Природные ритмы рассматриваются как последствия космических явлений: активности Солнца, вращения Земли вокруг Солнца, влияния Луны, а также звезд и других космических тел.
В зависимости от того, какое космическое тело задает ритм явления, выделяют солнечные сутки, лунные сутки и звездные сутки.
Продолжительность солнечных суток составляют 21 земных часа. Цикличность оценивается по наступлению дня и ночи. Лунные сутки короче, чем солнечные, и составляют 23,5 часа. Доказательством их существования служат морские приливы и отливы. Суточные солнечные и лунные ритмы взаимодействуют друг с другом и образуют новую цикличность жизненных процессов с интервалом повторения в 29,5 земных суток. Последний цикл известен как «синодический» ритм (месяц). Синодический ритм синхронизирован с фазами Луны. Его границы приходятся на полнолуние (максимум активности) и новолуние (минимум активности).
Полный оборот движения вокруг Земли Луна делает за 29,5 земных суток. Но биологические последствия имеют и другие, более короткие циклы, связанные с вращением Луны.
Мировой океан на своей поверхности имеет 4 заметных утолщения (горба) водной массы. Одно из них формируется под действием сил притяжения Луны. Второй горб на океанической поверхности возникает в прямо противоположной точке Земли, но его происхождение пока не изучено. Менее выраженные утолщения водной оболочки зарегистрированы еще в двух оппозитно расположенных районах Земли. Их происхождение ученые связывают с влиянием Солнца. Эти огромные скопления воды оказывают сильнейшее влияние на биосферу нашей планеты. В отдельные моменты Луна и Солнце выстраиваются в одну линию с одной или двух сторон относительно Земли. Последствием этих космических перемен является так называемый «сизигийный прилив». Он представляет собой результат суммарного влияния на океан Солнца, Луны и Земли. В остальных районах Земли водная оболочка, естественно, утончается. Там фиксируют сильнейшие отливы. В зонах приливов и отливов биологическая жизнь подвергается серьезным испытаниям.
Важным фактором цикличности жизни выступают и лунные приливы и отливы. Вращение Земли относительно своей оси обгоняет движение массы воды в течение суток. Волны лунных приливов следуют за Луной в одном направлении. Солнечные «горбы» имеют скорость движения, равную скорости вращения Земли, т. е. они относительно Земли стоят на месте на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и на противоположной стороне.
Описанные перемещения воды оказывают прямое физическое влияние на всех жителей океана и на все живое приливно-отливной зоны и вынуждают животных синхронизировать свою жизнь с фазами Луны.
Прямая зависимость физиологических процессов от фаз Луны прослеживается у примитивно организованных животных. Так, многие жители приливно-отливной зоны (черви, членистоногие и даже рыбы) в период отлива закапываются в песок, а во время прилива выходят в воду. Ряд многощетинковых червей размножаются только в полнолуние. Такую же привязанность к полнолунию и новолунию демонстрируют многие крабы, морские ежи, моллюски и некоторые комары.
У более высокоорганизованных животных также выявлена цикличность поведения в связи с фазами Луны. Однако эта связь внешне не выглядит столь очевидной, как у червей и других примитивных существ. Для сельди, комара Clunio sp., личинок европейского угря полнолуние служит сигналом для начала размножения (икрометания) или миграций. Такие животные не испытывают на себе прямого физического воздействия со стороны Луны, как это бывает с обитателями приливно-отливной зоны. Они используют полнолуние как внешний стимул для стимуляции эндокринно-паракриновой секреции, которая, в свою очередь, активизирует ту или иную функцию. Однако механизм влияния Луны в данном случае остается неясным. Непогода и низкая облачность (отсутствие Луны в зрительном поле) не может изменить цикличность поведения этих животных.
Известные еще древним пятна на Солнце представляют собой результат повышенной активности звезды с выбросом энергии в космическое пространство. Древние связывали образование пятен на Солнце с гневом богов и наказанием человечества. Солнце является источником ритмического излучения, которое достигает Земли и вызывает возмущение магнитного поля нашей планеты. Возникающие так называемые магнитные бури изменяют характеристики ионосферы и атмосферы Земли с последующим воздействием на биосферу. Многолетние исследования показали, что солнечная активность изменяется с периодом в 11 лет.
Ученые обнаружили связь солнечной активности с цикличностью жизни на Земле. Это проявляется в периодических засухах, потопах, колебаниях урожайности культурных растений. Б. Мур (1886) установил зависимость повторяемости эпидемий на Земле с появлением пятен на Солнце. А. Л. Чижевский в 1930-е гг. подтвердил, что последствиями изменения солнечной активности (появление пятен) в Европе были эпидемии чумы, вспышки роста численности крыс, массовое размножение вредителей растений, голод.
Современная медицина признает, что повышение солнечной активности провоцирует обострение хронических заболеваний у человека. Люди испытывают общее недомогание, головную боль, повышенную нервную возбудимость или депрессивное состояние, пониженную работоспособность. В дни магнитных бурь на 25-30% возрастает количество случаев инфаркта миокарда, инсультов как результат повышения свертываемости крови и образования спазмов коронарных сосудов. Л. И. Куприянов (1976) приводит официальную статистику, которая свидетельствует о росте числа автомобильных катастроф в Японии в дни высокой солнечной активности.
Солнечная активность отражается и на состоянии дикой природы. Поскольку с Солнцем связан фотосинтез, то изменение солнечной активности приводит к изменению роста и развития растений. Кроме того, активность Солнца изменяет и гидрологический режим (таяние снега в горах, полноводность рек, дожди), что также отражается на росте и развитии растительного покрова. Цикличность флоры напрямую определяет цикличность жизнедеятельности и численности консументов не только 1-го, но и 2-го и 3-го порядков.
Приближение и удаление Земли от Солнца является причиной смены времен года, следовательно, изменения условий жизни и питания животных. Отсюда происходит ритмичная миграционная деятельность насекомых, рыб, птиц, млекопитающих. Перелетные и кочующие птицы покидают места высиживания птенцов не столько из-за холодов, сколько по причине недоступности кормовых ресурсов в зимнее время. Правда, не всегда продолжительные миграции оправданы поисками кормовой базы. Так, нерестовые миграции рыб имеют иную мотивацию. Горбуша уходит на нерест из морских районов, богатых пищей, в реки, где она вообще перестает питаться. Тем не менее ритмичность нерестового поведения рыбы задается сменой времени года.
Воспроизводительная активность птиц и млекопитающих также имеет привязанность к активности Солнца (времени года). Эта зависимость прослеживается даже у домашних животных, у которых процесс доместификации наложил отпечаток на ритмику полового поведения, миграционную активность, пищевое поведение и обмен веществ. Тем не менее в промышленном птицеводстве фактор света используется для стимуляции яйценоскости (овогенеза). Максимальную яичную продуктивность от птицы получают при искусственном круглогодичном освещении птичника в течение 12-14 часов в сутки.
Домашние животные (лошадь, собака, свинья, кошка) превратились в полицикличных животных, хотя их дикие предки являлись моноцикличными животными или животными с половым сезоном, т. е. их половая цикличность задавалась солнечной активностью. Однако не все одомашненные виды утратили эту зависимость от Солнца. Так, овцы и козы приходят в состояние половой охоты преимущественно в конце осени — начале зимы, так что время окота у них синхронизируется с наступлением весны, т. е. появление на свет молодняка приурочено ко времени появления зеленой травы и наступлению положительных среднесуточных температур. Последнее обстоятельство актуально для выживания новорожденных в дикой природе, но теряет смысл для домашних овец и коз.
У некоторых домашних кошек и сук как наследство от диких предков имеет место моноцикличность половой активности. При этом эструс у самок проявляется в зимне-весенний период. Следовательно, появление на свет молодняка приходится на начало теплого сезона.
Помимо суточных, сезонных и годовых циклов в природе отмечены и циклы с иной периодичностью. Так, известен 27-суточный цикл. Именно за этот промежуток времени Солнце обращается вокруг своей оси. Чаще всего эта цикличность сопровождается появлением на Земле магнитных бурь с вытекающими отсюда последствиями для флоры и фауны.
У Солнца обнаружен и 6-месячный цикл активности. Он определяется тем, что наибольшее количество взрывов на Солнце происходит два раза в год: в марте-апреле и в сентябре-октябре. Доказана также 11-летняя, 22-летняя, вековая (80-90 лет) и 600-800-летняя периодичность активизации Солнца. С такой периодичностью на Земле происходят глобальные, порой катастрофичные перемены климата, погоды, сейсмической активности и, в конечном счете, биологической жизни.
Таким образом, космические причины ритмичности жизни в земных условиях очевидны. Для животных организмов космические влияния выступают в качестве весьма значимых стимулов внешней среды. Эти стимулы воспринимаются животными прямо или косвенно, суммируются и синхронизируются некоторыми внутренними механизмами. В результате как суточные, так и сезонные ритмы жизни неточно следуют за 24-часовой, 6-месячной или годовой цикличностью.
Биологические ритмы разнообразнее космических. Некоторые из биологических циклов по своей длительности и повторяемости соответствуют геофизическим циклам, а другие имеют свою собственную периодичность. В связи с этим выделяют адаптивные биологические ритмы (суточные, приливно-отливные, сезонные, годовые) со своими специфическими изменениями морфологического, биохимического, физиологического и этологического характера у животных.
Короткие циклы носят название функциональных ритмов жизнедеятельности. Они обеспечивают непрерывность жизнедеятельности организма. Сюда относятся: спонтанная электрическая активность мозга, активность проводящей системы сердца, ритмичность перистальтики, ритмичность дыхания. Кроме того, к группе функциональных ритмов можно отнести и ритмы активности отдельных клеток, а также ритмичность молекулярных процессов.
Как правило, функциональные ритмы зависят от адаптивных ритмов. Например, ритмичность работы сердца, желудочно-кишечного тракта, эндокринной и нервной систем корректируется суточными ритмами. Ночью частота сердечных сокращений и частота дыхания ниже, чем днем. Спонтанная ритмическая электрическая активность спинного мозга и ретикулярной формации ствола головного мозга максимальна в светлое время суток.
Биологические ритмы животного организма в разной мере зависят от внешних условий. По этой причине ритмы жизнедеятельности делят на экзогенные и эндогенные. Первые полностью зависят от изменений внешней среды (например, биохимические процессы). Эндогенные ритмы протекают при строго фиксированных постоянных условиях (физиологическая норма). Сюда можно отнести такие ритмы, как ритм пульса, частоты дыхания или колебания величины кровяного давления. Важным признаком эндогенных ритмов является их привязанность к суточным ритмам. Этот тип биологических ритмов принято называть биологическими часами.