частина спектра сонячного випромінювання відіграє важливу роль. Різні види тварин мають потребу у світлі певного спектрального складу, інтенсивності та тривалості освітлення. Відхилення від норми пригнічують їх життєдіяльність і навіть призводять до загибелі. Розрізняють види світлолюбні (фотофіли) та тіньолюбиві (фотофоби); еврифотні таксони витримують широкий діапазон освітленості, стенофотні — обмежені умови освітленості.

Світло для тварин — необхідна умова бачення, зорової орієнтації у просторі. Розсіяні, відбиті від навколишніх предметів промені, сприйняті органами зору тварин, дають їм значну частину інформації щодо зовнішнього світу. Повнота зорового сприйняття навколишнього середовища залежить у тварин у першу чергу від ступеня еволюційного розвитку. Примітивні вічка багатьох безхребетних — просто світлочутливі клітини, оточені пігментом, а в одноклітинних — світлочутлива ділянка цитоплазми. Органи зору з окремих вічок не дають зображення предметів, а сприймають лише коливання освітленості, чергування світла та тіні, що свідчать про зміни навколишнього середовища. Павуки, наприклад, можуть розрізняти контури рухомих предметів на відстані 1—2 см.

Образне бачення можливе лише за достатньо складної будови ока. Найдосконаліші органи зору — очі хребетних, головоногих молюсків і комах. Вони дозволяють сприймати форму та розміри предметів, їх колір, визначати відстань до них.

Поняття видимого світла певною мірою умовне, оскільки окремі види тварин сильно різняться за здатністю сприймати різні частини сонячного спектра. Деякі тварини, наприклад гримучі змії, відчувають інфрачервону частину спектра та ловлять здобич у темряві, орієнтуючись за допомогою спеціальних органів. Для бджіл видима частина спектра зміщена до короткохвильової зони. Вони сприймають як колір значну частину ультрафіолетових променів, але не розрізняють червону частину спектра.

Здатність до розрізнення кольорів значною мірою залежить і від того, за якого спектрального складу випромінювання активні особини виду. Більшість ссавців, що походять від предків із присмерковою та нічною активністю, погано розрізняють кольори і бачать усе у чорно-білому зображенні (собачі, котячі, хом’яки тощо). Такий же зір характерний для нічних птахів (сови, дрімлюги). Денні птахи мають добре розвинений кольоровий зір.

Життя за присмеркового освітлення часто призводить до гіпертрофії очей. Величезні очі, здатні вловлювати незначні відсотки світла, властиві лемурам, лорі, довгоп’ятам, совам та іншим тваринам, що ведуть нічний спосіб життя.

Проживання в умовах повної темряви, як правило, пов’язане з редукцією органів зору. Зокрема це властиве видам, особини яких мешкають у печерах, а також багатьом ґрунтовим тваринам. Утім, в останніх нерідко є світлочутливі органи, хоча й у редукованому вигляді, все ж зберігаються та використовуються для отримання інформації про вихід на освітлену поверхню.

В океані інтенсивність освітлення знижується з глибиною, змінюється також і його спектральний склад: найглибше проникає короткохвильова частина сонячних променів — синього та блакитного кольорів. Освітленість на мілководді мало відрізняється від суходолу. Риби, що мешкають тут, мають у сітківці значний відсоток рецепторів (колбочок), чутливих до червоного кольору. У риб, що мешкають у зеленій воді прибережної зони, таких колбочок немає; відсутні у них і чутливі до помаранчевого кольору клітини.

Серед глибоководних риб більшість має в сітківці лише один тип паличок, чутливих до синього кольору. На глибині 800—950 м інтенсивність світла складає близько 1 % освітлення на поверхні. Цього ще достатньо для світлосприйняття: поріг зорової чутливості деяких організмів наближається до 10^—10 полудневого освітлення. Подальше збільшення глибини пов’язане в одних видів із редукцією органів зору, а в інших — із розвитком гіпертрофованих очей, здатних сприймати навіть дуже слабке світло. Це значною мірою визначається наявністю на великих глибинах організмів, що світяться. Деякі з них здатні створювати освітлення порядку 10^—2 мкВт/см², що близько до порога світлової чутливості тварин. Таке світіння з довжиною хвилі 400—500 нм характерне для блакитного діапазону і відповідає «налаштуванню» органів зору глибоководних тварин. Біологічне світіння використовують і риби, утворюючи симбіотичні зв’язки з мікроорганізмами, що світяться, і формуючи спеціальні органи, світло яких використовується для того, щоб підманювати здобич, для взаємного розпізнавання, розпізнавання статі тощо (рис. 3.10).

Світло та біологічні ритми

Специфічне значення світлового чинника полягає в тому, що закономірна динаміка умов освітлення відіграє важливу роль у регуляції періодичних явищ у житті представників органічного світу. Із самого виникнення життя на нашій планеті

Рис. .10. Глибоководні вудильники (Нікольський, 1974): 1 — самка церації (Ceratias holboelli) із прикріпленим самцем (1а); 2 — неоцерація (Neoceratias spinifer) із прикріпленим самцем (2а); 3 — каулофрина (Caylophrine jordani); 4 — меланоцет (Melanocetus apogon);

5 — борофрина (Borophrine apagon); 6 — гігантактис (Gigantactis macronema)

воно розвивалося в умовах ритмічно мінливого середовища. Закономірна зміна дня та ночі, сезонні зміни комплексу чинників, що регулярно повторюються, — все це вимагало пристосування живих організмів. Кардинальна форма такого пристосування виражається в еволюційному становленні співмірності та узгодження ритмів біологічної активності різних живих форм із масштабами добової та сезонної цикліки комплексу умов середовища. Адаптивний сенс цього явища полягає в тому, що на його основі з’явилася можливість поєднати різні форми життєдіяльності організму з найсприятливішим періодом зовнішніх умов. Аналогічним чином в еволюції низки видів формувалися ритми з іншою періодичністю — наприклад місячною або припливно-відпливною.

Ритмічність загальних проявів життєдіяльності та окремих її форм властива всім живим істотам. У її основі лежить специфіка біохімічних і фізіологічних реакцій, що мають ритмічний характер. Тривалість ритмів окремих процесів, що відбуваються на суборганізменому рівні, дуже різна: від часток секунди (наприклад, активність нейрона) до декількох годин (секреторна діяльність залоз) і навіть більше. Функціонування цілого організму базується на інтеграції окремих суборганізмених ритмів і узгодженні їх з умовами середовища, що змінюються в часі.

«Подвійний» характер походження адаптивних циклів (хіміко-біологічна природа первинних ритмів і залежність їх від періодичних змін умов середовища) виразно проявляється у фізіологічних механізмах, які регулюють добову та сезонну періодичність життєдіяльності організмів. За сучасними уявленнями в основі періодичних процесів лежить внутрішня (ендогенна) програма, на яку впливає складний комплекс зовнішніх умов. Одні з цих умов прямо модифікують ендогенну програму відповідно до конкретної екологічної ситуації, інші виступають як «датчики часу», сприяючи синхронізації ендогенних циклів із закономірною (добовою, сезонною) зміною зовнішніх умов. Як «датчики» часу можуть виступати багато періодично змінних факторів середовища. Але в еволюції більшості груп живих організмів основне синхронізувальне значення закріпилося за закономірними змінами світлового режиму — фотоперіодична регуляція.

Світло — первинно-періодичний чинник. Закономірна зміна дня та ночі, як і сезонні зміни тривалості світлої частини доби, відбуваються з чіткою ритмічністю, яка визначається астрономічними процесами і на прояви якої не можуть вплинути умови та процеси, що відбуваються на Землі. Тому фотоперіод найстійкіший у своїй динаміці, автономний і не схильний до інших впливів. Фотоперіодом називають співвідношення світлої та темної частин доби. У більш спеціальному сенсі цей термін використовують для позначення довжини дня («короткий» або «довгий» фотоперіод). Тільки на екваторі, де тривалість дня та ночі не змінюється залежно від сезону, й у деяких особливих умовах (глибини морів, печери, безперервний полярний день) провідного значення в регуляції біологічних ритмів набувають інші чинники.

Добові ритми. Добова періодичність властива більшості тварин. Є форми із денною або нічною активністю, у деяких видів піки активності виявляються спонтанно, незалежно від часу доби, деяким тваринам властивий прояв активності у присмерковий час. Час початку або закінчення неспання (або, навпаки, сну) у тварин є видоспецифічним і відрізняється суттєвою сталістю за відношенням до добової зміни освітленості.

З еволюційної точки зору формування в особин видового стереотипу активності — складний процес, що відображає їх пристосування до багатьох чинників середовища. При цьому для різних тварин умови освітлення далеко не завжди мали пряме відношення до цього процесу. Лише у форм із провідним значенням зорової рецепції (наприклад, птахи) денний тип активності прямо пов’язаний зі світлом як чинником бачення. Але навіть у цьому випадку такі умови, як трофічна конкуренція або спеціалізація живлення, призводили до виникнення окремих форм нічної активності.

Загальний характер активності тварин у більшості випадків визначається такими умовами, як тип живлення, взаємини з хижаками та конкурентами, добові зміни комплексу абіотичних чинників. Так, добова активність пойкілотермних тварин багато в чому визначається режимом температури середовища, хоча для амфібій характерний чинник добової активності — поєднання температури та вологості. Серед гризунів види, що поїдають грубі, багаті клітковиною корми, відрізняються переважно цілодобовою активністю. Насіннєїдні ж форми, які споживають більш концентрований корм, мають можливість приурочити час його добування до нічного періоду, коли слабшає прес хижаків. Експериментально встановлено, що присмерково-нічний тип активності куницевої акули (Mustelus canis) пов’язаний з аналогічним типом активності її основної їжі — ракоподібних.

Циклічні зміни загального рівня життєдіяльності протягом доби пов’язані з відповідними ритмами фізіологічних процесів. Активний період характеризується суттєвими енерговитратами та відповідно підвищеною активністю комплексу фізіологічних реакцій. Разом із цим, добові коливання метаболізму не є лише прямим наслідком підвищення загальної активності: існують і закономірні добові зміни рівня обміну спокоєм. Режим освітлення виступає в ролі сигнального чинника, який визначає час початку та закінчення активності.

Порогові величини освітленості визначають час початку та закінчення активності. Разом із цим, упродовж активної частини доби інтенсивність діяльності тварин зазвичай має пульсуючий, фазовий характер. Так, горобині птахи у період розмноження найактивніші в ранішній час, удень їх активність дещо знижується і знову підвищується увечері. Те ж саме характерне і для багатьох нічних видів: сіра сова, наприклад, найактивніша на початку та наприкінці ночі (іноді виявляється третій пік, у середині ночі). Нерівномірний прояв активності пов’язаний із темпами накопичення та витрачання енергетичних ресурсів, пристосуванням до впливу несприятливих чинників (наприклад, перерва активності у спекотний час доби) і тому подібне.

11

Циркадіанні (циркадні) ритми. Сигнальна, синхронізуюча роль фотоперіоду виразно виявляється в умовах експерименту, коли на фоні незмінної освітленості (найчастіше — у темряві) у піддослідних організмів виявляється добовий ритм, властивий даному виду у природних умовах. Це явище було уперше виявлене й описане ще у XVIII ст. у дослідах із рослинами, які в нормі опускають або складають листя на ніч і розпрямляють удень. Після переміщення у повну темряву ці рослини зберігали добовий ритм руху листя. Таким чином, уже на початок позаминулого століття були показані два фундаментальних принципи сучасної концепції механізмів добової ритміки: наявність ендогенної програми з періодом близько доби та можливість впливу умов освітлення (фотоперіоду) на реалізацію цієї програми.

Ендогенний ритм має дві фази тривалістю близько 12 годин кожна: світлова (світлолюбна) та темнова (темнолюбна). Упродовж цих фаз реакція організму на вплив світла полярно міняється. До такої періодики пристосований і рівень основного обміну, що свідчить про ендогенний характер циклів метаболізму та температури тіла. Широко відома чітка добова періодика мітотичної активності клітин, яка, як правило, знаходиться у протифазі із циклом загальної активності, що, можливо, відображає «раціональний» розподіл енерговитрат організму протягом доби. Так, експерименти з мадрепоровим коралом Acropora acuminata показали, що мічений Карбон включається в їх тканині тільки у денний час із максимумом у післяполудневі години. Інтенсивність видимої кальцифікації максимальна опівдні та мінімальна опівночі. Досліди зі слимаками Laevicaulis alta виявили чітку періодичність рівня фосфорилазної активності з максимумом о 0-й годині та мінімумом о 12-й годині.

У птахів і ссавців відомі добові цикли ряду ендокринних залоз і ферментних систем. Наприклад, у лабораторних мишей за активністю ферментів орнітинового циклу встановлений чіткий добовий ритм метаболізму нітрогену з максимумом о 21-й годині та мінімумом о 9-й годині. Загалом у ссавців відомо не менше 50 органів, що мають власний ендогенний ритм функціонування.

Механізми циркадіанних ритмів і їх регуляція залишаються предметом інтенсивних досліджень. Природа «біологічного годинника», що лежить в основі ендогенних ритмів, вивчена ще недостатньо. Суттєва автономність ритмів в окремих органах, тканинах і клітинах спонукає шукати ці механізми на субклітинному рівні. Ще наприкінці 1940-х років професор Московського університету Д. А. Сабінін висловив припущення про зв’язок механізмів добової фізіологічної періодики зі структурою генетичного апарату. На-

11

прикінці 1960-х років ця гіпотеза була відроджена у вигляді концепції хронона. Згідно з цією концепцією, матеріальним носієм відліку часу служить довга молекула ДНК, нитки якої розходяться, і на них будується інформаційна (матрична) РНК, яка досягає повної довжини одинарної нитки ДНК приблизно за 2 години.

Останнім часом (починаючи з 1970-х років) вважають, що молекулярний механізм циркадіанної ритмічності описується трансляційно­мембранною моделлю, яка поєднує два етапи: трансляції специфічних білків на рибосомах і подальшого вбудовування цих білків у клітинні мембрани. Існує гіпотеза, що у функціонуванні біологічного годинника задіяні дві складові: гіпоталамус і хронон. Гіпоталамічна регуляція реалізується нейросекреторною системою і пов’язується з участю гуморальних механізмів. Показано, зокрема, що у ссавців циркадіанний ритм мітозів і вмісту еозинофілів у периферичній крові регулюється з участю надниркових залоз, а клітинні цикли — на основі моделі хронона.

У середині минулого століття ці принципи отримали підтвердження в численних експериментах із тваринами різних таксонів (від найпростіших до птахів і ссавців). В основі добових ритмів життєдіяльності лежать спадково закріплені ендогенні цикли фізіологічних процесів із періодом, близьким до 2 годин. Циклічні процеси такого роду отримали назву циркадіанних (циркадних) ритмів.

У найбільш «чистому» вигляді циркадні ритми виявляються лише при перебуванні тварин у сталих умовах, тобто без впливу мінливих чинників середовища. Установлено, що ендогенні ритми легко синхронізуються будь-якими зовнішніми датчиками часу (зміни освітленості, температури тощо). Характерна особливість циркадіанних ритмів — деяке неспівпадання їх періоду з повною астрономічною добою. Зокрема, досліди із птахами показали, що при перебуванні денних видів у темряві або в умовах дуже слабкого постійного освітлення добовий цикл активності та рівня метаболізму зберігається тривалий час, але період коливань дещо відрізняється від 24 годин. У результаті цього активність поступово зміщується на інші, ніж у нормальних умовах, години доби. Аналогічні дані отримані й у дослідах з іншими тваринами.

Певний вплив на характер циркадіанних ритмів здійснюють умови освітлення. Збільшення інтенсивності безперервного освітлення викликає у нічних видів зменшення загальної активності, деяке подовження циклу та скорочення його активної частини; при зменшенні освітленості спостерігаються зміщення протилежного характеру. Денні тварини відповідно демонструють зворотні реакції. Ця закономірність отримала назву правила Ашоффа (Ашофф, 1964).

Уважають, що неспівпадання циркадіанного ритму з тривалістю астрономічної доби відкриває можливість зміщення ритмів активності в порядку їх синхронізації з природною зміною умов у кожному конкретному районі у різні періоди року. На цій підставі зовнішні чинники, які виступають як датчики часу, часто називають чинниками-синхронізаторами. Існує й інший погляд, згідно з яким неспівпадання ендогенного ритму з астрономічною добою розглядають як артефакт, зумовлений неприродністю умов експерименту (темрява, незмінність впливаючих чинників тощо).

У дослідах із комахами показано, що за вільного вибору світла та темряви тварини демонструють ритм, що дорівнює 24 годинам. Ці дані трактуються як повний збіг ендогенного ритму з астрономічною добою. Близькі дані отримані у дослідах із деякими птахами: тривалість добового циклу за вільного вибору світла та темряви складала 23,7 години, проте аналогічні досліди із сірим вовчком (Glis glis) виявили циркадіанний характер ритму, що перевищує 24 години. Неспівпадання даних, отриманих для природних умов, і експериментальних даних указують на складний характер явища та не досить повне його вивчення.

У більшості тварин різні фізіологічні та біологічні процеси проявляються сезонно: розмноження, линяння, сплячка та діапауза, міграції тощо. Еволюційно сезонність цих явищ виникла як пристосування до циклічних змін кліматичних умов. Закономірна повторюваність сезонних станів формується у результаті взаємодії вроджених ендогенних сезонних циклів з інформацією про стан зовнішніх умов. Ці взаємодії синхронізують прояв ендогенної програми з періодами сприятливого для даної форми діяльності поєднання чинників середовища і забезпечують адаптацію організму до сезонного стану зовнішніх умов. Фізіологічні механізми формування та регуляції сезонних явищ найкращим чином вивчені у вищих тварин.

Ендогенні біологічні цикли з річною періодичністю, названі циркануальними (цирканними) ритмами, як і циркадні, ґрунтуються на системі вільного відліку часу за принципом біологічного годинника. У природних умовах ця система знаходиться під контролем зовнішніх чинників-синхронізаторів, серед яких у нетропічних тварин головна роль належить фотоперіоду.

Прояв циркануальних ритмів може бути достатньо складним, але у будь-якому разі в них закладений механізм часової програми та контроль із боку природного режиму освітлення. У шовкопряда (Bombyx mori) з яєць, які розвивалися за короткого весняного дня, відроджуються самки, що відкладають яйця, не впадаючи у діапаузу. Яйця, розвиток яких ішов в умовах тривалого літнього дня, дають самок, що відкладають яйця з діапаузою, забезпечуючи таким чином появу весняного покоління.

У штучних умовах, що повністю виключають дію зовнішніх датчиків часу, виявлено, що власний хід циркануального ритму найчастіше буває дещо меншим від астрономічного року. Так, дві славки — садова (Sylvia borin) і чорноголова (S. atricapilla) — у віці 6 тижнів були поміщені в умови постійного фотоперіоду (10 годин світла та 14 — темряви) і перебували у цих умовах відповідно 10 і 8 років. Періоди линьок у цих птахів регулярно повторювалися з періодичністю 9,4—9,7 місяця. Аналогічні досліди з іншими птахами також дали подібні результати. У ховрахів (Citellus lateralis), що протягом трьох років перебували в умовах постійного освітлення та стабільної температури, виявлені циркануальні ритми з періодом 344 доби; у них же виявлена циркануальна періодичність споживання їжі.

Для формування сезонних станів найбільше значення мають гонадотропні гормони (гонадотропіни), що стимулюють функції статевих залоз; тіреотропний гормон, який контролює діяльність щитоподібної залози; адренокортикотропний гормон (АКТГ), що активує продукцію гормонів кори надниркових залоз; пролактин, що бере участь у прямій регуляції розмноження та (у птахів) міграцій. Таким чином, система гіпоталамус — гіпофіз визначає зв’язок фізіологічних сезонних процесів із контролюючою дією фотоперіоду. Фотоперіодичний контроль нейросекреторної активності гіпоталамуса у природних умовах відбувається на базі зорової рецепції. Проте це не обов’язкова умова. Експериментально доведено, що зміни режиму освітлення можуть сприйматися і без участі органів зору на базі світлочутливих структур центральної нервової системи.

Фотоперіодична регуляція сезонних циклів. Механізми фотоперіодичної стимуляції гіпоталамо-гіпофізарної системи достатньо повно вивчені лише на прикладі птахів. За сучасними даними, ефективність дії світлового чинника визначається співвідношенням фотоперіоду та ендогенного циркадіанного ритму гіпоталамічної нейросекреторної системи.

У цілому фотоперіодична регуляція сезонних циклів у хребетних тварин ґрунтується на системі фазових взаємодій їх добових ритмів. При цьому реакція на змінені фотоперіоди може бути різною. Деякі фізіологічні процеси розвиваються негайно після фотостимуляції (наприклад, весняний розвиток гонад). Для інших явищ дата ефективного фотоперіоду слугує початковою «точкою відліку», а сам процес розвивається через певний інтервал часу після такої дії (наприклад, весняний міграційний стан птахів).

Нарешті, у певних випадках ефективна фотоперіодична стимуляція запускає механізм вільного відліку часу, на основі якого у визначені терміни включаються чергові сезонні стани (післяшлюбне линяння, осінній міграційний стан і початок фоторефрактерної фази у птахів). Загальна річна циклічність у цьому випадку представлена цілісною програмою сезонних фізіологічних станів, що змінюють один одного. Роль фотоперіодичної регуляції полягає в координації ендогенного відліку часу із ходом природних періодичних процесів.

У безхребетних тварин (краще досліджені членистоногі) характер фотоперіодичної регуляції дещо інший. Система діє за принципом «пісочного годинника». Для її запуску потрібна специфічна для виду тривалість фотоперіоду. Стимуляція системи сумою коротших періодів світла неможлива.