Циркадіанні ритми
Великий інтерес становлять біологічні ритми з періодом близько доби. Вони так і називаються - навколодобовими, циркадіанними або циркадними - від лат. circa - близько і dies - день.
Біологічні процеси з циркадіанною періодичністю досить різноманітні. Наприклад, три види грибів підсилюють і послаблюють своє світіння кожні 24 години, навіть якщо штучно тримати їх при постійному світлі або в повній темряві. Щодоби змінюється світіння одноклітинної морської водорості Gonyaulax. У вищих рослин у циркадіанному ритмі протікають різні метаболічні процеси, зокрема фотосинтез і дихання. У черенків лимона з 24-годинною періодичністю коливається інтенсивність транспірації. Особливо наочні приклади - щодобові рухи листя і розкривання-закривання квіток.
Різноманітні циркадіанні ритми відомі і у тварин. Прикладом може служити близьке до актиній кишечнополісне - морське перо (Cavernularia obesa), що являє собою колонію з безлічі крихітних поліпів. Морське перо живе на піщаному мілководді, втягуючись у пісок вдень і розгортаючись ночами, щоб харчуватися фітопланктоном. Цей ритм зберігається в лабораторії за незмінних умов освітлення.
Чітко працює біологічний годинник у комах. Наприклад, бджоли знають, коли розкриваються певні квітки, і відвідують їх щодня в один і той же час. Бджоли також швидко засвоюють, в який час їм виставляють на пасіці цукровий сироп.
У людини не тільки сон, а й багато інших функцій підпорядковані добовому ритму. Приклади тому - підвищення і зниження кров'яного тиску і виділення калію і натрію нирками, коливання часу рефлексу, пітливості долонь тощо. Особливо помітні зміни температури тіла: вночі вона приблизно на 1 ° С нижче, ніж вдень. Біологічні ритми у людини формуються поступово в ході індивідуального розвитку. У новонародженого вони досить нестійкі - періоди сну, харчування і т. д. чергуються безсистемно. Регулярна зміна періодів сну і пильнування на основі 24-25 годинникового циклу починає відбуватися тільки з 15-тижневого віку.
Кореляція і «налаштування»
Хоча біологічні ритми і ендогенні, вони відповідають змінам зовнішніх умов, зокрема зміні дня і ночі. Ця кореляція обумовлена т. зв. «захопленням». Наприклад, циркадіанні рухи листя у рослин зберігаються в повній темряві лише кілька діб, хоча інші циклічні процеси можуть продовжувати повторюватися сотні разів незважаючи на сталість зовнішніх умов. Коли витримувані в темряві листя квасолі, нарешті, припинили розправлятися і опускатися, досить короткого спалаху світла, щоб цей ритм відновився і протримався ще кілька діб. У циркадіанних ритмів тварин і рослин тривалим стимулом зазвичай служить зміна освітленості - на світанку і ввечері. Якщо такий сигнал повторюється періодично і з частотою, близькою до властивої даному ендогенному ритму, відбувається точна синхронізація внутрішніх процесів організму із зовнішніми умовами. Біологічний годинник «захоплюється» навколишньою періодичністю.
Змінюючи зовнішній ритм по фазі, наприклад включаючи світло на ніч і підтримуючи днем темряву, можна «перевести» біологічний годинник так само, як звичайний, хоча така перебудова вимагає деякого часу. Коли людина переїжджає в інший часовий пояс, її ритм сну-бадьорювання змінюється зі швидкістю дві-три години на добу, тобто до різниці в 6 годин вона пристосовується тільки через два-три дні.
У певних межах можна переналаштувати біологічний годинник і на цикл, що відрізняється від 24 годин, тобто змусити їх йти з іншою швидкістю. Наприклад, у людей, які довгий час жили в печерах зі штучним чергуванням світлих і темних періодів, сума яких істотно відрізнялася від 24 годин, ритм сну та інших циркадіанних функцій підлаштовувався до нової тривалості «доби», що становила від 22 до 27 годин, проте сильніше змінити його було вже неможливо. Те ж саме стосується інших вищих організмів, хоча багато рослин можуть пристосовуватися до «діб», тривалість яких становить цілу частину звичайних, наприклад 12 або 8 годин.
Приливні та місячні ритми
У прибережних морських тварин часто спостерігаються приливні ритми, тобто періодичні зміни активності, синхронізовані з підйомом і спадом води. Припливи обумовлені місячним тяжінням, і в більшості регіонів планети відбувається два припливи і два відливи протягом місячної доби (періоду часу між двома послідовними сходами Місяця.) Оскільки Місяць рухається навколо Землі в тому ж напрямку, що і наша планета навколо власної осі, місячна доба приблизно на 50 хвилин довша сонячних, тобто припливи наступають кожні 12,4 години. Такий же період у приливних ритмів. Наприклад, рак-відшельник ховається від світла у відлив і виходить з тіні в приплив; з настанням припливу устриці привідкривають свої мушлі, розгортають щупальця актинії і т. п. Багато тварин, у тому числі деякі риби, в приплив споживають більше кисню. З підйомом і спадом води синхронізовані зміни забарвлення вабливих крабів.
Багато приливних ритмів зберігаються, іноді протягом декількох тижнів, навіть якщо тримати тварин в акваріумі. Отже, по суті своїй вони ендогенні, хоча в природі «захоплюються» і підкріплюються змінами в зовнішньому середовищі.
У деяких морських тварин розмноження корелює з фазами Місяця і відбувається зазвичай один раз (рідше - двічі) протягом місячного місяця. Користь такої періодичності для виду очевидна: якщо яйця і сперма викидаються у воду всіма особинами одночасно, шанси на запліднення досить високі. Цей ритм ендогенний і, як вважається, задається «перетином» 24-годинного циркадіанного ритму з приливним, період якого 12,4 або 24,8 години. Такий «перетин» (збіг) відбуваються з інтервалами 14-15 ст.1 29-30 доби, що відповідає місячному циклу.
Найкраще відомий і, ймовірно, найбільш помітний серед приливних і місячних ритмів той, що пов'язаний з розмноженням груніону - морської риби, що мріє ікру на пляжах Каліфорнії. Протягом кожного місячного місяця спостерігаються два особливо високих - сизигійних - припливи, коли Місяць знаходиться на одній осі з Землею і Сонцем (між ними або з протилежної від світила сторони). Під час такого припливу груніон нереститься, закопуючи ікринки в пісок біля самого краю води. Протягом двох тижнів вони розвиваються практично на суші, куди не можуть дістатися морські хижаки. У наступний сизигійний приплив, коли вода покриває буквально нашпигований ними пісок, з усіх ікринок за кілька секунд вилуплюються мальки, що тут же спливають в море. Очевидно, що така стратегія розмноження можлива, тільки якщо дорослі груніони відчувають час настання сизигійних припливів.
Менструальний цикл у жінок триває чотири тижні, хоча не обов'язково синхронізований з фазами місяця. Проте, як показують експерименти, і в цьому випадку можна говорити про місячний ритм. Терміни менструацій легко зрушити, використавши, наприклад, спеціальну програму штучного освітлення; однак вони будуть наступати з періодичністю, дуже близькою до 29,5 доби, тобто до місячного місяця.
Низькочастотні ритми
Біологічні ритми з періодами, що набагато перевищують один місяць, важко пояснити на основі біохімічних флуктуацій, якими, ймовірно, обумовлені ритми циркадіанні, і механізм їх поки невідомий. Серед таких ритмів найбільш очевидні річні. Якщо дерева помірного поясу пересадити в тропіки, вони деякий час будуть зберігати циклічність цвітіння, скидання листя і періоду спокою. Рано чи пізно ця ритмічність порушиться, тривалість фаз циклу буде все більш невизначеною і в кінцевому підсумку зникне синхронізація біологічних циклів не тільки різних екземплярів одного і того ж виду, але навіть різних гілок одного дерева.
У тропічних областях, де умови середовища практично постійні протягом усього року, місцевим рослинам і тваринам часто властиві довготривалі біологічні ритми з періодом, відмінним від 12 місяців. Наприклад, цвітіння може наступати кожні 8 або 18 місяців. Мабуть, річний ритм - це адаптація до умов помірної зони.