|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
9 КЛАСС
ЗАДАЧА 1
Ботаники подразделяют растения на низшие и высшие. К первой группе относятся различные водоросли (разумеется, кроме синезеленых) и лишайники. Вторая группа объединяет отделы Моховидные, Плауновидные, Хвощевидные, Папоротниковидные, Голосеменные и Покрытосеменные. (Мы не будем рассматривать в этой задаче вымершие группы высших растений, а также экзотический отдел Псилотовидные, в который входит лишь несколько видов.)
а) Какие признаки являются общими для высших растений?
б) Конечно, границу между "высшими" и "низшими" представителями царства Растения можно было бы провести и в каком-то другом месте. Попробуйте предложить и аргументировать свои варианты выделения "высших" и "низших" растений. Укажите общие признаки видов, которые войдут в сформированные вами группы.
Перечислим наиболее принципиальные общие признаки высших растений:
- первично наземные организмы;
- дифференцированы ткани (три системы тканей - покровная, проводящая и основная; есть эпидерма с устьицами, покрытая кутикулой);
-дифференцированы также органы;
- пигментная система представлена хлорофиллами a, b и каротиноидами;
- запасной углевод - крахмал, откладывается в хлоропластах;
- основной компонент клеточной стенки - целлюлоза;
- чередование гаплоидного и диплоидного поколений (гаметофит и спорофит);
- есть зародыш; зигота начинает делиться внутри гаметофита и полностью обеспечивается им питательными веществами.
При ответе на вопрос б) можно предложить самые разнообразные классификации. Все ли они одинаково приемлемы? Логично ожидать, чтобы присвоение группам названий "высшие" и "низшие" было хоть как-то оправдано; странным будет выделение в качестве высших тех растений, которые встречаются в Воронежской области, поедаются канарейками или обладают потогонным действием. Однако вовсе не обязательно, чтобы ваше разделение шло следом за тем или иным направлением эволюции: в одну группу можно объединить растения из разных таксонов, не связанные общим происхождением. Явный критерий удачного создания группы - наличие у нее не одного, а нескольких общих признаков. Поэтому крайне желательно проследить, можно ли из одних особенностей строения и физиологии растений логически вывести другие.
Опишем несколько способов выделения "высших" растений, которые представляются нам удачными.
1. Все растения, кроме водорослей, лишайников и моховидных, - в цикле развития доминирует спорофит; есть стебли, корни; имеются ксилема и флоэма.
2. Зеленые водоросли и сосудистые растения - имеют хлорофиллы a и b, каротиноиды; запасное вещество - крахмал.
3. Сосудистые растения и многие бурые водоросли - строгое чередование гаплоидного и диплоидного поколений.
4. Цветковые, а также отдельные представители других групп: селагинелла (плауновидные), орляк (папоротниковидные), гнетовые (голосеменные) - наличие сосудов.
5. Разноспоровые (водные) папоротники, Isoetopsida (разноспоровые плауновидные), голосеменные, цветковые - разноспоровость; гаметофит зависит от спорофита.
6. Хвойные и цветковые - мужскими гаметами являются спермии.
7. Древовидные папоротники, голосеменные, многолетние двудольные, бамбук, пальмы - имеется вторичный рост.
8. Голосеменные и цветковые - единицей размножения является семя; отсутствие антеридиев; есть главный корень.
9. Цветковые - покрытосемянность; двойное оплодотворение.
ЗАДАЧА 2
Перечислите, какие функции выполняют вещества, выделяемые наружу поверхностными покровами разных животных.
Какие из указанных вами функций поверхностных выделений можно встретить у представителей:
а) типа Кольчатые черви?
б) типа Членистоногие?
в) типа Хордовые?
1. У многих животных выделяемые наружу вещества, застывая, образуют прочный защитный покров - кутикулу. Основные функции кутикулы:
- механическая защита от повреждений (при передвижении, а иногда и при нападении хищника);
- защита от высыхания (этой цели служит восковый слой - эпикутикула);
- защита от опасных для организма химических веществ;
- место прикрепления мышц (так называемый наружный скелет).
Тоненькая кутикула встречается у кольчатых червей. Именно она придает радужную окраску дождевому червю. Из перечисленных функций она способна только предохранять от механических повреждений.
В типе Хордовые кутикула (под таким названием) имеется у ланцетника; она по составу напоминает слизь и тоже защищает от механических повреждений. Во многом аналогична кутикуле слизь, которую выделяют круглоротые и амфибии.
У членистоногих кутикула наиболее развита и может выполнять все перечисленные функции.
Стоит заметить еще, что в состав кутикулы входят вещества, обеспечивающие окраску животного.
2. Дальше следует упомянуть слизь и входящие в ее состав вещества. Функции слизи:
- задерживает испарение и предохраняет от высыхания;
- служит смазкой (уменьшает трение) при движении в грунте, по субстрату или в толще воды;
- содержит бактерицидные вещества, например у амфибий;
- содержит ядовитые вещества, защищающие от нападения хищников;
- съедобные частицы могут налипать на поверхность тела и с током слизи доставляться в пищеварительный тракт;
- слизь может использоваться при построении различных ловчих сеточек;
- у аппендикулярий (многие ученые относят их к хордовым) из слизи строится домик, в котором целиком сидит животное;
- из веществ, близких по составу к слизи, могут образовываться цисты или защитные коконы, в которых животное переживает высыхание; в типе Хордовые такой кокон имеется у чешуйчатника.
Практически все перечисленные функции слизи встречаются у кольчатых червей и хордовых. При рассмотрении типа Членистоногие можно указать только образование цист (например, у циклопа). Кроме того, некоторые многоножки и близкие к членистоногим первичнотрахейные выплевывают слизь из специальных желез и этой слизью фиксируют жертву.
3. Особого внимания заслуживает паутина. Заметим, что паутинные железы есть не только у пауков, но еще и у лжескорпионов, гусениц ряда бабочек, личинок ручейников и других членистоногих. Паутина используется для
- строительства убежищ, жилищ;
- строительства коконов для яиц;
- ловли добычи;
- перемещения с помощью парящих паутинных нитей и др.
4. Во внешнюю среду выделяются вещества, которые имеют сигнальное значение:
- феромоны - средства внутривидовой коммуникации (например, половые феромоны);
- алломоны - воздействуют на особей другого вида и нередко подавляют их рост (хотя более известны фитонциды растений, но аналогичные вещества есть и у некоторых животных);
- "вещества тревоги" - сигналы об опасной ситуации, обычно универсальные для многих видов;
- кайромоны - выделения хищников, которые воздействуют на их жертв, часто вызывая морфологические изменения (например, отрастание шипов у дафний и коловраток).
У насекомых описаны сигнальные вещества всех перечисленных групп. У хордовых широко известны "вещества тревоги" рыб, доказано существование феромонов и кайромонов. У кольчатых червей имеются сведения о феромонах.
5. Пахучие вещества:
- для мечения территории (наиболее характерны для позвоночных и, по-видимому, имеются у насекомых);
- для мечения пути к дому (преимущественно насекомые);
- для отпугивания врагов неприятным запахом (скунс, клопы и др.);
- для идентификации определенных индивидуумов (членов семьи у общественных насекомых, родственников либо постоянных обитателей данной территории у млекопитающих).
6. Регуляторы развития других особей данного вида у общественных насекомых.
7. Мы не рассматриваем в этой задаче функции специализированных органов выделения. Однако в процессе выделения могут участвовать и наружные покровы: жабры у рыб, слезные железы у буревестников и крокодилов. А у человека, например, в составе пота выделяется молочная кислота.
8. Выделение воды наружными покровами и ее испарение способствуют охлаждению. В первую очередь это относится к млекопитающим - по причине их теплокровности. Испарение влаги с поверхности тела амфибий приводит к такому побочному эффекту, как снижение температуры их поверхности ниже температуры окружающей среды. Заметим, что сумчатые для терморегуляции используют слюну.
9. Различные жировые секреты (сальных желез у млекопитающих, копчиковой железы у птиц). Функции:
- смазка покровов;
- усиление водоотталкивающих свойств;
- поддержание эластичности кожи.
10. Слезы обеспечивают защиту роговицы от пересыхания, удаляют с ее поверхности пылинки, а также обладают бактерицидными свойствами (лизоцим). О выделительной функции слез некоторых животных говорилось выше.
11. Логично включить в наш перечень и выделения молочных желез. Утконос может послужить убедительным примером единства их происхождения с потовыми железами.
12. Пищеварительные секреты. Хотя, согласно условию задачи, нас не интересуют происходящие внутри организма процессы, имеется много примеров выделения этих секретов наружу. Выделяемые вещества, которые вводятся в тело жертвы, могут растворять ткани либо содержать антикоагулянты (пиявки, кровососущие насекомые), включать ядовитые компоненты, обездвиживающие или убивающие добычу (змеи, пауки). Здесь же следует упомянуть бактерицидное действие слюны.
13. Газообмен через кожу. Наиболее характерный пример - выделение углекислого газа амфибиями.
14. В принципе условию задачи удовлетворяют покровы оплодотворенных яйцеклеток и зародышей, в том числе и скорлупа яйца.
ЗАДАЧА 3
Поскольку медики зачастую не имеют возможности получать в достаточных количествах донорскую кровь и плазму, крайне актуально производство заменителей, пригодных для использования при кровопотерях. Каким требованиям должны удовлетворять эти заменители? (Экономические, эстетические и прочие требования, не связанные с теми эффектами в человеческом организме, которые вызывают рассматриваемые заменители, при проверке учитываться не будут.)
Кровезамещающие жидкости (кровезаменители) - средства, применяемые с лечебной целью для выполнения одной или нескольких физиологических функций крови. Все кровезаменители должны отвечать следующим требованиям:
- быть безвредными для организма,
- не обладать токсичностью и пирогенностью,
- полностью выводиться или усваиваться организмом,
- сохранять при хранении стерильность и стабильность,
- при повторных введениях не вызывать иммунного ответа,
- не образовывать при взаимодействии с кровью вредных продуктов и не вызывать ее свертывания.
Кроме этих очевидных требований, определяемых соображениями безопасности, имеются и требования, которые вытекают из функционального использования кровезаменителей. Бывают различные ситуации, когда необходимы кровезаменители.
1. Для предотвращения шокового состояния в результате кровопотери или травмы применяют гемодинамические кровезаменители. Их главная задача - длительное время задерживаться в кровяном русле и поддерживать кровяное давление. Поэтому необходимо, чтобы они обладали сравнительно высокой молекулярной массой (30-70 кДа). Такие кровезаменители производят преимущественно на основе декстрана и желатины.
2. При интоксикации организма (некоторых желудочно-кишечных заболеваниях, сепсисе, болезнях печени и др.) используют дезинтоксикационные кровезаменители. Они должны связывать токсичные вещества и выводить их сначала из крови, а потом и из организма. Такие кровезаменители должны обладать низкой молекулярной массой (6-15 кДа), чтобы легче выводиться. Их производят на основе синтетического полимера поливинилпирролидона (ПВП). ПВП не расщепляется ферментными системами, способен связывать токсины и выводиться с ними через почки или кишечник.
3. При нарушении азотистого баланса, белковой недостаточности, невозможности обычного приема пищи, в послеоперационный период, при травмах и в некоторых других ситуациях используют кровезаменители для парентерального питания. Они должны усваиваться и участвовать в белковом, углеводном и липидном обменах. В качестве таких препаратов применяют смеси аминокислот с глюкозой и жирными кислотами, сбалансированные в оптимальных соотношениях для синтеза белка в организме.
4. При травматическом и ожоговом шоке применяют кровезаменители - регуляторы водно-солевого и кислотно-щелочного равновесия. Основное требование к ним - необходимое соотношение солей.
Разумеется, независимо от клинических показаний крайне важна пригодность кровезаменителей для осуществления основных функций крови. В используемых растворах должен хорошо растворяться кислород, они не должны отличаться от крови по pH, осмотическому давлению и пр.
ЗАДАЧА 4
При разведении некоторой аквариумной рыбки вы столкнулись с проблемой. Хотя ваши подопечные неоднократно откладывали икру, ни разу не происходило вылупления мальков. С чем это может быть связано? Какие меры стоит предпринять, чтобы все-таки получить потомство? (К сожалению, вы не имеете возможности проконсультироваться у специалиста или съездить в экспедицию для изучения этого вида рыб в природных условиях.)
Попытаемся классифицировать возможные причины.
1. Исходная неполноценность икры:
- генетическая неполноценность самки;
- измененная структура оболочек икры.
2. Икра не оплодотворена:
- все имеющиеся у вас особи - самки, и оплодотворять отложенную икру попросту некому;
- генетическая болезнь самца;
- самец и самка - не одного вида, а двух близких видов с неполной репродуктивной изоляцией: брачное поведение сходно, а половые клетки несовместимы;
- самец не оплодотворил икру из-за индивидуальных аномалий в поведении или отсутствия в аквариумной среде факторов, стимулирующих этот процесс;
- самец не достиг половозрелости.
3. Икра оплодотворена, но зародыши не развиваются:
- неоптимальны для развития температура, состав воды, содержание кислорода, фотопериод или иные внешние условия (например, икра некоторых сомовых может развиваться только в темноте или при коротком световом дне);
- на икре заводятся бактерии или грибки, которые имеются в воде вашего аквариума;
- трансовариально передается какое-то бактериальное или вирусное заболевание;
- нарушено родительское поведение (обмахивание икры плавниками, выбраковка загнивших икринок и пр.);
- родители съедают отложенную икру.
К сожалению, нельзя "из общих соображений" придумать условия содержания, которые окажутся оптимальными как раз для вашего вида рыб. Конечно, можно вспомнить рекомендации, которые даются для начинающих аквариумистов и считаются более-менее универсальными: какую температуру воды поддерживать, сколько раз в день кормить. Если попытки получить потомство проделывались при температуре 10 или 30?С, то направление, в котором следует провести изменения, очевидно. Однако выбрать конкретные условия из "разумного интервала" - задача весьма трудоемкая. Сложность ее в первую очередь обусловлена тем, что развитие икры может происходить лишь при определенном сочетании нескольких факторов, а значит, эти факторы нельзя оптимизировать поодиночке. Будет ли достигнут успех при отсутствии дополнительной информации о вашем виде рыбок - во многом зависит от случая. Приступая к исследованиям, рекомендуется разобраться, на какой стадии останавливается развитие икры, использовав для этого микроскопию и хромосомный анализ. Крайне полезно представлять, пригодны ли условия обитания в вашем аквариуме для близких видов. Вероятно, с этой целью стоит отгородить часть аквариума, поселить там самца и самку какого-либо родственного вида (биология которого хорошо изучена) и выяснить, будет ли успешным их размножение. Такой тест намного проще и эффективнее, чем изучение свойств всех микроскопических обитателей вашего аквариума. Если у вас нет оснований предполагать, что выращиваемые рыбы заботятся об отложенной икре, то целесообразно разделить кладку на несколько частей и поместить их в условия, отличающиеся по температурному, световому и пр. режимам. Отобрав опыт, в котором развитие икринок продвинулось наиболее далеко, можно заняться более детальным подбором всего комплекса условий.
ЗАДАЧА 5
Для борьбы с насморком используют множество приемов: разнообразные медикаменты, лечебные процедуры и пр. Воздействия на какие процессы в организме человека могут привести к тому, что у него пройдет насморк? Опишите, каким образом эти воздействия вызывают желаемый эффект.
Как вы думаете, какие из указанных вами воздействий позволяют излечить любые виды насморка, а какие эффективны лишь в части случаев?
Насморк (ринит) - воспаление слизистой оболочки носовой полости (далее в ответе мы будем использовать аббревиатуру СОНП). Он характеризуется отеком СОНП, затрудняющим носовое дыхание, и обильными слизистыми выделениями. Различают острый, хронический и вазомоторный ринит. Вазомоторный ринит, в свою очередь, подразделяется на нейровегетативный и аллергический.
Как видим, задача борьбы с насморком достаточно естественно распадается на пять подзадач - устранение причин при каждом из четырех механизмов возникновения ринита и борьба с симптомами (общими).
1. Острый насморк возникает при воздействии на СОНП возбудителей вирусной или бактериальной инфекции и может сопутствовать острым инфекционным болезням. Его лечение можно осуществлять закапыванием в нос растворов антибиотиков (например, пенициллина), которые уничтожат возбудителей, вызывающих воспаление. Эффективны и другие антисептики - скажем, лук или чеснок. Местно применяют сосудосуживающие средства: эфедрин, нафтизин и др. Поскольку инфекция может захватить многие органы, то полезны и другие способы введения антибиотиков (например, пероральный).
2. При хроническом рините происходят морфологические изменения СОНП, сосудов, а в тяжелых случаях также надкостницы и кости. Лечение такое же, как и при остром рините, но в некоторых случаях требуется оперативное вмешательство.
3. Нейровегетативная форма вазомоторного ринита наблюдается у лиц с дисфункцией вегетативной нервной системы. В ее основе лежат вазомоторные расстройства, при которых малейшие непосредственные или рефлекторные раздражения (охлаждение, резкий запах и др.) ведут к бурной реакции СОНП. Для лечения применяют рефлексотерапию, дыхательную гимнастику и закаливание, прижигание рефлексогенных зон, ультразвуковую терапию. Сосудосуживающие препараты применять нельзя, так как они усугубят вазомоторные нарушения.
4. Аллергический ринит может быть сезонным или постоянным. Сезонный связан с повышенной чувствительностью СОНП к пыльцевым и грибковым антигенам, постоянный - с повышенной чувствительностью к домашней или производственной пыли, пищевым, лекарственным и другим аллергенам. Аллергическую природу ринита устанавливают при помощи иммунологических тестов. Для лечения используют локальную иммунотерапию. Применяют антагонисты гистамина, ацетилхолина и других медиаторов аллергических реакций, блокирующие соответствующие рецепторы клеток СОНП (димедрол, диазолин и др.), вещества, связывающие свободный гистамин, и ингибиторы высвобождения гистамина.
5. Антигистаминные препараты могут снимать отек СОНП при любых видах насморка. Достаточно универсальными средствами для очистки носовой полости являются также ингаляции (ментол, эвкалипт и др.), тепловые процедуры, промывание морской солью, специальные дыхательные упражнения. В конце концов можно просто высмаркиваться - это тоже несколько ускорит выздоровление.
ЗАДАЧА 6
Отставной поручик Чебурков, уезжая из своего поместья на слет однополчан, поручил почистить заросший пруд - любимое место рыбалки. Слуги прорыли канал в соседнюю реку, спустили туда воду из пруда, выгребли с открывшихся поверхностей накопившийся ил (и все остальное, что находилось на дне пруда), а потом засыпали канал и наполнили пруд водопроводной водой. Когда возмущение вернувшегося поручика достигло предела, слуги придумали, как загладить свою вину. К счастью, имелась заводь, которая была осушена не до конца, а затем оказалась изолированной от основной части водоема (в пруд налили меньше воды, чем требовалось). Слуги пообещали Чебуркову завтра же прорыть канал, объединяющий эту заводь и пруд. Однако поручик не признал такой способ достаточным для восстановления исходного сообщества обитателей пруда. Почему? (Постарайтесь привести как можно больше аргументов.)
Очевидно, что при описанной очистке будут утрачены многие виды, входившие в состав сообщества пруда. Сначала их могли спустить вместе с прудовой водой - в первую очередь это относится к фитопланктону. А практически всех донных обитателей после этого выгребли вместе с илом. В описании "очистных мероприятий" ничего не говорится об отлове рыбы перед спуском воды. По-видимому, многие из этих столь любимых Чебурковым обитателей пруда тоже были "смыты" в реку. Так что возмущение Чебуркова понятно. Но, может быть, обитатели заводи позволят решить все возникшие проблемы? К сожалению, нет.
Начнем с того, что условия среды обитания (температура воды, газовый состав, освещенность и пр.) в заводи и в остальной части озера, скорее всего, неодинаковы. В связи с этим набор видов в заводи может оказаться неполным, и восстановление исходного сообщества пруда в полном объеме станет нереальным в принципе. (Хотя, конечно, многие мелкие организмы могут быть впоследствии занесены в пруд из окрестных водоемов по воздуху.)
Организмы, для которых водоем - источник пищи, но не среда обитания, могут в ответ на его осушение мигрировать к соседнему водоему. Понадобятся дополнительные мероприятия, чтобы вернуть, например, всех живших у пруда птиц.
Но пусть даже в заводи представлено все видовое разнообразие пруда. Вследствие изначальной частичной изолированности заводи обитающие в ней особи могут (в отличие от остальных особей того же вида) быть сильно приспособлены к местным условиям. (Разумеется, это не относится к особям, которые случайно попали в заводь во время чистки пруда.) Поэтому нельзя гарантировать, что заселение всего водоема пройдет быстро и безболезненно. Так, вода в неглубокой заводи намного теплее, и далеко не всех рыб "прельстит" перспектива перебраться в более холодную воду.
Проблемы, связанные с ограничением миграции из заводи, могут быть также обусловлены рельефными особенностями дна или малой подвижностью организмов. Конечно, рано или поздно эти преграды будут преодолены, но процесс может существенно затянуться.
Малого количества рыб какого-то вида, оставшихся в заводи, может оказаться недостаточно для восстановления популяции (если все они одного пола и пр.). К тому же существенным становится риск вымирания популяции из-за каких-то случайных причин уже после "очистных мероприятий".
Важно, что разные виды значительно отличаются по потенциальной скорости роста. Поэтому численность одних популяций будет восстанавливаться быстрее, других - медленнее. Сообщество пруда преодолеет ряд стадий, прежде чем достигнет равновесного (климаксного) состояния. Этот процесс (сукцессия) может растянуться на многие годы.
Если очистка пруда совпала с сезоном размножения каких-то видов, то вместе с содержимым дна будет удалена отложенная икра. Это, безусловно, увеличит сроки восстановления сообщества.
В принципе во время очистки в пруд могут быть занесены (на сапогах слуг) какие-то микроскопические организмы, которые ранее здесь не обитали. Не исключено, что они, прижившись в пруду, окажут ощутимое влияние на структуру межвидовых взаимоотношений.
В результате проведенной очистки из пруда удалили почти все плавающие или донные предметы, которые могли служить укрытиями или субстратом для обрастаний. При их отсутствии жизнедеятельность многих видов будет существенно нарушена.
Очистка пруда нарушит функционирование наземных экосистем, которые непосредственно контактируют с прудом. Можно описать различные конкретные варианты этих нарушений.
Но, пожалуй, самое главное последствие безграмотной "очистки" пруда - значительное падение трофности водоема из-за удаления ила и водной растительности. Нехватка органических веществ в воде надолго затруднит жизнедеятельность многих видов.
Водопроводная вода, которой заполнили пруд после очистки, может оказаться непригодной для проживания обитателей пруда. Ее ионный состав и pH в любом случае отличаются от прежнего. При обработке питьевой воды используют различные окислители; эти вещества (или их производные) могут оказать негативное влияние на состояние обитателей пруда.
ЗАДАЧА 1
К вам обратился за советом приятель, сочиняющий научно-фантастические романы. В его новом произведении рассказывается об ученом, которому удалось изменить ход эмбрионального развития древесных обезьян, в результате чего у них вместо обычных передних конечностей стали развиваться крылья - такого же размаха, как у птиц сходных размеров. Ваш приятель считает (и основывает на этом сюжет романа), что обезьяны благодаря своей ловкости и сообразительности быстро освоят крылья и станут с их помощью летать так, как птицы.
Согласны ли вы с этим мнением? Изложите аргументы в поддержку вашей точки зрения.
Итак, достаточно ли наличия крыльев для полета? Многие особенности строения птиц являются приспособлениями к полету. Отсутствие даже части этих признаков сделает поставленную задачу крайне трудной, а если создавать "летунов" на основе обезьян, вовсе лишенных таких приспособлений, то неудачу можно считать гарантированной.
Перечислим, какие приспособления следует принять во внимание (и отразить в ответе).
Скелет птиц легкий, так как кости заполнены воздухом. На грудине имеется вырост - киль, к которому крепятся мощные летательные мышцы. Интересно, что у нелетающих птиц (например, у страусов) киля нет. При передвижении по земле птицы опираются только на нижние конечности (крылья для этой цели непригодны), поэтому кости ног у них очень прочные. Шея длинная и подвижная, что облегчает ориентацию в полете. А вот подвижность позвоночника весьма ограничена (многие позвонки срастаются), чтобы обеспечить надежную опору крыльям и нижним конечностям.
Наиболее мощные мышцы, осуществляющие движения конечностей, расположены на туловище, а их сухожилия идут к конечностям. Потому тело компактно и хорошо отвечает требованиям аэродинамики. Очень сложно устроена мускулатура шеи (иначе добычу не схватишь, да и в воздухе не поймешь, куда лететь). В мышцах много миоглобина, позволяющего создавать запас кислорода, а при интенсивной работе использовать его.
Полет требует интенсивной работы мышц, которые должны обильно снабжаться кислородом. Однако увеличение количества крови затруднило бы полет. Проблема решается за счет высокой скорости движения крови по сосудам: кровь быстрее возвращается в легкие и чаще захватывает там кислород. Такую скорость обеспечивает высокое кровяное давление (птицы по сравнению с млекопитающими - гипертоники), а значит, сердце должно сокращаться с большей силой и высокой частотой.
У птиц существует "двойное дыхание": богатый кислородом воздух проходит через легкие и при вдохе, и при выдохе, причем в одном и том же направлении. Это обеспечивается воздушными мешками, занимающими большой объем в теле птицы, и системой соединений между ними.
Поскольку полет связан с большими потерями энергии, птицы едят намного больше, чем млекопитающие с такой же массой тела. Пищеварение происходит очень быстро.
ЗАДАЧА 2
Д-р Паганель много читал о том, что биологические методы борьбы с вредителями имеют ряд преимуществ по сравнению с химическими. В качестве примера в литературе очень часто описывались наездники. Эти похожие на ос насекомые откладывают яйца в тела других насекомых. Вылупившиеся личинки наездника "заживо съедают" хозяина.
И вот во время экспедиции д-р Паганель открыл новый вид наездников, паразитирующих на гусеницах различных бабочек. Конечно же, натуралист привез этих наездников в родные края и выпустил по соседству с полями, садами и огородами. "Мое возвращение из очередной экспедиции, - рассуждал д-р Паганель, - как раз совпадет с открытием памятника, который благодарные сограждане воздвигнут в мою честь".
Не слишком ли самонадеян д-р Паганель? Опишите различные варианты того, какие последствия может вызвать его "гражданский подвиг".
1. Пожалуй, наиболее вероятно вымирание привезенных наездников (перемена климата, отсутствие подходящих гусениц, неприспособленность к местным заболеваниям, проигрыш в конкуренции). Необязательно к моменту возвращения д-ра Паганеля погибнут все выпущенные им наездники, однако в данной ситуации вряд ли "благодарные сограждане" заинтересуются его активностью. (Впрочем, популяция наездников д-ра Паганеля и до вымирания может принести много неприятностей - см. ниже.)
2. Возможно, что наездники оправдают возлагавшиеся на них надежды и обеспечат резкое снижение численности гусениц. Каковы могут быть последствия этого?
2а. Так как наездники обычно специализируются на определенном круге добычи, то падение численности одних видов гусениц вызовет уменьшение конкуренции, а значит, рост численности других видов.
2б. Не исключено, что наиболее привлекательными для привезенных наездников окажутся как раз те гусеницы, которые кормятся на сорняках, а не на культурных растениях.
2в. Нехватка пищи снизит численность хищных насекомых (стрекоз, ос), что может вызвать рост количества мух и комаров.
2г. Снижение численности бабочек затруднит опыление ряда растений.
2д. Возможны эпифитотии, так как гусеницы перестанут поедать ослабленные растения.
3. Выпустив наездников, д-р Паганель вполне мог включить в экосистему новых сверхпаразитов и возбудителей заболеваний. Их распространение на другие виды вызовет многообразные последствия дисбаланса численности разных видов.
4. Наездники могут выделять какие-то вещества, которые для людей или других живых организмов окажутся высокотоксичными или аллергенными. В принципе можно порассуждать и о неблагоприятном влиянии этих выделений на "творения рук человеческих", хотя вероятность такой ситуации невелика.
5. Новый вид может стать резервуаром для каких-либо паразитов или болезнетворных организмов, вследствие чего их численность в природном сообществе значительно возрастет.
ЗАДАЧА 3
В практике садоводов широко используется обрезание кроны плодовых деревьев. В разных случаях применяют подрезку (отрезают верхнюю часть ветки) или вырезку (удаляют боковое ответвление целиком у основания).
Какую пользу приносят указанные операции? Постарайтесь указать как можно больше соображений.
Между побегами растения существует конкуренция:
- как за выгодное положение в пространстве (от этого зависит освещение побега и до некоторой степени посещение опылителями);
- так и за распределение веществ, поступающих от корней (какой побег "притянет" больше, тот и разовьется мощнее).
Основной регулятор этой конкуренции - гормон ауксин, который непрерывно синтезируется в верхушках (апексах) побегов и распространяется оттуда вниз. Именно ауксин вызывает эффект апикального доминирования побеговой системы. Апекс главного побега, сформировавшись раньше, чем апексы боковых, посредством ауксина стимулирует рост главного побега и тормозит развитие апексов боковых почек. В результате сами боковые почки ауксина выделяют мало.
(Кроме этого, ауксин регулирует ростовое изгибание стебля по направлению к свету, ускоряет развитие ксилемы в молодом побеге, влияет на скорость созревания плодов.)
Основная цель обрезания крон плодовых деревьев - изменение исхода конкуренции между побегами. С этим связан ряд последствий.
1. При удалении апекса главной оси ствола или ветки усиливается развитие нескольких боковых осей на оставшейся нижней части. Благодаря этому увеличиваются пространство кроны и общая листовая поверхность дерева, что в целом улучшает его состояние.
2. При удалении старого апекса главной оси развиваются более молодые апексы боковых побегов. В побеговой системе восстанавливается высокая интенсивность процессов роста и плодоношения. Общая длительность генеративного периода и жизни дерева возрастает.
3. Обычно при обрезании удаляют либо затеняющие побеги, либо, наоборот, затененные и угнетенные, которые "впустую" оттягивали минеральные вещества. Поэтому оставшиеся боковые ветви чувствуют себя лучше. Зачастую это напрямую влияет на урожай: у многих деревьев плоды развиваются на укороченных боковых побегах, которые нуждаются в хорошем освещении.
4. Обрезание формирует выгодное направление роста скелетных осей дерева, при котором снижается вероятность обламывания ствола и веток под собственной тяжестью. Если же после подрезки главного побега усилится и примет на себя лидерство горизонтальный боковой побег, то приходится подрезать уже его, чтобы стимулировать развитие скелетной оси в более вертикальном направлении.
5. Омоложение побеговой системы и изменение конкуренции между побегами важны при проведении прививок. Так, черенки для привоя рекомендуется заготавливать из молодых боковых побегов, развившихся после подрезки главного. Через некоторое время после прививки желательно удалить верхнюю часть главного побега подвоя над привоем, чтобы передать привою лидерство в побеговой системе.
Есть и другие соображения, обусловливающие целесообразность обрезания ветвей.
6. Часто обрезка кроны имеет санитарное значение: удаляются сухие или пораженные грибами побеги. Важно максимально удалить поврежденные части (вырезка), чтобы очаг инфекции не сохранился в их остатках.
7. Подрезка может использоваться, чтобы удалить окончания побегов, пораженные во время сильных или поздних (весенних) заморозков.
8. Вырезка боковых побегов целиком (до основания) препятствует образованию гниющих сучков.
9. Дополнительная польза от грамотного обрезания ветвей может состоять в облегчении сбора урожая и проведения мероприятий по уходу за деревом.
10. Наконец, обрезание может понадобиться для того, чтобы воспрепятствовать переплетению крон близко посаженных деревьев. Конечно, неквалифицированный выбор обрезаемых ветвей приведет к тому, что данное мероприятие окажется не полезным, а вредным.
От школьников, разумеется, не требовалось, чтобы в своих ответах они детально описали механизм действия ауксина. Но большинство версий вполне можно вывести и из общих соображений - даже если вы вообще незнакомы с фитогормонами.
ЗАДАЧА 4
Чтобы выжить в приливно-отливной зоне, многим ее обитателям приходится совершать суточные миграции в соответствии с изменениями уровня воды. При рассмотрении этих миграций возникает интересная проблема: как животные разных видов определяют, что им "пора отправляться в путь"? Предложите различные гипотезы и опишите способы их экспериментальной проверки.
Учтите, что некоторые из этих животных неспособны быстро передвигаться, а значит, им нужно начинать перемещение вниз (вверх) еще до начала отлива (прилива).
От школьников при решении данной задачи требовалось в общем-то немного. Они не должны были угадывать механизмы, которые в действительности используют те или иные конкретные животные. Вполне достаточен перечень тех признаков, которые свидетельствуют о приближении прилива (отлива) и могут быть в принципе обнаружены животными. Вопрос о том, какие из параметров лучше других, можно дополнительно обсудить при разборе результатов олимпиады, но в поставленную перед школьниками задачу он не входил.
Итак, предлагаем гипотезы о том, как животные разных видов определяют, что им "пора в путь-дорогу".
1. Многие животные имеют барорецепторы и способны реагировать на изменение давления воды. Во время отлива слой жидкости над животным становится меньше, а следовательно, уменьшается и давление. Ну а во время прилива с увеличением слоя воды над животным растет и давление.
2. Животные чувствуют изменения температуры воды. Температура на грунте в приливно-отливной зоне в зависимости от уровня воды колеблется весьма ощутимо.
3. В дневное время животные могут определять уровень воды по изменениям освещенности. Параметр этот, честно говоря, довольно неудачен, так как на величину освещенности действует и ряд других факторов.
4. У многих водных животных имеются органы чувств, воспринимающие даже очень слабые токи воды. Реальность их применения для детекции приливов и отливов сомнительна, но выдвинуть и проверить такую гипотезу можно.
5. Те организмы, которые обитают чуть выше кромки воды, могут при миграциях руководствоваться, например, изменениями влажности грунта.
6. Животные могут сами и не чувствовать приближения прилива или отлива, а передвигаться вслед за организмами других видов (например, хищники - за своей добычей).
7. Вполне возможно, что миграции животных управляются внутренними циклическими процессами ("биологические часы"), а внешние факторы играют в этом лишь вспомогательную роль, предотвращая случаи значительного нарушения биоритмов.
Гипотезы, в которых миграцию животных инициируют какие-то внешние физические факторы (см. п. 1-4), проверять проще всего. Нужно в искусственном водоеме или специально подготовленной для исследований части естественного изменять уровни этих факторов и следить за поведением животных. О наличии "биологических часов" будет свидетельствовать сохранение суточной периодичности миграций, когда частоту приливов искусственно повысили или понизили. Используются ли какими-то видами "живые барометры", можно выяснить в модельных экосистемах с неполным видовым составом или же по наличию специфических поведенческих реакций на эти виды-"барометры".
ЗАДАЧА 5
Как изменяется работа человеческого организма в невесомости? Постарайтесь разделить перечисленные вами изменения на две группы: проявляющиеся в первые часы и во время длительного пребывания в невесомости.
Предложите и обоснуйте меры, использование которых космонавтом после длительного пребывания в невесомости позволит ему быстро адаптироваться к обычным гравитационным условиям.
Говоря о первых часах в космосе, следует вспомнить, что выход на орбиту сопряжен со стартовыми перегрузками. В результате перегрузки происходит перераспределение крови и лимфы и смещение внутренних органов, особенно в брюшной полости. Нетипичная импульсация с рецепторов вызывает торможение регуляторных структур мозга. Это часто приводит к расстройству функций зрительного анализатора и нарушению зрения (туман перед глазами, низкая четкость изображения, потеря цветности и пр.).
Выход на орбиту в первую очередь влияет на работу гравитационно-зависимых систем организма: скелета и скелетных мышц, вестибулярного аппарата, сердечно-сосудистой системы. Первичные изменения связаны с выпадением отдельных сенсорных функций (прежде всего вестибулярной), практически полным исчезновением гидростатических градиентов и веса. Возможны слабость, тошнота, рвота. Происходит также перераспределение крови и лимфы из нижних конечностей.
Дальнейшие последствия невесомости сгруппируем по системам органов.
Опорно-двигательная система. Наблюдаются нарушение обменных процессов и деминерализация костей (утрата кальция). Ощутимо атрофируются скелетные мышцы, ухудшаются их скоростно-силовые характеристики, исчезает характерный для земных условий тонус покоя, снижается работоспособность.
Дыхательная система. Уменьшение жизненной емкости легких из-за поднятия вверх диафрагмы.
Сердечно-сосудистая система. Изменяются микроциркуляция, венозный тонус, регуляция артериального давления. Первичное перераспределение крови воспринимается организмом как увеличение объема крови. В результате активируются нейроэндокринные механизмы регуляции, и организм теряет часть внутрисосудистой жидкости.
Система кроветворения и иммунная система. В ответ на снижение объема плазмы (см. выше) регуляторные механизмы уменьшают количество эритроцитов и содержание гемоглобина. Наблюдается и снижение числа клеток белой крови, в частности лимфоцитов, которым принадлежит важнейшая роль в осуществлении иммунных реакций.
Длительное (многомесячное) пребывание в космосе вызывает ряд гормональных изменений. Так, снижается активность гипоталамуса, поджелудочной и щитовидной желез, понижается выделение катехоламинов. Следствием этого становятся метаболические перестройки - снижение энергетического баланса, уровней ферментативной активности и пр.
Обычно используют следующие методы коррекции неблагоприятного воздействия невесомости.
1. В самом начале пребывания на Земле рекомендуют находиться в горизонтальном положении и лишь постепенно переходить к вертикальному.
2. Система возрастающих по интенсивности физических упражнений. Велоэргометр поддерживает работу сердечно-сосудистой системы. Бег на бегущей дорожке помогает восстановить опорно-двигательный аппарат и навыки управления движением. Силовые упражнения поддерживают скоростно-силовые характеристики мышц.
3. Весьма полезным оказывается плавание в бассейне, при котором в условиях "псевдоневесомости" происходит восстановление мышц.
4. Используются также специальные резиновые штаны и чулки, которые сдавливают ноги и не дают венам ног переполняться.
5. Коррекция дефицита питательных веществ и структурных элементов: добавка к пище солей кальция, железа, витаминов и т.д.
6. В связи с ослабленным иммунитетом важны ограничение контакта с потенциальными возбудителями заболеваний и профилактика простуд.
ЗАДАЧА 6
Из записных книжек Кифы Мокиевича:
"Известно, что снижение температуры на 10? уменьшает скорость большинства химических реакций в 2-3 раза (правило Вант-Гоффа). Этот факт находится в несомненном противоречии с катастрофическими последствиями, к которым приводит охлаждение человеческого тела. Ситуация, когда из-за интенсивных теплопотерь температура тела не может поддерживаться на обычном уровне, вызывает необратимые изменения в организме. В частности, гибельным оказывается даже кратковременное снижение температуры тела замерзающего человека до 15-20?C. А ведь, согласно Вант-Гоффу, при этом химические реакции всего-навсего замедляются в несколько раз. Для объяснения данного чуда придется вернуться к давно забытому понятию жизненной силы и допустить, что эта субстанция улетучивается при низких температурах".
Надеемся, что в ваших рассуждениях не понадобится прибегать к "жизненной силе". Какими же причинами вызываются тяжелые последствия понижения температуры человеческого тела?
Все протекающие в живом организме химические реакции зависят от температуры. У холоднокровных животных интенсивность процессов превращения энергии возрастает пропорционально внешней температуре в соответствии с правилом Вант-Гоффа. Это правило отчасти применимо к теплокровным, но данная зависимость маскируется у них другими эффектами. Для поддержания постоянной температуры тела теплопродукция должна равняться теплоотдаче. При охлаждении организма теплоотдача увеличивается. Необходимая дополнительная теплопродукция обеспечивается следующими способами:
- непроизвольная активность локомоторного аппарата, в том числе дрожь;
- ускорение обменных процессов, не связанных с сокращением мышц (недрожательный термогенез).
Необходимо также максимально сохранить имеющееся тепло. Этой цели служат сужение периферических кровеносных сосудов и снижение (прекращение) потоотделения.
Перечисленные механизмы эффективны только в определенных пределах изменения температуры. В этом случае патологических нарушений не наблюдается - организм сам регулирует свое состояние.
Приступая теперь к непосредственному рассмотрению гипотермии, мы будем обращаться к описанным выше нормальным механизмам поддержания температуры тела и увидим, что как раз они во многом ответственны за патологические состояния. Итак, почему же человеческий организм не может перенести снижение температуры всего-навсего на 20??
Сначала в охлаждающемся организме процессы терморегуляции включаются на полную мощность (фаза компенсации): активируется центральная нервная система, интенсивно выделяются гормоны гипоталамусом, гипофизом и надпочечниками, происходит мобилизация депонированных липидов и гликогена. Но ресурсы молекул-регуляторов ограничены, и с дальнейшим понижением температуры скорость обменных процессов снижается. Однако обеспечить адекватное замедление всех биохимических реакций в равной степени невозможно. Наступает фаза декомпенсации, во время которой происходят многочисленные серьезные (порой необратимые) изменения в организме. На этой стадии наблюдается истощение клеток нервной системы и эндокринных желез. Энергетические ресурсы исчерпываются, подавляется микросомальное окисление субстратов, а следовательно, снижается теплообразование. Отмечается повышенное образование продуктов перекисного окисления липидов, нарушение проницаемости мембранных структур. Снижается тонус артериальных сосудов, падает среднее капиллярное давление, шунтируется кровоток через артериовенозные анастомозы. Эффективность работы сердца снижается из-за уменьшения притока крови и внутриклеточных изменений. (При температуре тела около 28?C человек может погибнуть из-за фибрилляций сердца.) Повышенное выведение почками калия, натрия, кальция нарушает состав крови, межклеточных и внутриклеточных жидкостей. Углубляется гипоксия, накапливается молочная кислота.
Следует упомянуть и несколько соображений биохимического плана.
1. Хотя правило Вант-Гоффа применимо к большинству химических реакций, но есть и исключения. Обычно они связаны не с какими-то хитрыми особенностями термодинамики и кинетики, а с тем, что на рассматриваемый температурный интервал приходятся серьезные изменения пространственной структуры субстратов и продуктов реакции. А, например, агрегировавший субстрат становится значительно менее доступным для гидролизующих его ферментов.
2. От температуры ощутимо зависит распределение молекул в гетерогенных системах. При снижении температуры на несколько градусов распределение какого-то вещества в водных и гидрофобных "участках" клетки, а также структура разнообразных мицелл могут резко измениться.
3. Многие биохимические процессы являются многоступенчатыми - представляют собой последовательность из нескольких реакций. Падение скорости каждой реакции в 2-3 раза зачастую влечет за собой совокупное снижение скорости процесса в десятки и сотни раз.
4. Снижение концентрации какого-то вещества ниже нормы вызывает включение дополнительных метаболических путей, направленных на восстановление количества этого вещества. А ход этих дополнительных реакций при гипотермии тоже нарушен.
5. Очень значительно может зависеть от температуры скорость многих ферментативных реакций. Даже локальные изменения конформации белка порой существенно сказываются на его активности, и как результат - на совокупной скорости процесса.
ЗАДАЧА 1
У всех клеточных организмов наследственная информация хранится в форме двухнитевой ДНК. Чтобы получить белки, с этих матриц синтезируются молекулы РНК, а уже с РНК - аминокислотные цепочки. А для того чтобы передать наследственную информацию, на основе ДНК-овых матриц клетки-родителя синтезируются новые молекулы ДНК, которые достаются клеткам-потомкам.
Мир вирусов в этом отношении куда разнообразнее. Для хранения наследственной информации одни вирусы используют двухнитевую ДНК, другие - однонитевую ДНК, третьи - двухнитевую РНК, четвертые - однонитевую РНК.
Для каждого из этих четырех вариантов опишите:
- с использованием какой последовательности матриц синтезируются вирусные белки и новые носители вирусной генетической информации;
- какие из указанных вами процессов матричного синтеза могут быть осуществлены теми ферментами, которые уже имеются в здоровой клетке, а какие требуют появления в клетке новых ферментов после ее заражения вирусом.
а) Вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК.
Последовательность матриц:
двухцепочечная ДНКодноцепочечная РНК белок;
двухцепочечная ДНК две двухцепочечные ДНК (репликация).
Все эти процессы могут осуществляться ферментами, имеющимися в здоровой клетке. Однако необходимы регуляторные белки, обеспечивающие репликацию вирусной ДНК с более высокой частотой, чем клеточной ДНК. Тем не менее во многих вирусах закодированы специфические ферменты репликации ДНК, а аналогичные "хозяйские" белки не используются. При синтезе белка всегда используется аппарат клетки-хозяина.
б) Вирусы, содержащие одноцепочечную ДНК.
Последовательность матриц:
одноцепочечная ДНКодноцепочечная РНК белок;
одноцепочечная ДНКдвухцепочечная ДНК одноцепочечная ДНК.
Первая последовательность синтезов может осуществляться ферментами клетки-хозяина. Для второй последовательности необходимы специфические вирусные ферменты, обеспечивающие синтез одноцепочечной ДНК с использованием двухцепочечной матрицы. Превращение одноцепочечной формы ДНК в двухцепочечную и репликация двухцепочечной ДНК могут осуществляться ферментами клетки-хозяина.
в) Вирусы, содержащие двухцепочечную РНК.
Последовательность матриц:
двухцепочечная РНКодноцепочечная РНК белок;
двухцепочечная РНКодноцепочечная РНК двухцепочечная РНК.
Для первой последовательности синтезов необходима вирус-специфичная РНК-зависимая РНК-полимераза, осуществляющая синтез одноцепочечной (информационной) РНК с использованием двухцепочечной РНК-овой матрицы. Синтез белка может идти на основе одноцепочечной и-РНК ферментами клетки-хозяина. Для второй последовательности синтезов нужна РНК-зависимая РНК-репликаза, осуществляющая превращение одноцепочечной РНК (которую синтезировала РНК-зависимая РНК-полимераза) в двухцепочечную форму.
г) Вирусы, содержащие одноцепочечную РНК.
Возможны два варианта.
1. Последовательность матриц:
одноцепочечная РНК белок;
одноцепочечная РНКдвухцепочечная РНК одноцепочечная РНК.
Первая последовательность синтезов может осуществляться ферментами клетки-хозяина, вторая - требует вирусспецифичных белков.
2. Последовательность матриц:
одноцепочечная РНК белок;
одноцепочечная РНК гибрид РНК-ДНК двухцепочечная ДНК одноцепочечная РНК.
Получаемые в результате одноцепочечные РНК могут использоваться и как матрицы для синтеза белков, и для включения в состав новых вирусных частиц.
Превращение одноцепочечной РНК в гибрид РНК-ДНК, а затем в двухцепочечную ДНК осуществляется вирус-специфичной РНК-зависимой ДНК-полимеразой (обратной транскриптазой), для дальнейших же синтезов достаточно ферментов клетки-хозяина.
ЗАДАЧА 2
Представьте себе, что по поручению зоопарка вы направились в экспедицию. В данный момент вы летите на вертолете над тропическим лесом и выбираете место посадки. На этом месте вам предстоит разбить лагерь, в который местные жители будут приносить отловленных ими животных. Какими соображениями вы станете руководствоваться, выбирая место для лагеря, чтобы собрать богатую коллекцию животных и благополучно сохранить их до возвращения вертолета (то есть в течение нескольких месяцев)?
Оставив решать летчику, сможет ли он посадить вертолет в выбранной вами точке, перейдем сразу к биологическим особенностям местности.
1. Самое первое соображение (в любой ситуации) состоит в том, что неподалеку от лагеря должен быть источник воды. В данном случае, раз в лагере собираются держать долгое время, неизвестно, сколько животных, то источник должен быть обильным и непересыхающим (крупный ручей, река или озеро).
2. При обустройстве лагеря понадобится материал для различных построек (хотя бы вольеров и загонов для содержания животных). Таким материалом могут служить стволы и ветки молодых деревьев (заготавливать стволы старых деревьев для этих целей слишком трудоемко). Поэтому имеет смысл высматривать с вертолета прогалины (бывшие вырубки, гари, большие ветровальные поляны) и разбивать лагерь поблизости от них.
3. Прогалины в лесу полезны также тем, что на них легче заготавливать растительный корм. Ведь ветки и листья удобнее обрывать с молодой поросли деревьев. Кроме того, на прогалинах много быстрорастущих растений травянистых видов (типа бананов или бамбука), которые будут быстро восстанавливать кормовой запас при регулярных заготовках. Плодами подобных деревьев кормятся некоторые виды птиц и обезьян, а значит, их удобнее ловить и содержать поблизости от прогалин.
4. Однако многие древесные животные приурочены в тропическом лесу к деревьям поздних сукцессионных стадий. А значит, для их отлова и содержания необходимо находиться поблизости от сомкнутого старого леса.
Суммируя соображения 3 и 4, делаем вывод: надо искать участок с мозаичной структурой растительности (она хорошо просматривается с вертолета).
5. Важным обстоятельством для разбивки лагеря в тропическом лесу является наличие тени. Если лес дождевой, то ее достаточно, а вот если он саванновый, то обширное тенистое место надо подыскивать.
6. Необходимо позаботиться о безопасности лагеря хотя бы от некоторых угрожающих факторов:
- от катастрофического дождевого паводка и крокодилов (место надо выбирать вблизи водоема, но все же на достаточном расстоянии);
- от нападения крупных хищников типа ягуара или леопарда (поскольку они часто охотятся на деревьях, то устройство лагеря на прогалинах, где крупных деревьев нет, частично обезопасит от этой угрозы);
- от заражения людей и животных болезнями, переносимыми насекомыми: например, муха цеце и другие опасные двукрылые обитают в болотистых местностях, где есть условия для развития их личинок, значит, при выборе места для лагеря следует оценивать заболоченность территории - характер растительности позволяет это делать;
- если есть возможность, надо выбирать место, откуда насекомых будет сдувать (например, небольшие возвышенности или морское побережье);
- от пожаров (оптимальна свежая гарь - там новый горючий материал еще не накопился), в первую очередь это соображение относится к саванновым лесам.
7. Раз предполагается контакт с местными жителями, то лагерь выгодно размещать там, куда они могут беспрепятственно добираться с добытыми животными. В этом отношении опять же удобнее всего берег реки. Также надо выяснить, не проходит ли где-нибудь местная дорога.
8. Имеется ряд логичных аргументов в пользу того, чтобы лагерь был размещен в населенном пункте: возможность быстро соорудить постройки, оставить кого-то наблюдать за животными во время ваших отлучек. Да и местным жителям удобнее в промежутках между своими делами зайти в соседний дом, чем отправляться к заезжему натуралисту куда-то в лес. Но удастся ли вам обосноваться в подходящей деревне или имеются какие-то препятствия (относящиеся уже к социальным причинам, а не к биологии) - нужно определять в каждом конкретном случае. Выбор крупных населенных пунктов всегда нежелателен, так как перечень видов, уживающихся вблизи поселений человека, довольно беден.
ЗАДАЧА 3
Цианобактерии (синезеленые водоросли) обладают крайне ценным свойством: они способны связывать атмосферный азот и превращать его в соединения, доступные для других организмов. Ученые уже довольно давно обсуждают возможность выращивания цианобактерий в межклеточных пространствах культурных растений. Успешная реализация этой идеи избавила бы сельское хозяйство от необходимости применять азотные удобрения или другие доступные источники азота (например, чередовать в севообороте интересующую нас культуру и бобовые растения). Как вы полагаете, с какими трудностями столкнется исследователь, занявшись разработкой методов выращивания цианобактерий в межклеточных пространствах растений, которые были бы пригодны для практического использования?
Попытаемся абстрагироваться от организационных и финансовых трудностей и перейдем к непосредственному анализу особенностей поставленной проблемы. С какими же методическими трудностями столкнется исследователь?
1. Этап внедрения цианобактерий в растение. Необходимо разработать способы, при которых минимально повреждается само растение и остаются жизнеспособными клетки бактерий.
2. Обитание бактерий внутри растения. Условия сосуществования могут оказаться неприемлемы для бактерий или растения. В последнем случае растение, возможно, будет отторгать зараженные части.
3. Размножение и расселение цианобактерий внутри растения. Желательно, чтобы симбионты оказались способны сами занимать в растении место, удобное для азотфиксации и обмена ее продуктами с растением.
4. Передача цианобактерий от одного растения к другому. Целесообразность разработки сразу сведется к нулю, если окажется, что в каждое посаженное растение необходимо индивидуально вводить симбионтов с помощью сложного специального оборудования.
5. Передача азотистых соединений от бактерий растению (то, ради чего, собственно говоря, и устраивается нами этот симбиоз). Соседние с цианобактериями клетки надземной части растения могут оказаться неспособны поглощать азотистые соединения извне.
6. Транспорт поглощенного азота. Азотистые соединения должны проникать в сосудистую систему растения.
7. Продукты метаболизма цианобактерий могут оказаться токсичными для растения или для человека, использующего это растение.
8. Если для решения описанных выше проблем понадобится изменять генетический аппарат цианобактерии, то могут возникнуть сложности, связанные с взаимодействием между модифицированными цианобактериями и другими обитателями агроценоза.
ЗАДАЧА 4
Вы хотите, чтобы ваша кошка перестала залезать на книжные полки, а собака - обнюхивать гостей. Какие способы позволят отучить животных от этих привычек?
Какие из способов имеет смысл применять для решения лишь одной из двух стоящих перед вами задач? Почему?
Как известно, "если у вас нет собаки - ее не отравит сосед". Имеются радикальные способы, позволяющие избежать описанных в задаче неудобств: запирать книги в сейфе, не приглашать посторонних и пр. Более деликатные варианты: не пускать кошку в комнаты, где есть полки, а собаку во время визитов гостей запирать в чулане. Но при этом не решается интересующая нас проблема - как же отучить домашних животных от вредных привычек.
Перечислим основные разумные способы. (С их подробным изложением можно познакомиться в книге К. Прайор "Не рычите на собаку!".
1. Наказание за нежелательное поведение (физическое или словесное). Способ этот негуманен и малоэффективен в силу того, что наказание происходит после осуществления нежелательного поведения и не всегда ассоциируется у животных с таким поведением. Кроме того, животные перестанут нарушать "правила поведения" в вашем присутствии и будут продолжать их нарушать, когда вас нет поблизости.
Способ имеет смысл применять в отношении кошки. А вот наказание собаки за контакт с гостями может привести к тому, что она вообще ни к кому подходить не будет и не сможет вас защитить в случае необходимости.
2. Отрицательное подкрепление - негативное воздействие на животное во время нежелательного поведения (водяной пистолет, неприятный для зверя звук и т.п.). В принципе вполне эффективный способ, поскольку связь наказания с "плохим поведением" устанавливается однозначно.
Способ хорош для кошки и плох для собаки по той же причине, что и предыдущий.
3. Угашение поведения. Способ основан на том, что без подкрепления многие виды поведения угасают сами собой. Но поскольку лежание на книжных полках, скорее всего, самоподкрепляемо, а обнюхивание незнакомых существ - врожденное свойство собак, то дождаться угашения вряд ли удастся. Скорее у вас самих угаснет желание дождаться успеха.
Видимо, способ почти бесперспективен.
4. Выработка несовместимого поведения. Нужно приучить кошку залезать на другие (приемлемые с вашей точки зрения) предметы - специальный стул, другая (некнижная) полка и т.д., положительно подкрепляя пребывание кошки на них. Собаку следует приучить во время прихода гостей, не отвлекаясь на обнюхивание, сторожить вашу любимую газету, книгу, палку и т.п. в дальнем углу комнаты.
Способ применим для решения обеих задач.
5. Связь нежелательного поведения с определенным сигналом. Например, можно научить кошку лазать по книжным полкам по звонку (свистку и т.п.). После того как кошка станет лазить по полкам только после сигнала, будем давать сигнал все реже и реже, а затем вообще прекратим. Аналогичная дрессировка может быть рекомендована и для собаки.
Способ применим к обоим животным, но к собаке в большей степени.
6. Выработка отсутствия нежелательного поведения. Положительно подкрепляется всякое другое поведение (приемлемое для вас), а нежелательное поведение игнорируется. Однако если нежелательное поведение самоподкрепляемо, то этот способ эффективен только на время вашего присутствия в доме.
Способ неудачен. Для собаки с помощью этого способа все-таки можно достичь успеха. А для кошки вероятность успеха крайне мала.
7. Смена мотивации. Если кошка сидит на книжных полках потому, что они являются самым высокими из удобных для сидения мест (оттуда все видно и теплее), то нужно сделать специальную "кошачью" полку, расположенную выше книжных. Кошка сама переберется на новое место. Чтобы собака не обнюхивала гостей, можно выдержать ее голодной, а к приходу гостей дать еду. Конечно, собака и не подумает кого-то обнюхивать.
Способ очень хорош для кошки (пожалуй, оптимален) и малоприемлем для собаки.
ЗАДАЧА 5
По мнению ряда критиков теории Дарвина, с помощью естественного отбора нельзя объяснить формирование сложных органов. Действительно, сразу все структуры такого органа не появятся, а в "недоразвитом" состоянии орган будет плохо выполнять свои функции и поэтому не сможет закрепляться отбором.
Опровергая эти возражения, немецкий биолог А. Дорн в 1880 г. сформулировал принцип смены функций. Согласно Дорну, орган обычно имеет несколько функций, одна из которых является главной, а другие - побочными. Дорн писал: "Ослабление главной функции и усиление одной из второстепенных меняет общую функцию органа: второстепенная функция постепенно становится главной, общая функция делается иной, а следствием этого процесса является перестройка всего органа". Наиболее очевидный пример такой смены функций - формирование крыльев из передних конечностей в ходе эволюции позвоночных.
Приведите различные примеры смены функций у органов животных в ходе эволюции. (Для каждого случая необходимо указать, какая функция органа какую его предыдущую функцию сменила.) Не ограничивайтесь фактами, которые вам достоверно известны из книг! Приемлемы и ваши собственные соображения, если они логично обоснованы.
Ясно, что количество подходящих примеров может быть весьма велико. В связи с этим очень важно как-то систематизировать их поиск, чтобы ничего не забыть. Возможны два подхода к такой систематизации - упорядочивать идеи или в соответствии с систематическими группами животных, или в соответствии с системами органов. Первый путь кажется более эффективным: представив себе, от кого произошли те или иные организмы, можно подробно проследить изменения условий их обитания и связанную с этим смену функций самых разных органов. Однако для некоторых важных групп (в том числе хордовых) даже среди специалистов до сих пор нет согласия относительно их предков, для других групп эти предки малознакомы школьникам. Видимо, придется строить ответ исходя из систем органов животных.
Не претендуя на полноту перечня, укажем самые наглядные примеры.
1. Ресничный покров, вначале использовавшийся для плавания в толще воды, стал затем применяться для ползания, а у сидячих организмов стал вододвигательным приспособлением.
2. Группы ресничных клеток из этого двигательного аппарата могли преобразоваться в органы чувств, а сами реснички - в рецепторные окончания нервных клеток.
3. Покровы у паразитических ленточных червей утрачивают двигательную функцию, которую имели у их предков - турбеллярий, зато начинают использоваться для всасывания пищи.
4. Конечности членистоногих исходно были мультифункциональным органом; в дальнейшем шла разнонаправленная специализация с утратой и ослаблением большинства функций. Если считать основной функцией этих конечностей двигательную, то она могла заменяться на дыхательную, хватательную, чувствительную или жевательную.
5. Смена функций конечностей наблюдалась и в эволюции позвоночных. Плавники, из которых сформировались конечности наземных позвоночных, изначально служили для плавания и передвижения по дну. О формировании крыльев речь шла в условии задачи. У предков человека передние конечности использовались для передвижения, а у нас с вами приобрели ряд новых функций. Еще один пример смены функций - конечности ластоногих.
6. Основная функция хвоста у рыб - движение. У ряда же наземных позвоночных он приобретает самые разнообразные функции.
7. Зубы позвоночных сформировались на основе чешуи рыб.
8. Одна из пар жаберных дуг трансформировалась в челюсти. Жаберная дуга первичных позвоночных, состоящая из подвижных окостенений, сжимаясь, выталкивала воду через жаберные щели (главная функция). В то же время сжатие способствовало удержанию находящейся во рту добычи (второстепенная функция). Интенсификация этой побочной функции третьей жаберной дуги привела к преобразованию всего органа. Существовали рыбы (Acanthoidei), у которых имелись челюстные жабры, хотя челюстная дуга у них уже служила для питания.
9. От жаберных дуг "ведут свою родословную" и слуховые косточки.
10. Еще один классический пример - электрический орган ската. Предполагается, что его главная функция менялась с пассивно-рецепторной через активно-рекогносцировочную (генерация слабого электрического поля и регистрация его возмущений) к пищедобыванию или защите с использованием сильных электрических полей.
11. Легкие позвоночных возникли на основе плавательного пузыря рыб.
12. В ходе эволюции позвоночных некоторые слюнные железы превратились в ядовитые, а потовые - в молочные.
13. На месте кишечника у погонофор развилась трофосома, в которой обитают бактерии-симбионты.
14. У пиявок целом превратился в кровеносную систему - опорная функция сменилась транспортной.
ЗАДАЧА 6
Г-н Обстоятельный, страдающий гипертонией, посетил двух врачей и получил два рецепта: на лекарства А и Б. "Лучше перестраховаться", - рассудил г-н Обстоятельный и стал применять сразу оба медикамента. Однако никаких улучшений в самочувствии добиться не удалось. Г-н Обстоятельный решил отказаться от лекарства А - давление упало. Увы, запасы препарата Б вскоре кончились, и давление опять начало расти. Выхода не было; пришлось воспользоваться лекарством А. И как ни странно, оно тоже понизило давление.
Какими причинами можно объяснить эту ситуацию?
Могут быть предложены следующие интерпретации:
1. Непосредственное взаимодействие лекарств (если больной принимал их одновременно или через малый промежуток времени):
- химическая реакция с образованием неактивных продуктов;
- образующийся в незначительных количествах продукт взаимодействия лекарств А и Б (или каких-то сопутствующих им в медикаментах веществ) повышает давление настолько сильно, что это превосходит терапевтический эффект А и Б;
- адсорбция одного лекарства на поверхности другого (если второе принимается в виде таблетки или порошка), вследствие чего затрудняется их усвоение или ускоряется выведение из организма;
- выпадение трудно усваиваемого осадка при взаимодействии самих активных компонентов или сопутствующих им в лечебном препарате реагентов;
- если одно из лекарств - эмульсия, то она может расслаиваться под действием другого лекарства, а отдельные компоненты эмульсии будут хуже всасываться.
2. Влияние одного из лекарств на скорость естественной инактивации другого:
- диуретики, часто используемые при гипертонии, могут способствовать ускоренному выведению других лекарств с мочой;
- одно лекарство может ускорять трансформацию другого в печени.
3. Можно предположить, что лекарства А и Б сходны по механизму действия (в принципе А и Б могут оказаться разными коммерческими формами одного и того же физиологически активного вещества), а выбранные их дозы соответствуют оптимуму. Тогда суммарное действие двух препаратов включает какие-то неблагоприятные процессы, и лечебный эффект оказывается ослаблен.
4. Взаимодействие лекарств, опосредованное рецепторами. Такая ситуация возникает, например, при использовании симпатолитиков - лекарств, снижающих давление путем подавления активности симпатической нервной системы. Конкуренция между А и Б за связывание с рецепторами нервных клеток в некоторых случаях влечет за собой ослабление активности каждого вещества.
5. Возможна ситуация, когда усиленная стимуляция рецепторов дает эффект, противоположный возникающему при умеренной стимуляции (превышение оптимума, как в п. 3). Например, при возбуждении бета-адренорецепторов обычно происходит расширение сосудов, но при избыточном возбуждении сосуды сужаются, и давление повышается.
6. Наконец, не исключено, что наблюдавшиеся улучшения и ухудшения обусловлены какими-то причинами, не имеющими отношения к приему лекарств А и Б (изменения режима дня и пр.).
(Подчеркнем, что вещество А может влиять на работу вещества Б совсем не так, как Б влияет на работу А.)
Авторы задач: М.Б. Беркинблит, С.М. Глаголев, А.В. Жердев, А.А. Мартьянов, И.Л. Окштейн, О.С. Тарасова.
Материалы, использованные при составлении ответов, предоставили Е.А. Александрова, В.В. Алексеев, И.Ю. Барсуков, М.А. Беляева, Т.Ю. Браславская, Я.А. Булынко, Н.В. Волкова, С.М. Глаголев, В.О. Голубинская, А.Э. Жадан, А.В. Жердев, Е.А. Калинина, Е.В. Леглер, А.А. Мартьянов, С.А. Маслакова, И.Л. Окштейн, М.А. Серикова, О.С. Тарасова, О.Е. Фадюкова, И.Б. Харченко, В.И. Цветков, И.Е. Чурбанова, А.С. Щеглов.
Сводный текст подготовлен к публикации А.В. Жердевым.
