Будущие исследователи - будущее науки» по биологии –- 2011

Ответы к заочному туру олимпиады ШКОЛЬНИКОВ

1. Вам дали свежесрезанный лист неизвестного растения. Предложите как можно больше способов, позволяющих определить, какая сторона у листа верхняя, а какая - нижняя (в оборудовании вы не ограничены). Являются ли эти способы универсальными или для некоторых растений (каких?) они могут "не сработать"? (10 баллов)

Лист вообще может и не иметь верхнюю и нижнюю стороны - например ирис - у него лист с боков сплюснут, так что у него обе стороны боковые, или у хвойных.Такие листья называются эквифациальными и имеются, например, и у очитков. У некоторых растенияй (лук) вообще унифациальные листья имеют только одну поверхность (1балл) Что касается традиционнных бифациальных листьев - то можно предложить несколько способов:

1. Самый легкий способ определить сторону листа незнакомого растения - по выступающим на нижней стороне жилкам, главные жилки обычно хорошо заметны и невооруженным глазом, и на ощупь (1балл).

2. Часто стороны листа различаются цветом. Верхняя - более зеленая, так как именно здесь в основном идет фотосинтез. Если растение живет под ярким солнцем, то верхняя сторона листа может быть покрыта толстым слоем глянцевой воскообразной кутикулы, отражающей часть солнечных лучей, а на нижней стороне она практически не развита (1балл).

3. Некоторые листья имеют влагалище (пластинку листа, охватывающую стебель на некотором его протяжении), таковы листья злаков и некоторых других однодольных растений. Та сторона листа, которая обращена к стеблю, - верхняя, наружная сторона - нижняя. У многих злаков в месте перехода влагалища в свободную пластинку листа имеется язычок (вырост наружной ткани листа, эпидермы), он находится на верхней стороне листа (1балл).

4. Исследования растений засушливых местообитаний показали, что обильное опушение их надземных частей увеличивает отражение солнечной радиации, понижая тем самым температуру и уменьшая испарение воды. У таких растений волоски находятся в основном на верхней стороне листа (1балл).

5. Многие эпифиты используют специальные структуры поверхностной ткани листьев (трихомы) для поглощения воды и минеральных веществ. Такие структуры находятся на верхней стороне листа, где скапливается атмосферная влага (1балл).

6. У росянки и некоторых других насекомоядных растений на верхней стороне листа находятся железистые волоски для ловли насекомых (1балл).

7. Универсальный способ - анатомический срез листа, прежде всего - нижнего эпидермиса (большое количество устьиц, отсутствие кутикулы) (1балл). Но если растение с плавающими листьями, то устьица у него на верхней стороне, но признак с кутикулой по-прежнему работает. А вот если растение из более жарких мест - то тут все сложно. Во первых у степных злаков устьица на верхней (брюшной) стороне, а кутикула на нижней (спинной), у тропических еще более все запутано - у тех устьица могут быть в специальных лакунах (1балл).

8. На срезе листа в составе жилки можно увидеть ксилему и флоэму, обычно ксилема находится на верхней стороне проводящего пучка, флоэма - на нижней (1балл).

 

2. Чем опасно для человека проживание в помещениях, пораженных плесневыми грибами? Предложите методы профилактики и борьбы с плесенью в помещениях (10 баллов)

Плесень активно размножается при комнатной температуре в условиях повышенной влажности и неэффективной вентиляции на многих материалах и покрытиях, используемых внутри помещений, включая бетон, штукатурку, дерево, пластики, резину, тканевую основу линолеума, окрашенные поверхности, ковровые покрытия, книги и т.д., при наличии органического питательного субстрата.

 

Проживание человека в помещении, пораженном плесневыми грибами крайне неблагоприятно для человека:

1) При размножении плесени в воздух выделяются миллионы спор. Попадая в дыхательную и кровеносную систему, споры могут спровоцировать ряд заболеваний, плохо поддающихся лечению: аллергические заболевания кожи и дыхательных путей. Прорастание спор во внутренних органов приводит к развитию микозов (например, аспергиллезу легких) (2 балла).

2) Плесневые грибы выделяют в окружающую среду ядовитые продукты обмена веществ – микотоксины. При попадании внутрь организма они вызывают отравления и способствуют образованию опухолей. Представители микотоксинов - афлатоксины – обладают канцерогенными свойствами, аккумулируются в печени, оказывают иммуно-депрессивное действие (2 балла)

3) Плесень разрушает практически любой строительный материал. Она легко повреждает древесину, лакокрасочные покрытия, вызывает растрескивание кирпича, цемента и бетона (пораженная грибком бетонная плита рассыпается за несколько лет). Пораженные плесневыми грибками строительные конструкции утрачивают механическую прочность, поэтому возможно их обрушение (2 балл)

4) Мицелий грибов является питательным субстратом для тараканов, бактерий и т.п., дополнительно ухудшая условия жизни человека (1 балл).

Меры профилактики и борьбы с плесневыми грибками:

1) Главное условие профилактики появления плесени – соблюдение влажностного и температурного режимов. Помещение должно быть сухим и непромерзающим, регулярно проветриваться (1балл).

2) Механическое удаление появившейся плесени вместе с поврежденным материалом (подложкой) и обработка пораженного места веществами, убивающими грибы – фунгицидами (этанол, раствор медного купороса, специальные (коммерческие) фунгициды и др.), УФ-излучением (1балл).

3) Обработка материалов и конструкций защитными гидроизолирующими веществами, с низкими адгезивными свойствами. Использование при строительстве грибостойких материалов (1балл).

 

3. По каким признакам можно предположить, что млекопитающие в процессе эволюции произошли от предков, подобных амфибиям, а не рептилиям? (10 баллов)

Млекопитающие как и амфибии имеют

- кожу с большим количеством кожных желез (1балл);

- платибазальный тип черепа (2 балла);

- 2 затылочных мыщелка (2 балла);

- предплече-запястный и голеностопный суставы (2 балла);

- гломерулярные почки, работающие не на сбережение, а на выведение жидкости из организма (2 балла);

- мочевину как основной выделяемый продукт азотногообмена (1балл).

 

4. Перед вами - перечень млекопитающих: выхухоль, кашалот, коала, кролик, кулан, лама, морж, морская свинка, муравьед, сайгак, соболь, утконос, ушан, человек. Предложите как можно больше критериев, по которым их можно разделить на две группы. Для каждого критерия укажите, какие животные в какую группу попадут. (10 баллов)

 

 

Можно выделить, например, такие группы:

Плотоядные (консументы 2 и более порядков)	Фитофаги (консументы 1 порядка)
Выхухоль Кашалот Морж Муравьед Соболь Утконос Ушан Человек	Коала Кролик Кулан Лама Морская свинка Сайгак

водные – сухопутные; живородящие - яйцекладущие; эндемичные –космополиты; нелетающие - летающие; стадные- одиночные; распространенные – вымирающие (Красная книга); реликтовые – «современные»; одомашненные – дикие и т.д. (0,5 балла за каждую обоснованную класификацию)

 

5. "Головокружение случается от голода, при резком подъеме или спуске, в горах, от кружения на карусели, от потери крови, у беременных и, наконец, от успехов. Это хороший пример того, как разные воздействия запускают один и тот же физиологический механизм", - считает физиолог доктор Литвинус. Согласны ли вы с доктором? Чтобы аргументировать ваше мнение, объясните, каковы физиологические механизмы головокружения в каждом из указанных случаев. (10 баллов)

Мы склонны согласиться с автором цитаты об универсальности механизма ответа на различные факторы, поскольку логично организму выработать один ответ на различные воздействия, а не каждый раз вырабатывать новый. С точки зрения физиологии при любом факторе воздействия существует две группы процессов. Первая группа процессов связана с гомеостатической регуляцией процессов непосредственно органами, с которыми связаны данные факторы. Вторая группа процессов связана с поведенческими реакциями, идущими из многих функциональных структур ЦНС (3 балла).

Так, при подъеме, спуске, кровопотере, в горах головокружение проявляется на фоне развития гипоксии, которая, в свою очередь, вызывает увеличение вентиляции легких, повышение артериального давления, увеличение частоты сердечных сокращений, выброс эритроцитов из депо. Эти процессы связаны с работой дыхательного и сердечно-сосудистого центров. Однако тонкое приспособление к изменяющимся условиям осуществляют полушария и подкорковые структуры - триопалидарная, лимбическая системы, гипоталамус, ретикулярная формация (2 балла).

Причиной головокружения на карусели также являются нарушения деятельности отделов нервной системы, в частности тех, которые участвуют в регуляции равновесия тела, в первую очередь вестибулярного аппарата, располагающегося во внутреннем ухе (1 балл).

Головокружение у беременных объясняется интенсивной перестройкой функций некоторых систем организма, прежде всего, эндокринной, нервной и кровеносной (1 балл).

Субъективным проявлением голода является головокружение, что обусловлено возбуждением нейронов различных отделов и уровней ЦНС – пищевого центра, в который входят гипоталамус, лимбическая система, ретикулярная формация и новая кора (2 балла).

Эмоции также могут вызывать головокружение, если это слово не в кавычках, то, в частности, могут происходить психические процессы, которые могут вызывать, например, изменение дыхания, что связано с работой вышеперечисленных корковых и подкорковых структур. Таким образом наблюдается интеграция функционирования сенсорных систем за счет интерорецепторов и через ЦНС и вегетативный отдел нервной системы (1балл).

 

Обычный анализ крови, который вам делают при периодических обследованиях в поликлинике, включает определение стандартного набора параметров. Какие болезни и физиологические расстройства могут быть выявлены на основании этого анализа?

Перечислите, для каких диагностических целей необходимо определение дополнительных характеристик состава крови. Какие параметры следует измерять в каждом из этих случаев? (10 баллов)

При стандартном исследовании анализа крови измеряют эритроциты, гемоглобин, лейкоциты и СОЭ. Понижение эритроцитов и гемоглобина признак анемии (1балл). Повышение – компенсаторная реакция на гипоксию, либо физиологическая, либо патологическая (при легочно-сердечной недостаточности) (1балл).

СОЭ – неспецифический показатель патологического процесса (1балл).

Увеличение лейкоцитов наблюдается при воспалении (1балл).

Дополнительно исследуют лейкоцитарную формулу, что дает сведения о качественных переменах при инфекционных заболеваниях. В острой стадии увеличивается количество нейтрофильных клеток со сдвигом влево. Когда острые явления затухают количество нейтрофилов уменьшается увеличивается количество моноцитов. Одновременное увеличение моноцитов и нейтрофилов наблюдается при нагноении. В после инфекционный период наблюдается увеличение лимфоцитов и эозинофилов. Увеличение эозинофилов наблюдается при аллергических реакциях (2 балла).

Дополнительно исследуют биохимию крови.

Белки: Гипоальбуминемия сопровождает заболевания печени и почек

Гипериммуноглобулинемия – в ходе острого и хронического воспаления, аутоиммунных заболеваниях, аллергических и паразитарных заболеваниях (1балл).

Холестерол, липопротеины высокой и низкой плотности исследуют для характеристики липидного обмена. Увеличение холестерола и липопротеинов низкой плотности указывает на склонность к развитию атеросклероза (1балл).

Ферменты: Аланинаминотрансфераза и аспартатаминотрансфераза – их количество возрастает при поражениях печени и сердца. Аспартатаминотрансфераза – при инфаркте миокарда, аланинаминотрансфераза при гепатите.

Фосфотазы увеличиваются при воспалениях (1балл).

Дополнительно исследуют свертывание крови и количество тромбоцитов для характеристики гипо и гиперкоагулции (1балл).

Дополнительно можно смотреть гормоны – для характеристики работы эндокринных желез, но это уже достаточно узкие исследования.

 

7. Самки стеблевого мотылька Ostrinia nubilalis, питающиеся на кукурузе, и самцы, питающиеся на полыни, скрещиваются и дают плодовитое потомство, если их поместить вместе в один садок. В природе «полынная» и «кукурузная» популяции практически не скрещиваются, хотя обитают на одном поле. Объясните, какие механизмы могут препятствовать скрещиванию в природе. К чему приведет впоследствии такое отсутствие скрещивания? (10 баллов)

Стеблевой (кукурузный) мотылёк Ostrinia nubilalis является исконным обитателем Европейского континента, где он миллионы лет питался дикой растительностью, а позднее начал повреждать просо и коноплю. К началу 17 столетия кукуруза весьма широко распространилась по Европе и Азии, а в середине - появились первые упоминания о повреждении этой культуры кукурузным мотыльком. Склонность к полифагии - важная черта биологии кукурузного мотылька, которая, несомненно, способствовала адаптации части его популяций к новому растению-хозяину. Примечательно, что среди сельскохозяйственных производителей России конца XIX - начала XX столетия кукуруза считалась одной из самых неповреждаемых насекомыми злаковой культурой. В настоящее же время кукурузный мотылек наряду с колорадским жуком, вредной черепашкой и луговым мотыльком находится в списке особо опасных вредителей. При этом "кукурузная" популяция должна иметь особые физиологические механизмы для преодоления барьеров устойчивости нового для вида пищевого растения. Эти особенности влияют, очевидно, на половое поведение, но биологическая изоляция пока не сформировалась - поскольку «кукурузные» самки и «полынные» самцы скрещиваются и дают плодовитое потомство, если их поместить вместе в один садок, они являются представителями одного вида (3 балла). В природе им мешает скрещиваться экологическая (в данном случае, биотопическая) изоляция: среда обитания «кукурузной» популяции характеризуется высокой влажностью, затененностью, обилием высококалорийного влажного токсичного для вида корма, а среда обитания «полынной» популяции – сухостью, высокой инсоляцией, малокалорийным нетоксичным (привычным) кормом. Особи из «кукурузной» и «полынной» популяций просто не встречаются друг с другом (3 балла). В дальнейшем биотопическая изоляция приведет (что уже наблюдается) к формированию этологической изоляции (разность полового поведения и состава феромонов), что выразится в образовании биологических рас, подвидов и видов (4 балла).

 

8. Отставной поручик Чебурков, обнаружив у себя в вещмешке семечко подсолнечника, посадил его на огороде. Урожай превзошел все ожидания: никому из соседей Чебуркова не удавалось получить от одного растения так много семян. Восторженный поручик призывает соседей выбросить свои запасы и покупать семенной материал у него. Но достаточно ли имеющихся данных для того, чтобы принять такое решение? Какую информацию, по вашему мнению, нужно получить, прежде чем переходить к широкому выращиванию потомков этого уникального подсолнечника? (10 баллов)

Скорее всего, исходное семечко было гетерозисным гибридом F₁, гетерозиготным по многим аллелям, что и обусловило высокий урожай. В потомстве этого гибрида F₂ будет наблюдаться расщепление и растения будут существенно различаться между собой генотипически и фенотипически, в том числе, по урожайности. Чтобы выращивать этот уникальный подсолнечник массово, необходимо путем многочисленных скрещиваний, в частности, бэк-кроссов, выяснить, какие чистые линии являлись родителями этого уникального гибрида, наладить производство этих чистых линий на изолированных участках и, скрещивая их, производить желаемый гибрид (3 балла).

Кроме того, причинами удивительного урожая могли быть –

- агротехника, применяемая поручиком, но неизвестная соседям (минеральные или органические удобрения, мелиорация, микробные землеудобрительные препараты, пестициды, микробные препараты-антагонисты фитопатогенов, режим полива, место посадки относительно солнца и т.д.) (2 балла);

- состав почвы на участке поручика Чебуркова (1 балл);

- исходное семечко могла быть генетически модифицированным. Для многих ГМ растений разрабатываются методы, обеспечивающие запускание механизмов саморазрушения в семени. Это прекращает семенное воспроизводство ГМ растений, а также их распространение самосевом, т.е. прорастание семян, которые выпали во время сборки урожая предыдущего сезона. Соседям придётся где-то покупать новые семена для каждого нового поколения (2 балла).

- низкое качество семян подсолнечника – высокий урожай обычно находится в противоречии с хорошим качеством продукции (1 балл).

Если все соседи выбросят свои запасы и купят семенной материал у Чебуркова, то они не только могут лишится урожая, но может произойти потеря генетического разнообразия подсолнечника в пределах деревни, что может привести к потере всего урожая, например, вследствие какой-либо болезни растения (1 балла).

9. Какие способы (осуществленные и перспективные) предлагает современная наука для решения проблемы «биологического азота»? (10 баллов)

«Биологический азот» - это азот, который связали (зафиксировали) прокариоты, благодаря чему азот атмосферы, недоступный эукариотам, переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы. Биологическая фиксация азота атмосферы имеет важное значение. Об этом свидетельствуют масштабы процесса — до 200 млн т N/год. Схематично азотфиксацию можно изобразить так:

N2 нитрогеназа, АТФ NH3 аминокислоты белок.

Прокариоты (бактерии и археи) могут фиксировать азот, поскольку имеют уникальный ферментативный комплекс - нитрогеназу. 17 генов, ответственные за связывание азота, обозначают как nif — гены (от английского «nitrogen fixation», что означает «фиксация азота»). Эти гены (речь идет о структурных генах и генах- регуляторах) и контролируют образование нитрогеназы.. Все эти гены сцеплены друг с другом и расположены в хромосоме между генами ферментов биосинтеза гистидина и генами, определяющими усвоение шикимовой кислоты. У быстрорастущей ризобии nif-гены существуют в форме мегаплазмиды, содержащей 200—300 тысяч пар нуклеотидов.

Прокариот, способных к усвоению азота воздуха, обычно разделяют на симбиотических и несимбиотических. Симбиотические азотфиксаторы — бактерии, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением. Они живутна поверхности или тканях растений и получаютот своих "хозяев" органическое вещество практически в неограниченном количестве, окисляют его в процессе кислородного дыхания, имеют много АТФ и очень активно связывают азот. Часть органических азотсодержащих веществ бактерии используют для построения своего тела, а часть "отдают" растению-симбионту в виде аминокислот и амидов. Количество ассимилированного с помощью симбиотической азотфиксации азота весьма велико и достигает 100-300 кг азота на гектар за год, при этом значительную его часть сразу получают возделываемые растения. Наиболее изучена азотфиксация у клубеньковых бактерийродаRhizobium, которые живут внутри клубеньков бобовых растений, и актиномицета Frankia - симбионта ольхи, облепихи.

Злаки: пшеница, кукуруза, сорго, ячмень - и овощные культуры не образуют клубеньков, но на их корнях поселяются ассоциативные азотфиксирующие бактерии, которые питаются корневыми выделениями растения и улучшают его азотное питание. Ассоциативные азотфиксаторы не полностью удовлетворяют потребности растения в азоте, но они продуцируют фитогормоны роста и обладают другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений (защита от фитопатогенов, разрушение токсических веществ). Симбиотическая азотфиксация - важнейший процесс при выращивании культурных растений, его необходимо всемерно усиливать. Для этого прежде всего вносят бактериальные землеудобрительные препараты: ризоторфин (нитрагин ) - смесь клубеньковых бактерий Rhizobium с торфом - под бобовые; препарат Frankia - под облепиху; препараты ассоциативных азотфиксирующих бактерий- под зерновые, кормовые травы, картофель и овощи; Внесение препаратов проводится в виде предпосевной инокуляции (обработки) семян.

Несимбиотические (свободноживущие) азотфиксирующие бактерииполучают энергию с помощью фотосинтеза, хемосинтеза или окисления органических веществ), поступивших из окружающей среды. Весь ассимилированный (усвоенный) азот они используют на построение своего тела. "Производительность" такой азотфиксации невелика, так как поступление энергии зависит от случая, от того, как сложатся условия существования микроорганизмов. В целом за год свободноживущие азотфиксирующиебактерии фиксируют в умеренном климате от 25 до 94 кг азота на гектар.

Таким образом, азотфиксация – процесс, необходимый для биосферы в целом, и для сельского хозяйства. С овременная наука для решения проблемы «биологического азота» предлагает следующие пути:

1) повышение способности ризобии колонизировать бобовые растения. Колонизация бобовых растений ризобиями протекает очень медленно, лишь единичные из них дают начало клубенькам. В ряде случаев сформировавшиеся клубеньки оказываются неспособными фиксировать азот. Традиционными методами генетики и селекции удалось получить лабораторные штаммы ризобий с более высокой колонизирующей способностью. Но они в полевых условиях испытывают конкуренцию со стороны местных штаммов. Повышение их конкурентоспособности Rhizobium,, видимо, можно осуществить генноинженерными методами (1 балл).

2) Повышение эффективности процесса азотфиксации (активности ризобии) с применением генноинженерных приемов, основанных на увеличении копий гена, усилении транскрипции тех генов, продукты которых образуют «узкое» место в каскадном механизме азотфиксации, путем введения более сильных промоторов и т. п. (1 балл).

3) Создание новых азотфиксирующих микроорганизмов путем введения в них nif-генов, передача способности к симбиозу от бобовых растений к другим (1 балл).

4) Подбор ассоциативных азотфиксаторов для большинства культурных растений (поиск в природе, генная инженерия). Препараты таких отселектированных бактерий используются весьма широко на зерновых и овощных культурах: микрокорневит, азотовит, Байкал –М, агрофил, мизорин, флавобактерин и т.д. (2 балла).

5) совместное использование двух видов микробных землеудобрительных препаратов: ассоциативных азотфиксирующих бактерий и микоризных грибов. В этом тройном взаимовыгодном симбиозе бактерия снабжает всех партнеров азотом, гриб-санитар убивает болезнетворные микроорганизмы на корнях и «помогает» растению всасывать воду и минеральные вещества, а растение «кормит» микроорганизмы органическим веществом. Примером подобного сожительства может служить искусственно создаваемый симбиоз: сорго, флавобактерии и гриб Glomus fascioatum, при этом урожай биомассы сорго увеличивается более, чем наполовину (2 балла).

6) Перенос nif-генов с помощью Ti-плазмид в хлоропласты растений, поскольку механизмы экспрессии генов в хлоропластах и в клетках прокариот близки. Перенос генов фиксации атмосферного азота в геном сельскохозяйственных растений — задача очень трудная. Система фиксации азота потребует от растения больших энергетических затрат, что может повлечь за собой вместо повышения даже снижение продуктивности. Возможно, в перспективе удастся соединить у растений молекулярные механизмы азотфиксации и фотосинтеза в единую сопряженную систему, способную использовать для восстановительных реакций непосредственно лучистую энергию. Фундаментальные исследования по переносу генов азотфиксации в высшие растения, по-видимому, приведут к многообещающим открытиям и коренному перевороту практики азотного питания растений. (2 балла).

7) Перенос nif-генов в микоризные грибы. то удалось для дрожжей, хотя добиться экспрессии nif-генов пока не сумели, хотя они и сохранялись в течение 50 генераций (1 балл).

 

10. Диаманта – это стихотворная форма из семи строк, первая и последняя из которых – понятия с противоположным значением. Этот вид стиха составляется по следующей схеме:

строчка 1: тема (существительное) строчка 2: определение (2 прилагательных) строчка 3: действие (3 причастия) строчка 4: ассоциации (4 существительных) строчка 5: действие (3 причастия) строчка 6: определение (2 прилагательных) строчка 7: тема (существительное)

ЛИСТ ДЕРЕВА рождение зеленый, яркий светящийся, растущий, цветущий жара, движение, солнце, пища увядающий, замедленный, туманный коричневый, старый смерть

Написание диаманты полезно для понимания сути различий и взаимосвязи понятий, противоположных по значению.

Напишите диаманты на понятия:

«донор - акцептор»; «анаболизм- катаболизм»; «прогресс- регресс» (биологические)

(10 баллов)

Принимаются любые диаманты, если они верно отражают суть рассматриваемых биологических понятий и составлены без нарушения формы. Рассмотрение пары «донор-акцептор» как «донор-реципиент» считается нарушением условий задания. За каждую диаманту участник может получит от 1 до 3 баллов, 1 балл может быть добавлен за отличное качество.