XXV Турнир имени М. В. Ломоносова

1 октября 2000 года

Отчёт

МЦНМО
МОСКВА 2001

Конкурс по биологии

Вопросы и ответы подготовили биологи школы 520 г. Москвы Соколова Г. А., Калякин М. В., Куприянова Е. А., Кобузева И. А. и Петраш Е. Г.

Вопросы и задания

1. Известно, что у паука "наружное" пищеварение. Поймав муху, он, прежде всего, обрабатывает её своей слюной, содержащей пищеварительный сок. Можно ли представить себе что-то подобное в мире растений?

2. Людям (вид Homo sapiens) свойственно держать голову вертикально прямо. Отчего это зависит:
а) от расположения позвонков;
б) от мышц;
в) другие варианты (напишите, что именно)?

3. Найдите соответствия между I и II группами:

Группа I		Группа II
1. 1. кожные одноклеточные железы;		2. 1. аксолотль;
1. 2. плакоидная чешуя;		2. 2. ехидна;
1. 3. костная чешуя;		2. 3. ящерица;
1. 4. кожа, несущая основную роль в дыхании;		2. 4. пингвин;
1. 5. сухая кожа, отсутствие желёз;		2. 5. акула;
1. 6. хорда;		2. 6. лягушка;
1. 7. неподвижный череп;		2. 7. киви;
1. 8. позвонок;		2. 8. гадюка;
1. 9. один круг кровообращения;		2. 9. лиса;
1.10. грудная клетка;		2.10. куропатка;
1.11. зубы;		2.11. муравьед;
1.12. парные конечности;		2.12. червяга;
1.13. костный позвоночник;		2.13. окунь;
1.14. слуховые косточки;		2.14. крыса;
1.15. перья;		2.15. скат.
1.16. чешуйчатый эпидермис;
1.17. трёхкамерное сердце.

Ответ можно оформить в виде таблицы, отметив крестиком правильные, по Вашему мнению, варианты соответствий.

4. Известно, что клетки крови человека - эритроциты - не содержат ядер, не способны к делению и сильно отличаются от обычных клеток. Так на основе чего учёные выделяют этот структурный элемент как клетку?

5. Земноводные - животные, жизнь которых неразрывно связана как с сушей, так и с водой. Однако известны виды жаб, живущих в песчаных зонах, сильно удалённых от водоёмов. Какие приспособления могли бы использовать эти животные для выживания в подобных условиях?

6. Предложите несколько гипотез о механизмах старения.

7. Назовите особенности биологии птиц, которые делают некоторые их виды кандидатами на включение в "Красную книгу".

8. Лесные птицы часто образуют смешанные стаи - группы, в которых представители разных видов подолгу перемещаются вместе. Назовите возможные причины возникновения таких объединений и "сконструируйте" такую стайку из известных вам подмосковных птиц.

9. Любые растения, растущие вместе (допустим, травы на лугу), обязательно влияют друг на друга. Предложите как можно больше способов взаимодействия растений в лесу.

Ответы на вопросы конкурса по биологии

Вопрос 1. Известно, что у паука "наружное" пищеварение. Поймав муху, он, прежде всего, обрабатывает её своей слюной, содержащей пищеварительный сок. Можно ли представить себе что-то подобное в мире растений?

В мире растений существуют хищные растения, питающиеся насекомыми. Обычно эти растения поселяются в болотах, по заболоченным берегам, есть среди них и эпифиты. Поедая насекомых, растения восстанавливают недостаток органических веществ в почве, а именно содержащих азот.

"Хищников" в растительном мире не так мало - несколько семейств специализируется на ловле насекомых. Большая часть таких растений обитает в тропиках, но есть несколько родов, обитающих у нас, это - росянки, пузырчатки, жирянки.

Охотой занимаются, как правило, видоизмененные или специально приспособленные листья. У росянки и жирянки насекомые приклеиваются и затем перевариваются складывающимися листьями, у тропических непентесов часть листа превращена в специальный ловчий кувшинчик, где и скапливаются жертвы. По вместительности такие кувшинчики могут быть сравнимы с желудком человека. И листья росянки, и кувшинчики непентеса выделяют ферменты, переваривающие добычу, причём переваривание может происходить очень быстро, за какие-нибудь 5-8 часов. Не хуже, чем у паука! [¹⁵ Пищеварение у растений формально называется внутренним, т. к. осуществляется во временно образованном закрытом пространстве.]

Вопрос 2. Людям (вид Homo sapiens) свойственно держать голову вертикально прямо. Отчего это зависит:

а) от расположения позвонков;
б) от мышц;
в) другие варианты (напишите, что именно)?

Конечно же, люди держат голову прямо потому, что шейные позвонки устроены и соединены специальным образом. И кошки, и лошади держат голову, но строение их позвоночника и особенно шейного отдела другие - другое и положение головы. Несомненно, что и мышцы помогают в этом - мы засыпаем, мышцы расслабляются, голова безвольно "падает" на грудь. Но не стоит забывать и о том, что умение "держать голову" приходит к нам не сразу, этот безусловный рефлекс формируется у новорождённого ребёнка - нервная система причастна к положению головы.

Если рассмотреть черепа предков человека: человекообразных обезьян, австралопитеков, да и представителей рода человек - человека прямоходящего, умелого, то можно заметить, как отличаются их черепа от формы черепа современного человека. Лицевой отдел у человека разумного уменьшился - укоротились челюсти, лицо стало плоским; зато увеличился мозговой отдел - это не случайно - тяжёлая задняя часть головы сама заставляет отбрасывать голову назад, служит противовесом при ходьбе на двух ногах. Таким образом, строение черепа тоже определяет положение головы. А гордо поднятая голова - не только признак хорошего настроения, но и уверенного передвижения на двух ногах!

Вопрос 3. Найдите соответствия между I и II группами. Ответ можно оформить в виде таблицы, отметив крестиком правильные, по Вашему мнению, варианты соответствий.

 

2.1. аксолотль

2.2. ехидна

2.3. ящерица

2.4. пингвин

2.5. акула

2.6. лягушка

2.7. киви

2.8. гадюка

2.9. лиса

2.10. куропатка

2.11. муравьед

2.12. червяга

2.13. окунь

2.14. крыса

2.15. скат

1.1. кожные одноклеточные железы

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.2. плакоидная чешуя

*

1.3. костная чешуя

*

*

1.4. кожа - осн. роль в дыхании

*

*

*

1.5. сухая кожа, отсутствие желёз

*

*

*

*

*

1.6. хорда

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.7. неподвижный череп

*

*

*

*

1.8. позвонок

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.9. один круг кровообращения

*

*

*

1.10. грудная клетка

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.11. зубы

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.12. парные конечности

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.13. костный позвоночник

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.14. слуховые косточки

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

1.15. перья

*

*

*

1.16. чешуйчатый эпидермис

*

*

*

*

*

*

1.17. трёхкамерное сердце

*

*

*

*

*

Справка. Аксолотль - личинка хвостатого земноводного - тигровой амбистомы, способная к самостоятельному размножению на личиночной стадии (явление такого размножения - без превращения во взрослую особь - носит название неотения). Способность аксолотля к самостоятельному превращению из личинки во взрослую особь утрачена, однако такое превращение может быть вызвано искусственным путём (воздействием гормонов щитовидной железы).

Вопрос 4. Известно, что клетки крови человека - эритроциты - не содержат ядер, не способны к делению и сильно отличаются от обычных клеток. Так на основе чего учёные выделяют этот структурный элемент как клетку?

Эритроциты - высоко специализированные безъядерные клетки, теряющие ядро и большинство органелл в ходе созревания. Связано это с транспортом газов (дыханием) и других важных для клетки веществ: аминокислот, антител, некоторых токсичных и лекарственных веществ.

Почему же эритроциты - клеточные структуры? Рассмотрим строение эритроцита: как любая клетка, эритроцит окружен мембраной, сходной по строению с мембранами других клеток и выполняющей те же функции. В эритроцитах сохраняются органоиды синтеза белка - рибосомы и эндоплазматическая сеть. В течение своей жизни (около 120 дней!) эритроцит меняет форму и размер, то есть не только функционирует в крови, но и продолжает развиваться и даже затем расформировываться.

Откуда же берутся эритроциты? Ведь без ядра делением они размножаться не могут. Родоначальницами эритроцитов, как и других клеток, являются стволовые клетки, живущие в красном костном мозге. Эти клетки делятся, а их потомки постепенно дифференцируются - клетки уменьшаются почти в два раза, снижается количество РНК, накапливается белок гемоглобин и происходит уплотнение и выход ядра.

В некоторых случаях в крови обнаруживаются эритроциты с ядром. В крови новорождённых детей это закономерно, у взрослых - свидетельствует о тяжёлом заболевании.

У некоторых животных - у лягушки или у птиц эритроциты в норме имеют ядра. У млекопитающих же - утратились в ходе эволюции. Так что можно смело сказать, что эритроцит - действительно клетка.

Вопрос 5. Земноводные - животные, жизнь которых неразрывно связана как с сушей, так и с водой. Однако известны виды жаб, живущих в песчаных зонах, сильно удалённых от водоёмов. Какие приспособления могли бы использовать эти животные для выживания в подобных условиях?

Особенности размножения амфибий типичны для водных организмов, но среди представителей этого класса есть ряд форм, развитие которых не связано с водоёмами.

Некоторые жабы откладывают яйца (икру) на влажной земле или среди камней, а не в воду. Из крупных, богатых желтком яиц вылупляются вполне сформированные лягушата. У эмбрионов некоторых таких видов даже не развиваются жабры. Органом дыхания служит богатый кровеносными сосудами хвост.

Австралийская жаба прячет свои яйца в норы, специально вырытые самцом. В период размножения у самцов этого вида на морде развивается специальное лопатообразное утолщение, помогающее копанию. Африканские амфибии не только роют норы, но и устраивают в них пенные гнёзда, сбивая лапами слизистые оболочки яиц. Норы уберегают зародышей от чрезмерного перегрева, а пена способствует улучшению газообмена. Развитие этого вида целиком проходит вне водоёма.

У некоторых видов яйца развиваются на теле родителей. Есть виды амфибий, вынашивающие яйца и личинки на собственных спинах - так поступают американские пипы [¹⁶ Водный вид, здесь упомянут только как пример.], а у лягушек с Сейшельских острововяйца развиваются на земле, а на спину родителей залезают вылупившиеся личинки.

У пустынных видов африканских жаб яйца развиваются в организме матери до стадии личинки.

Вопрос 6. Предложите несколько гипотез о механизмах старения.

Науке известно не менее 500 гипотез, объясняющих и первопричину, и механизмы старения. Большинство этих гипотез не выдержало проверки времени и представляют лишь исторический интерес. Это гипотезы, связывающие старение с расходованием ядрами некого особого вещества, появлением страха смерти, утратой невосполнимых веществ, получаемых организмом в момент оплодотворения и др.

Гипотезы, представляющие научную ценность в наши дни, соответствуют одному из двух главных направлений.

Некоторые авторы рассматривают старение как процесс возрастного накопления "ошибок" - мутаций, неизбежно случающихся в ходе жизнедеятельности под действием внутренних или внешних причин. Первостепенная роль отводится в таком случае генетическому аппарату. Многие исследователи связывают старение организма с изменением строения и, значит, физиологических и биологических свойств макромолекул: ДНК и РНК, белков ядра, ферментов. Особенно выделяют повреждения липидов клеточных мембран. Сбои в работе клеточных оболочек нарушают эффективность регуляторных механизмов, это и приводит к нарушению процессов жизнедеятельности. Сюда же относят гипотезы, усматривающие основу старения в износе структур.

Вторая же группа гипотез утверждает, что процесс старения находится под генетическим контролем. Контроль этот связан с наличием специальных генов или даже осуществлением специальных генетических программ, как в эмбриональном развитии.

Некоторые такие гипотезы предполагают работу биологических часов (роль часов приписывают вилочковой железе, прекращающей функционировать в зрелом возрасте). К этой же группе можно отнести и гипотезу о связи старения с изменением особенностей функционирования нервной системы.

Вопрос 7. Назовите особенности биологии птиц, которые делают некоторые их виды кандидатами на включение в "Красную книгу".

Существует масса причин, по которым птицы становятся редкими. У одних видов птиц низкая численность вообще (в мировом масштабе), у других - небольшой по площади ареал. Некоторые виды распространены на небольших островах или в горах (аналог островов). Эта причина сокращения численности вида не то же самое, что предыдущая. Есть виды птиц, численность которых сокращается, так как птица не способна к полёту, а в местах её обитания появляются новые хищники. Такие ситуации обычны на островах.

Редкими и исчезающими могут стать охотничьи или, точнее, съедобные виды; виды с очень специализированным питанием и/или биотопической приуроченностью. Сокращается численность птиц, обитающих в ландшафтах, активно изменяемых человеком (степи, реки, заливные луга и т. д.). Длинный пролётный путь при миграциях, проходящий через густо населённые районы, может повлиять на численность птицы.

Под ударом находятся красивые и/или хорошо поющие птицы - желанные объекты домашнего содержания. Кандидатами на включение в "Красную книгу" становятся виды, считающиеся по каким-то причинам вредными (типичный пример - хищники).

Если птицы начинают размножаться не на втором или третьем году жизни, а позже, и выращивают за один цикл размножения по 1-2 птенца - у них низкая скорость воспроизводства - и это может стать причиной исчезновения вида.

При проверке этого вопроса оценивалось и знание примеров видов редких птиц.

Вопрос 8. Лесные птицы часто образуют смешанные стаи - группы, в которых представители разных видов подолгу перемещаются вместе. Назовите возможные причины возникновения таких объединений и "сконструируйте" такую стайку из известных вам подмосковных птиц.

Стайки образуют чаще всего мелкие воробьиные насекомоядные птицы. Причин образования стаек несколько:

а. Совместный контроль за приближением возможной опасности (хищника) - чем больше стая, тем выше вероятность заметить опасность заранее, тем ниже вероятность нападения на конкретную особь и тем больше времени можно посвятить не оглядкам, а собственно кормлению.

б. В стайке легче искать кормные места - один обнаружил "склад", остальные тут же подлетели

в. Охотники за насекомыми могут выпугивать часть добычи при своих перемещениях, соседи при этом ловят двигающихся более заметных насекомых. В стае может присутствовать птица, способная разрушать укрытия, в которых прячутся насекомые, тем самым делая насекомых доступными и другим участникам стайки.

г. У каждого вида своя пищевая специализация - один ловко ловит насекомых в лёт, другой обшаривает ветки, третий заглядывает под листья. Это не причина, заставляющая птиц объединяться, но необходимое условие, при котором оно возможно.

Вопрос 9. Любые растения, растущие вместе (допустим, травы на лугу), обязательно влияют друг на друга. Предложите как можно больше способов взаимодействия растений в лесу.

Взаимодействия растений в лесу могут быть очень разнообразны, они могут быть прямыми, если растения непосредственно влияют друг на друга, а могут быть и косвенными, если один организм меняет среду обитания для другого. Вот примеры некоторых взаимодействий.

Прямые взаимодействия. К взаимодействиям такого рода могут быть отнесены широко известные паразитизм и симбиоз. Некоторые растения-паразиты могут полностью отказаться от фотосинтеза, питаясь исключительно за счёт растения-хозяина. В средней полосе России наиболее широко известны такие паразиты, как петров крест, подъельник, повилика. Бывают растения, которые могут и сами осуществлять фотосинтез, и добывать дополнительное питание из растения, к которому они "присасываются". К таким растениям-полупаразитам относятся многие норичниковые, например погремок [¹⁷ Повилика и погремок не характерны для лесных сообществ, здесь упомянуты только как примеры различных типов паразитирования.]. С другой стороны, встречаются растения, получающие взаимную пользу от взаимодействия - симбионты. Широко известен симбиоз тропического водного папоротника азоллы с сине-зелёной водорослью анабеной, которая умеет фиксировать атмосферный азот. Этот папоротник используется человеком для повышения плодородия почв [¹⁸ Например, при выращивании риса.]. Возможно также взаимодействие, приносящее пользу одному растению и безразличное для его партнёра - так растения-эпифиты получают пользу от своего хозяина, но, как правило, не приносят ему ни пользы, ни вреда. Кроме того, есть данные, позволяющие считать, что растения могут использовать в конкурентной борьбе химические вещества, выделяемые их корнями и листьями. Такие вещества могут подавлять развитие соседей-конкурентов.

Косвенные взаимодействия. Самый распространённый тип взаимодействия - затенение одного растения другим. Более низкое растение, располагаясь под пологом другого, более высокого, получает меньше света, что может серьёзно влиять на его жизнедеятельность. Растения многих древесных пород не могут развиваться до зрелого состояния под пологом высоких деревьев, поэтому, например, дубрава может возобновляться только пятнами, в световых окнах, образующихся на месте выпавших старых деревьев. Кроме того, листовой опад растений сильно влияет на состав почвы в растительном сообществе - а состав почвы определяет условия существования растений на данной территории. Растения, составляющие сообщество, особенно такое, как лес, создают в месте произрастания особый микроклимат, также влияющий на другие виды растений.

Таким образом, способы взаимодействия растений очень разнообразны, поэтому при оценке ответа приветствовалась любая здравая идея, высказанная школьниками.