Задания

На каждый вопрос могут отвечать школьники любого класса (задания по классам не делятся).

1. Известно, что у многих животных встречаются особи с нестандарт­ным окрасом: белые (альбиносы) или очень тёмные (меланисты). Чем такие окраски могут вредить и чем могут быть полезны животному?

2. Гуляя зимой по лесу, мы часто натыкаемся на следы различных животных. Узнать, кто из представителей животного мира проходил здесь до нас, помогают специальные книги — определители по следам. Однако нас также заинтересует и вопрос, как давно животное здесь проходило, что оно тут делало и есть ли шанс встретить его здесь в ближайшее время? Предложите критерии и признаки, на которые вы будете ориентироваться, стараясь ответить на данные вопросы.

3. Одним из направлений программы освоения космоса является изу­чение влияния невесомости на различные живые организмы. Попро­буйте спрогнозировать результаты таких экспериментов: как невесо­мость будет влиять на представителей разных групп организмов, какие изменения при этом мы будем наблюдать?

4. В клетках эукариот (к которым относится и человек) молекулы ДНК, содержащие наследственную информацию, находятся в ядре. А у про­кариот ядра нет, а молекулы ДНК есть, и они тоже содержат наслед­ственную информацию. Как вам кажется, какие преимущества даёт наличие клеточного ядра? Приводит ли его наличие к каким-то про­блемам? Перечислите как можно больше проблем и преимуществ.

5. В животном мире известны примеры, когда отдельные зубы (чаще всего — верхние клыки) очень сильно разрастаются. Примером могут служить вымершие саблезубые тигры или современные слоны. Приве­дите другие примеры животных с разросшимися зубами и придумайте, как животные могли бы их использовать.

6. На земном шаре жизнь есть практически везде, в том числе в местах с очень высокой температурой (например, в горячих источ­никах), и с очень низкой (в приполярных областях, на вершинах гор). С какими трудностями сталкиваются обитающие там организмы и как они их преодолевают?

7. Представьте себе, что звездолёт прилетел на незнакомую планету. Учёные исследовали её и обнаружили, что все живые организмы там представлены только грибами. Может ли такое быть? Если нет, то почему? Если да, то при каких условиях?

Пояснение к заданию

При оценке ответов на вопросы по биологии школьники могут полу­чить баллы за правильные ответы. За неправильный ответ баллы не снижаются. Полученные за ответы на разные вопросы баллы склады­ваются, итог подводится в зависимости от суммы баллов и класса.

Как правило, вопросы по биологии предполагают наличие несколь­ких (а часто — и довольно многих) правильных ответов. За каждый правильный ответ начисляется 1 или 2 балла, в зависимости от того, насколько сложен вопрос и насколько очевиден ответ. Бывают вопросы, на которые нет однозначно правильного ответа. В этом случае положи­тельные баллы начисляются за любую разумную гипотезу.

Если школьник не только перечисляет идеи, являющиеся, по его мнению, ответами на вопрос, а и разумно их аргументирует, это может повышать его оценку.

В тех вопросах, где просят привести примеры, — каждый правиль­ный пример повышает оценку на 0,5-1 балл. Важно, что примеры должны точно соответствовать поставленному вопросу. Так, при ответе на вопрос про светящихся водных животных пример «светлячок» учи­тываться не будет.

Также считаются за один совсем однородные примеры. Скажем, если вопрос про животных, у которых личинки и взрослые особи имеют раз­ный корм, примеры «лягушка» и «жаба» будут считаться однородными.

За каждый вопрос можно получить несколько баллов, и даже довольно много (8-10). Верхнего предела оценки не существует. К сожа­лению, довольно часто ребята, придумав 1 ответ на вопрос, этим и ограничиваются, получая за ответ 1-2 балла.

Объём написанного текста не влияет на оценку. Важно не сколько написал автор работы, а сколько разумных мыслей он при этом выска­зал и сколько правильных примеров привёл. Также не повышают оценку рассуждения на посторонние, пусть и связанные с вопросом, темы.

Оценивается только работа самого участника. За текст, переписан­ный из справочной литературы, а также из других работ, баллы не начисляются.

Ответы и комментарии

1. Известно, что у многих животных встречаются особи с нестандарт­ным окрасом: белые (альбиносы) или очень тёмные (меланисты). Чем такие окраски могут вредить и чем могут быть полезны животному?

Ответ. Ответ на этот вопрос предполагал обсуждение различных сто­рон жизни животных, которые связаны с их окраской. Как правило, видовая окраска не случайна. Она может быть маскировочной — делать животное малозаметным; или наоборот — яркой, контрастной, выделя­ющейся — предупреждая, например, о ядовитости её носителя. Наруше­ние любой приспособительной окраски скорее всего нанесёт вред орга­низму — такие животные будут легче попадаться хищникам.

Белая или чёрная окраска в некоторых случаях может повысить приспособленность организма. Самый частый пример — альбиносы на белом снегу. Этот ответ засчитывался, однако надо сказать, что если животному выгодно быть белым зимой, то такая окраска обычно в про­цессе эволюции уже выработалась у всех организмов данного вида.

Гораздо менее вероятно, что необычная окраска будет помогать животному спасаться от хищника из-за того, что, как писали в некото­рых работах, «хищник его не узнает и не съест». Опыт показывает, что хищников обычно не останавливает необычный вид жертвы.

Ещё одна важная функция характерной видовой окраски — сиг­нальная. Она позволяет узнавать друг друга самцам и самкам, может информировать сородичей о возрасте, физиологическом состоянии и силе животного. Нарушение окраски будет мешать её носителю нала­живать нормальные взаимоотношения с особямц своего вида. Он будет «белой вороной» в своей стае.

Многие школьники обращали внимание на то, что белая или чёр­ная окраска может повлиять на то, как организм относится к солнеч­ным лучам. В простейшем случае — чёрные нагреваются сильнее, чем белые, при прочих равных условиях. Это иногда может быть полезно, а иногда — вредно. Кроме того (и это даже важнее!) тёмная окраска защищает её хозяина от ультрафиолетовых лучей. Если при этом в ответе была выстроена логическая цепочка: ультрафиолет может вызы­вать мутации, которые, в свою очередь, повышают вероятность раковых заболеваний, — оценка повышалась,

В некоторых случаях альбинизм может быть признаком сложных генетических нарушений. Так широко известно, что среди белых кошек глухота встречается чаще, чем среди кошек с другим окрасом. При этом животное страдает не столько от цвета, сколько от других болезней.

Распространённое мнение о том, что у альбиносов нарушен имму­нитет, достоверных подтверждений не имеет. В некоторых случаях большая подверженность таких животных различным заболеваниям может быть следствием нарушения механизмов гормональной регуля­ции, поскольку ряд гормонов имеют тот же химический предшествен­ник, что и краситель меланин — аминокислоту тирозин.

Наконец, в некоторых работах отмечалось, что для животных может быть небезразлично, как к его окраске относится человек. Необычную окраску домашних животных люди часто поддерживают с помощью искусственного отбора. А вот диким животным она может приносить вред, поскольку шкурка необычного окраса становится особенно желан­ным охотничьим трофеем.

2. Гуляя зимой по лесу, мы часто натыкаемся на следы различных животных. Узнать, кто из представителей животного мира проходил здесь до нас, помогают специальные книги — определители по следам. Однако нас также заинтересует и вопрос, как давно животное здесь проходило, что оно тут делало и есть ли шанс встретить его здесь в ближайшее время? Предложите критерии и признаки, на которые вы будете ориентироваться, стараясь ответить на данные вопросы.

Ответ. Обсудим ответ на каждый из вопросов отдельно.

На вопрос «Как давно животное прошло» школьники чаще всего предлагали отвечать, обращая внимание на чёткость отпечатка на снегу или грунте. Однако при этом необходимо учитывать, давно ли шёл снег или дождь, а также структуру поверхности, на которой оставлен след. Понятно, что на плотной почве следы будут менее чёткими, чем на мягкой, а прошедший снег гарантирует нам то, что мы увидим только следы, оставленные после снегопада. Аналогичные рассуждения приме­нимы и к глубине следа. Только на глубину влияет ещё и вес самого животного.

О давности следа может свидетельствовать обнаружение в нём каких-то посторонних предметов (листьев, хвоинок и т. п.), или то, что интересующий нас след оказался перекрытым другими следами.

Стоит обращать внимание и на дополнительные «улики», если они есть: свежий или подсохший помет, свежесть погрызов или, скажем, царапин на деревьях и т. п.

Большим подспорьем может послужить поведение других животных при встрече со следом. Охотничья собака может понять, насколько све­жий след, по запаху, что человеку почти недоступно. Только в редких случаях человек может отличить свежий след, обнюхав его. Тем не менее, если школьники в своих ответах предлагали понюхать следы, этот вариант засчитывался как разумный.

Что животное делало?

О поведении и «занятии» животного в первую очередь можно судить по особенностям следовой дорожки. Рисунок будет разным в случае, если животное бежало и если оно долго топталось на одном месте. На глубине следа поведение отражается, но эту связь трудно интерпретиро­вать. Гораздо полезнее оценивать характер походки (размер прыжков, взаимное расположение отпечатков и т. п.), а также общий вид следо­вой дорожки. Так известно, что заяц, спасаясь от хищников, запутывает след, делая петли, сдвойки и неожиданные прыжки в сторону.

Естественно, если вы видите лёжку (отпечаток тела животного) — значит оно лежало, а если видны остатки пищи — значит питалось. Ино­гда можно видеть следы охоты или транспортировки добычи. Напри­мер, горностай, поймав мышь, тащит её в зубах и оставляет характер­ные чёрточки рядом со своим следом.

Можно заметить также следы взаимодействия животных одного вида. Иногда это метки разного рода, оставляемые животным для обозначения территории. Иногда — следы нескольких особей, проходив­ших вместе или по очереди. Всё это тоже может дать информацию о поведении «хозяина» следа.

Есть ли шанс встретить это животное вновь?

Чтобы по следам определить, насколько вероятна встреча с живот­ным, желательно иметь представление о биологии вида: живёт он стаями, семьями или в одиночку? имеет ли собственную территорию? чем питается? как выращивает детёнышей? Всё это поможет понять, насколько вероятно встретить данный вид в месте обнаружения следа.

Если вы обнаружили место скопления или многократно использован­ную тропу, вероятность встречи достаточно велика. Есть вероятность увидеть животное и в том случае, когда вы видите несколько следов одного и того же животного разного свежести (это означает, что оно проходило тут неоднократно).

Конечно же, весьма вероятно увидеть животное, если вы нашли постоянно используемое место питания или водопоя. Или обнаружили его нору или другое постоянное убежище.

Все эти признаки вместе могут дать вам очень ценную информации о жизни животных, но для того, чтобы увидеть Их, нужно внимание, опыт и немножко везенья.

3. Одним из направлений программы освоения космоса является изу­чение влияния невесомости на различные живые организмы. Попро­буйте спрогнозировать результаты таких экспериментов: как невесо­мость будет влиять на представителей разных групп организмов, какие изменения при этом мы будем наблюдать?

Ответ. Давая ответ на этот вопрос, следует сразу отметить, что в нём спрашивалось только про влияние невесомости. Если участник турнира писал про влияние каких-то других факторов на организм, такие ответы не засчитывались. Тем более вопрос не предполагал выживание организ­мов в открытом космосе.

Как же невесомость может повлиять на разные живые существа?

Легче всего нам представить себе влияние невесомости на животных (включая человека). Невесомость воздействует на различные системы органов. Так, существенное влияние она оказывает на опорно-двигатель­ную систему. В отсутствие силы тяжести, мышцы и кости не испы­тывают привычных нагрузок, поэтому при длительном пребывании в невесомости мышцы начинают ослабляться и могут даже частично атро­фироваться, а кости перестраиваются. А ещё — не слишком важное изменение, но всё же — меняется кожа на тех участках, которые испы­тывали нагрузку на Земле, например, на подошвах.

Также в невесомости могут возникать проблемы с кровообращением, с распределением жидкостей в организме. А это может, в свою очередь, влиять и на другие органы, в частности — на мозг.

Ещё одна система, работа которой нарушается в невесомости, — это вестибулярный аппарат, поскольку его работа основана на раздраже­нии кристаллами рецепторов под действием силы тяжести. Космонавты знают, что в невесомости в первое время их преследуют головокруже­ние, тошнота. Им трудно рассчитывать свои движения, точность их снижается. Могут также нарушаться глотание, выведение жидкостей. Однако постепенно организм приспосабливается к невесомости и движе­ния становятся более точными. С другими животными происходит то же самое: как правило, они тоже постепенно адаптируются к необыч­ным условиям, хотя это не всегда происходит быстро. Если же живот­ные размножаются в условиях невесомости, то у них могут возникать проблемы с оплодотворением. Хотя опыты показывают, что в основном размножение проходит достаточно успешно.

Для растений проблемы с током жидкости тоже могут быть весьма существенными, а также может нарушаться геотропизм. Отсутствие силы тяжести часто приводит к тому, что растения вытягиваются гораздо сильнее, чем на Земле, а растут в основном в сторону света. Размножение растений в невесомости вполне возможно, на орбите удава­лось получать несколько поколений. Но некоторые сложности растения могут Испытывать при оседании спор и других процессах, требующих земного притяжения.

Для грибов невесомость не представляет серьёзного трудности, лишь в некоторых случаях может нарушаться формирование плодовых тел. Практически никакого влияния невесомость не оказывает на бактерии.

4. В клетках эукариот (к которым относится и человек) молекулы ДНК, содержащие наследственную информацию, находятся в ядре. А у про­кариот ядра нет, а молекулы ДНК есть, и они тоже содержат наслед­ственную информацию. Как вам кажется, какие преимущества даёт наличие клеточного ядра? Приводит ли его наличие к каким-то про­блемам? Перечислите как можно больше проблем и преимуществ.

Ответ. Преимущества наличия ядра в клетке связаны в первую оче­редь с наличием ядерной мембраны. Она отделяет внутреннее простран­ство ядра от цитоплазмы. Это позволяет отделить многочисленные био­химические процессы, идущие в ней, от места хранения наследствен­ного материала. В ядре же сконцентрированы вещества, работающие с ДНК, это позволяет повысить их локальную концентрацию и увеличить эффективность работы.

Кроме того, ДНК в ядре расположена не беспорядочно. Ядро имеет свою структуру, различные участки генома расположены на определён­ных местах. Это позволяет увеличить размеры генома.

Ядерная мембрана отделяет место синтеза белка от места синтеза РНК. Такое разделение позволяет включить дополнительные регуля- торные механизмы. Например, РНК может не выходить из ядра, накап­ливаясь в нём до поры.

Также в некоторых случаях ядерная мембрана может служить дополнительным барьером на пути проникновения вредоносных объек­тов, таких как вирусы.

Однако наличие ядра как отдельного органоида несёт и определён­ные неудобства. Очевидно, что поддержание такой структуры требует дополнительных затрат веществ (хотя бы на построение ядерной мем­браны) и энергии. Транспорт веществ через ядерную мембрану также идёт с затратой энергии.

Увеличивается промежуток времени между синтезом РНК и считы­ванием с этой РНК белка. К тому же клетка теряет некоторые регуля- торные механизмы, основанные на том, что у безъядерных организмов рибосомы могут начинать синтез бедка не дожидаясь, пока РНК будет до конца сформирована.

Отделение наследственного материала от остальной части клетки ведёт и к проблемам с делением. Этот процесс усложняется и также становится более энергозатратным. Это приводит к снижению скорости размножения клеток, что также может быть нежелательно.

Наконец, любое увеличение сложности системы (а формирование ядра безусловно ведёт к увеличению сложности) ведёт к увеличению числа ошибок в работе системы, последствия которых точно предска­зать трудно.

5. В животном мире известны примеры, когда отдельные зубы (чаще всего — верхние клыки) очень сильно разрастаются. Примером могут служить вымершие саблезубые тигры или современные слоны. Приве­дите другие примеры животных с разросшимися зубами и придумайте, как животные могли бы их использовать.

Ответ. Разросшиеся зубы встречаются у животных не так уж редко. Вот некоторые примеры:

Кабаны (дикие свиньи) имеют разросшиеся клыки, которые в основ­ном используют для копания, чтобы добыть пищу. Но также они могут использоваться в турнирных боях между самцами. Для защиты от вра­гов они используются редко, но такой вариант ответа тоже считался возможным.

Другая свинья с разросшимися зубами так и называется — клыка­стая свинья или бабирусса. У самцов клыки так велики, что проходят через кожу и могут загибаться до лба. Использовать такие гипертро­фированные клыки для практических целей невозможно, скорее всего, это признак, повышающий статус самца и привлекающий самок

Разросшиеся клыки имеют моржи. Они используют их для вска­пывания грунта (добычи пищи), для турнирных боёв между самцами, а также они помогают передвигаться по льду (морж может зацепляться ими).

Китообразное нарвал имеет на голове огромный разросшийся зуб, который к тому же закручен в спираль. Точное назначение этого ору­дия не вполне ясно, но, поскольку в вопросе требовалось придумать, как животные могли бы использовать свои огромные зубы, принима­лись разумные версии. Этот зуб может быть чувствительным органом, использоваться для проделывания дыр во льду, а также — для турнир­ных боёв или как вторичный половой признак.

Свойственны разросшиеся клыки и некоторым оленям, таким как кабарга или мунтжаки. Чаще всего самцы используют их при выясне­нии отношений в борьбе эа самок. Но могут иногда применять и для защиты от хищников.

Вымершие мамонты использовали свои бивни (разросшиеся верх­ние резцы) для разгребания снега и почвы для добычи корма, а также в боях между самцами и для защиты от нападения. Практически так же, как используют бивни современные слоны.

Довольно часто разросшиеся резцы можно встретить у представи­телей отрядов грызунов и зайцеобразных. Они используют их для разгрызания твёрдой пищи, сдирания коры с деревьев, а некоторые — например, слепушонки — для копания грунта при строительстве нор. Многим школьникам известны бобры, которые своими огромными рез­цами отгрызают ветки и даже валят деревья, а потом используют их в строительстве плотин, хаток, а небольшие ветки едят.

Довольно часто школьники в своих ответах упоминали разросши­еся клыки хищников. Однако на самом деле у большинства современ­ных хищников разрастаются в основном не клыки, а один из коренных зубов (так называемый «хищный зуб»), который используется для раз­делывания добычи. Разрастание клыков было свойственно вымершим саблезубым кошкам и некоторым сумчатым. Они использовали их в первую очередь для быстрого умерщвления добычи.

Ядовитым змеям свойственно разрастание передних зубов, кото­рые служат для введения яда в жертву и для удержания добычи. А рыба саблезуб получила своё название за то, что имеет разросши­еся зубы, помогающие ей удерживать добычу.

В заключение надо отметить, что, поскольку в вопросе требовалось привести другие (кроме слонов и саблезубых тигров) примеры живот­ных с разросшимися зубами, обсуждение этих примеров не засчитыва- лось.

6. На земном шаре жизнь есть практически везде, в том числе в местах с очень высокой температурой (например, в горячих источ­никах), и с очень низкой (в приполярных областях, на вершинах гор). С какими трудностями сталкиваются обитающие там организмы и как они их преодолевают?

Ответ. Сразу следует отметить, что в вопросе вершины гор и другие места приводились только как; примеры жарких и холодных условий. Поэтому не предполагалось обсуждения каких-то факторов, связанных с высокогорьем, кроме температуры. За рассуждения о разреженности воздуха и т. п. балы не начислялись.

Какие же трудности испытывают организмы в условиях экстремаль­ных температур?

В экстремально горячих местообитаниях.

Наиболее известная проблема — тепловая денатурация белков. То есть нарушение их нормальной структуры, которое не позволяет бел­кам нормально работать. У живущих в «горячих» условиях организмов в ходе эволюции выработался специфический состав белков, которые денатурируют при более высоких температурах, чем обычно. А у орга­низмов, которые лишь периодически попадают в условия повышенной температуры, очень хорошо работает система теплового шока, свой­ственная практически всем организмам. Эта система защищает белки в момент повышения температуры от полного распада и слипания в комок, но работать белки при этом не могут. Они только переживают «горячий» период, а потом восстанавливают свою структуру.

Также при повышенной температуре может происходить расплета­ние цепей ДНК. Чем выше содержание нуклеотидов Г и Ц (гуанин и цитозин), тем при более высокой температуре происходит это расхож­дение, поэтому в ДНК термоустойчивых организмов содержание этих нуклеотидов обычно высокое.

Также высокая температура может вызывать нарушение клеточных мембран, поэтому в термоустойчивых клетках часто бывает специфиче­ский набор липидов, а Кроме того мембрана бывает укреплена клеточ­ной стенкой нелипидной природы.

Довольно часто жизнь в условиях повышенной температуры сопро­вождается большими потерями воды, особенно если организмы исполь­зуют испарение Как способ терморегуляции. При этом им необходимо иметь способы очень точно регулировать испарение или добывать воду какими-то специальными способами. Это, конечно, не относится к оби­тателям горячих источников — они ведь живут в воде.

В экстремально холодных местообитаниях.

В этом случае опасность представляет замерзание воды в клетках, что может привести к их разрыву. Чаще всего защитой от этой опасно­сти служит накопление в цитоплазме веществ, снижающих температуру замерзания.

Холод может приводить также к денатурации белков и нарушению структуры мембран. Для преодоления этого организмы также исполь­зуют белки и липиды специфического состава или белки-помощники.

Кроме того, холод приводит к снижению скорости всех химических реакций. Поэтому холодные условия часто выдерживают теплокровные организмы, способные активно поддерживать температуру тела выше окружающей. Также может помочь использование белков-ферментов с повышенной активностью. К этому же типу проблем относятся труд­ности со всасыванием воды у растений. Поэтому растения, живущие в холодных местах, часто вынуждены защищаться от испарения так же, как растения засушливых мест.

В любом случае в условиях холода организмы теряют большое коли­чество энергии, поэтому должны компенсировать потери каким-то обра­зом, например, за счёт пищи или жировых запасов. Также можно прово­дить наиболее экстремальный период в неактивном состоянии (спячка, анабиоз и т. п.)

Общими методами защиты от экстремальных температур являются: различные способы избегания, в частности, использование убежищ, а также активное сопротивление условиям — в данном случае — терморегуляция. Многие школьники писали об использовании термо­изолирующих прослоек — жир, шерсть и др., а также об изменении соотношения различных частей тела. В частности, широко известно правило, по которому у животных жарких мест большая площадь выступающих частей тела, а у живущих в холодных местах — малень­кая.

Есть и некоторые общие трудности, которые испытывают орга­низмы, живущие в разных экстремальных местах, и общие способы их решения.

В таких местах плотность живых существ часто вообще невысока, поэтому организмы могут испытывать проблемы с питанием и поис­ком пары для размножения. Здесь каждый вид использует собственные механизмы повышения вероятности встречи пар. А недостаток пита­ния возмещают снижением интенсивности обмена, особенно в голодные периоды.

Молодые, развивающиеся организмы в условиях экстремальных тем­ператур оказываются особенно уязвимы. Поэтому для них, как правило, создаются особые условия, используются убежища, запасаются пита­тельные вещества. Также может использоваться метод избегания.

7. Представьте себе, что звездолёт прилетел: на незнакомую планету. Учёные исследовали её и обнаружили, что все живые организмы там представлены только грибами. Может ли такое быть? Если нет, то почему? Если да, то при каких условиях?

Ответ. Если отвечать на этот вопрос глобально, ответ будет — нет. Биосфера из одних грибов невозможна, поскольку грибы — гетеро- трофы, они не могут сами синтезировать органические вещества из неорганических. Для существования устойчивой биосферы необходимы автотрофы, создающие органику.

Однако вопрос поставлен так, что можно представить себе подобную ситуацию. Для начала можно предположить, что учёные просто иссле­довали планету не очень тщательно, и автотрофы ещё будут обнару­жены. Если же ошибки нет, то можно представить себе, что автотрофы были на этой планете, но к моменту появления учёных уже умерли, а грибы питаются их остатками. Другой вариант — органика поступает на планету откуда-то извне или постоянно возникает в результате хими­ческих реакций. Также можно представить себе, что у грибов есть авто- трофные симбионты, которые поставляют им органику, но не заметны снаружи. За эти и подобные предположения начислялись баллы.

Многие школьники предполагали, что грибы не смогут выжить на планете без растений из-за того, что на ней не будет кислорода. Но среди грибов есть виды, которые могут обходиться без кислорода, поэтому такой ответ не засчитывался как верный.