Genesis and Regulation of Biological Rhythms at Different Levels of Living Organization, Two Aspects of Their Description

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The mechanisms of biological rhythms in systems of varying complexity are considered. Particular attention is paid to the patterns of such oscillations in the light of a universal paradigm - the theory of oscillations and waves, where oscillatory and wave processes in systems of the most diverse physical nature can be described from a unified perspective. Population oscillations are a system of interconnected oscillators and correspond to the postulates of the theory of oscillations and waves. That is, the set of rhythms present in this biological system can serve it for adaptation to a variety of oscillatory effects of the external environment. Here, the parameters of the rhythms themselves acquire special importance. After all, they occur in the field of numerous external, also cyclical, effects. The behavior of this chronoecological system, theoretical and pragmatic consequences of its design are worthy of close study.

About the authors

A. D Mironov

Herzen State Pedagogical University

Email: vorskla1968@gmail.com
Saint Petersburg, Russia

L. N Erdakov

Institute of Systematics and Ecology of Animals, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: microtus@yandex.ru
Novosibirsk, Russia

V. V Skvortsov

Herzen State Pedagogical University

Saint Petersburg, Russia

References

  1. Аматов М.А., Аматова Г.М., Кунгурцев С.А. Исследование модели взаимодействия трех популяций, связанных трофическими отношениями // Экол. системы и приборы. 2011. № 12. С. 41–54.
  2. Анисимов В.Н. Хронометр жизни // Природа. 2007. № 7. С. 3–11.
  3. Антохин А.И., Жаркова Н.А., Захарченко А.В. и др. Разнопериодические ритмы деления клеток эпителия крипты тонкой кишки, и их вклад в формирование суточного ритма // Бюл. эксперим. биол. мед. 2011. Т. 152 (10). С. 470–472.
  4. Ардашев А.А., Молотков В.Е. Внутрипопуляционные механизмы циклических колебаний численности стад лососей (физиологические аспекты). Математические модели // Вестник ДВО РАН. 2004. № 5. С. 14–18.
  5. Арушанян Э.Б. Современные представления о происхождении циркадианных колебаний деятельности сердечно-сосудистой системы в норме и при патологии // Клиническая медицина. 2012. Т. 90 (4). С. 11–17.
  6. Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 414 с.
  7. Бобырев А.Е., Бурменский В.А., Криксунов Е.А. и др. Долгопериодные эндогенные колебания численности популяции рыб. Математическое моделирование // Биофизика. 2013. Т. 58. C. 334–438.
  8. Горохова С.Г. К вопросу о генетике циркадных ритмов // Железнодорожная медицина и профессиональная биоритмология. 2011. Т. 17. С. 54–66.
  9. Грунская Л.В. Геофизика и биоритмы: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 / Л.В. Грунская; Владимирский гос. ун-т им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Владимир: Изд-во ВлГУ. 2018. 180 с.
  10. Губин Д.Г. Многообразие физиологических эффектов мелатонина // Междунар. журн. приклад. фундам. исслед. 2016. № 11 (6). С. 1048–1053.
  11. Гусев А.Ф., Новоселова М.В. Прикладная теория колебаний. Тверь: Тверской гос. техн. ун-т (ТвГТУ), 2017. 160 с.
  12. Диатроптов М.Е. Морфофункциональные параметры эндокринной и иммунной системы и пролиферативная активность эпителия в инфрадианном диапазоне биоритмов: Дис. …д.б.н. М.: НИИ морфол. человека, 2015. 263 с.
  13. Ердаков Л.Н. Биологические ритмы в популяционной регуляции (приглашение к дискуссии) // Успехи соврем. биол. 2018. Т. 138 (3). С. 312–320.
  14. Ердаков Л.Н. Многолетние циклы в популяциях животных. Long-term cycles in animal populations / Л.Н. Ердаков. Институт систематики и экологии животных СО РАН. М.: КМК, 2021. 658 с.
  15. Ердаков Л.Н. Динамика численности популяции: хроноэкологический аспект / Л. Н. Ердаков. Институт систематики и экологии животных СО РАН. М.: КМК, 2023. 251 с.
  16. Жигальский О.А. Экологическое регулирование численности популяций мелких млекопитающих // Успехи соврем. естествознания. 2013. № 2. С. 61–64.
  17. Канарский М.М., Некрасова Ю.Ю., Курова Н.А. и др. Механизмы регуляции циркадианных ритмов у человека // Физиол. человека. 2022. Т. 48 (3). С. 107–119.
  18. Катинас Г.С., Чибисов С.М., Халаби Г.М., Дементьев М.В. Аналитическая хронобиология. (Analytical Chronobiology). М.: Бейрут, 2017. 224 с.
  19. Ланда П.С. Нелинейные колебания и волны. Выпуск № 51. М.: КД Либроком, 2019. 552 с.
  20. Мартынюк В.С. Космические и геофизические процессы и биологические ритмы // Тр. IX международ. крымской конф. “Космос и биосфера”, 10–15 октября, 2011. www.biophys.ru/archive/crimea2011/absr-p41.pdf
  21. Никитин А.Я., Гречаный Г.В., Корзун В.М. и др. Две концепции механизмов динамики численности популяций: методология выбора // Успехи соврем. естествознания. 2005. № 3. С. 45–46.
  22. Переясловец В.М., Ердаков Л.Н. Динамика численности волка и крупных копытных в некоторых регионах Западной Сибири: монография. М.: ИНФРА-М, 2024. 176 с. https://doi.org/10.12737/1984075
  23. Пиковский А.А. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003. 496 с.
  24. Путилов А.А. Системообразующая функция синхронизации в живой природе Новосибирск: Наука, 1987. 146 с.
  25. Ревуцкая О.Л., Неверова Г.П. Модельный анализ демографических процессов в популяциях пушных охотничьих животных (на примере Еврейской автономной области) // Региональные проблемы. 2024. Т. 27 (1). С. 5–20.
  26. Русаков А.В., Бобырев А.Е., Бурменский В.А. и др. Математическая модель озерного сообщества с учетом целочисленности размера популяции: хаотические и долгопериодные колебания // Комп. исслед. моделир. 2016. Т. 8 (2). С. 229–239.
  27. Селье Г. На уровне целого организма. М.: Наука, 1972. 122 с.
  28. Тюрин И.В. Вычислительная техника: учебное пособие / И.В. Тюрин. Тамбов: Изд. центр ФГБОУ ВО “ТГТУ”, 2019. 112 с.
  29. Улащик В.С. Биологические ритмы и хронотерапия // Мед. новости. 1996. № 2. С. 2–8.
  30. Уоддингтон К.X. Основные биологические концепции. На пути к теоретической биологии. I. Пролегомены. М.: Мир, 1970. С. 11–38.
  31. Фадеев Г.Н., Лебедев Ю.А., Двуличанская Н.Н. Современная трактовка явления периодичности // Высш. образование в России. 2019. Т. 28 (11). С. 69–77.
  32. Фрисман Е.Я., Неверова Г.П., Кулаков М.П. и др. Смена динамических режимов в популяциях видов с коротким жизненным циклом: результаты аналитического и численного исследования // Математическая биология и биоинформатика. 2014. Т. 9 (2). С. 414–429.
  33. Черешнев В.А., Гамбурцев А.Г., Степанова С.И. Синхронизация, десинхронизация и ресинхронизация как механизмы формирования переменной полиритмичности в биологических и геофизических системах // ДАН. Т. 472 (3). 2017. С. 337–340.
  34. Четвериков С.С. Волны жизни: Из лепидоптерологических наблюдений за лето 1903 г. // Дневник Зоол. отд. Импер. Об-ва любителей естествознания, антропологии и этнографии. 1905. Т. 3 (6). С. 106–111.
  35. Халберг Ф. Временная координация физиологических функций // Биологические часы. М.: Мир, 1964. С. 475—510.
  36. Andreassen H.P., Sundell J., Ecke F. et al. Population cycles and outbreaks of small rodents: ten essential questions we still need to solve // Oecologia. 2021. V. 195. P. 601–622. https://doi.org/10.1007/s00442-020-04810-w
  37. Bhadra U., Thakkar N., Das P., Pal Bhadra M. Evolution of circadian rhythms: from bacteria to human // Sleep Med. 2017. V. 35. P. 49–61. https://doi.org/10.1016/j.sleep.2017.04.008
  38. Buhr E.D., Yoo S.H., Takahashi J.S. Temperature as a universal resetting cue for mammalian circadian oscillators // Science. 2010. V. 330 (6002). P. 379–385. https://doi.org/10.1126/science.1195262
  39. Chitty D. Population processes in vole and their relevance to general theory // Can. J. Zool. 1960. V. 38 (1). P. 99–113.
  40. Christian J.J. The adrenal-pituitary system and population cycles in mammals // J. Mammal. 1950. V. 31. P. 247–259.
  41. Fagiani F., Di Marino D., Romagnoli A. et al. Molecular regulations of circadian rhythm and implications for physiology and diseases // Sign. Transduct. Target. Therap. 2022. V. 7 (1). P. 41. https://doi.org/10.1038/s41392-022-00899-y
  42. Fu L., Pelicano H., Liu J. et al. The circadian gene Period2 plays an important role in tumor suppression and DNA damage response in vivo // Cell. 2002. V. 111 (1). P. 41–50. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(02)00961-3
  43. Häfker N.S., Andreatta G., Manzotti A. et al. Rhythms and clocks in marine organisms // Annu. Rev. Marine Sci. 2023. V. 15. P. 509–538. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-030422-113038
  44. Hanan A.A. Melatonin and melanopsin in the eye: friends or foes? // Annal. de la Real Academia Nacional de Farmacia. 2019. V. 85 (1). P. 49–59.
  45. Hankins M.W., Peirson S.N., Foster R.G. Melanopsin: photopigment // Trends Neurosci. 2008. V. 31. P. 27–36. https://doi.org/10.1016/j.tins.2007.11.002
  46. Hastings M., O’Neil J.S., Maywood E.S. Circadian clocks: regulators of endocrine and metabolic rhythms // J. Endocrinol. 2007. V. 195. P. 187–198. https://doi.org/10.1677/JOE-07-0378
  47. Huang W., Ramsey K.M., Marcheva B. et al. Circadian rhythms, sleep, and metabolism // J. Clin. Invest. 2011. V. 121 (6). P. 2133–2141. https://doi.org/10.1172/JCI46043
  48. Ims R.A., Andreassen H.P. Density dependent dispersal and spatial population dynamics // Proc. R. Soc. B. 2005. № 272. P. 913–918. https://doi.org/10.1098/rspb.2004.3025
  49. Inouye S.T., Kawamura H. Persistence of circadian rhythmicity in a mammalian hypothalamic "island" containing the suprachiasmatic nucleus // PNAS USA. 1979. V. 76 (11). P. 5962—5966.
  50. Jagannath A., Taylor L., Wakaf Z. et al. The genetics of circadian rhythms, sleep and health // Hum. Mol. Genet. 2017. V. 26. P. 128–138. https://doi.org/10.1093/hmg/ddx240
  51. Klisch C., Inyushkin A., Mordel J. et al. Orexin A modulates neuronal Klisch activity of the rodent suprachiasmatic nucleus in vitro // Eur. J. Neurosci. 2009. V. 30. P. 65–75.
  52. Krebs C.J. Population fluctuations in rodents. Chicago, Illinois: Univ. of Chicago Press, 2013. 306 p.
  53. Levay E.A., Nasser H., Zelko M.D. et al. Lemming and vole cycles: a new intrinsic model // Ecol. Evol. V. 14 (10). 2024. P. 2–9. https://doi.org/10.1002/ece3.70440
  54. Liberman A.R., Kwon S.B., Vu H.T. et al. Circadian clock model supports molecular link between per3 and human anxiety // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 9893. https://doi.org/10.1038/s41598-017-07957-4
  55. Lincoln G. A brief history of circannual time // J. Neuroendocrinol. 2019. V. 31 (3). P. e12694. https://doi.org/10.1111/jne.12694
  56. Medvinsky A.B., Bobyrev A.E., Burmensky V.A. et al. Modeling aquatic communities: trophic interactions and the body mass-and-age structure of fish populations give rise to long-period variations in fish population size // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modell. 2015. V. 30. P. 55–70.
  57. Meijer J.H., Shaap J., Watanabe K. et al. Multiunit activity recordings in the suprachiasmatic nuclei: in vivo versus in vitro models // Brain Res. 1997. V. 753. P. 322–327.
  58. Mordel J., Karnas D., Inyushkin A. et al. Activation of glycine receptor phase-shifts the circadian rhythm in neuronal activity in the mouse suprachiasmatic nucleus // J. Physiol. 2011. V. 589. P. 2287–2300. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2010.204693
  59. Neumann J., Kaiser T.S. Lunar and tidal rhythms and clocks // Insect chronobiology / Eds H. Numata, K. Tomioka, 2023. P. 203–227.
  60. Rachelle M.S., Stanly B.W. Circadian rhythms in gene transcription imparted by chromosome compaction in the cyanobacterium Synechococcus elongatus // PNAS USA. 2006. V. 103. P. 8564–8568.
  61. Reluga T.C. Analysis of periodic growth-disturbance models // Theor. Popul. Biol. 2004. V. 66 (2). P. 151–161.
  62. Singh Kum Kum. Circadian rhythms and behaviour // Everyman’s Sci. 1999. V. 34 (6). P. 124–126.
  63. Tskahashi J.S., Zatz M. Regulation of circadian rhythmicity // Science. 1982. V. 217 (4565). P. 1104–1111.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).