Итоги выполнения конкурсного задания подведены, теперь можно дать ответ на предлагавшиеся вопросы.
1. Какими способами разные животные заботятся о потомстве? Приведите по одному-два примера использования каждого способа. Опишите случаи, когда у какого-то вида можно встретить сразу несколько способов заботы о потомстве.
У многих животных потомство развивается внутри тела самки. При этом оно обеспечивается защитой, подходящей температурой, а зачастую - и питательными веществами. Сюда относится как истинное живорождение, так и яйцеживорождение. Например, у лжескорпионов оплодотворенные яйца развиваются внутри выводковой камеры на брюшной стороне тела самки. Вылупившиеся личинки питаются желтком, поступающим из яичников, и даже успевают один раз перелинять внутри самки.
Наиболее ярко выражен такой тип заботы о потомстве у млекопитающих, которые вынашивают плод внутри матки.
Животные, которые откладывают яйца, почти всегда стараются поместить их в подходящие условия, обеспечивая ту или иную степень защиты и доступность пищи. Муха, например, откладывает яйца в гниющее мясо, а жук-короед - под кору деревьев. Эти способы заботы о потомстве могут совершенствоваться в двух направлениях.
Первый - создание специальных укрытий и убежищ. У олигохет и пиявок яйца развиваются внутри специального яйцевого кокона, тихоходки откладывают яйца в свою старую шкурку, сбрасываемую при линьке. Рыбка горчак откладывает икру в раковины моллюсков. Лососевые закапывают икру в ил и сверху забрасывают галькой. Некоторые квакши строят для икры домик из листьев над водой, и так далее.
Второй путь - создание запасов пищи для будущего потомства. Некоторые осы откладывают яйца в тела насекомых. Личинки наездников часто паразитируют на других насекомых, а после гибели хозяев питаются их мертвыми тканями.
Еще один путь заботы о потомстве - ношение яиц на себе или защита кладки до вылупления. Большинство десятиногих раков вынашивают яйца, прикрепив их к брюшку или к плавательным ножкам (и при этом обвевают их свежей водой). Жаба-повитуха наматывает тяжи икры себе на ноги. Многочисленны примеры охраны кладки. Так, многоножки откладывают яйца в особые гнездышки из земли или иного материала, спирально свертываются вокруг кладки и, пока не вылупится молодь, остаются так многие недели, не питаясь.
Наконец, огромное число видов животных после рождения детенышей кормит их и охраняет от врагов (колюшка, большинство птиц и зверей). Родители могут заниматься и "воспитанием" потомства, например, тигрица обучает тигрят охотиться.
Часто животные объединяются, чтобы вместе ухаживать за потомством, и разделяют между собой функции (пингвины, котики). Самый яркий случай - у общественных насекомых (муравьи, термиты, пчелы): размножаются лишь некоторые особи, а остальные ухаживают за ними и их расплодом.
Оригинален способ заботы о потомстве у кукушки: она обеспечивает уход за своими детьми, подбрасывая яйца в гнезда птиц других видов.
Животных, у которых встречаются сразу несколько способов заботы о потомстве, великое множество. Так, самец колюшки строит убежище для мальков и охраняет его от врагов. Самец и самка зяблика (и многие другие воробьиные птицы) вместе кормят и охраняют потомство от врагов.
2. Дан список растений: абрикос, ананас, бук, ива, калина, кипарис, лимон, липа, лиственница, малина, облепиха, ольха, рябина, саксаул, секвойя, эвкалипт. Предложите как можно больше разных критериев, по которым их можно разделить на две или на три группы. Для каждого критерия укажите, какие растения в какую группу попадут.
Перечислим несколько возможных классификаций.
По жизненным формам: древесные, кустарники и травяные. По систематическому положению: покрытосе менные и голосеменные. По смене листьев (хвои): вечнозеленые и листопадные. По отношению к свету: светолюбивые и теневыносливые. По способу опыления: опыляемые ветром либо насекомыми. По географическому распространению: растущие в умеренном, субтропическом и тропическом климатических поясах. По принадлежности к разным сообществам: степные и лесные. По роли в сообществах: лесообразующая порода - не является таковой.
Относятся к пионерным или климаксным сообществам. По морфологическим признакам: имеющие колючки и не имеющие их.
С простыми и со сложными листьями. По особенностям биохимии: характерны для растения или нет эфирные масла. По ценности для человека: имеют ценную древесину или нет. Дают съедобные плоды или нет.
Предлагаем читателю самому распределить вышеперечисленные растения по предложенным здесь группам.
Разумеется, возможны другие варианты. Конечно, одни варианты разделения на группы интересны с биологической точки зрения (покрытосеменные - голосеменные, вечнозеленые - листопадные), а ценность других вариантов существенно ниже (встречается ли данное растение на Мадагаскаре, обладает ли оно потогонными свойствами). И хотя при проверке работ приемлемыми считаются разбиения обоих типов, увлекаться совсем уж странными критериями не стоит.
Следует избегать и групп с нечеткими, спорными границами. Например, вряд ли удачно деление растений на полезные и вредные, высокие и низкие, красивые и не очень.
3. Д-р Аккурат кормил гуппи в своем аквариуме живыми дафниями, смешивая рачков разного размера. Оказалось, что крупные дафнии поедаются быстрее, чем мелкие. С чем это может быть связано? Как проверить ваши гипотезы? (Учтите, что несколько факторов могут действовать одновременно.)
По данным д-ра Наплевайта, все обстоит не так: быстрее поедаются мелкие дафнии. Чем может объясняться различие в результатах двух ученых?
Почему гуппи чаще поедали крупных дафний, чем мелких? Возможно несколько причин. Первая - большая заметность для рыб крупных дафний. Вторая - их меньшая подвижность и маневренность. Третья - предпочтения рыб в пользу более ценных по калорийности "упитанных" дафний. Наконец, крупные дафнии могут активнее поедаться из-за каких-то особенностей их поведения (например, они хуже прячутся и поэтому чаще попадаются на глаза рыбкам).
Для экспериментальной проверки каждой версии будем усиливать или ослаблять влияние разных факторов в аквариуме. Сначала предложим рыбкам смесь крупных и мелких дафний. Подтвердив большую скорость поедания крупных дафний, добавим укрытие (например, какое-то растение). Если различие в поедании дафний возросло, значит, дело в том, что крупным дафниям труднее спрятаться. Далее предложим одним рыбкам (в отдельном сосуде) мелких дафний, а другим (в другом сосуде) - крупных и посмотрим, какие дафнии поедаются быстрее. Этот опыт позволит разобраться, каких рачков рыбке легче поймать. Теперь в сосуде с мелкими дафниями будем менять прозрачность воды (скажем, подкрашивая ее) до тех пор, пока скорости поедания мелких и крупных дафний не сравняются. Так мы покажем, что на поедание влияет заметность дафнии. А если кормить рыб сушеными дафниями, то исчезнет разница в подвижности мелких и крупных, и станет ясно, имеются ли иные причины пищевого предпочтения.
Ну, а почему исследования Наплевайта дали противоположный результат? Во-первых, один из ученых мог сделать свой вывод на основании слишком малого объема экспериментальных данных. Во-вторых, ученые могли пользоваться разными методиками, например, подсчет несъеденных дафний производился через разное время после их внесения в аквариум с рыбами. В-третьих, Аккурат и Наплевайт могли работать с разными видами дафний. Понятие "крупная особь" для одного вида необязательно совпадет с этим же понятием для другого. В-четвертых, у исследователей могли различаться не дафнии, а гуппи (например, по возрасту). В-пятых, можно предположить, что до проведения опыта Наплевайт всегда кормил своих гуппи только мелкими дафниями, и поэтому рыбки привыкли к мелкому корму. В-шестых, причина различий могла заключаться в том, что у одного исследователя был глубокий аквариум, а у другого - мелкий. Ведь дафнии стремятся держаться на определенной глубине, да и возможность избежать хищника зависит от размеров аквариума. Наверняка можно придумать и "в-седьмых", и "в-восьмых".
4. Отставной поручик Чебурков решил свести лес, занимающий немалую часть его поместья, а на освободившихся землях выращивать картофель и пшеницу. Однако он опасается, не скажутся ли эти изменения на составе воды в озере, которое используется как источник питьевой воды и находится в центре леса. Как планируемые перемены могут повлиять на качество воды в озере? Опишите как можно больше возможных механизмов.
Вырубка леса не пройдет без последствий для состава воды в озере. Деревья все время испаряют почвенные воды и усваивают минеральные соли. Кроме того, лес укрепляет берега озера, предохраняя их от размывания. После вырубки леса в почве станет больше воды. Берега начнут беспрепятственно размываться. Увеличится сток воды в озеро, возрастет содержание минеральных солей и органики. Это, в свою очередь, может вызвать усиленное размножение фитопланктона, падение концентрации кислорода в воде и другие изменения химическо го состава воды в озере. Изменятся фауна и флора, прежде всего микрофлора почвы. Например, могут исчезнуть некоторые из азотофиксирующих симбионтов растений, что дополнительно повлияет на состав воды. В результате из озера могут исчезнуть многие животные, например личинки комаров. Это негативно отразится на процессах биологической очистки воды.
Выращивая на полях картофель и пшеницу, Чебурков навеpняка станет вносить удобрения, которые будут смываться дождями и паводками в озеро. Это приведет к эвтрофикации водоема, которая может кончиться зацветанием воды или заболачиванием. Особенно опасен в этом смысле картофель, требующий большого количества калийных удобрений.
При длительном выращивании картофеля и пшеницы весьма вероятно истощение почвы, отчего изменится ее кислотность, что, в свою очередь, повлияет и на рН воды в озере.
5. Часто встречаются случаи, когда постоянные жители болеют какими-то болезнями реже, чем люди, приехавшие в данную местность. С какими причинами это может быть связано? Приведите примеры, подтверждающие ваши соображения.
Во-первых, у местных жителей может иметься генетически обусловленная устойчивость к ряду болезней. Например, у негров широко распространен в гетерозиготной форме ген серповидноклеточной анемии, поскольку его носители более устойчивы к малярии. А вот устойчивость к вирусу СПИДа у европейцев встречается чаще, чем на африканском континенте.
Вторая причина - наличие у местных жителей иммунитета к определенным болезням и отсутствие его у приезжих. Иммунитет мог быть приобретен в детстве или от матери в период внутриутробного развития.
Местные жители, как правило, лучше адаптированы к местным условиям. Например, эскимосы легче переносят морозы, чем негры, поэтому африканцы, попав на Чукотку, будут чаще простужаться. Вносит вклад и психологическая неадаптированность: выходцы из южных стран на севере будут страдать "зимней" депрессией, обусловленной коротким световым днем.
Риск неинфекционных заболеваний снижается и за счет лучшего знания таких особенностей родной местности, как ядовитые растения, опасные для человека хищники и паразиты.
Более редкая заболеваемость местных жителей может быть связана с социальными факторами. Например, если у местного населения общеприняты моногамия и высокие нормы морали, то вероятность венерических заболеваний у них ниже по сравнению с "распущенными" приезжими.
Наконец, приезжие могли прибыть из местности со слабой системой здравоохранения, "захватив" свои болезни с собой.
6. Физиологи выделяют четыре способа пищеварения: внутриклеточное, полостное, пристеночное и наружное. У представителей каких систематических групп они встречаются? Каковы достоинства и недостатки каждого из этих способов?
Внутриклеточное пищеварение (фагоцитоз) как единственный способ переваривания пищи встречается только у губок. В сочетании с другими способами (прежде всего с полостным) оно свойственно кишечнополостным, бескишечным турбелляриям, погонофорам, большинству моллюсков, коловраткам, пиявкам, всем хелицеровым, мшанкам, плеченогим, форонидам, всем иглокожим, ланцетнику и позвоночным (у последних к фагоцитозу способны клетки кишечника). У простейших фагоцитарный способ основной, но имеется и наружное пищеварение - некоторые простейшие выделяют вовне пищеварительные ферменты.
Если для одноклеточных фагоцитоз вполне приемлем как способ пищеварения, то у многоклеточных его использование в качестве единственного способа ставит ряд проблем. Во-первых, требуется, чтобы либо все клетки организма имели доступ к пище, либо продукты пищеварения транспортировались от клетки к клетке. Во-вторых, непереваренные остатки должны все время выводиться из клеток или "навечно" накапливаться в них. Оба варианта мало подходят для многоклеточного организма с дифференцированными тканями. Наконец, имеются и существенные ограничения на размер пищевого объекта: он не должен быть крупнее одной клетки.
Фагоцитоз считается исходным типом пищеварения, от которого в разных ветвях эволюции независимо произошел переход к полостному пищеварению (в ряде случаев полностью заменившему фагоцитарное).
Полостное пищеварение известно у кишечнополостных, гребневиков, почти всех червей, ракообразных, насекомых, головоногих моллюсков, оболочников и хордовых (кроме ланцетника). Наличие пищеварительной полости позволяет удерживать внутри организма сравнительно крупный пищевой объект. Возможность замыкать просвет пищеварительного канала после поступления пищи приводит к тому, что жертва гибнет без кислорода и ее ткани частично самоперевариваются. Анаэробные условия позволяют развиться кишечной микрофлоре, которая играет большую роль в пищеварении. Полостное пищеварение позволяет "разбить" пищеварительный канал на отделы с разными функциями, повысив эффективность его работы. Появление пищеварительной полости потребовало обзаведения транспортными системами. Возникла возможность разносить по организму питательные вещества в растворимой и легко усвояемой форме.
Пристеночное, или мембранное, пищеварение осуществляется ферментами, которые локализованы на мембранных структурах или выделяются клетками кишечника в примембранное пространство. Такой способ позволяет экономнее расходовать ферменты и эффективнее сопрягать с перевариванием транспорт питательных веществ. Этот способ присущ ракообразным, головоногим моллюскам, насекомым и всем позвоночным. Именно на этом принципе основана работа микроворсинок позвоночных и перитрофической мембраны насекомых (тонкой пленки из белков и хитина, окружающей непереваренную пищу в кишечнике). Но данный способ не позволяет обрабатывать ферментами всю пищевую массу, находящуюся в кишечнике. Поэтому пристеночное пищеварение всегда сопровождается внутриклеточным и полостным. Исключение - некоторые кишечные паразиты, которым свойственно только пристеночное переваривание пищи.
Наконец, у некоторых животных встречается наружное пищеварение: добыча фиксируется, выделяемые животным ферменты "работают" вне организма, а затем хищник всасывает питательные вещества в легко усвояемой форме. Так поступают ряд медуз, многие паукообразные и насекомые, некоторые нематоды и моллюски. Этот способ позволяет переваривать крупную добычу; при этом не требуется измельчать пищу, иметь разветвленный и дифференцированный кишечный тракт. Паукам такой тип пищеварения особенно подходит, поскольку при нем не нужно измельчать или переваривать жесткие хитиновые покровы их основной добычи - насекомых. Недостаток наружного пищеварения - большой расход ферментов. Кроме того, животное оказывается как бы приковано к добыче и в случае опасности теряет ее.
Обратите внимание: в условии задачи не сказано, что нам следует ограничиться царством животных. Поэтому кратко скажем об остальных систематических группах.
Прокариоты (бактерии) в плане пищеварения принципиально отличаются от эукариотов. Поскольку прокариоты не способны к эндоцитозу (а значит - и к внутриклеточному пищеварению) и среди нет истинно многоклеточных форм, то основные способы пищеварения у них - наружное и пристеночное. Примерно то же и у грибов.
Так называемым насекомоядным растениям присущ наружный способ пищеварения. Например, росянка выделяет пищеварительный секрет на захваченную добычу, а затем всасывает переваренную смесь.
