Предлагается 20 вопросов повышенной сложности с развернутыми ответами и вопросы для самостоятельной работы.

 

ВОПРОС 1

В чем особенности кровеносной системы птиц по сравнению с кровеносной системой млекопитаю­щих? Чем обусловлены эти особенности?

 

Ответ. 

Многие особенности строения и работы орга­нов птиц обусловлены приспособлением к полету. Полет требует интенсивной работы мышц, которые должны обильно снабжаться кислородом. Однако птицы не могут обеспечить доставку нужного кислорода за счет большого количества крови, так как повышение относительного ве­са крови затрудняло бы полет. Иными словами, крови хо­рошо бы иметь поменьше, а кислорода получать поболь­ше. Это можно обеспечить за счет быстрого движения крови по сосудам: кровь будет быстрее возвращаться в легкие и чаще захватывать там кислород. Решению той же самой задачи служит и особенность дыхательной системы птиц: у них кислород проходит через легкие и при вдохе, и при выдохе. Но для того чтобы кровь быстрее двигалась, необходимо повысить артериальное давление, от которого эта скорость зависит; и действительно, птицы, по сравнению с млекопитающими, гипертоники. Для того чтобы создать высокое артериальное давление, сердце птиц должно сокращаться с большой силой и высокой частотой. Итак, первое отличие кровеносной системы птиц — высокое давление, обеспечивающее высокую ско­рость движения крови.

Вторая особенность кровеносной системы птиц — система кровоснабжения легких. У птиц, как уже говори­лось, существует «двойное дыхание»: богатый кислоро­дом воздух проходит через легкие и при вдохе, и при выдохе, причем в одном и том же направлении. Это обес­печивается системой воздушных мешков, пронизываю­щих тело птицы.

Кровь по легочным капиллярам двигается в направ­лении, противоположном направлению движения возду­ха. Венозная кровь встречает те порции воздуха, кото­рые уже прошли легкие и отдали большую часть кисло­рода Но кислорода в этом воздухе все же больше, чем в венозной крови, и этот кислород поступает в кровь. Кровь, прошедшая почти все легкие и обогатив­шаяся кислородом, встречает самый свежий воздух, ко­торый содержит максимум кислорода, и кровь поглоща­ет дополнительный кислород. Принцип противотока, кратко описанный выше, встречается не только в крове­носной системе легких у птиц, но и в ряде других физиологических процессов у разных животных. Этот принцип позволяет птицам эффективнее извлекать кис­лород из воздуха. На уровне моря преимущества такого способа получения кислорода не слишком велики, но на больших высотах они очень существенны. Птицы мо­гут летать на такой высоте, где млекопитающие прак­тически не могут двигаться, например на высоте гор, где людям требуются кислородные приборы.

Некоторые другие отличия кровеносной системы птиц от кровеносной системы млекопитающих мы только на­зовем, не обсуждая их значения. В то время как у мле­копитающих почки снабжаются только почечными арте­риями, у птиц через почки проходит и венозная кровь (так называемая воротная система почек); эта особен­ность связана с тем, что птицы выделяют не мочевину, а мочевую кислоту. Эритроциты птиц, в отличие от эри­троцитов млекопитающих, имеют ядро.

Еще одно отличие птиц от млекопитающих состоит в том, что у птиц сохранилась правая дуга аорты, а у млекопитающих — левая. Это отличие не имеет функцио­нального значения. Оно показывает только, что птицы от­делились от пресмыкающихся позднее, чем млекопи­тающие. У пресмыкающихся тоже наметилась редукция левой дуги аорты; птицы появились на том этапе, когда редукция этой дуги уже шла, и у птиц эта дуга исчезла полностью. Млекопитающие произошли раньше от более примитивных рептилий, у которых обе дуги аорты были еще одинаково хорошо развиты, и у млекопитающих в дальнейшем одна из дуг аорты редуцировалась, это слу­чайно оказалась правая дуга.

 

 

ВОПРОС 2

Если человек произвольно напрягает мышцу ру­ки и в этот момент нанести удар по мышце в направ­лении, перпендикулярном ходу мышечных волокон, то мышца расслабится. Объясните, почему это проис­ходит. 

 

Ответ. 

Для ответа на этот вопрос надо ясно пред­ставлять себе, как возникает произвольное напряжение мышцы. Этот процесс включает следующие этапы: сигнал из центральной нервной системы поступает в спинной мозг, от моторного нейрона спинного мозга импульсы идут к мышце, вызывая ее сокращение. Сокра­щение мышцы поддерживается за счет непрерывного потока импульсов из спинного мозга и образования мостиков между актиновыми и миозиновыми нитями в сокращенной мышце.

Первая причина расслабления такова. У позвоночных животных (в отличие от беспозвоночных) нерв, под­ходящий к мышце, может только возбудить ее; следо­вательно, для расслабления мышцы нужно, чтобы по нерву перестали поступать импульсы. Для этого надо затормозить ту нервную клетку, аксон которой идет к мышце. Значит, удар по мышце возбуждает какие-то рецепторы, сигнал от которых, поступая в спинной мозг, тормозит моторные нейроны. Рецепторами, которые при ударе по мышце тормозят мотонейроны, являются сухо­жильные рецепторы. Вторая причина расслабления со­стоит в том, что удар по мышце приводит к разрыву мостиков между актиновыми и миозиновыми нитями.

 

 

ВОПРОС 3

При раздражении смешанного нерва одиноч­ным электрическим импульсом в одной точке мышца сокращается однократно, а при таком же раздраже­нии в другой точке мышца сокращается дважды. Чем это можно объяснить? 

 

Ответ. 

Простейший вариант ответа: при раздраже­нии одной точки смешанного нерва возбуждаются и мо­торные волокна, в результате чего возбуждение поступает к мышце первый раз, и чувствительные, по которым сигнал идет в спинной мозг, а оттуда по рефлекторной дуге вторично приходит к мышце. Этот ответ, однако, является недостаточным. Дело в том, что при искусствен­ном раздражении нерва электрическим током возбужде­ние по моторным волокнам идет не только к мышце, но и в обратном направлении — в спинной мозг, к мо­торным нейронам, которые на некоторое время после поступления нервных импульсов становятся невозбуди­мыми. Осознание этой проблемы — как избавиться от мешающего влияния встречных импульсов — необхо­димо для верного решения задачи.

Верное решение таково. Если смешанный нерв раздра­жается вблизи спинного мозга, то моторный нейрон возбуждается импульсами от моторного нерва (которые приходят в «неправильном» направлении) и становится невозбудимым; тут же приходят импульсы по чувстви­тельным волокнам, но они не могут возбудить моторный нейрон. Мышца отвечает одним сокращением. Если же раздражать смешанный нерв близко к мышце, то возни­кают два сокращения мышцы. Первое — прямо под дей­ствием моторных волокон. Второе — потому, что в чувст­вительной части нерва имеются волокна, проводящие возбуждение довольно медленно. Пока возбуждение доходит по ним до спинного мозга по длинному пути от мышцы, у моторного нейрона успевает кончиться пери­од невозбудимости, он возбуждается под действием чувствительных волокон и вызывает второе сокращение мышцы.

Осталось разобрать последнюю тонкость. А почему сигнал, пришедший в спинной мозг по моторным волок­нам в моторные нейроны, не переходит из них на чув­ствительные медленные волокна и не идет навстречу их импульсам (а встречные импульсы в нервном волокне гасят друг друга)? Дело в том, что между оконча­ниями чувствительных волокон и моторными нейронами имеется особое «выпрямляющее» устройство — синапс, который пропускает импульсы только в одну сторону.

 

 

ВОПРОС 4

Космонавтам, попавшим в условия невесомо­сти, первое время (особенно при закрытых глазах) кажется, что они перевернулись вниз головой. Объяс­ните это явление.

 

Ответ. 

В условиях поля тяжести человек воспри­нимает свою ориентацию как «правильную» в результате работы целого ряда механорецепторов: отолитового аппа­рата, механорецепторов суставов и внутренних органов, которые воспринимают давление вышележащих тканей, механорецепторов кровеносных сосудов, которые растя­гиваются под действием веса крови. Показания всех этих рецепторов интегрируются в центральной нервной системе и дополнительно контролируются зрением. 

Если человек на Земле переворачивается вниз головой, отолиты отклоняются от обычного положения, давление па суставы исчезает, кровь перестает растягивать вены ног. Но ведь и в невесомости сила тяжести не дейст­вует на отолиты, исчезает давление на механорецепторы суставов, невесомая кровь перестает растягивать сосу­ды ног, они за счет упругости сжимаются, и Дольше крови приливает к голове (это же происходит и на Земле при повороте вниз головой). В результате у космонав­та может возникнуть впечатление, что он перевернул­ся вниз головой, особенно при закрытых глазах, когда нельзя ориентироваться относительно приборов кабины.

 

 

ВОПРОС 5

Если бы к Вам пришла лягушка за советом, стоит ли ей менять свое трехкамерное сердце на четырехкамерное или двухкамерное (убрав перего­родку между предсердиями), что бы Вы ей посове­товали?

 

Ответ. 

Лягушке надо посоветовать сохранить ее трехкамерное сердце. Двухкамерное сердце было бы не­выгодно для лягушки по следующим причинам. При трехкамерном сердце кровь, несущая кислород от легких, попадает в левое предсердие. Венозная кровь от мышц, внутренних органов и т. д. поступает в правое пред­сердие (туда же поступает кровь от кожи). При одно­временном сокращении предсердий кровь поступает в единственный желудочек лягушки, но мало смешивает­ся в нем, так как желудочек содержит ряд перегородок и напоминает по своей структуре губку. В результате в правой половине желудочка оказывается смешанная кровь, довольно бедная кислородом, а в левой — бога­тая кислородом.

Аналог аорты (артериальный конус) отходит от пра­вой части желудочка. В конусе находится особый так называемый спиральный клапан. От начальной части конуса отходят сосуды, несущие кровь к легким и коже; потом отходят сосуды, идущие к телу и к конечностям; еще дальше отходят сосуды, несущие кровь к головному мозгу и органам чувств, расположенным на голове.

Когда желудочек начинает сокращаться, давление в нем еще невелико, спиральный клапан открывает только отверстие сосуда, идущего к легким и коже, и туда начи­нает поступать кровь из правой половины желудочка, бед­ная кислородом. По мере сокращения желудочка давле­ние в нем нарастает, и спиральный клапан открывает отверстие следующего сосуда; к телу и внутренним орга­нам поступает кровь, более богатая кислородом. Наконец, когда давление еще повысится, откроются входы в сон­ные артерии, несущие кровь к голове. Туда будет посту­пать кровь, наиболее богатая кислородом, из левой части желудочка, максимально удаленной от артериального ко­нуса. Эта кровь лишь в незначительной степени попадает в другие сосуды, которые еще раньше были наполнены предыдущими порциями крови.

Таким образом, несмотря на наличие всего одного желудочка, у лягушки существует система целесообраз­ного распределения крови, в разной степени обогащен­ной кислородом, между легкими, внутренними органами и мозгом. Если убрать перегородку между предсердиями и сделать сердце двухкамерным, то кровь, приходящая из легких, и венозная кровь будут смешиваться в этом общем предсердии, что заметно ухудшит функционирова­ние кровеносной системы. В легкие будет попадать такая же смешанная кровь, как и в мозг. Эффективность легких снизится, лягушка в среднем будет получать меньше кислорода, и уровень ее активности тоже должен снизиться. Особенно пострадает головной мозг, который начнет получать кровь, гораздо более бедную кислородом.

Рассмотрим теперь вопрос о четырехкамерном сердце. Легко сообразить, что у животных с четырехкамерным сердцем вся кровь, приходящая от тела, должна пройти через легкие, откуда она возвращается во второе предсердие. Если у млекопитающего или птицы перекрыть легочные сосуды, то все движение крови оста­новится. Лягушки значительную часть жизни проводят в воде, в частности там они зимуют. Находясь под водой, лягушка с трехкамерным сердцем может уменьшить просвет легочных сосудов и тем снизить поток крови через бездействующие легкие; при этом кровь, выбрасы­ваемая из желудочка в кожно-легочную артерию, посту­пает в основном в кожу и возвращается в правое пред­сердие.

Если бы сердце лягушки было четырехкамерным и у нее полностью обособился бы легочный круг кровообра­щения, то это было бы невыгодно. Лягушке пришлось бы всю зиму перекачивать всю кровь через бездействую­щие легкие, затрачивая на это заметное количество энергии, пополнить которую зимой невозможно, а следо­вательно, надо было бы накапливать перед зимовкой до­полнительные запасы. Таким образом, трехкамерное сердце действительно наиболее подходящее для лягушки при ее земноводном образе жизни и важной роли кожно­го дыхания.

 

 

ВОПРОС 6

При больших потерях крови человек сильно бледнеет, учащенно дышит, ему хочется пить. Какими реакциями организма обусловлены эти симптомы? Являются ли эти реакции защитными? Почему? Ка­кие еще реакции возникают при кровопотере? 

 

Ответ. 

Большие кровопотери ведут к уменьшению чис­ла эритроцитов, ухудшению снабжения организма кисло­родом, потере жидкости. Это вызывает ряд защитных ре­акций организма. Так, повышение концентрации СО2 вы­зывает учащение дыхания. Снижение кровяного давле­ния приводит к учащению сердцебиения, сокращению просветов сосудов кожи (бледность) и мышц, выбросу крови из депо. Общая вялость, сонливость также носят защитный характер, так как ведут к снижению энерго­затрат. Ухудшение кровоснабжения мозга может при­вести к обмороку. При большой кровопотере начинается интенсивный гемопоэз (образование эритроцитов, лейко­цитов и других элементов крови). Реакции сердечно­сосудистой системы запускаются хеморецепторами и ре­цепторами давления.

Более сложен вопрос о возникновении жажды. По- видимому, отчасти возникновение жажды связано с тем, что при обезвоживании повышается осмотическое давле­ние крови, что вызывает реакцию осморецепторов, рас­положенных в гипоталамусе. Кроме того, снижение кровоснабжения почек ведет к выделению ими веще­ства ангионина, которое, действуя на хеморецепторы гипоталамуса, тоже вызывает усиленное потребление воды.

 

 

ВОПРОС 7

Как регулируется концентрация глюкозы в кро­ви животных?

 

Ответ. 

В нервных клетках нет собственных запасов питательных веществ, поэтому даже кратковременное прекращение поступления к ним глюкозы (или кислоро­да) приводит к нарушению процессов жизнедеятельности клеток и даже к их гибели. Следовательно, поддержа­ние нормального уровня глюкозы в крови является жиз­ненно важным. При поступлении большого количества углеводов с пищей уровень глюкозы в крови повышается мало. Это связано с тем, что глюкоза, поступившая после всасывания в кишечнике в кровь, прежде всего поступает в печень, где избыток ее откладывается в виде гликогена. Если печень не справляется с этой задачей, то уровень глюкозы в крови несколько повышается и ее избыток выделяется через почки.

В промежутках между приемами пищи (особенно при длительном голодании) глюкоза в организм не по­ступает, но расход ее в клетках продолжается. И тем не менее, уровень глюкозы в крови практически не понижа­ется. Это объясняется двумя причинами: во-первых, из запасов гликогена в печени образуется глюкоза, которая поступает в кровь; во-вторых, при необходимости глю­коза синтезируется в печени заново из неуглеводных предшественников, в частности из белков (этот процесс называют глюконеогенезом). Мобилизация запасов гли­когена может происходить очень быстро; для развития глюконеогенеза требуется несколько часов.

Очевидно, для того чтобы была возможность регуля­ции уровня глюкозы, он должен как-то определяться, измеряться в организме (как и любой другой регулируе­мый параметр). По-видимому, клетки печени (гепатоциты) имеют собственные глазочувствительные рецеп­торы и в зависимости от их «показаний» либо создают запасы гликогена, либо, напротив, расходуют его.

Работа гепатоцитов находится под контролем целого ряда гормонов, в первую очередь гормонов поджелудоч­ной железы. Клетки поджелудочной железы имеют соб­ственные рецепторы, измеряющие уровень глюкозы в кро­ви. При избытке глюкозы бета-клетки поджелудочной железы усиливают синтез инсулина, при снижении уров­ня глюкозы альфа-клетки усиливают синтез глюкагона. Инсулин тормозит глюконеогенез и способствует обра­зованию запасов гликогена в печени и мышцах, а также поглощению глюкозы жировой тканью. Функции глюка­гона противоположны: под его воздействием происходит образование глюкозы из гликогена. Мобилизация глико­гена и образование глюкозы происходят также под дей­ствием адреналина. Работа гормонального аппарата под­желудочной железы и надпочечников контролируется системой гипофиз — промежуточный мозг, где имеют­ся собственные рецепторы, измеряющие уровень глюко­зы в крови.

 

 

ВОПРОС 8

При проверке зрения врачи капают в глаза ат­ропин, что вызывает расширение зрачка. Зрачки рас­ширяются в темноте, при испуге, от боли. Как Вы полагаете, какие явления приводят к расширению зрачка в этих разных случаях? Ответ поясните рисунком. 

 

Ответ. 

Зрачок — это отверстие в радужной оболочке глаза. Диаметр зрачка изменяется под действием муску­латуры радужной оболочки, а именно двух гладких мышц: кольцевой и радиальной. Кольцевая мышца воз­буждается волокнами парасимпатического отдела вегета­тивной нервной системы (медиатор — ацетилхолин), а радиальная — симпатическими волокнами (медиатор — норадреналин). Обе гладкие мышцы обычно тонически напряжены, и диаметр зрачка определяется их взаимо­действием. 

Расширение зрачка может быть вызвано либо расслаблением кольцевой мышцы, либо сокраще­нием радиальной. Атропин блокирует действие ацетилхолина, что вызывает расслабление кольцевой мышцы. Адреналин, выделяющийся при сильных эмоциях, возбуждает радиальную мышцу. Этим объясняется расширение зрачка при испуге или от боли; в этих случаях механизм регуляции гуморальный. Напротив, расшире­ние зрачка в сумерках обусловлено нервной регуляцией, работой соответствующей рефлекторной дуги.

 

 

ВОПРОС 9

Известно, что даже при небольшой мышечной работе артериальное давление возрастает. Согласно одной гипотезе, это происходит потому, что работаю­щие мышцы выделяют в кровь какие-то вещества, влияющие на сосуды. Согласно другой гипотезе, когда мозг посылает к мышцам сигналы, заставляющие их работать, он одновременно посылает к сосудам сиг­налы, меняющие кровяное давление. Какие экспери­менты надо поставить для проверки этих гипотез?

 

Ответ. 

Очевидно, идея опытов должна быть такова: надо заставить нервную систему работать так, чтобы мышца не сокращалась, а сигнал к сосудам шел, затем надо заставить мышцу работать без участия нервной системы. Первый опыт может быть поставлен с использо­ванием яда кураре, который блокирует передачу сигналов от нервов к скелетным мышцам (чтобы животное при этом не погибло, его переводят на искусственное дыхание). Затем надо подать сигнал, на который живот­ное обычно отвечало заученным движением. В этих усло­виях мышцы реально работать не будут, несмотря на желание животного совершить движение. Если в этих условиях давление будет меняться, то это значит, что сигналы, приходящие от мозга, могут менять давление.

Конечно, этот опыт не доказывает, что давление ме­няется только от этих сигналов, и тем самым не отвер­гает первую гипотезу, подтверждая вторую. Если же дав­ление в этих условиях меняться не будет, то никакого вывода сделать не удастся, так как опыт допускает раз­ные толкования. Может, например, оказаться, что, когда все мышцы расслаблены, нервная система перестанет посылать сигналы к сосудам. Чтобы разобраться в таком результате, требуются дополнительные опыты. Для про­верки первой гипотезы можно перерезать нерв, идущий к мышце, чтобы сигналы от нее не поступали в мозг, а затем раздражать саму мышцу электрическим током. Если в этих условиях давление изменится, значит, ве­щества, выделяемые мышцей, могут влиять на кровяное давление (и тут опыт не доказывает, что это единствен­ный источник, влияющий на кровяное давление).

Подумайте сами, почему для проверки предложенных гипотез не годятся опыты с перекрестным кровооб­ращением.

 

 

ВОПРОС 10

Срок жизни безъядерных эритроцитов относи­тельно невелик (порядка одного-трех месяцев), меж­ду тем их число в организме достаточно постоянно. Предложите гипотезу, объясняющую, как организм поддерживает постоянное число эритроцитов, и опы­ты, которые позволили бы проверить эту гипотезу. 

 

Ответ. 

Что­бы регулировать какую-либо величину, надо прежде всего уметь ее измерять, а кроме того, иметь «эффектор», то есть устройство, которое позволяет увеличивать или уменьшать регулируемую величину. В задаче про эритро­циты главная загадка — как измерять число эритроци­тов в организме. Трудно представить себе устрой­ство, которое прямо подсчитывало бы число эритроци­тов (их слишком много, и они находятся в самых раз­ных местах). Значит, в организме должно происходить изменение какой-то величины, которая пропорциональна числу эритроцитов.

Здесь может быть придумано достаточно много вари­антов, представляющихся разумными. Во-первых, такой величиной может быть количество кислорода, поступа­ющего к каким-либо органам или участку мозга. Во- вторых, это может быть какое-то вещество, выделяемое в кровь самими эритроцитами. В-третьих, организм мо­жет измерять не полное число эритроцитов, а пропор­циональное ему количество погибших эритроцитов. При гибели эритроцитов в кровь или еще куда-либо может поступать, например, гемоглобин.

«Эффектором» в данном случае служит костный мозг, где вырабатываются эритроциты. Наконец, рецепторы могут либо располагаться прямо на клетках костного мозга, либо находиться вне его, так что сигнал в костный мозг должен передаваться с помощью каких-то гормонов или нервным путем.

Ясно, что для проверки высказанных выше предполо­жений (а их немало) можно придумать еще большее чис­ло разнообразных опытов. Рассмотрим для примера гипо­тезу, что о количестве эритроцитов организм судит по количеству кислорода, поступающего в какие-либо ткани или органы. Здесь напрашивается такой опыт: поместить животное в среду с недостатком кислорода и посмот­реть, изменится ли у него количество эритроцитов. Такой опыт постоянно «ставится», когда люди поднимаются до­статочно высоко в горы и на достаточно большой срок. Оказалось, что при этом у них действительно увеличива­ется число эритроцитов. Это показывает, что содержание кислорода в крови регулирует продукцию эритроцитов. Конечно, это не означает, что нет каких-то других сиг­налов, которые «говорят» о количестве эритроцитов.

Что же измеряет содержание кислорода и как сигнал о содержании кислорода попадает в костный мозг? Здесь можно предложить массу гипотез и опытов для их про­верки. Скажем сразу, что в результате эксперименталь­ных исследований было показано, что сами клетки кост­ного мозга не имеют рецепторов кислорода и что сигнал в костный мозг поступает не по нервным волокнам. Правильной оказалась гипотеза, что какие-то органы при недостатке кислорода вырабатывают гормон, действую­щий на костный мозг. Этот гормон удалось выделить. Его назвали эритропоэтин. Было выяснено, что эритропо- этин вырабатывается в основном почками. Если пере­резать нервы, идущие к почкам, то почки все равно вырабатывают эритропоэтин при недостатке кислорода. Если почки культивируют вне организма, то они тоже реагируют на недостаток кислорода усилением продукции эритропоэтин а. Это значит, что в ткани почек есть свои рецепторы кислорода.

Как же эритропоэтин действует на выработку эритро­цитов? Он может прямо действовать на костный мозг или влиять на другие органы, которые вырабатывают другие гормоны. Чтобы это выяснить, эритропоэтином действовали на костный мозг, культивируемый вне орга­низма. Оказалось, что эритропоэтин прямо действует на костный мозг.

Мы рассмотрели здесь лишь часть вопросов, которые возникают при изучении конкретной системы биологиче­ской регуляции, некоторые из возникающих здесь объяс­няющих гипотез и несколько экспериментов для провер­ки таких гипотез. Реальный ход исследований гораздо сложнее.

 

 

ВОПРОС 11

Вам надо выяснить, какие процессы и какие органы позволяют хамелеону менять свою окраску в соответствии с цветом фона. Какие опыты Вы по­ставили бы с этой целью?

 

Ответ. 

Даже для простой задачи по регуляции числа эритроцитов мы дали множество возможных вариантов. Еще больше гипотез и опытов можно придумать о регу­ляции окраски у хамелеона. Мы наметим здесь только проблемы, которые потребуется решить. 

Во-первых, надо выяснить, с помощью каких рецепторов хамелеон полу­чает сведения об окраске фона; вообще говоря, не очевидно, что это рецепторы глаз, это могут быть и кож­ные рецепторы. 

Во-вторых, надо выяснить, как передает­ся от этих рецепторов сигнал к эффекторам. 

В-третьих, надо выяснить, как устроены эти эффекторы, то есть каким образом кожа может менять свой цвет.

 

 

ВОПРОС 12

Температура тела у птиц выше, чем у млеко­питающих. Какие преимущества это дает птицам и с какими недостатками связано?

 

Ответ. 

Высокая температура тела дает птицам два основных преимущества. При такой температуре быстрее идут все процессы жизнедеятельности и, в частности, выше скорость сокращения мышечных волокон. Это поз­воляет мышцам птицы совершать большую работу в единицу времени, то есть развивать большую мощность. Высокая удельная мощность является приспособлением для полета (высокая мощность на единицу веса — важный показатель авиационных двигателей). Полет свя­зан с большими потерями энергии. Для их компенсации необходимо быстрое сжигание пищи, много кислорода. Высокая температура тела обеспечивает высокий уровень обмена веществ, быстрые сокращения сердечной мышцы. Второе преимущество связано с процессом насиживания яиц. Насиживание — важный и опасный период в жизни птиц. Высокая температура тела позволяет сократить его длительность.

Основной недостаток высокой температуры тела — большие потери на теплоотдачу, которая зависит от раз­ности температур тела и среды. С этим связаны не­обходимость более частого и обильного питания, быстрая гибель при отсутствии пищи, особенно в холодную погоду. Сильная зависимость птиц от наличия пищи заставляет их совершать сезонные миграции, что часто сопряжено с гибелью многих птиц. С высокой темпера­турой тела птиц связана опасность перегрева. При полете выделяется много тепла, и воздушные мешки птиц играют роль системы охлаждения. Однако при высокой температуре воздуха длительный полет птиц невозможен.

 

 

ВОПРОС 13

В каких случаях температура тела насекомых отличается от температуры окружающей среды? Ка­ким образом это достигается? 

 

Ответ. 

Температура тела насекомых может заметно повышаться при усиленной работе мышц (например, «разогревание» шмелей и бражников перед полетом; шмель «мохнат» именно для экономии тепла). Другой вариант — для повышения температуры тела греться на солнце (бабочки, саранча и др.). Во время зимовки у пчел поддерживается достаточно высокая температура тела за счет сжигания пищи, запасенной летом; при этом пчелы могут сбиваться в клубок для экономии тепла, уменьшая свободную поверхность.

Температура в улье может быть и ниже, чем в окружа­ющем воздухе, за счет испарения воды, которую пчелы специально приносят в улей, и его вентиляции.

Температура тела может быть выше, чем окружаю­щего воздуха, у насекомых-паразитов, обитающих на те­ле теплокровных.

 

 

ВОПРОС 14

Известно, что у некоторых животных (зай­цы, киты и др.) молоко очень жирное, а у других (обезьяны, волки) — нет. Предложите объяснение этому факту и на основе своего объяснения по­пробуйте назвать других животных, у которых долж­но быть жирное или нежирное молоко. 

 

Ответ. 

Основная идея ответа такова. Жир — источ­ник энергии, поэтому жирное молоко в первую очередь имеется у тех животных, детеныши которых кормятся нерегулярно (зайцы, некоторые копытные, тюлени), с большими перерывами или затрачивают много энергии. Эти энергозатраты могут быть связаны с большой отдачей тепла во внешнюю среду (у животных, обитаю­щих в воде, теплоемкость которой велика, а температура обычно заметно ниже температуры тела млекопитаю­щих; у животных полярных районов; у животных, детеныши которых не имеют убежища); с высокой актив­ностью детенышей (у китов, ряда копытных, детеныши которых должны самостоятельно следовать за матерью сразу после рождения); с быстрым ростом (например, у китообразных, для которых быстрый рост очень выго­ден, так как при увеличении размеров уменьшается удельная поверхность тела и, значит, снижается отдача тепла в воду). Возможны и другие причины высокой жирности молока, например необходимость создания у детенышей толстой жировой прослойки.

У животных, детеныши которых находятся в убежи­щах (норах, пещерах и т. д.) и обычно обогреваются телом матери, медленно растут и созревают, получают молоко регулярно, а также у животных, обитающих в зонах с теплым климатом, молоко менее жирное.

 

 

ВОПРОС 15

Известно, что содержание углеводов в листьях и клубнях растений составляет до 90% сухого веса, в клетках мышц и печени животных - до 5 %, а в прочих клетках животных — до 1 %. Чем можно объяснить такую разницу? Какова биологическая функция этих углеводов? 

 

Ответ. 

Прежде всего, надо объяснить резкие различия и содержании углеводов между растениями и животными. Основные соображения тут таковы. Углеводы использу­ются животными в первую очередь в качестве источ­ников энергии. Однако жир является более энергоемким, чем углеводы, а животным, которые значительную часть энергии тратят на движение, очень важно экономить вес, поэтому животным выгоднее хранить энергети­ческие запасы в виде жира.

Растения неподвижны, и экономить вес им не так важ­но, поэтому, хотя растения и производят жиры, они в основном хранят «топливо» в виде углеводов. Другое соображение состоит в том, что растениям нужно больше углеводов, так как для них углеводы не только источник энергии, но и основной материал для дальнейшего синтеза, в то время как животные получают с пищей жиры и белки.

Таким образом, различия животных и растений обу­словлены различием в их питании и в подвижности. Кроме того, растительные клетки кроме мембраны имеют оболочку, образованную в значительной мере углевода­ми (клеточная стенка), которой животные клетки ли­шены.

Листья растений содержат много углеводов потому, что там углеводы синтезируются и там же отчасти хра­нятся. Клубни служат резервуаром углеводов; крахмал клубней используется, например, для обеспечения энер­гией развития молодого растения на тех этапах, когда оно еще не начало синтезировать само.

Печень является резервуаром гликогена и играет основную роль в регуляции уровня глюкозы в крови, в связи с чем в ней относительно много углеводов. Поскольку мышцы живот­ных — один из основных потребителей энергии, они со­держат относительно большой запас углеводов.

 

 

ВОПРОС 16

Как разные животные отмечают границы своих территорий?

 

Ответ. 

Граница территории может отмечаться запа­хом, для чего многие животные имеют специальные пахучие железы (олени, кошачьи и др.). Одни животные метят границы мочой (собаки, волки, лисы, шакалы), другие —пометом (антилопы, слоны). Часть животных оставляет на деревьях у границы участка клочья шерсти (медведи, зубры, рыси).

Другой способ метки участка — повреждение дере­вьев и кустов, растущих на границе участка (мед­вежьи метки на коре деревьев, сломанные ветки и по­грызы копытных, бобров, некоторых обезьян).

Есть еще один способ сигнализации о занятости участка — звуковой (стрекотание сверчков, рев крупных хищников и др.). Но, строго говоря, его нельзя, ко­нечно, считать меткой границы.

 

 

ВОПРОС 17

У многих певчих птиц есть сложная видо­вая песня, и, кроме того, набор простых коротких сигналов, зачастую сходных у разных видов. Какова роль того и другого типа сигнализации в жизни птиц? 

 

Ответ. 

Видоспецифичная сложная песня играет у многих птиц существенную роль в привлечении полово­го партнера и служит одним из поведенческих механизмов половой изоляции. Кроме того, такая песня играет роль в территориальном поведении.

Простые видоспецифичные песни, как правило, играют роль сигналов тревоги или сигнализируют о на­личии пищи. Сигнал «опасность» не может быть длин­ным, так как это противоречило бы его биологи­ческому значению. Простые сигналы часто используются как внутри стаи птиц одного вида, так и в смешанных стаях. Смысл общих сигналов состоит в том, что птица одного вида помогает птицам других видов и сама полу­чает от них помощь, что способствует выживанию птиц разных видов.

 

 

ВОПРОС 18

Чем объяснить сходство «лица» совы, кошки и обезьяны с лицом человека? 

 

Ответ. 

У всех перечисленных животных и у человека оба глаза широко расставлены и смотрят вперед (у мно­гих других животных глаза находятся по бокам головы). 

Такое расположение глаз обеспечивает бинокулярность зрения, позволяет оценивать размеры предметов и рас­стояние до них. Хищным животным — сове и кошке — точная оценка расстояния необходима при охоте, а обезьяне — при лазании по деревьям. 

Человек уна­следовал такую особенность зрения от своих предков, и она оказалась чрезвычайно важной для охоты (метание камней, палок), для выполнения трудовых операций, требующих точности движений.

 

 

ВОПРОС 19

Что общего между млекопитающими и голо­воногими моллюсками? 

 

Ответ. 

Сходство головоногих моллюсков с млеко­питающими состоит в следующем: нервная система голо­воногих имеет сложное строение, ганглии ее очень большие и образуют единую окологлоточную нервную массу — некий аналог головного мозга млекопитаю­щих. Головное скопление ганглиев защищено хря­щевым «черепом». Элементы хрящевого внутреннего скелета имеются также в основании щупалец и плав­ников. 

Строение глаз головоногих весьма сходно со стро­ением глаз млекопитающих: глаза имеют хрусталик, создающий изображение на сетчатке, и приспособле­ние для рассматривания предметов, находящихся на разном расстоянии от глаз (у головоногих специальная мышца изменяет расстояние от хрусталика до сетчатки, у млекопитающих мышцы изменяют кривизну хруста­лика). Головоногие, так же как и млекопитающие, способны различать цвета. Кровеносная система голово­ногих практически замкнутая, в коже и мышцах у них имеется капиллярная сеть, в крови находится дыхатель­ный пигмент, физиологически аналогичный гемоглобину. 

Головоногим моллюскам свойственны сложные формы поведения: забота о потомстве, устройство гнезда. Они хорошо обучаются. Все эти сходства — результат незави­симой конвергентной эволюции.

 

 

ВОПРОС 20

Какими могут быть физиологические меха­низмы действия ядов на организм животных? При­ведите примеры реально существующих ядов с таким действием. 

 

Ответ. 

Этот вопрос допускает чрезвычайно широкий спектр ответов разной глубины (анализ на физиологи­ческом уровне, на цитологическом, на биохимическом). Ограничимся несколькими наиболее простыми приме­рами.

Окись углерода необратимо связывается с гемогло­бином, что приводит к удушью. Синильная кислота, цианистый калий блокируют цитохромы дыхательной це­пи митохондрий. Яды многих змей содержат ферменты, разрушающие эритроциты. Метаболические яды, напри­мер субаин, нарушают работу натрий-калиевого «насо­са», что приводит к изменению нормального ион­ного состава клеточной цитоплазмы, а это имеет след­ствием, в частности, прекращение возникновения потен­циалов действия нервных клеток, то есть фактически остановку работы нервной системы. Многие яды дей­ствуют на синапсы, нарушая работу нервной системы. Так, например, растительный яд кураре блокирует пере­дачу в нервно-мышечных синапсах, стрихнин блоки­рует тормозные синапсы, столбнячный токсин инактивирует фермент, разрушающий отработавший синаптический медиатор.

 

 

ВОПРОСЫ ПО ФИЗИОЛОГИИ И ПОВЕДЕНИЮ ЖИВОТНЫХ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Придумайте, как поставить эксперимент с на­длежащим контролем, выясняющий, есть ли у пчел цветовое зрение. 

2. Какие опыты Вы могли бы предложить, чтобы определить, как муравьи находят дорогу домой? 

3. Как Вы можете объяснить тот факт, что собака легче привязывается к человеку, чем кошка? По уровню развития нервной системы собака и кошка отличаются мало.

4. Многие животные (волки, вороны, синицы и др.) летом живут парами, а зимой образуют стаи. Как Вы думаете, с чем это связано?

5. Поведение многих животных включает в себя сложные инстинктивные действия (ритуалы), особен­но часто связанные с брачным поведением. В чем, по-Вашему, может заключаться биологический смысл таких ритуалов? 

6. Какое влияние оказывают вещества, образу­емые животными, на физиологию и поведение дру­гих особей того же вида? Если знаете такие вещества, назовите их.

7. Из практики рыболовов известно, что если только что пойманная рыба попадает обратно в водо­ем, то клев прекращается. Чем можно это объяснить?

8. Описан случай, когда детеныш косули долго бежал за велосипедом, у которого над задним коле­сом был светлый щиток. Как Вы объясните пове­дение детеныша косули? 

9. У лягушки перерезали зрительный нерв и перевернули глаз в орбите на 180° (верхней частью вниз). После прорастания зрительного нерва лягушка стала в ответ на пищевой раздражитель, поднесенный справа, прыгать влево и наоборот. Дай­те объяснение этому явлению. Какой вывод можно было бы сделать, если бы после такой же опе­рации лягушка прыгала в правильную сторону? 

10. Какие есть у верблюда приспособления к жизни в пустыне?

11. Кенгуровая крыса, моль и мучной червь могут всю жизнь обходиться без воды. Объясните это.

12. Некоторые животные (в отличие от человека) могут обходиться без поступления извне одного из следующих веществ: воды, кислорода, белков, вита­мина С. С какими особенностями их физиологии, биохимии, образа жизни это связано? Если Вы знаете таких животных, назовите их. 

13. У позвоночных животных Частота сердечных сокращений растет с уменьшением размеров тела, а у насекомых такой закономерности не наблюдается. Как это можно объяснить? В каком нервном волокне — в толстом или в тонком — выше скорость распространения возбужде­ния и почему? 

14. Почему у насекомых кровь (гемолимфа) обыч­но бесцветная и очень редко (у «мотыля» — личи­нок комаров-звонцов или у личинок кишечных ово­дов) красная, а у позвоночных животных — наобо­рот (бесцветная кровь встречается у некоторых рыб Антарктики, например у ледяной рыбы)? Объясните также исключения. 

15. Почему многие теплокровные животные не за­мерзают в холодной воде? 

16. В романе А. Беляева «Человек-амфибия» описан юноша, которому пересадили жабры акулы, так что он мог жить под водой. Можно ли на самом деле создать такого Ихтиандра? Ответ поясните. 

17. Почему теплокровные животные легче перено­сят низкую внешнюю температуру, чем высокую?

18. При первой встрече с незнакомым звуком жи­вотное настораживается, при многократном его повто­рении перестает на него реагировать. Как проверить, слышит ли оно этот звук? 

19. Нарисуйте кривые изменения давления в лег­ких и плевральной полости человека при вдохе и вы­дохе (обе кривые дожны быть изображены на одном графике). 

20. Все знают, что рыба, вытащенная из воды, за­дыхается («засыпает»). Чем это можно объяснить? Ведь содержание кислорода в атмосфере гораздо вы­ше, чем в воде. Правило Бергмана гласит, что с удалением от полюсов к экватору размеры особей одного и того же вида или близкородственных видов теплокровных животных уменьшаются. Как Вы объясните это пра­вило? 

21. Известно, что температура тела колибри в хо­лодные ночи падает до 10°С, тогда как днем она равна 43°С. Как Вы думаете, почему у колибри в процессе эволюции возникла такая физиологическая особен­ность?

22. Предложите гипотезу, объясняющую регуля­цию дыхания у человека, удовлетворяющую следую­щим фактам:

а)        при глубоком продолжительном дыхании мо­жет наступить остановка дыхания и потеря сознания;

б)        когда человек долго и непрерывно дует, то бы­вает потемнение в глазах и даже потеря сознания;

в)        первая помощь угоревшему, утонувшему, по­страдавшему от тока состоит во вдыхании ему в рот большого количества воздуха из легких здорового человека.

Какими экспериментами можно подтвердить Ва­шу гипотезу? 

23. Согласно мифу, Зевс, наказывая Прометея, приковал его к горе и посылал своего орла клевать его печень; до следующего посещения орла печень у Прометея снова отрастала. В настоящее время дока­зано, что если у млекопитающих удалить часть пече­ни, то она регенерирует, то есть через некоторое время достигает исходных размеров. Предложите гипотезу, объясняющую, как организм регулирует размеры пе­чени (т. е. почему она не остается маленькой и не вырастает больше нормы), и эксперименты, с по­мощью которых эту гипотезу можно было бы прове­рить. 

24. Известно, что скорость образования почками вторичной мочи зависит от двух факторов: давления крови в капиллярных клубочках и интенсивности обратного всасывания в почечных канальцах, которое регулируется одним из гормонов гипофиза. При бо­левом раздражении количество образующейся вто­ричной мочи уменьшается. Каковы могут быть кон­кретные физиологические механизмы этого явления? С помощью каких опытов можно проверить, какие из них имеют место в действительности? 

25. Перечислите способы, которыми можно опре­делить, жив ли находящийся в курином яйце цыпле­нок. На чем основаны эти способы?

26. Если с некоторой частотой раздражать мотор­ный нерв и регистрировать сокращение скелетной мышцы, то через некоторое время наблюдается явле­ние утомления: несмотря на раздражение нерва, мышца перестает сокращаться. Предложите гипоте­зы, объясняющие это явление, и способы их экспери­ментальной проверки. 

27. У одного из видов животных обнаружена спо­собность точного определения расстояния до пред­метов. Предложите опыты, с помощью которых мож­но было бы выяснить, как животное это делает.

28. В пещерном водоеме обнаружили слепых рыб. Предложите опыты, с помощью которых можно уста­новить, каким образом они находят себе пищу. 

29. Известно, что сытый пресноводный моллюск ползет вниз в глубину водоема, но при этом не опуска­ется глубже двух метров. Проголодавшийся моллюск поднимается к поверхности воды. Однако это описа­ние верно только для холодной воды (ниже +10°С). Чем выше температура воды, тем меньше в ней раство­рено кислорода и тем на меньшую глубину опускает­ся сытый моллюск. Известно, что моллюск перемеща­ется за счет движения ресничек, выстилающих его ногу, причем имеются нейроны, управляющие по отдель­ности ресничками левой и правой половин ноги (это позволяет обеспечить поворот моллюска). Нарисуйте нейронную сеть, которая обеспечивала бы описанное поведение моллюска при низких температурах. Попробуйте так усложнить эту сеть, чтобы она описывала поведение при повышении температуры воды.

30. Предложите метод определения объема крови в теле человека, используя, если Вам понадобится, только такие анализы, которые можно провести в обычной поликлинике. За счет чего могут возникнуть ошибки при определении объема крови?

31. У двух лягушек перекрестное кровообраще­ние. При раздражении блуждающего нерва одной лягушки снижается частота сердечных сокращений обеих. Какие объяснения этого опыта Вы можете предложить? Как выяснить, какое объяснение вер­но? 

32. Концентрация солей в организме пресновод­ных и морских животных отличается от концентра­ции их в окружающей среде. Зачем животным это нужно и как они этого достигают? 

33. Известно, что существуют болезни, связанные с недостатком витаминов,— гиповитаминозы. Почему избыток витаминов может также приводить к болез­ням? Почему иногда симптомы таких болезней совпа­дают с симптомами гиповитаминозов?

34. Человек, входящий со света в темное помеще­ние или, наоборот, выходящий из темного помещения на яркий свет, первое время ничего не видит и лишь затем начинает различать окружающие предметы. Как Вы можете это объяснить?

35. Какими преимуществами обладает животное, имеющее два типа колбочек, по сравнению с живот­ным, у которого все зрительные рецепторы одинако­вы? Ответ подробно поясните. 

36. У позвоночных животных относительный раз­мер сердца тем больше, чем более активен их образ жизни. Почему у насекомых размер «сердца» (спин­ного сосуда) не связан с активностью? 

37. Человек приступил к тяжелой физической ра­боте и работает интенсивно. Какие регуляторные сдвиги (с учетом местной, гуморальной и нервной регуляции) происходят при этом в системе крово­обращения?

38. Каков биологический смысл дрожи, кашля и чи­хания? 

39.Нарисуйте схему, показывающую, как поддер­живается нормальная температура у человека. Схему поясните.

40. Какие структуры (клетки, ткани или органы) позволяют животным поддерживать постоянную тем­пературу тела? 

41. Эритроциты человека живут четыре месяца, кошки — два месяца, мыши — один месяц. А у жа­бы и черепахи эритроциты живут около двух лет. Предложите объяснение этих фактов. 

42. У одного американского ковбоя в перестрелке с бандитами грудная клетка была пробита с двух сто­рон. Хотя оба легких при этом остались невредимы­ми, ковбой все же умер от удушья. Почему? Дайте подробное объяснение.

43. Частота дыхания собаки в жару резко возрас­тает. У человека это явление не наблюдается. По­чему?

44. Почему не перевариваются стенки желудка и кишечника под воздействием вырабатываемых ими пищеварительных ферментов?

45. Чем объяснить, что у пресноводных инфузорий частота пульсаций сократительной вакуоли выше, чем у морских и паразитических?

46. Какие ткани человека участвуют в заживлении ран? 

47. Какое биологическое значение имеет наличие разности потенциалов на клеточной мембране?