الساعات البيولوجية الفلكية

كيف سيكون تصرف الساعات الفلكية لو كان هناك كائنات على كواكب أخرى بطول نهار مختلف، على سبيل المثال على تيتان حيث يستمر اليوم 16 ساعة فقط

من الظواهر المعروفة في عالم الحيوان الارتباط بين نشاطهم أو عدم نشاطهم وأشعة الشمس. هناك حيوانات تنشط أثناء النهار، ومن ناحية أخرى هناك حيوانات تنشط أثناء الليل. توجد أيضًا ظواهر مماثلة من ردود الفعل تجاه الضوء والظلام في عالم النبات. وإذا ترجمنا هذه الظاهرة إلى مصطلحات فلكية، فإن دوران الأرض حول محورها هو الذي يحدد سلوك الحيوانات والنباتات فيما يتعلق ببعض أوقات النشاط المرغوب. هل ساعات ذروة النشاط هذه هي نتيجة عمليات تطورية أم أنها نتيجة تكيفات بيئية؟ من الصعب أن نعرف. سؤال يذكر من جاء أولا البيضة أم الدجاجة.

عند دراسة مسألة وجود حياة خارج كوكب الأرض، من الضروري أيضا النظر في هذه الظاهرة. وذلك لأن الكواكب في كل مكان في الكون تدور حول محورها وتدور حول الشموس. وحتى لو نظرنا إلى أقمار الكواكب، فإن هذا الموضوع لا يزال قائما. على الرغم من أن هذه الأقمار تظهر جانب واحد فقط من وجهها للكواكب، إلا أن هذه الحالة يكون فيها طول يومها مساوياً للوقت الذي تدور فيه حول الكواكب وبالتالي هناك فترات زمنية يكون فيها السطح مضاءً بالشمس و هناك فترات زمنية يكون فيها السطح مظلمًا، ويكون طول النهار مشروطًا بسرعة الدوران المحوري للكواكب والأقمار. هناك ثلاث ساعات فلكية بيولوجية معروفة على الأرض والتي يتم تحديدها من خلال طول دورتها. ساعة واحدة هي الدورة القصيرة والأساسية - هذا هو الوقت الذي يتحرك فيه الكوكب حول محوره - اليوم الدورة المتوسطة - هذا هو الوقت الذي يدور فيه الكوكب حول الشمس - السنة والدورة الطويلة - هذه الوقت الذي يدور فيه الكوكب حول الشمس لعدة سنوات - هذه هي الدورة الدائمة.

الدورة القصيرة

هذه الدورة هي الدورة السائدة في الحيوانات والنباتات. عند الحيوانات، فهي تعتمد في حركتها وفي بحثها عن مصادر الغذاء بشكل أساسي على حاسة البصر. وتساهم الحواس الأخرى، مثل حاسة السمع وحاسة الشم، بشكل كبير في تلبية هذه الاحتياجات، ولكن بدون حاسة البصر سيواجهون صعوبة في أداء وظائفهم. فالطيور مثلا في رحلات هجرتها تطير بسرعات عالية ويجب أن تعتمد على الضوء، فتنشط خلال النهار. في الليل تكون الرؤية محدودة وفي بعض الأحيان مستحيلة. تستخدم الحيوانات آكلة اللحوم في سعيها للحصول على مصادر الغذاء أعينها لتحديد موقع الطعام المتاح. يجب عليهم أن يوجهوا أنفسهم بشكل جيد نحو ضحيتهم ويجب عليهم أيضًا توجيه هجومهم على الفريسة، حتى يتمكنوا من غرس أنيابهم في عنق الحيوانات التي يتم افتراسها. لولا ضوء النهار لكان من الصعب عليهم القيام بذلك.

في عالم النبات، تحدث عمليات التمثيل الضوئي فقط خلال النهار، وتتفاعل بطرق مختلفة مع الضوء والظلام. "هناك نباتات تطوي أوراقها ليلا في نفس الوقت كل مساء.. كثير من النباتات تستخدم ساعاتها لفتح وإغلاق أزهارها في أوقات محددة كل يوم." أما النمو فيكتسب خصائص معينة لساعات الليل. "تنمو النباتات بأشكال مختلفة في الظلام وفي الضوء. والرد المتوقع على الظلام هو الانحطاط التدريجي بسبب نقص الموارد الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي. يمكن أن يكون النشاط النهاري أيضًا لأسباب أخرى. فالزواحف، على سبيل المثال، من ذوات الدم البارد ولا تمتلك أجسامها آليات قادرة على تنظيم درجة حرارة أجسامها. في الليل تبرد أجسادهم ويصابون بالخمول. لذلك سيكون من المريح لهم العمل أثناء النهار عندما يكون الجو دافئًا في بيئتهم.

وثمة خيار آخر هو نقل النشاط إلى ساعات الظلام، لأن ضوء النهار هو عامل مزعج. يمكن العثور على هذا النمط من السلوك في البرمائيات مثل الضفادع والعلاجيم والسمندر المائي. خلال النهار تنخفض الرطوبة ويجف جلد الحيوان. ومن أجل تجنب ذلك، يختبئون أثناء النهار وفقط في الليل، عندما يبرد الهواء ويصبح أكثر رطوبة، يقومون بجمع طعامهم.

يرتبط نوع خاص من النشاط الليلي بالقمر. عندما يكون القمر في وضع العرض الكامل، يكون نشاط أسماك المياه المالحة وثعابين البحر أكبر، فكلما انخفض عرض القمر، انخفض نشاطها أيضًا. هناك نمط آخر من السلوك المتعلق باكتمال القمر يتعلق بتكاثر الحيوانات: وهو موجود عند خط الاستواء. وفي هذه المنطقة الجغرافية، يعادل طول النهار طول الليل على مدار العام تقريبًا. تعتبر عروض القمر ذات أهمية قصوى لتحديد مواعيد التكاثر. تعود النوارس ذات الرأس الأسود من جزر أسونسيون الاستوائية كل عام في الشهر العاشر من التقويم القمري إلى هذه الجزر لبناء أعشاشها.

متوسط ​​الدورة الزمنية

ولهذه الدورة أهمية كبيرة في عالم الحيوان، حيث أنها تحدد موعد التزاوج في كثير من الأحيان. تتعلق هذه الدورة بميل محور الأرض إلى مستوى السوط. ونتيجة لهذا الميل ينقسم العام إلى قسمين. في جزء واحد، يطول النهار ويقصر الليل في نصف الكرة الشمالي، وفي نصف الكرة الجنوبي يقصر النهار ويطول الليل. وهذا النصف من العام هو الصيف في نصف الكرة الشمالي والشتاء في نصف الكرة الجنوبي. في النصف الثاني من العام في نصف الكرة الشمالي تصبح الأيام أقصر. وفي هذا النصف من العام، يكون الشتاء في نصف الكرة الشمالي والصيف في نصف الكرة الجنوبي.

هذه التغييرات في عدد ساعات اليوم لها تأثير جذري على سلوك الثدييات. بين هذه المجموعة من الحيوانات، تفرز الغدة الصنوبرية في الدماغ السيروتونين وفي الليل، يتحول السيروتونين إلى الميلاتونين الذي يندمج في مجرى الدم.

وهذا يحقق عدة أمور:
1. مراقبة الساعة البيولوجية - حيث يحافظ الميلاتونين على دورات النوم والاستيقاظ.
2. مع طول الليل يرتفع معدل إنتاج الهرمونات التي تغير الشهية ومعدل التمثيل الغذائي، وهناك حيوانات يتباطأ نشاطها مع طول الليل. في الدببة والسناجب والغرير، مع وصول فصل الشتاء، يتباطأ معدل ضربات القلب والتنفس.
3. التغيرات في طول اليوم (يؤثر طول اليوم على إنتاج الهرمونات الجنسية) تحدد وقت التزاوج - يجب أن تحصل الإناث على كمية كبيرة من الطعام لضمان نموها وبقائها. سواء على مستوى الفرد أو على مستوى النوع، فالحيوان الكبير يحتاج إلى كميات كبيرة من الغذاء والحيوان الصغير يحتاج إلى كميات أقل من الغذاء. على أية حال، تتم الولادة في فصل الربيع عندما يكون النمو في ذروته وتتواجد الحشرات بكميات كبيرة جداً. كلما زاد حجم الحيوان، يحدث وقت التزاوج أقرب إلى بداية فصل الشتاء - عندما تصبح الأيام أقصر، أما بالنسبة للحيوانات الصغيرة، فيحدث وقت التزاوج في وقت لاحق من فصل الشتاء، مع إطالة ساعات النهار.

في النباتات، يؤثر عدد ساعات اليوم على تكوين البصيلات ومجموعة الأوراق. في الفصول المختلفة، العديد من النباتات التي تزهر في الربيع تكون حساسة لليالي القصيرة (هذه نباتات النهار الطويل). النباتات الأخرى التي تزدهر في الخريف هي "في كثير من الحالات نباتات تزدهر بعد الإشارة التنموية لليالي الطويلة والأطول (هذه نباتات النهار القصير)". نباتات النهار الطويل هي على سبيل المثال القرنفل والفجل والبردقوش والبرسيم ونباتات النهار القصير على سبيل المثال الأقحوان وشجيرات الذرة والقهوة. لكن تجدر الإشارة إلى أن هناك نباتات لا يكون عدد ساعات النهار فيها كبيراً، مثل عباد الشمس والطماطم والبطاطس.
الأشجار غير قادرة على امتصاص الماء بنفس معدل تبخره، ولكي لا تفقد هذه المياه الثمينة، يتم التخلص منها في الخريف. إشارة بداية الذرف هي تقصير ساعات النهار.

الدورة الزمنية الطويلة

تمتد هذه الدورة عدة سنوات. كل ظاهرة معينة تتكرر مرة كل بضع سنوات. في الزيز، على سبيل المثال، عدد السنوات التي تمر بين وضع البيض وتطور البالغ الكامل هو 13 أو 17 عامًا. تزدهر نباتات الخيزران في جبال الهيمالايا مرة كل 50 عامًا. وما يجعل هذه النباتات مميزة هو أنها حتى لو زرعت في أماكن ذات خصائص طوبوغرافية ومناخية
بشكل مختلف، سيظل ازدهارها مرة واحدة كل 50 عامًا. أينما زرعت، فإنها تكسر كمية كبيرة جدًا من البذور. هذه العملية ليست مفهومة جيدا. على أية حال، ما هو واضح هو أن هناك آلية ما تقوم بعد السنوات. وبما أن العملية هي نفسها في أماكن مختلفة، فمن الواضح أن هذه ليست ظاهرة محلية دورية ولكنها نوع من الدورة العالمية التي يتم ملاحظتها في إحدى "حواس" الخيزران. من المحتمل أيضًا وجود آلية للعد في الزيز. هنا يكون القياس أكثر تعقيدًا لأنه إحدى الدورتين الخاضعتين "لاختيار" الزيز.

المشتقات الفلكية الحيوية

يمنحنا هذا التشخيص للساعة الفلكية أداة يمكننا من خلالها محاولة بناء نظرة مستقبلية فيما يتعلق بالساعات البيولوجية للنجوم المختلفة. ومن معرفتنا بالنظام الشمسي الذي نعيش فيه، نعلم أن هناك كواكب وأقمارًا يكون يومها طويلًا جدًا، أو أطول من يوم الأرض، أو قصيرًا جدًا – أقصر من يوم الأرض. الكوكب الوحيد الذي يكون طول يومه مساويًا تقريبًا لطول يوم الأرض هو المريخ. يبلغ طول يوم كاليستو 16 يومًا أرضيًا، ويبلغ طول يوم تريتون 5.8 يومًا. لذلك، كلما زاد طول اليوم، حصلت الحيوانات على ساعات أكثر من النشاط، وحصلت النباتات على ساعات أكثر من عملية التمثيل الضوئي. وإذا افترضنا أن النجوم الأخرى لديها أيضًا تنوع كبير في الحيوانات وأن هناك حيوانات آكلة اللحوم وحيوانات نباتية، فإن الحيوانات آكلة اللحوم سيكون لديها ساعات نشاط أكثر على مدار اليوم، يمكنها فيها البحث عن فرائسها، وفي فترة قصيرة اليوم سيكون لديهم ساعات أقل تحت تصرفهم. قد يكون لهذا أيضًا تأثير على سرعة الجري. إذا كان اليوم أطول، فيمكنهم إبطاء وتيرة الجري، لأن لديهم الكثير من الوقت تحت تصرفهم. إذا كان اليوم أقصر، فسيتعين عليهم أن يكونوا أسرع. ويعتمد هذا بالطبع على مقدار الوقت الذي يمر من لحظة الشعور بالشبع إلى اللحظة التي ينشأ فيها الجوع مرة أخرى. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن "ساعة الامتلاء" الخاصة بهم يتم ضبطها أيضًا على مدار اليوم. أحد العوامل المهمة التي يجب مراعاتها هو يوم طويل بشكل خاص. إذا كان اليوم مثل يوم تريتون على سبيل المثال، فمن الصعب تصديق أن الحيوان سوف يستمر لفترة طويلة على الأرض دون أن يأكل. في هذه الحالات، يجب الأخذ بعين الاعتبار أن الحيوان خلال تطوره شحذ حواسه الأخرى حتى يتمكن من الصيد ليلًا أيضًا، مثل الرؤية بالأشعة تحت الحمراء (في مقالة مؤطرة تجدر الإشارة إلى أن النحل يرى أيضًا بالأشعة فوق البنفسجية)، أ نطاق أكبر من السمع وحاسة شم متطورة.

على الأرض، تعتبر الزواحف من ذوات الدم البارد، وفي الليل تكون غير نشطة تقريبًا لأنها غير قادرة على تدفئة أجسادها. ينبغي للمرء أن يفترض أن الزحف عبر النجوم التي يكون يومها مساويًا أو أقصر من يوم الأرض، سيكون سلوكها مشابهًا. من ناحية أخرى، في النجوم ذات النهار الطويل، من المشكوك فيه ما إذا كانت ستتمكن من البقاء لفترة طويلة دون حركة. هناك احتمالان، إما أن هذه النجوم لن تحتوي على زواحف على الإطلاق، أو أنها ستكون من ذوات الدم الحار. تكون البرمائيات مقابل الزواحف غير نشطة خلال النهار بسبب احتمال جفاف بشرتها بسرعة، مما قد يؤدي إلى موتها. ولهذا السبب، في النجوم التي يكون يومها مساويًا أو أقصر من يوم الأرض، سيكون سلوكها مشابهًا لسلوك البرمائيات الأرضية في النجوم التي لها يوم طويل. ومن المشكوك فيه أن يتمكنوا من البقاء على قيد الحياة لفترة طويلة دون نشاط. ثم هناك احتمالان، إما أن هذه النجوم لن تحتوي على برمائيات على الإطلاق، أو أن الرطوبة في هذه النجوم ستكون عالية بما يكفي لتتمكن من العمل حتى أثناء النهار.

أما بالنسبة للطيور، ففي اليوم الطويل جدًا يكون لديها عدد أكبر من ساعات النهار للطيران، ولكن هل ستستخدم كل ساعات اليوم الطويل؟ فهل تستطيع الطيور الطيران مثلا عشرات أو ربما مئات الساعات دون توقف؟ ستحتاج إلى ساعات من الراحة لاكتساب القوة ومواصلة الرحلة. هل سيتوقفون عن الطيران عندما يشعرون بالتعب أم سيفتحون ساعة داخلية تخبرهم بموعد الراحة أثناء النهار؟

كما رأينا، يمكن أن تكون الساعة البيولوجية مشروطة بوجود القمر. إذا كان الكوكب، على سبيل المثال، ليس له أقمار، فلن تطور الحيوانات أي ساعة قمرية. من الممكن أن يكون للكوكب نفسه عدة أقمار ومن ثم يمكن أن تتواجد الحيوانات التي تتصرف وفقًا لساعات قمرية مختلفة بجانب بعضها البعض. ومتى كانت هذه الساعات مشروطة باكتمال الأقمار أو بلون الضوء المنعكس عنها.

أما بالنسبة للنباتات فالسؤال الذي يطرح نفسه هو كيف تتصرف في النجوم التي لها أيام طويلة وعدد الساعات التي تقضيها دون عملية التمثيل الضوئي طويلة وقد تتدهور. هل ساعات التمثيل الضوئي العديدة التي يتلقونها خلال النهار تكفيهم لقضاء الليل الطويل أم أنهم طوروا مصادر طاقة إضافية يتم تنشيطها خلال ساعات الظلام؟ وسؤال آخر هو إلى أي مدى يؤثر الليل الطويل على خصائص النمو، وإذا كانت هذه الخصائص موجودة فهل تعمل في ساعات معينة من الليل؟

إن طول النهار وقصر الليل نتيجة لميل محور الأرض. وهذا المبدأ ينطبق على كل كوكب وكل قمر أينما كان. المثال الأكثر شهرة هو المريخ. معظم الكواكب مائلة أيضًا. وما يميز المريخ أن زاوية ميله هي نفس زاوية ميل الأرض، وبالتالي فإن طول النهار وقصر الليل يعادل ما يحدث على الأرض. والفرق الوحيد بين الكوكبين في هذه المسألة هو طول الدورة المتوسطة. وبما أن المريخ أبعد عن الشمس، فإن عامه أطول. وبما أن طول سنته 687 يومًا مقارنة بـ 365 يومًا منذ خلق الأرض، فإن فصوله تكون أطول مرتين، وإذا كان هناك كوكب في مكان آخر من الكون، بحجم المريخ تقريبًا، ولكن له غلاف جوي مشابه لكوكب الأرض. تلك الموجودة على الأرض، وإذا كانت بها الحياة كما نعرفها، فمن بين هذه الحيوانات أيضًا، ستحدث نفس التغييرات الأيضية، مع تغير الفصول، سيحافظ الميلاتونين على دورات النوم والاستيقاظ هنا أيضًا. والسؤال الواضح هنا هو ما إذا كان تباطؤ النشاط في الشتاء سيستمر أيضاً لفترة طويلة. وبما أن العام أطول، فيمكن الافتراض أن طول العام له أيضًا تأثير على وقت التزاوج.

وفي مثل هذه السنة الطويلة، هل مدة الحمل أيضاً مرتبطة بطول الشتاء، بالنسبة إلى حجم الحيوانات، أم أن طول فصل الشتاء أيضاً يرتبط بهذا؟ أي أنه بما أن فصل الشتاء طويل جدًا، فمن الممكن أن يكون وقت التزاوج حتى في الحيوانات الكبيرة أقرب، مع إطالة ساعات النهار.

ومن هذه الأمور يستلزم الاستنتاج أن وجود الفصول أو عدم وجودها يعتمد على زاوية ميل الكوكب أو القمر. إذا كان محور دوران النجم و/أو القمر متعامدًا أو متعامدًا تقريبًا على مستوى الحركة، فلا توجد فصول في الواقع. وفي هذه الحالة لا يتغير عدد ساعات النهار وكذلك عدد ساعات الليل على مدار العام ولن يكون هناك تباطؤ في وتيرة النشاط.

أما بالنسبة لأوقات التزاوج، فإن الحيوانات تطور ساعات بيولوجية أخرى. فإذا كان محور دوران النجم مائلاً، فالمطلوب استنتاج أنه كلما كان المحور مائلاً بزاوية أكبر مع بداية الصيف ستزداد عدد ساعات النهار ومع بداية الشتاء ستزداد عدد الساعات. من اليوم سوف تنخفض. إذا أخذنا كوكبين متشابهين في الحجم، ولكن لهما زوايا ميل مختلفة، أحدهما بزاوية ميل قدرها 23.5 (مثل الأرض والمريخ) والآخر بزاوية ميل قدرها 50، حيث أن الكوكب ذو زاوية ميل أكبر، سيكون عدد ساعات الضوء أكبر من تلك ذات الزاوية الأصغر. سيكون لهذا تأثيرات بعيدة المدى على الساعة البيولوجية وكل ما يعنيه ذلك. وحالة خاصة هي الكواكب التي تبلغ زاوية ميلها 90، كما في حالة أورانوس وبلوتو، ففي هذه الحالة يكون يوم الكوكب يساوي سنته. وستكون المناطق القطبية مضيئة ومظلمة في دورة سنوية والمنطقة الاستوائية ستكون مضيئة طوال العام وإن كان ضوءها ضعيفا جدا وهو ما يشبه ضوء الشفق. وفيما يتعلق بخط الاستواء، فإن الساعات البيولوجية الفلكية لن يكون لها أي معنى، أما بالنسبة للمناطق الأخرى، وخاصة القطبين، فسيكون لها معنى كبير. وبما أن اليوم يندمج مع السنة، فإن الساعات البيولوجية سيكون لها عروض مختلفة عما اعتدنا عليه على الأرض.

أما الغطاء النباتي في الكواكب المائلة فمن الممكن بالتأكيد الإشارة إلى وجود نباتات النهار القصير ونباتات النهار الطويل، لأنه إذا كان الكوكب أو القمر منحرفا فإن سنتهم أيضا تنقسم إلى قسمين، وهي الفترة التي فيها تصبح الأيام أطول وفترة تصبح فيها الأيام أقصر، اعتمادًا بالطبع على نصف الكرة الشمالي أو الجنوبي الكواكب والأقمار التي ليس لها زاوية ميل لن يكون لها هذا التشخيص لهذا الغطاء النباتي لأن عدد ساعات النهار تساوي عدد ساعات الليل. وبما أن المناخ هو نفسه طوال العام، فسيتعين عليهم تطوير ساعات بيولوجية فريدة من نوعها تصنف وقت سقوط الأوراق من حيث الدورة الزمنية الطويلة. ونظرًا لندرة الظاهرة على الأرض (مناخ الأرض الدائم يوجد فقط في المنطقة الاستوائية)، فمن الصعب معرفة ما إذا كان من الممكن أن تكون شائعة أو نادرة أيضًا على الكواكب الأخرى والأقمار الحاملة للحياة. على أية حال، يمكن القول أنه إذا كانت السنة النجمية تعادل، على سبيل المثال، 5 سنوات أرضية، فهذه دورات طويلة بشكل خاص.

סיכום

إن فحص الساعة البيولوجية يظهر أنها ذات أهمية كبرى لوجود الحياة على الأرض، وبالتالي على النجوم الأخرى أيضًا. ويظهر تأثيره في سلوك الحيوانات، وفي الطريقة التي يتم بها تنشيط حواسها بعد التغيرات في عدد ساعات النهار وعدد ساعات الليل، وفي عملية التمثيل الغذائي والتحكم الهرموني. وبنفس الطريقة فإن الساعة البيولوجية تترك بصمتها على النبات أيضاً. يمكنك أن تشعر به في آليات التمثيل الضوئي في طرق النمو وعند سقوط الأوراق.

يمكن اختبار هذا التعقيد في العلاقة بين الساعات البيولوجية والأبراج الفلكية للنجوم وأنماط الحياة بشكل فعال بمساعدة عمليات المحاكاة الحاسوبية.

הערות

1. جون داونر - عالم الحواس الإدراك الحسي في العالم الحي، أد
مودين، 1991، ص 124
2. زاكس تسفي - معنى الشكل في النباتات، الجامعة الإذاعية، الخدمة
دفاع، 1989، ص 33
3. جون داونر – المرجع نفسه، ص 202
4. المرجع نفسه، ص 136
5. المرجع نفسه، ص 137
6. المرجع نفسه، ص 132
7. المرجع نفسه، ص 133

8. زاكس تسفي – المرجع نفسه، ص 35
9. جون داونر – المرجع نفسه، ص 128
10. المرجع نفسه، ص 129
11. هناك، هناك.
12. المرجع نفسه، ص 140
13. زاكس تسفي – المرجع نفسه، ص 37
14. مزار حاييم - "دورات النهار والليل في النظام الشمسي". كل نجوم النور
1988 5-6עמ' .194-198
15. هناك، هناك.