Один из самых крупных видов - Riftia pachyptila (длина - около 1 метра). Рисунок скопирован из книги: Малахов В. В., Галкин С. В., 1998. Вестиментиферы - бескишечные беспозвоночные морских глубин. М.: КМК Scientific Press Ltd., 206 стр.
29 сентября 2002 года
Задания. Решения. Комментарии
МЦНМО
МОСКВА 2003
Задания адресованы школьникам всех классов, все выполнять не обязательно - можно выбрать те из них, которые вам по вкусу и по силам.
1. Позвоночные животные имеют скелет, служащий опорой для тела. За счёт чего могут поддерживать своё тело беспозвоночные животные, растения и грибы?
2. Известно, что животные различаются по способу питания; так, все знают, что бывают травоядные животные, а бывают хищники. Как ещё могут питаться животные? Назовите как можно больше известных вам способов. Какие приспособления к разным типам питания существуют у животных?
3. Обычно у растений сочные плоды - ягоды и прочие - служат приманкой для животных, которые эти плоды поедают и тем самым распространяют семена, проходящие через пищеварительный тракт. Но все вы знаете, что некоторые ягоды нельзя есть, так как ими можно отравиться. Зачем растениям это может быть нужно?
4. Некто купил участок земли. Ему ужасно интересно, какие животные и растения жили на этом участке прежде. Предложите любознательному землевладельцу несколько способов, которые помогут ему удовлетворить своё любопытство.
5. Известны группы животных (среди них, например, плоские черви), которые не имеют кровеносной системы. Как вы думаете, как они без неё обходятся?
6. Хозяйка обнаружила на кафеле неприятный налёт. Соседка сказала, что скорее всего это грибы. Могут ли это быть грибы? А другие организмы? Предложите способы, с помощью которых можно было бы выяснить природу этого налёта.
7. В глубинах океана живут удивительные червеобразные животные - рифтии. Жить они могут только возле бьющих из дна горячих источников, вода которых обогащена сероводородом. У рифтий нет кишечника, а органические вещества они получают от симбионтов - хемосинтезирующих бактерий, которые получают органические вещества из неорганических за счёт энергии химических реакций (а не за счёт энергии солнечного света, как зелёные растения). Бактерии живут внутри рифтий, в специальном органе, называемом трофосомой. И тут возникает проблема: для хемосинтеза бактериям нужен сероводород, но для дышащих кислородом животных (к которым относятся и рифтии, они дышат с помощью пронизанных кровеносными сосудами щупалец-жабр) сероводород, проникший в тело - яд. Предложите возможный механизм, позволяющей рифтии поддерживать жизнедеятельность бактерий-симбионтов и не отравиться самой.
8. Предположим, вы сидите на самоходном кресле на колёсиках, которое может ехать прямо вперёд, а может поворачивать. Договоримся, что глаза у вас закрыты и вы не подсматриваете. Будете ли вы знать, в какой момент и в какую сторону поворачивает кресло? Если да, то благодаря чему (каким образом)? Если нет, то почему?
Вопрос 1. Позвоночные животные имеют скелет, служащий опорой для тела. За счёт чего могут поддерживать своё тело беспозвоночные животные, растения и грибы?
Растения. Растения могут поддерживать форму собственного тела за счёт многих специальных приспособлений. Можно рассмотреть несколько уровней организации.
На клеточном уровне.
1. Клеточные стенки (состоящие из целлюлозы) являются внутренним скелетом растения, который обеспечивает механическую прочность. Именно клеточные стенки придают клеткам определённую форму, защищают содержимое клетки, противостоят внутриклеточному тургорному давлению.
2. Ту'ргор - напряжённое состояние клеточной стенки, создаваемое гидростатическим давлением цитоплазмы, нормальное физиологическое состояние клеточной стенки. Благодаря ему растение также сохраняет свою форму, занимает определённое положение в пространстве, противостоит механическим воздействиям.
На тканевом уровне.
1. Механические ткани обеспечивают прочность растения, способность противостоять действию тяжести собственных органов, порывам ветра, дождю, снегу, вытаптыванию животными. Они играют в растении роль скелета. У проростков, в молодых участках органов механических тканей нет, необходимую упругость они имеют благодаря тургору. По мере развития органа в нём появляются специализированные механические ткани - колленхима и склеренхима.
а) Колленхима развивается в стеблях и черешках листьев двудольных под эпидермой. В корнях её обычно нет. Её клетки вытянуты в длину, живые, часто содержат хлоропласты, клеточные стенки неравномерно утолщены. В зависимости от характера утолщения стенок и их соединения различают уголковую, рыхлую и пластинчатую колленхиму.
б) Склеренхима встречается наиболее часто. Её клетки мёртвые, и стенки равномерно утолщённые, одревесневшие. Различают два типа склеренхимы: волокна и склереиды.
2. В проводящих комплексах растений также встречаются механические элементы - древесинные волокна (либриформ) и лубяные волокна.
На уровне органов.
Также опорную функцию выполняют придаточные корни, которые растут от ствола или от ветвей растения (например, у баньяна).
Грибы. Грибы поддерживают своё тело за счёт:
1. Внутреннего скелета, который включает в себя:
а) Клеточные стенки, которые включают в свой состав хитин или хитозан (они придают большую прочность клеточным стенкам). Также существуют некоторые представители, у которых вместо хитина в состав клеточной оболочки входит целлюлоза.
б) Высокое тургорное давление (см. ответ на вопрос про растения).
2. Также некоторые представители (например, шляпочные грибы) могут поддерживать своё тело за счёт плотного переплетения гиф.
Животные. Безусловно, у беспозвоночных животных настоящая кость, которая составляет основу скелета всех позвоночных, отсутствует. Тем не менее, это не означает, что у них отсутствуют какие-либо скелетные структуры. Начнём с клеточного уровня. Сама клетка не является аморфным образованием. В цитоплазме существует сложная сеть фибрилл. Она представлена, по меньшей мере, микротрубочками, промежуточными филаментами и микрофиламентами. Первые это трубочки диаметром около 24 нм (1 нм = 10-9 м), состоящие из белка тубулина. Они образуют каркас, называемый цитоскелетом, кроме того, участвуют в транспорте органелл внутри клетки и играют важную роль при делении. Микрофиламенты - это тонкие нити диаметром около 7 нм, состоящие из белка актина. Они также входят в состав цитоскелета и участвуют в движении как самой клетки, так и в транспорте веществ внутри клетки.
Многоклеточные организмы используют опорные элементы различного происхождения. В первую очередь, это жёсткие минеральные либо органические структуры, поддерживающие тело животного. Наиболее крупные примитивные беспозвоночные - это губки (Spongia). Размер некоторых тропических форм может достигать метра и более. В теле губок внутри специальных клеток (склеробластов) формируются иглы. Затем они постепенно увеличиваются в размерах, со временем обтягиваются цитоплазмой, могут приобретать самые разнообразные формы: от простой палочковидной до звёздчатой и шаровидной. Масса таких игл, состоящих из углекислого кальция или из кремнезёма, образует твёрдый даже по человеческим меркам скелет. У части губок элементы скелета органические и формируются внеклеточно несколькими клетками. В этом случае они состоят из белка спонгина. Есть и мелкие бесскелетные губки.
У нашей пресноводной гидры жёстких скелетных элементов нет, однако у неё мышечные элементы расположены в несколько слоёв и имеют взаимоперпендикулярное направление. Так что, координируя их работу, гидра может сжиматься или вытягиваться. Похожее строение имеют сцифоидные медузы (класс Scyphozoa). Но у них, помимо прочего, толстая мезоглея (пространство между экто- и энтодермой), заполнена студенистым веществом. Родственники гидры - морские колониальные полипы - имеют снаружи жёсткую оболочку (теку), выделяемую клетками эктодермы.
У кораллов (класс Anthozoa) скелет состоит из углекислой извести, реже из рогоподобного вещества. Так, у восьмилучевых кораллов (подкласс Octocorallia) скелет формируется в мезоглее. Шестилучевые кораллы, составляющие основную массу рифообразователей, имеют внешний скелет, выделяющийся клетками эктодермы. Индивидуальные "домики" каждого полипа, соединяясь вместе, образуют гигантские коралловые рифы.
Следующую группу составляют животные, опорную роль у которых играют кожно-мускульный мешок и паренхима. Прежде всего, это плоские черви (Plathelminthes). В клетках паренхимы у них находятся фибриллярные образования, что позволяет рассматривать в качестве одной из её функций опорную.
Круглые и кольчатые черви имеют особую опорную систему - гидроскелет. Они имеют относительно жёсткие покровы (например, слой наружной кутикулы у круглых червей) и полость тела, заполненную жидкостью (некоторую аналогию можно провести с автомобильным колесом). Такая конструкция обеспечивает опору для прикрепления мышц.
У моллюсков снаружи имеется раковина. Частично она тоже выполняет опорную функцию, однако основная её функция - защитная. В некоторых группах происходит редукция раковины и погружение её внутрь тела (например, у каракатицы). У головоногих (Cephalopoda) раковина либо вовсе отсутствует, либо сохраняется в виде небольшой подкожной пластинки. Кроме того, у головоногих, как правило, развит внутренний скелет. Он представлен пластинками из хрящеподобного вещества в основаниях щупалец и в хвостовых плавниках. У них имеется капсула, окружающая головной мозг. Так что, будучи большими мягкотелыми животными, они не лишены опорных элементов.
Другую большую группу составляют животные, имеющие наружный скелет - это членистоногие. Это ракообразные, паукообразные, насекомые и близкие к ним группы. Здесь снаружи от покровов имеется как правило жёсткая и сложно устроенная кутикула, состоящая главным образом из хитина (вещество, по строению близкое к целлюлозе). Такой наружный скелет служит защитой и составляет опору для прикрепления мышц. В некоторых случаях такой хитиновый покров впячивается внутрь и образует своего рода "внутренний скелет", служащий дополнительными местами прикрепления мышц, особенно в тех отделах, где мускулатура хорошо развита.
Таким образом, представители большинства групп беспозвоночных имеют различные по строению, положению и происхождению опорные структуры. Это внутренний известковый скелет у некоторых губок и кишечнополостных, наружный скелет у членистоногих, гидроскелет у круглых и кольчатых червей и т. д.
Вопрос 2. Известно, что животные различаются по способу питания; так все знают, что бывают травоядные животные, а бывают хищники. Как ещё могут питаться животные? Назовите как можно больше известных вам способов. Какие приспособления к разным типам питания существуют у животных?
Животные по типу питания относятся к гетеротрофам - т. е. они питаются уже готовыми органическими веществами. Но способы питания (получения этих готовых органических веществ) могут быть разными. Соответственно этим различиям в особенностях питания формируются и разнообразные приспособления к этим особенностям.
Так, в качестве одного из способов питания можно рассматривать хищничество - пищей в этом случае являются другие животные.
В общем случае, в связи с хищничеством развиваются различные орудия нападения и удержания жертвы: особенности ротового аппарата, в том числе устройство зубов и челюстей - преимущественное развитие получают клыки (для млекопитающих), вытянутая пасть (крокодилы), с несколькими рядами зубов, направленными вовнутрь (акула); когти (кошачьи, хищные птицы). Для хищных млекопитающих характерно относительное снижение периферического зрения за счёт увеличения его остроты. Для многих хищников характерен засадный метод охоты - выжидание жертвы и относительно короткий бросок - необходимы высокая скорость, точная координация, но это происходит в общем случае за счёт снижения выносливости; развиваются различные виды покровительственной (маскирующей) окраски.
Своеобразный метод охоты мы встречаем у представителя иглокожих - морской звезды - она наползает на мидию, выворачивает желудок, оплетая им мидию, дожидается открытия створок и впрыскивает пищеварительные ферменты внутрь раковины.
Дятлы, которых можно отнести к насекомоядным, питаются личинками насекомых, живущими под корой деревьев - приспособлением к этому служит массивный прочный клюв и особенное устройство лап и хвоста, позволяющих удерживаться на вертикальном стволе дерева.
Другим способом питания можно назвать травоядность - пищей являются растения: их листья, побеги, плоды, семена, корни и т. д.
Особенностью устройства ротового аппарата является преобладание резцов и коренных зубов (для млекопитающих) или роговых пластин, приспособленных для перетирания растительной пищи. Клопы, тли, цикады обладают колюще-сосущим ротовыми аппаратами - этим обеспечивается питание соками растений. Развиваются дополнительные отделы желудочно-кишечного тракта - слепая кишка, рубец и т. д., формируется симбиоз с бактериями, перерабатывающими клетчатку. Для травоядных млекопитающих характерно относительное развитие периферического зрения. Сравнительно с хищными млекопитающими, у травоядных скелет и мускулатура более грубые и менее координационно развиты, вместе с этим, однако, повышается выносливость.
У некоторых животных развиваются узкоспецифические предпочтения - например, питание листьями и побегами лишь одного вида растения (коала - эвкалипт).
В связи с недостаточным усваиванием белков и других необходимых веществ при таком способе питания у некоторых животных развивается копрофагия - поедание экскрементов (в том числе собственных) - таким образом, при повторной переработке "добираются" необходимые вещества (лемуры, зайцы, термиты).
Встречаются животные, питающиеся лишь грибами - так называемые мицетофаги (например, жуки грибовики).
Для ряда животных характерен такой способ питания, как всеядность - питание пищей как растительного, так и животного происхождения.
Для таких животных характерен наименее специализированный ротовой аппарат. В общем случае имеются черты свойственные и для хищников, и для травоядных. Ко всеядным животным можно отнести медведей, крыс, некоторых приматов, сверчков.
Родственен хищничеству паразитизм - использование в качестве пищи и среды обитания другого организма, неблагоприятно сказывающееся на последнем.
Различают эндопаразитизм (часть или весь жизненный цикл паразит проводит в теле хозяина), эктопаразитизм и сверхпаразитизм (паразитирование на другом паразите). В зависимости от срока связи паразита и хозяина различают вре'менных и постоянных паразитов. Примером временного эктопаразитизма могут служить гематофаги (кровососущие) - летучие мыши, комары, клещи, клопы и др.
Адаптации к паразитизму: высокая плодовитость, органы прикрепления, покровы (плотные - кутикула, тегумент; растяжимые для гематофагов), особенности ротового аппарата (например, колюще-сосущий), антикоагулянтные свойства слюны, органы ориентации, органы проникновения, использование переносчиков, синхронизация с образом жизни хозяина, способность переживать неблагоприятные условия среды (образование цист, устойчивые яйца и капсулы с личинками, инкапсуляция в теле хозяина).
В основном паразитами являются животные, стоящие относительно низко на систематической лестнице: Членистоногие (Паукообразные (клещи), Насекомые (блохи, клопы, Двукрылые (комары, москиты, мошки, слепни), вши), Ракообразные), Круглоротые (миксина).
Падальщики - питание мёртвыми животными.
Птицы падальщиков (грифы) обладают длинными шеями, практически лишёнными оперенья, млекопитающие падальщики обладают узкими мордами. Для них характерно хорошее обоняние. К падальщикам можно отнести крабов.
Сапрофаги - питающиеся мертвыми органическими остатками животных и растений - например, личинки мух (двукрылых).
Копрофаги - питание экскрементами (жуки навозники), содержащими большое количество органических остатков.
Фильтраторы - водные животные, получающие пищу путём фильтрации воды с выделением взвешенных в ней органических частиц - остатков растений и животных - двустворчатые моллюски, усоногие раки. Они ведут малоподвижный (иногда прикреплённый) образ жизни, особенностью их является наличие того или иного фильтрующего аппарата - создающего ток воды и позволяющего выцеживать органические частицы.
Вопрос 3. Обычно у растений сочные плоды - ягоды и прочие - служат приманкой для животных, которые эти плоды поедают и тем самым распространяют семена, проходящие через пищеварительный тракт. Но все вы знаете, что некоторые ягоды нельзя есть, так как ими можно отравиться. Зачем растениям это может быть нужно?
Самый простой вариант ответа на этот вопрос заключается в том, что ядовитость ягод для человека вовсе не означает, что они ядовиты для всех животных вообще. Довольно часто ягоды, которыми может отравиться человек, вполне могут поедать птицы или кто-то другой - вероятно, растение в таком случае "рассчитывает" именно на этих распространителей.
Другой распространённый случай: плоды ряда видов ядовиты только (или особенно) в незрелом состоянии. В этом случае растение скорее всего "заботится" о том, чтобы распространялись зрелые семена.
Возможна также ситуация, когда в плоде ядовиты только некоторые части (например, семена), а другие вполне съедобны. Таким образом растения могут защищаться от любителей поедать семена, привлекая тех, кто поедает только околоплодник, не повреждая семян.
Могут существовать также растения, которые в настоящий момент не распространяют плоды с помощью животных (зоохорно), однако их предки использовали этот способ. Потомки же оказались в условиях, исключающих зоохорию (например, другие плодоядные животные, другой регион и т. д.) и перешли на иной тип распространения семян. Тип плода - признак очень консервативный в эволюционном отношении, а типы и концентрация ядов - наоборот. Поэтому растениям проще сделать ядовитыми плоды старого типа, чем переделывать их целиком. Например, плоды одного и того же вида в одной части ареала могут быть съедобными и использоваться в сельском хозяйстве, а в другой - быть сильно ядовитыми.
Нужно отметить также, что не обязательно все растения с яркими плодами используют животных в качестве распространителей. Яркий цвет плодов может обусловливаться какими-то другими причинами. Например, в плодах могут концентрироваться окрашенные отходы (вместо листьев листопадных деревьев).
Некоторые школьники выдвигали версии, которые в природе не реализуются, но тем не менее не лишены определённого смысла. Самая распространённая идея из таких - "травят насмерть и растут из трупа". Якобы растение убивает несчастное животное и, когда то падёт, прорастает из трупа, питаясь им. Правда представить себе растение, которое успеет воспользоваться питательными веществами из убитого животного раньше, чем его съедят более расторопные трупоеды (животные, бактерии, грибы), довольно сложно - поэтому, несмотря на популярность этой идеи у школьников, оценивалась она очень невысоко.
Другая версия - "не травит до смерти, но опьяняет" - и животное начинает беспорядочно бегать (вариант - "вызывает понос"). В результате семена распространяются на большее расстояние или (в случае с поносом) они выходят быстрее и не повреждаются в кишечнике. В природе, по-видимому, этот вариант не реализован, но очень похожим образом действуют некоторые гельминты на некоторых рыб, поэтому подобные ответы можно считать небессмысленными.
В целом при проверке работ оценивались любые разумные идеи - даже не очень правдоподобные. Хотя, конечно, разумные и правдоподобные оценивались выше.
Вопрос 4. Некто купил участок земли. Ему ужасно интересно, какие животные и растения жили на этом участке прежде. Предложите любознательному землевладельцу несколько способов, которые помогут ему удовлетворить своё любопытство.
Для того, чтобы ответить на вопрос, какие животные и растения жили раньше на каком-то участке, стоит сперва понять, какой именно промежуток времени интересует нашего землевладельца. От этого существенно зависит способ поиска ответа на основной вопрос.
Если землевладельца интересует, что было на месте его участка в прошлом году или в течение последних десяти лет, он может ориентироваться на те растения, которые сохранились на участке. Например, если на месте участка был лес, который недавно свели, расчистив землю под участок, вероятнее всего на участке сохранились типично лесные растения, по которым можно определить не только сам факт наличия леса, но и тип его (березняк, сосняк, смешанный лес и т. п.).
Если же участок разбит на месте осушенного болота, состав растений на нём будет совершенно иной. Если же земля в этом месте была окультурена достаточно давно, на участке скорее всего будут найдены в основном сорняки и культурные растения или их одичавшие потомки. По типу растительного сообщества можно примерно определить и какие животные в нем могли обитать. Возможно, удастся найти и какие-то остатки этих животных (кости, перья и т. п.) или следы их жизнедеятельности (погрызы, подолбы, норы и др.). Когда речь идёт о недавнем прошлом, довольно эффективным методом получения информации может стать опрос местных жителей, а также работа с документами. Можно попытаться найти в архивах землеустроительные карты разных лет, на которых показано, кому принадлежала земля и что на ней находилось.
Поиск документов в архивах и работа с ними могут оказаться очень полезными и при изучении более давнего прошлого участка - последних десятков и сотен лет (иногда можно найти документальные свидетельства и более ранней истории данной местности). Может оказаться, что при рытье погреба, прокладке траншеи или других земляных работах будут вскрыты более-менее глубокие слои почвы, и в них могут оказаться кости животных, живших когда-то на этом месте. Правда, землевладельцу будет нелегко понять, когда именно эти животные обитали в данной местности - ведь можно найти как останки животных, умерших совсем недавно, так и кости доисторических существ. Чтобы разобраться с этим, нашему землевладельцу придётся прибегнуть к помощи специалистов. Для оценки того, какие растительные сообщества существовали на месте участка, можно попытаться взять пробы почвы и провести (тоже с помощью специалистов) спорово-пыльцевой анализ. Пыльца и споры растений очень устойчивы и могут долго сохраняться в земле, а их форма так же видоспецифична, как строение листьев, стеблей, цветов.
Поэтому по составу пыльцы, найденной в почве на определенной глубине, можно судить о составе давно исчезнувших растительных сообществ. Правда, к сожалению, этот метод имеет определённые ограничения и не на любом участке даст достаточно полную информацию.
Если же землевладельца интересует совсем древняя история данного места, ему придётся заняться палеонтологией и попробовать найти на своём участке окаменелые остатки животных или растений. Имеет смысл разузнать о геологической истории этой местности и прикинуть, какие геологические пласты могут оказаться на поверхности. Некоторых любознательных землевладельцев ждёт интересное открытие - давным-давно на месте их участка было море. Об этом будут свидетельствовать окаменелые остатки морских животных, например кораллов или головоногих моллюсков. Чтобы понять, к какому времени относятся найденные окаменелости, нашему землевладельцу придётся разобраться, в каком периоде жили соответствующие организмы. Это можно сделать либо по книгам, либо по экспозиции в краеведческом музее, либо, опять-таки, прибегнув к помощи специалистов. В любом случае любознательный землевладелец узнает много нового и интересно проведет время.
Вопрос 5. Известны группы животных (среди них, например, плоские черви), которые не имеют кровеносной системы. Как вы думаете, как они без неё обходятся?
Любая животная клетка, будучи открытой системой, нуждается в обмене веществом с окружающей средой. Она поглощает из среды питательные и минеральные вещества, различные газы и выделяет продукты обмена. С этой точки зрения никаких проблем не встаёт перед одноклеточными животными (инфузории, амёбы и др.) Однако как же быть с многоклеточными, ведь у них часть клеток непосредственно контактирует с наружной средой, а часть, погруженная вглубь, такой возможности лишена? До таких удалённых клеток и от них транспорт веществ осуществляется с помощью транспортных систем, например, кровеносной системы. Однако существуют животные, у которых кровеносной системы нет и её функции осуществляются другими способами.
1. Диффузия. Вещества, находящиеся в растворах, могут перемещаться на некоторые расстояния. Диффузия всегда играет важную роль в обмене клеток непосредственно с внешней средой либо с жидкостью транспортной системы. Животные, не имеющие специальной транспортной системы, осуществляют распределение веществ между клетками исключительно с помощью диффузии. Однако время диффузии зависит от расстояния, поэтому эффективна она только на расстоянии не больше нескольких миллиметров, а значит животные, распределяющие вещества таким способом, должны быть небольшими. Таковы, например, Trichoplax (тип Placozoa) - плоское многоклеточное животное размером несколько миллиметров, похожее на гигантскую амёбу, мелкие губки (Spongia) и кишечнополостные (Coelenterata), например, гидра. Кстати, некоторые губки интересно решают проблему транспорта продуктов обмена. Амёбоциты (клетки, выполняющие разнообразные функции в теле губки) ползают по телу и набирают продукты обмена. "Нагруженные", они выползают наружу.
2. Выросты каналов пищеварительной, дыхательной и др. систем. Для животных более или менее крупных размеров дело не ограничивается простой диффузией. При отсутствии специальной транспортной системы, вещества доставляются к определённым участкам тела с помощью выростов каналов соответствующих систем. Так, колониальные гидроидные полипы (подкласс Hydroidea) - живущие в морях родственники пресноводной гидры - имеют вид кустиков, на концах веточек которых сидят отдельные полипы, похожие на гидру. Такая колония имеет общую гастральную полость, так что питательные вещества, полученные разными особями, могут распределяться по всей колонии. Похожие животные - сифонофоры (подкласс Siphonophora) - так же живут в морях и плавают в толще воды. У них питающимися являются лишь некоторые особи (гастрозоиды), и питательные вещества распределяются по всей колонии с помощью общей гастральной полости. Другие представители кишечнополостных - сцифоидные медузы (класс Scyphozoa) - также не имеют кровеносной системы. Однако от желудка могут отходить радиальные выросты, которые у некоторых представителей сильно ветвятся. Эти каналы доставляют питательные вещества к разным участкам тела. У плоских червей (тип Plathelminthes) диффузия играет большую роль в распределении веществ, но её одной недостаточно. Кишечник плоских червей замкнут и у крупных представителей сильно разветвлён, что помогает доставлять питательные вещества к разным участкам тела. Разветвлены у них так же и каналы выделительной системы. У лентецов (класс Cestoda) пищеварительная система отсутствует вовсе, и вещества распределяются исключительно за счёт диффузии. Дыхание у всех вышерассмотренных представителей осуществляется через покровы, и они не нуждаются в дополнительных системах транспорта кислорода. А лентецы, в связи с особенностями их жизни, в кислороде не нуждаются вовсе и дышат анаэробно. У насекомых кровеносная система лишается функции переноса газов, так как здесь эту функцию полностью осуществляет трахейная система. Это система разветвлённых трубочек, доставляющих кислород ко всем участкам тела.
3. Функцию кровеносной системы выполняет полость тела. Первичная полость тела представляет собой пространство между органами животного, заполненное жидкостью. У круглых червей (тип Nemathelmintes) кровеносная и дыхательная системы отсутствуют. Однако в большинстве случаев имеется хорошо развитая первичная полость тела, к которой переходят все функции кровеносной системы. Здесь транспортируются питательные вещества, и находятся продукты обмена, которые удаляются с помощью специальных выделительных желез. Интересно, что эмбриологически кровеносная система представляет собой остатки первичной полости тела, поэтому сходство их функций неудивительно. У кольчатых червей (тип Annelida) кровеносная система, как правило, присутствует. Полость тела у них является вторичной (целом). И у некоторых представителей кровеносная система редуцируется и её функции принимает на себя целом (например, у Gliceridae из класса Polychaeta). У разных отрядов пиявок (класс Hirudinea) наблюдается разная степень замещения кровеносной системы целомом. Так у отряда Acanthobdellida есть нормальная вторичная полость тела (целом) и в ней находятся кровеносные сосуды. А уже у отряда Gnathobdellida (челюстные пиявки) кровеносные сосуды полностью редуцируются, и целом распадается на отдельные лакуны, причём некоторые из этих лакун способны пульсировать наподобие сердца. Таким образом, происходит полное функциональное замещение кровеносной системы целомом.
Как видно, существует немало групп животных, лишённых настоящей кровеносной системы. В таком случае, её функции либо переходят к другим системам (полости тела, пищеварительной системе и т. д.), либо транспорт осуществляется целиком за счёт диффузии.
Вопрос 6. Хозяйка обнаружила на кафеле неприятный налёт. Соседка сказала, что скорее всего это грибы. Могут ли это быть грибы? А другие организмы? Предложите способы, с помощью которых можно было бы выяснить природу этого налёта.
Налёт на кафеле могут образовывать грибы, а могут и другие организмы. Наиболее вероятные кандидаты - бактерии и водоросли. Вполне возможно, что налёт будет состоять из сообщества нескольких видов организмов (хотя вряд ли их будет много).
Чтобы разобраться, кто это может быть, для начала стоит обратить внимание на цвет налёта. Если он имеет зелёный оттенок, можно предположить, что на кафеле живут фотосинтезирующие организмы. Для этого кафель должен находиться на освещённом месте. Такими организмами могут являться как сине-зелёные водоросли (прокариотические, безъядерные организмы), так и зелёные водоросли (эукариоты, их клетки имеют ядро). Если кафель находится внутри дома, появление каких-то других фотосинтетиков маловероятно. Если это кафель на садовой дорожке или на наружной стене дома, то список кандидатов расширяется. Например, это могут быть лишайники. А уж если это кафель на дне садового бассейна, то тут могут появляться и другие водоросли. Правда хозяйка вряд ли станет слишком переживать по поводу налёта на дорожке, поэтому логично обсуждать организмы, обитающие на кафеле в городской квартире.
Если налёт не имеет зелёного оттенка, и особенно если он растёт в тёмном помещении, можно предположить, что входящие в него организмы питаются гетеротрофно, то есть потребляют готовые органические вещества. Тогда это, вероятно, бактерии или грибы.
Для более подробного анализа нужно соскрести налёт (кстати, стоит поскрести и в том месте, где налёта нет. Это пригодится в качестве контроля). Ещё лучше взять несколько проб похожего налёта в разных местах. Тех организмов, что оказались в налёте, можно попробовать разглядеть в световой микроскоп.
Многим школьникам кажется, что посмотреть в микроскоп достаточно, чтобы сразу стало понятно, кто перед нами. К сожалению, все не так просто. Даже увидеть, есть ли в клетках ядро, часто бывает проблемой. Особенно если речь идет о зелёных организмах - в них ядро обычно замаскировано хлоропластами (у водорослей вместо них хроматофоры) и совершенно не видно. Поэтому отличить, имеем мы дело с прокариотами (бактериями и сине-зелёными водорослями) или с эукариотами (водорослями или грибами) может оказаться непросто.
Сине-зелёных можно отличить от зелёных водорослей по более тёмной, синеватой окраске. У нитчатых сине-зелёных в состав нити часто включены особые клетки - гетероцисты - которые отличаются от основных клеток нити округлой формой и крупным размером. Часто нить сине-зелёных одета слизистым чехлом.
Вообще же клетки прокариот обычно значительно мельче клеток эукариот. При обычном увеличении светового микроскопа 10x40 (в 400 раз) клетки большинства бактерий видны как очень мелкие точки и чёрточки, а клетки эукариот видны хорошо.
Гифы грибов будут видны как длинные нити. Если вам попались низшие грибы (вроде плесени), то иногда можно увидеть органы спороношения - торчащие из нитей "головки", "кисточки" и т. п. Кстати, споры часто можно заметить и невооружённым глазом как специфическую "пыль" на поверхности налёта.
Можно попробовать посадить содержимое налёта на питательную среду и сравнить результаты роста с тем, что вырастет из соскоба там, где налёта не было. В настоящее время разработана целая система отбора организмов на питательных средах разного состава. Таким образом можно получить культуры бактерий или примитивных грибов. Организмов из таких культур можно значительно надёжнее определить как по внешнему виду отдельных клеток и колоний, так и после окраски специальными красителями. Однако эти, как и другие современные методы, вряд ли доступны простой хозяйке, не имеющей доступа в научные лаборатории.
Вопрос 7. В глубинах океана живут удивительные червеобразные животные - рифтии. Жить они могут только возле бьющих из дна горячих источников, вода которых обогащена сероводородом. У рифтий нет кишечника, а органические вещества они получают от симбионтов - хемосинтезирующих бактерий, которые получают органические вещества из неорганических за счёт энергии химических реакций (а не за счёт энергии солнечного света, как зелёные растения). Бактерии живут внутри рифтий, в специальном органе, называемом трофосомой. И тут возникает проблема: для хемосинтеза бактериям нужен сероводород, но для дышащих кислородом животных (к которым относятся и рифтии, они дышат с помощью пронизанных кровеносными сосудами щупалец-жабр) сероводород, проникший в тело - яд. Предложите возможный механизм, позволяющей рифтии поддерживать жизнедеятельность бактерий-симбионтов и не отравиться самой.
Все рифтии живут в плотных трубках, которые создаются самими животными из белков и хитина. Трубки создаются железами, находящимися на своеобразном "воротничке", расположенном на переднем конце животного, сразу под щупальцами. И этот же "воротничок", как пробка, закрывает вход в трубку. Эти трубки, вместе с прочными коллагеновыми покровами тела рифтии, содержащими ферменты, способные очень быстро окислять сульфиды, не дают растворённому сероводороду (точнее, его аниону HS-) проникать в тело рифтии где попало. Разумеется, они препятствуют и проникновению кислорода. И весь газообмен животного идёт только через выставленные из трубок щупальца. Щупальца богато снабжаются кровью - настолько, что у живых рифтий они имеют ярко-красный цвет.
Гемоглобин вестиментифер отличается от гемоглобина большинства животных (например, позвоночных) и, помимо высокого сродства к кислороду, обладает способностью обратимо связывать HS-. При этом кислород, как и у всех животных, связывается с гемом, а сульфиды - с другими частями молекулы, в результате чего их соединение с гемоглобином не мешает последнему переносить кислород. При этом связь HS- с гемоглобином достаточно прочна, чтобы "не отдать" его обычному дыхательному ферменту цитохром-c-оксидазе (соединение HS- с этим ферментом и приводит к отравлениям сероводородом дышащих кислородом организмов). В таком надёжно связанном виде опасное вещество путешествует по кровеносной системе рифтий и попадает в трофосому, снабжённую великолепно развитой капиллярной сетью, где и передаётся непосредственно симбионтам. Другие компоненты крови рифтий доставляют туда CO2, также необходимый для процессов хемосинтеза.
Один из самых крупных видов - Riftia pachyptila
(длина - около 1 метра).
Рисунок скопирован из книги: Малахов В. В., Галкин С. В., 1998.
Вестиментиферы - бескишечные беспозвоночные морских глубин.
М.: КМК Scientific Press Ltd., 206 стр.
Остаётся проблема высокой концентрации сульфидов в самой трофосоме. Для рифтий (и ещё для некоторых обитающих в гидротермах моллюсков, так же имеющих бактерий-симбионтов) показано присутствие в тканях, служащих домом для симбионтов, необычных содержащих серу аминокислот (речь идёт о таурине и его аналогах), которые могут служить ловушкой для избыточных сульфидов.
Виноградов Г. М.
Правильный ответ на этот вопрос участникам турнира практически наверняка не был известен, поэтому положительно оценивалась любая разумная гипотеза, не противоречащая законам природы. Отвечающие высказали довольно много интересных, на наш взгляд, предположений. Ниже мы привели наиболее удачные варианты.
1. Рифтии необходима некая система органов, состоящая из каналов, стенки которых непроницаемы для сероводорода. Эта система должна быть изолирована от других систем рифтии. Каналы должны вести в оплетённую кровеносными сосудами трофосому, куда поступает сероводород. Бактерии синтезируют из него органические вещества, всасывающиеся в кровь и разносящиеся по всему организму рифтии.
Но ведь из наполненной сероводородом трофосомы ядовитое вещество будет диффундировать в кровь (в область с меньшей его концентрацией), поэтому сразу за трофосомой должен располагаться фильтрующий орган, очищающий кровь от сероводорода.
Вход в каналы должен располагаться на одном, а жабры-щупальца - на другом конце тела. В этом случае можно совместить процесс дыхания и поглощения сероводорода. А возможно, эти процессы разделены во времени. Сначала вдали от источника сероводорода рифтии дышат растворённым в воде кислородом, а затем подплывают к источнику, закрывают жабры и поглощают воду с сероводородом.
2. Возможно, бактерии находятся снаружи, на теле рифтии. Они поглощают сероводород и по специальным каналам проходят в трофосому. Или каждый раз рифтии поглощают трофосомой новых бактерий, уже содержащих сероводород. Таким образом, организм рифтии не контактирует с ядовитым сероводородом.
3. Рифтии "выплёвывают" трофосому в источник сероводорода. Стенка органа впускает газ (возможно, вместе с водой) внутрь, но не пропускает обратно. Затем трофосома затягивается обратно в организм рифтии.
4. В щупальцах-жабрах у рифтии могут находиться фильтры, задерживающие сероводород. От жабр к трофосоме идёт канал, по которому в неё поступает задержанный сероводород.
5. Трофосома может располагаться перед жабрами. Вода с сероводородом и кислородом сначала поступает в трофосому, где очищается бактериями от сероводорода, а затем уже в жабры, где всасывается кислород.
6. Возможно, в крови рифтии содержится некое вещество (белок), которое, соединяясь с сероводородом, преобразует его в безопасное соединение и переносит в трофосому, где сероводород высвобождается.
7. Сероводород и кислород вместе с водой поступают в жабры рифтии, где газы всасываются в кровь. Сосуды с кровью, снабжённой сероводородом и кислородом, из жабр сразу идут в трофосому. Здесь сероводород поглощается бактериями, а кровь, очищенная от ядовитого вещества, разносит кислород дальше ко всем органам и тканям.
Вопрос 8. Предположим, вы сидите на самоходном кресле на колёсиках, которое может ехать прямо вперёд, а может поворачивать. Договоримся, что глаза у вас закрыты и вы не подсматриваете. Будете ли вы знать, в какой момент и в какую сторону поворачивает кресло? Если да, то благодаря чему (каким образом)? Если нет, то почему?
Узнать о изменении скорости и направлении движения позволяет сила инерции: тело стремится сохранить прежнее направление движения, и при повороте его пускай чуть-чуть, но "заносит". Информация об изменении положения тела, даже самом слабом, поступает в мозг по двум независимым каналам:
1. Для восприятия любых изменений положения тела существуют вестибулярные рецепторы - волосковые клетки, находящиеся в мешочках и полукружных каналах внутреннего уха, заполненных студенистой жидкостью. При любом движении головы или туловища жидкость смещается, давит на волоски и рецепторы возбуждаются.
2. При изменении положения тела происходит механическое растяжение некоторых мышц. Но ведь они не получали "приказа" растягиваться, и поэтому включается рефлекторный механизм, компенсирующий подобное растяжение. Почти в каждой мышце находятся мышечные веретена, а в сухожилиях - сухожильные органы (рецепторы растяжения). Мышечные веретена - это группа мышечных волокон, которые тоньше и короче обычных. Они иннервируются чувствительными нервными волокнами и регистрируют длину мышцы. Сухожильные органы регистрируют её напряжение. Растяжение мышцы приводит к её рефлекторному сокращению. Наиболее известный рефлекс растяжения - коленный, возникающий в ответ на кратковременное растяжение четырёхглавой мышцы бедра лёгким ударом по её сухожилию ниже коленной чашечки. При изменениях скорости и направления движения поза сохраняется автоматически, но у высших животных информация о изменении сокращения мышц передаётся и в головной мозг.
Мозг анализирует информацию, поступающую от вестибулярного аппарата и рецепторов мышечного растяжения, и в нём возникает картина изменения положения тела в пространстве, соответствующая поворотам кресла. Отметим, что аналогично может поступить информация об резком ускорении либо торможении кресла при его прямолинейном движении.
Ответ на каждый вопрос оценивался в баллах. За правильный ответ обычно ставился 1 балл, за частично правильный - оценка в интервале от 0 до 1, в некоторых случаях ставились оценки и больше 1 балла.
Все полученные участником на конкурсе по биологии баллы суммировались.
Грамоты "за успешное выступление на конкурсе по биологии" и баллы многоборья присуждались в соответствии с суммой баллов эа ответы на вопросы следующим образом:
| Класс | балл многоборья (e) | грамота (v) |
| <5 | 1 | 2 |
| 6 | 1,5 | 2 |
| 7 | 2 | 3 |
| 8 | 3 | 4 |
| >9 | 4 | 5 |