23. Эксперимент: выводы: все задания

Быстрее с прохождением лабиринта должна была справиться группа 1, то есть мыши, которым дали возможность бегать в колесе.

Это объясняется тем, что физическая нагрузка способствует выработке кластирина. Кластирин влияет на развитие гиппокампа, а гиппокамп участвует в формировании памяти и переводе кратковременной памяти в долговременную. Поэтому мыши из группы 1 могли лучше запоминать путь в лабиринте и быстрее его проходить.

Кластирин относится к белкам.

Это следует из того, что он кодируется геном. Гены содержат информацию о строении белков, а при экспрессии гена происходит синтез белковой молекулы из аминокислот. Поэтому кластирин — органическое вещество белковой природы.

Вода необходима для прорастания семян, потому что она вызывает набухание семени и запускает процессы обмена веществ. Под действием воды активируются ферменты, которые расщепляют запасные питательные вещества семени. Эти вещества используются зародышем для дыхания, роста и развития. Также вода нужна для растяжения клеток и выхода корешка из семенной кожуры.

Наименьшие негативные последствия засушливые условия будут иметь для семян проса.

По таблице видно, что семена проса увеличили массу меньше всего — всего на 27%, значит, они поглотили меньше воды, чем семена фасоли, овса и кукурузы. Следовательно, для начала прорастания им требуется меньше влаги.

Фасоль, наоборот, поглотила больше всего воды — масса увеличилась на 138%, поэтому её семена будут сильнее зависеть от достаточного увлажнения.

Кривая, отражающая рост биомассы эвглены зелёной при круглосуточном освещении, обозначена номером 2.

Это видно по графику: в пробирке 2 биомасса эвглен значительно выше, чем в пробирке 1. На свету эвглена зелёная способна к фотосинтезу, поэтому она синтезирует органические вещества из углекислого газа и воды, используя энергию света. Благодаря этому её биомасса увеличивается быстрее и достигает большего значения.

В условиях полного отсутствия света биомасса эвглен тоже увеличивается, потому что эвглена зелёная способна к смешанному типу питания. В темноте фотосинтез не идёт, но в питательной среде есть готовые органические вещества: глюкоза, аминокислоты и другие соединения. Эвглены используют их для питания, дыхания, роста и размножения.

То есть в темноте эвглены питаются гетеротрофно, поэтому их биомасса растёт, но медленнее и меньше, чем на свету.

При увеличении концентрации углекислого газа свыше 0,1% скорость фотосинтеза не растёт, потому что CO₂ перестаёт быть ограничивающим фактором. Растение уже получает его достаточно, и дальнейшее увеличение концентрации не ускоряет процесс. Скорость фотосинтеза начинает ограничиваться другими факторами: освещённостью, температурой, количеством воды, активностью ферментов и состоянием хлоропластов.

Если сильно снизить температуру в теплице, скорость фотосинтеза уменьшится. Это произойдёт потому, что фотосинтез зависит от работы ферментов, а при понижении температуры ферментативные реакции замедляются. Особенно замедляются реакции фиксации углекислого газа и синтеза органических веществ.

Углекислый газ играет роль источника углерода для образования органических веществ. В процессе фотосинтеза CO₂ используется растением для синтеза глюкозы и других углеводов.

Общая схема фотосинтеза: углекислый газ + вода → органические вещества + кислород. То есть углекислый газ нужен растению не как источник энергии, а как исходное вещество для построения органических соединений.

По графику видно: чем выше доза рентгеновского излучения, тем выше частота летальных мутаций у дрозофил.

Это объясняется тем, что рентгеновское излучение является физическим мутагеном. Оно повреждает молекулы ДНК, вызывает разрывы хромосом, генные и хромосомные мутации. При увеличении дозы облучения повреждений ДНК становится больше, поэтому возрастает и частота летальных мутаций.

Примеры других физических воздействий с таким же мутагенным эффектом:

1. Ультрафиолетовое излучение.
2. Гамма-излучение или радиоактивное излучение.

Метод селекции, в котором используют такие воздействия, называется искусственный мутагенез, или мутационная селекция.

Преимущества метода:

1. Он позволяет резко увеличить частоту мутаций по сравнению с естественным мутационным процессом.
2. Он ускоряет получение новых наследственных вариантов организмов.
3. Среди полученных мутантов можно отобрать формы с полезными признаками: повышенной урожайностью, устойчивостью к болезням, изменённым обменом веществ и другими ценными свойствами.

Вывод: рентгеновское излучение повышает частоту мутаций, поэтому его и другие физические мутагены используют в селекции для получения нового наследственного материала.

Данный эксперимент демонстрирует мутационный процесс, или мутационную изменчивость.

По графику видно: чем выше доза рентгеновского излучения, тем выше частота летальных мутаций. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором, так как оно повреждает ДНК и может вызывать генные и хромосомные мутации.

Роль мутаций в эволюции заключается в том, что они создают новый наследственный материал. Мутации являются источником наследственной изменчивости, а естественный отбор действует на эту изменчивость: полезные мутации могут сохраняться и распространяться в популяции, вредные чаще устраняются.

Это явление будет более значимым для гаплоидных организмов, потому что у них каждая мутация сразу проявляется в фенотипе: второй копии гена, которая могла бы «замаскировать» действие изменённого гена, нет.

У диплоидных организмов многие мутации, особенно рецессивные, могут не проявляться, если во второй гомологичной хромосоме находится нормальный доминантный аллель.

Вывод: эксперимент демонстрирует мутационную изменчивость; она важна для эволюции как источник наследственного разнообразия, а сильнее проявляется у гаплоидных организмов.

У спортсменов увеличился гематокрит, то есть возросла доля эритроцитов в крови. По таблице видно, что у всех спортсменов через 14 дней гематокрит выше, чем через 7 дней.

Это произошло потому, что на высоте 4000 м воздух более разреженный, а значит, во вдыхаемом воздухе ниже парциальное давление кислорода. Организм испытывает состояние кислородного дефицита — гипоксию. В ответ на гипоксию усиливается выработка эритропоэтина, который стимулирует образование эритроцитов в красном костном мозге.

Биологическое значение такого изменения — повышение способности крови переносить кислород. Чем больше эритроцитов и гемоглобина, тем эффективнее кровь доставляет кислород к тканям в условиях высокогорья.

Для определения гематокрита используют метод центрифугирования крови. Кровь помещают в капилляр или пробирку и центрифугируют; эритроциты оседают внизу, плазма остаётся сверху. Затем определяют, какую часть общего объёма крови занимает слой эритроцитов.

Вывод: пребывание на высоте приводит к увеличению доли эритроцитов в крови, что является адаптацией к недостатку кислорода.

По отношению к свету птиц можно разделить на дневных, ночных и сумеречных.

Птицу тауи по графику можно отнести к дневным птицам. Это видно потому, что после включения света в 6:00 температура тела птиц резко повышается и остаётся высокой в светлое время суток. После выключения света в 18:00 температура тела снижается, значит активность птиц уменьшается.

Температура тела является важным показателем активности птиц, потому что при активном состоянии усиливается обмен веществ, работа мышц, дыхание и кровообращение. В результате организм вырабатывает больше тепла, и температура тела повышается. Во время покоя или сна обмен веществ снижается, поэтому температура тела становится ниже.

Вывод: тауи — дневная птица, так как её физиологическая активность повышается при освещении и снижается в темноте.

Полученные результаты объясняются тем, что дисульфидные S–S-связи стабилизируют пространственную структуру белка. Они образуются между серосодержащими аминокислотами, например цистеинами, и укрепляют третичную структуру полипептида.

По таблице видно: чем больше дополнительных S–S-связей, тем выше температура денатурации лизоцима. Например, у варианта A с одной дополнительной S–S-связью температура денатурации 46,7 °C, а у варианта F с тремя дополнительными S–S-связями — 65,5 °C. Значит, белок становится более устойчивым к нагреванию.

Лизоцим выполняет защитную функцию. Он разрушает клеточные стенки бактерий, расщепляя вещества бактериальной оболочки, поэтому обладает антибактериальным действием. У человека и животных лизоцим содержится, например, в слюне, слёзной жидкости и слизистых секретах.

Ту же защитную биологическую функцию выполняют антитела, интерфероны, белки системы комплемента, а также некоторые белки свёртывания крови, например фибриноген.

Вывод: увеличение числа дисульфидных связей повышает термоустойчивость лизоцима, а сам лизоцим является защитным белком, участвующим в борьбе с бактериями.

Вариант лизоцима с тремя дополнительными S–S-связями мог потерять специфическую ферментативную активность, потому что фермент работает только при определённой пространственной структуре молекулы. Дополнительные дисульфидные связи делают белок более устойчивым к нагреванию, но они могут изменить его третичную структуру.

Если пространственная форма белка изменилась, мог измениться и активный центр фермента. В результате лизоцим уже не может правильно связываться со своим субстратом — веществами клеточной стенки бактерий — и катализировать их расщепление. Также замена аминокислот могла затронуть участки, необходимые для узнавания субстрата или каталитической активности.

Чтобы в клетке синтезировался полипептид с дополнительными S–S-связями, в кодирующем участке гена лизоцима должны произойти мутации, заменяющие триплеты, кодирующие исходные аминокислоты, на триплеты, кодирующие цистеин.

Именно остатки цистеина содержат сульфгидрильные группы —SH. При сближении двух таких групп в пространственной структуре белка между ними может образоваться дисульфидная связь S–S.

То есть изменения должны произойти в ДНК: меняется последовательность нуклеотидов гена → меняются кодоны иРНК → при трансляции в полипептид включаются дополнительные остатки цистеина → после сворачивания белка между ними могут образоваться дополнительные S–S-связи.

Даже при низкой концентрации кислорода выработка АТФ сохраняется, потому что кислород в среде всё ещё есть, поэтому клетки могут частично продолжать аэробное дыхание в митохондриях. Кроме того, при недостатке кислорода клетки усиливают анаэробный гликолиз, при котором АТФ образуется в цитоплазме без участия кислорода.

По таблице видно, что при снижении концентрации кислорода потребление глюкозы увеличивается: с 23% при 50% кислорода до 45% при 20% кислорода. Это связано с тем, что анаэробный путь даёт меньше АТФ с одной молекулы глюкозы, поэтому клеткам приходится расходовать больше глюкозы для получения энергии.

Если добавить ротенон, выработка АТФ резко снизится, потому что ротенон блокирует электрон-транспортную цепь на кристах митохондрий. В результате нарушится перенос электронов, не будет нормально создаваться протонный градиент, и остановится или сильно уменьшится синтез АТФ при окислительном фосфорилировании.

Однако полностью синтез АТФ не прекратится: небольшое количество АТФ будет образовываться за счёт гликолиза в цитоплазме. Но для клеток сердечной мышцы этого недостаточно, так как они сильно зависят от аэробного дыхания.

Вывод: при низком кислороде АТФ ещё образуется за счёт остаточного аэробного дыхания и гликолиза, а при добавлении ротенона митохондриальный синтез АТФ резко угнетается.

Наблюдаемый эффект можно объяснить наличием в мочевине азота.

Мочевина содержит азот, который бактерии рубца могут использовать для синтеза аминокислот и белков. При наличии дополнительного источника азота бактерии активнее растут и размножаются, поэтому через месяц их количество в рубцовой жидкости увеличилось у всех коров.

Бактерии в рубце коров выполняют важную роль в пищеварении: они помогают переваривать растительную пищу, прежде всего клетчатку, которую сами млекопитающие расщеплять не могут. Также бактерии участвуют в брожении органических веществ и образуют продукты, которые корова использует как источник энергии, например летучие жирные кислоты.

Кроме того, бактерии синтезируют микробный белок и некоторые витамины, которые затем могут использоваться организмом животного.

Вывод: мочевина служит источником азота для бактерий рубца, поэтому их численность увеличивается; бактерии обеспечивают переваривание клетчатки и помогают корове получать питательные вещества из растительного корма.

Микроорганизмы рубца участвуют в симбиотическом пищеварении жвачных животных.

Примеры микроорганизмов рубца: бактерии и инфузории. Также в рубце могут обитать микроскопические грибы.

Их роль заключается в том, что они:

1. Расщепляют клетчатку, то есть целлюлозу растительной пищи, которую сами животные переваривать не могут.
2. Образуют продукты брожения, например летучие жирные кислоты, которые используются организмом жвачного как источник энергии.
3. Синтезируют белки и витамины, часть которых затем используется животным.

Сера, входящая в состав сульфата натрия, необходима микроорганизмам для синтеза серосодержащих аминокислот, например цистеина и метионина. Эти аминокислоты входят в состав белков. При достаточном количестве серы микроорганизмы активнее синтезируют белки, растут и размножаются.

Поэтому после месяца использования кормовой добавки количество инфузорий в рубцовой жидкости увеличилось во всех пробах.

Вывод: сера способствовала росту и размножению микроорганизмов рубца, так как она нужна для синтеза белков и нормального обмена веществ.

Если вместо мочевины ввести в рацион здорового животного антибиотик, количество бактерий в рубцовой жидкости уменьшится.

Антибиотик подавляет жизнедеятельность бактерий или вызывает их гибель. Поэтому численность нормальной микрофлоры рубца снизится.

Масса животного в этом случае, скорее всего, будет уменьшаться или будет расти медленнее, потому что бактерии рубца играют важную роль в пищеварении жвачных. Они помогают расщеплять клетчатку растительной пищи, участвуют в брожении и образуют вещества, которые животное использует как источник энергии.

При уменьшении количества бактерий:

1. хуже переваривается растительная пища;
2. снижается образование питательных веществ, например летучих жирных кислот;
3. уменьшается синтез микробного белка и витаминов;
4. животное получает меньше энергии и строительных веществ.

Вывод: антибиотик нарушит нормальную микрофлору рубца, поэтому пищеварение ухудшится, а масса здорового животного может снизиться или её прирост замедлится.

Эффективную вентиляцию лёгких и удаление CO₂ у птиц могут обеспечить два изменения:

1. Учащение дыхательных движений — птица начинает чаще вдыхать и выдыхать, поэтому углекислый газ быстрее выводится из организма.
2. Увеличение глубины дыхания — за один дыхательный цикл через дыхательную систему проходит больший объём воздуха, поэтому вентиляция лёгких усиливается.

Для птиц характерно двойное дыхание. Оно связано с наличием воздушных мешков. Воздух проходит через лёгкие не только при вдохе, но и при выдохе. Сами воздушные мешки не участвуют в газообмене, но обеспечивают постоянное движение воздуха через лёгкие.

Преимущества двойного дыхания:

• газообмен идёт очень эффективно;
• кровь лучше насыщается кислородом;
• углекислый газ быстрее удаляется;
• поддерживается высокий уровень обмена веществ, необходимый для активного движения и полёта.

Вывод: при повышении концентрации CO₂ птицы усиливают вентиляцию лёгких за счёт учащения и углубления дыхания, а двойное дыхание делает газообмен особенно эффективным.

По графику видно: при увеличении концентрации CO₂ в воздухе резко возрастает вентиляция лёгких.

Это объясняется тем, что избыток углекислого газа в крови приводит к повышению кислотности среды. Это раздражает хеморецепторы и дыхательный центр, поэтому дыхание усиливается. Организм птицы стремится быстрее удалить избыток CO₂ и восстановить нормальный газовый состав крови.

Насыщение крови кислородом может усиливаться за счёт двух изменений в работе дыхательной системы:

1. Учащения дыхательных движений — птица чаще вдыхает и выдыхает, через лёгкие проходит больше воздуха за минуту.
2. Увеличения глубины дыхания — за один дыхательный цикл через лёгкие проходит больший объём воздуха, поэтому газообмен становится интенсивнее.

У птиц дыхание в покое обеспечивают главным образом межрёберные мышцы и мышцы, изменяющие объём грудной клетки. Диафрагмы у птиц нет, поэтому вентиляция лёгких связана с движениями рёбер, грудины и воздушных мешков.

Вывод: повышение CO₂ усиливает вентиляцию лёгких, потому что организм должен быстрее удалить углекислый газ и обеспечить кровь кислородом.

Хроническое увеличение концентрации гормонов щитовидной железы у человека приводит к гипертиреозу, или тиреотоксикозу. Один из вариантов такой патологии — диффузный токсический зоб, или Базедова болезнь.

Гормоны щитовидной железы усиливают основной обмен веществ: клетки быстрее расходуют глюкозу, жиры и кислород, активнее протекают процессы энергетического обмена. В результате в организме образуется больше тепла.

Из-за избыточного теплообразования повышается температура тела или возникает ощущение жара. Чтобы охладить организм, включаются механизмы терморегуляции: расширяются кожные сосуды и усиливается потоотделение. Испарение пота с поверхности кожи помогает отдавать лишнее тепло.

Вывод: избыток гормонов щитовидной железы вызывает тиреотоксикоз; потоотделение усиливается из-за ускорения обмена веществ и повышенного образования тепла.

Основной обмен — это минимальный уровень обмена веществ и энергии, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в состоянии покоя: работы сердца, дыхания, поддержания температуры тела, работы клеток и органов.

В системе кровообращения энергия основного обмена расходуется на сокращение сердца и поддержание непрерывного движения крови по сосудам.

По графику видно, что при увеличении дозы гормона щитовидной железы основной обмен возрастает. Значит, усиливается образование тепла в организме, поэтому должна усиливаться и теплоотдача: расширяются кожные сосуды, может усиливаться потоотделение, учащается дыхание.

Объективными показателями интенсивности обмена веществ у теплокровных животных могут быть:

• Потребление кислорода.
• Выделение углекислого газа.
• Количество выделяемого тепла.
• Частота дыхания и сердечных сокращений.

Вывод: гормоны щитовидной железы повышают основной обмен, усиливают теплопродукцию и вызывают увеличение теплоотдачи.

Артериальное давление у мышей, вероятно, повысилось.

Это связано с тем, что при поступлении большого количества солей увеличивается осмотическое давление крови и тканевой жидкости. Вода задерживается в организме и активнее поступает в кровь, объём циркулирующей крови возрастает. Увеличение объёма крови приводит к повышению артериального давления.

Интенсивность реабсорбции солей в почках, вероятно, снизилась.

Почки должны удалять избыток солей из организма, поэтому обратное всасывание солей в канальцах уменьшается, а их выведение с мочой увеличивается. Это необходимо для поддержания постоянства внутренней среды.

Увеличение массы тела на графике можно объяснить не только ростом тканей, но и задержкой воды в организмеиз-за повышенного поступления солей.

Вывод: при избытке соли артериальное давление повышается, а реабсорбция солей в почках снижается, чтобы вывести лишние соли и восстановить водно-солевой баланс.