Биология.

[MiLLoun]

Вот решила выложить несколько вопросов и, соответственно, к ним ответы. И это все, я Вам скажу, итог моей подготовки к олимпиаде по биологии.

Здесь выкладываеются очень интересные и необычные олимпиадные вопросы





№1. Вопрос:

Из записных книжек Кифы Мокиевича: «Ученые патетически описывают, что разные водные организмы могут накапливать определенные ионы в крайне высоких концентрациях. Например, в теле асцидий содержание ванадия – редчайшего элемента – достигает 0,16%. А вспомним огромные залежи железа и марганца на дне Мирового океана, созданные микроорганизмами! Восхитительно? На самом деле надо не восторгаться, а спасать природу. Ценные соединения захватываются немногими счастливчиками и надолго выводятся из круговорота веществ. Снижение численности этих «Плюшкиных» до минимального уровня позволит повысить продуктивность экосистем!» Что вы могли бы возразить Кифе Мокиевичу?

Ответ:

Живые организмы действительно способны концентрировать разнообразные химические элементы, в том числе довольно редкие. Однако Кифа Мокиевич заблуждается, полагая, что каждый элемент нужен для жизнедеятельности организмов. Скажем, серебро, свинец или ртуть содержатся в виде «примесей» во многих живых организмах, но не показано, что они входят в состав простетических групп ферментов или ускоряют какие-то метаболические процессы. Значит, повышение их концентрации не должно увеличивать продуктивность экосистем.

Имеется лишь около двух десятков химических элементов, необходимых для существования живых организмов. (К ним относятся, в частности, упомянутые Кифой марганец и железо.) Однако вреден может быть не только недостаток, но и избыток элемента.

Особенно это относится к «редчайшим» элементам, которые требуются для жизнедеятельности в микроколичествах. Металлы с переменной степенью окисления используются для катализа окислительно-восстановительных реакций: железо входит в состав цитохромов и гемоглобина, медь – в состав оксидаз и гемоцианина и т.д. Но в высоких концентрациях эти элементы образуют соли с аминокислотами цистеином и фенилаланином, а также с некоторыми другими веществами клетки. Естественно, если ион металла находится не на своем месте, работа биологически активной молекулы нарушается. Иначе говоря, избыток железа или меди вызывает токсический эффект. Организмы-концентраторы скорее спасают экосистему от избытка микроэлементов в среде, чем приводят к их дефициту. В отсутствие концентраторов продуктивность экосистемы упадет, а не увеличится.

Кифа Мокиевич рассуждает о выходе элементов из биохимических превращений, но не учитывает их поступление в экосистему. Так, с суши в озера, моря и океаны приносятся миллионы тонн солей, вымываемых атмосферными осадками из материнских пород.

Если бы не было организмов-концентраторов, все эти соли накапливались бы в воде до немыслимых концентраций, способных погубить все живое. Кроме того, выпавшие на дне или накопленные живыми организмами элементы не уходят из экосистемы насовсем. Накопленный асцидиями ванадий вновь рассеивается, когда они становятся добычей других животных, а после отмирания – бактерий. В анаэробных условиях железные руды способны к превращению Fe3+ --> Fe2+, благодаря которому образующийся продукт снова переходит в раствор.

И последнее. Не все концентраторы «отбирают» химические элементы у других организмов. Элементы зачастую достаются им из абиотической среды, причем другие члены экосистемы не способны к трансформации исходных соединений. После отмирания концентраторов их добыча становится доступной для остальных членов экосистемы. Так, цианобактерии, азотобактер, ризобии в симбиозе с бобовыми могут трансформировать и накапливать молекулярный азот, не доступный другим организмам. А микоризные грибы добывают фосфор из труднорастворимых солей. Непосредственно корням растений этот фосфор недоступен, и лишь в симбиозе с грибами они могут сделать его достоянием всей экосистемы. Если (по предложению Кифы Мокиевича) снизить численность этих организмов, то продуктивность не увеличится, а, напротив, упадет.

Описано несколько случаев, когда накопление большого количества некоторых элементов позволяет стабилизировать экосистему, предотвратив внедрение в нее «чужаков». Всем известно, что контакт островной флоры и фауны с континентальной приводит к гибели многих островных видов и, как результат, к снижению продуктивности сообщества (см. задачу 7 для XI кл.).

На островах Новой Каледонии природой созданы уникальные условия: организмы накапливают высокие дозы никеля. Вода и почва островов буквально пропитаны ионами этого металла, что не позволяет адаптироваться здесь континентальным видам и сохраняет первозданность уникальной экосистемы.







№2

Вопрос:

Д-ру Наплевайту поручили выяснить, существует ли у людей наследственная предрасположенность к некоторому заболеванию – синдрому наплевизма. Было установлено, что если родители страдают этой болезнью, то у их детей вероятность заболевания достоверно выше, чем в среднем в популяции. «Следовательно, – решил д-р Наплевайт, – предрасположенность к синдрому наплевизма передается по наследству». Однако д-ра Аккурата это доказательство не удовлетворило. По его мнению, существуют и другие причины, которые могут вызвать наблюдавшуюся д-ром Наплевайтом ситуацию.

Какие это могут быть причины? Для каких реальных болезней, по вашему мнению, эти причины могут проявиться так, как описано в задаче? Опишите, как можно корректно доказать влияние наследственности на шанс заболеть той или иной болезнью. Для каких известных вам болезней существует наследственная предрасположенность, повышающая вероятность заболевания? (Болезни, обязательно проявляющиеся у обладателей определенных наборов наследственных признаков, мы в этой задаче не рассматриваем.)

Ответ:

Отметим, что термин «наследственные» обычно относят к медленнотекущим и хроническим заболеваниям. Вряд ли кто-то станет считать наследственными такие быстро и остро текущие болезни, как грипп или дизентерию.

Хотя многие заболевания часто проявляются в кругу близких родственников, это не всегда «записано» на хромосомах родителей. Так, длительное время наследственным заболеванием считался сифилис – ведь часто у больных родителей рождались больные дети. Только после выделения возбудителя оказалось, что эта болезнь инфекционная, а не наследственная. Заражение происходит еще в утробе матери. К той же группе болезней относится СПИД: вирус из материнского организма проникает в организм ребенка. В обоих рассмотренных нами случаях говорят об инфекционной «наследственности».

Риск заражения детей от родителей довольно высок, поскольку члены семьи контактируют друг с другом чаще, чем с другими людьми. В качестве примера упомянем «наследственную» чахотку – туберкулез. Возбудитель болезни может долго находиться в помещении, особенно если оно слабо проветривается и мало освещено. Интересно, что у нанайцев существует обычай: если заболел один член семьи, все остальные тоже обязаны принимать лекарства, которые ему пропишут, чтобы изгнать из дома «духа болезни».

Этот явный предрассудок, как оказывается, не лишен смысла при многих инфекционных заболеваниях.

Иногда болезни бывают вызваны социальными факторами. Скажем, семья придерживается определенных традиций питания. Ребенок в семье не только ест, но и учится готовить. Поэтому своих детей он будет кормить примерно так же, как его самого кормили в детстве. Например, если в семье обычно готовят острую и жареную пищу, то дети наравне со взрослыми получают неплохой шанс заработать гастрит или язву желудка (особенно при нервной и неспокойной обстановке). Питание картофелем и жирной свининой вызывает нарушения функций печени. Если в рационе преобладают углеводы (сахар, хлеб) и нет традиции ухаживать за зубами, наблюдается «наследственный» кариес. Недоедание (обусловленное низкими доходами в семье) вызывает анемию и авитаминозы как у детей, так и у родителей.

Невротические заболевания (а также алкоголизм, наркомания) возникают при плохом воспитании детей, когда родители уделяют мало времени ребенку. Эта ситуация может повторяться из поколения в поколение независимо от генотипов родителей. Чрезмерная опека ребенка также способна вызвать псевдонаследственные заболевания. Например, если родители все время носят теплую одежду и следят за тем, чтобы ребенок был хорошо укутан, то возникает предрасположенность к простудным заболеваниям (реальная причина которых – отсутствие закалки).

С семейными традициями связаны и профессиональные заболевания. Это наблюдается в том случае, когда сын выбирает профессию отца (или дочь – профессию матери). Потомственные шахтеры часто страдают силикозом – заболеванием легких, вызванным попаданием в них частичек горных пород. В сказах П.Бажова упоминается болезнь «ярь-медянка» (интоксикация медью) у потомственных резчиков по малахиту. В династиях часовщиков или ювелиров из поколения в поколение может наблюдаться близорукость. Поэтому не исключено, что наплевизм – чисто профессиональное качество. (Подходящий пример профессии, соответствующий названию болезни, придумайте самостоятельно.)

Некоторые болезни вызваны неблагополучным местом обитания, которое одинаково у родителей и детей.

Сюда относятся хронические заболевания горла у людей, живущих вблизи автомобильных магистралей, химических заводов, а также онкологические заболевания, если при строительстве здания использовали непроверенные (радиоактивные) материалы.

Наиболее достоверные доказательства наследственного характера заболевания можно получить близнецовым методом. Для этого исследуют однояйцовых близнецов, поскольку у них совершенно идентичные генотипы. Близнецы должны быть рано разлучены и воспитываться в разных условиях. Если в одном и том же возрасте у них проявилось одно и то же заболевание, то можно сделать вывод о наследственной предрасположенности.

Обычно наследственная предрасположенность к заболеванию – полигенный признак. Она может быть связана с морфологией организма. (Известно, что у высоких людей и у карликов разный гормональный статус, вследствие чего они болеют разными болезнями.) Наследуемые особенности строения сосудистой системы обуславливают предрасположенность к гипертонии и болезням сердца. К заболеваниям наследственной природы относятся некоторые нарушения гормонального баланса: базедова болезнь – усиленная функция щитовидной железы, диабет – пониженная функция поджелудочной железы и др. А поскольку гормональный баланс влияет на нервную систему, существует также наследственная предрасположенность к нервным и психическим заболеваниям.

К счастью, проявление полигенно наследуемого признака обычно в существенной степени зависит от внешних обстоятельств, поэтому не все обладатели «несчастливого» генотипа заболевают болезнями, к которым они предрасположены. Многое определяется образом жизни человека. При предрасположенности к раку легких лучше не заводить привычку курить. Если среди родственников много диабетиков, лучше не строить свой рацион на тортах и варенье. А относясь серьезно к делам, можно (мы надеемся!) противостоять наследственной склонности к наплевизму.