КАМЕНСКИЙ А.А., СОКОЛОВА Н.А., ДУБЫНИН В.А.

Устный экзамен по биологии в 9-м классе

Данное издание представляет собой ответы на вопросы экзамена по биологии в 9-м классе средней школы. Эти вопросы предлагаются Министерством образования РФ и опубликованы в «Вестнике образования», официальном издании министерства.

Вопросы в билетах объединены таким образом, что правильный развернутый ответ на оба вопроса любого из билетов позволяет оценить знания биологии в целом, а не какого-то одного из ее разделов. Большое внимание уделено таким общим биологическим проблемам, как эволюционный процесс, размножение животных и растительных организмов, роли разных групп живых организмов в биоценозах, проблема приспособления к условиям обитания и т.д.

В школьных учебниках, безусловно, можно найти ответы на все предлагаемые в билетах вопросы. Одной из стоявших перед авторами задач было облегчение этих поисков, объединение знаний, представленных в разных учебниках. Ответы на вопросы содержат материал, несколько выходящий за рамки школьной учебной программы, что позволит использовать их в средних учебных заведениях с существенно отличающимися друг от друга программами преподавания биологии. Кроме того, это позволит использовать их в дальнейшем для подготовки к выпускным экзаменам в школе и к вступительному экзамену по биологии в вузы.

Билет № 1

1. Обмен веществ и превращение энергии. Значение обмена веществ в жизни человека

Обмен веществ заключается в поступлении в организм из внешней среды различных веществ, усвоении и изменении этих веществ и в выделении образовавшихся продуктов распада. При осуществлении всех этих процессов наблюдается множество химических, механических, термических и электрических явлений, непрерывно происходит превращение энергии: химическая энергия сложных органических соединений при их расщеплении освобождается и превращается в тепловую, механическую, электрическую энергию. В организме освобождается преимущественно тепловая и механическая энергия. Электрической энергии освобождается очень мало, но она имеет важнейшее значение для функционирования нервной и мышечной систем. За счет освобождающейся энергии поддерживается постоянная температура тела у теплокровных животных и совершается внешняя работа. Освобождение энергии необходимо также для поддержания структур клеток и для синтеза сложных органических соединений.

Обмен веществ и превращения энергии неотделимы друг от друга. Процессы обмена веществ и энергии в живом организме протекают согласно единому закону – закону сохранения материи и энергии. В живом организме материя и энергия не создаются и не исчезают, происходит лишь их изменение, поглощение и выделение.

Обмен веществ в организме состоит из процессов ассимиляции (образования сложных веществ из простых) и диссимиляции (распада веществ). В процессе ассимиляции (или пластического обмена) образуются сложные органические вещества, которые входят в состав различных структур организма. В процессе диссимиляции (или энергетического обмена) происходит распад сложных органических веществ, превращение их в более простые. При этом выделяется энергия, необходимая для нормальной жизнедеятельности организма.

Обмен веществ в организме – это единый процесс, связывающий превращения различных веществ: так, например, белки могут превращаться в жиры и углеводы, а жиры – в углеводы.

Белки поступают в организм человека с пищей, в пищеварительном канале под воздействием ферментов расщепляются до аминокислот, которые в тонком кишечнике всасываются в кровь. Затем в клетках из аминокислот синтезируются собственные белки, свойственные данному организму. Однако часть аминокислот подвергается распаду, при этом выделяется энергия (при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж, или 4,1 кКал, энергии).

Конечные продукты распада белков – это вода, углекислый газ, аммиак, мочевина и некоторые другие. Аммиак (в виде сульфата аммония) и мочевина выводятся из организма через мочевыделительную систему. Если функции почек нарушены, то эти азотсодержащие вещества будут накапливаться в крови и отравлять организм. Белки в организме не откладываются, «белковых депо» в организме нет. У взрослых людей синтез и распад белков уравновешены, а в детском возрасте преобладает синтез.

Функции белков в организме очень разнообразны: пластическая (в составе клеток примерно 50% белков), регуляторная (многие гормоны – белки), ферментативная (ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, они значительно увеличивают скорость биохимических реакций), энергетическая (белки представляют собой энергетический резерв в организме, который используется при нехватке углеводов и жиров), транспортная (гемоглобин транспортирует кислород), сократительная (актин и миозин в мышечной ткани). Суточная потребность человека в белках составляет примерно 100–118 г.

Основной источник энергии в организме – это углеводы. При распаде 1 г глюкозы выделяется столько же энергии, сколько при распаде 1 г белков (17,6 кДж, или 4,1 кКал), однако процессы окисления углеводов происходят гораздо легче и быстрее, чем окисление белков. Полисахариды, поступившие в пищеварительный тракт с пищей, расщепляются до мономеров (глюкозы). Глюкоза всасывается в кровь. В крови концентрация глюкозы поддерживается на постоянном уровне 0,08–0,12% благодаря гормонам поджелудочной железы – инсулину и глюкагону. Инсулин превращает избыток глюкозы в гликоген («животный крахмал»), который откладывается в печени и мышцах. Глюкагон, наоборот, переводит гликоген в глюкозу, если ее содержание в крови уменьшается. При недостатке инсулина развивается тяжелая болезнь – диабет. Конечные продукты распада углеводов – вода и углекислый газ. Суточная потребность человека в углеводах составляет примерно 500 г.

Значение жиров для организма заключается в том, что они являются одним из важнейших источников энергии (при распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж, или 9,3 кКал, энергии). Кроме того, жиры выполняют в организме защитную, амортизационную, пластическую функции, являются источником воды. Жиры откладываются про запас (в основном – в подкожной клетчатке). В пищеварительном тракте жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот. Всасываются жиры в лимфу. При диссимиляции окисляются до воды и углекислого газа. Суточная потребность человека в жирах составляет примерно 100 г.

Важную роль в организме играет и обмен воды и минеральных солей. Вода – это универсальный растворитель, все реакции в клетках идут в водной среде. За сутки человек теряет примерно 2,5 л воды (с мочой, потом, при дыхании), поэтому и суточная норма потребления воды равна 2,5–3 л. Минеральные соли необходимы для нормального функционирования всех систем организма. Они входят в состав всех тканей, участвуют в процессах пластического обмена, необходимы для синтеза гемоглобина, желудочного сока, для развития костно-мышечной и нервной систем и т.д. Наиболее велика потребность организма в фосфоре, кальции, натрии, хлоре, калии, однако в небольших количествах необходимы и многие другие элементы (медь, магний, железо, цинк, бром и т.д.).

Обмен веществ невозможен без участия витаминов. Это органические вещества, которые требуются организму в очень малых количествах (иногда – сотые доли миллиграмма в сутки). Витамины часто входят в состав ферментов как коферменты, способствуют действию гормонов, повышают сопротивляемость организма к неблагоприятным условиям среды. К наиболее важным витаминам относятся витамины С, А, Д, и группы В. При недостатке того или иного витамина развивается гиповитаминоз, при избытке – гипервитаминоз.

Пластический и энергетический обмены взаимосвязаны. В процессе обмена веществ непрерывно образуется энергия, которая так же непрерывно расходуется на совершение работы, обеспечение нервной деятельности, синтез веществ. Источник энергии для человека – это питательные вещества, поэтому важно, чтобы в пище были все необходимые для нормального обмена веществ органические и неорганические соединения. Образующиеся конечные продукты обмена выводятся из организма через легкие, кишечник, кожу и почки. Главная роль в выведении из организма продуктов распада принадлежит почкам, через которые удаляются мочевина, мочевая кислота, соли аммония, выводится избыток воды, солей.

Нормальный обмен веществ – основа здоровья. Нарушения обмена приводят к тяжелым заболеваниям (диабет, подагра, ожирение или, наоборот, потеря веса и т.д.).

2. Причины эволюции. Усложнение растений в процессе эволюции

Ландшафт каменноугольного периода

В 1859 г. Ч.Дарвин в своем гениальном труде «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» писал, что основной движущей силой эволюции является естественный отбор на основе наследственной изменчивости.

К факторам естественного отбора в природе относятся интенсивность размножения (чем она выше, тем больше шансов у вида сохраниться и расширить границы обитания) и борьба за существование. Борьба за существование может быть внутривидовой – это наиболее напряженная форма борьбы, которая, однако, редко характеризуется проявлениями жестокости, – и межвидовой, которая может быть жестокой. Еще одна форма борьбы за существование – это борьба с неблагоприятными условиями среды. Дарвин писал, что естественный отбор – это переживание наиболее приспособленных видов. Через естественный отбор достигается приспособление.

В процессе эволюции растений происходили следующие события. В архейской эре (примерно 3,5 млрд лет назад) появились синезеленые водоросли, которые относят к цианобактериям: это были одноклеточные и многоклеточные прокариотические организмы, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Появление синезеленых водорослей привело к обогащению атмосферы Земли кислородом, необходимым для всех аэробных организмов.

В протерозойской эре (примерно 2,6 млрд лет назад) господствовали зеленые и красные водоросли. Водоросли – это низшие растения, тело которых не расчленено на отделы и не имеет специализированных тканей (такое тело называют талломом). Водоросли продолжали господствовать и в палеозое (возраст палеозоя примерно 570 млн лет), однако в силурийском периоде палеозоя появляются древнейшие высшие растения – риниофиты (или псилофиты). Эти растения уже имели побеги, но у них еще не было листьев и корней. Размножались они спорами и вели наземный или полуводный образ жизни. В девонском периоде палеозоя появляются моховидные и папоротникообразные (плауны, хвощи, папоротники), а господствуют на Земле риниофиты и водоросли. В девоне же появляется и новое царство – высшие споровые растения* – это грибы, моховидные и папоротникообразные. У мхов появляются стебли и листья (выросты стебля), однако корней еще нет; функцию корней выполняют ризоиды – нитевидные выросты на стебле. В цикле развития мхов преобладает гаплоидное поколение (гаметофит) – это листостебельное растение мха. Диплоидное поколение (спорофит) у них не способно к самостоятельному существованию и питается за счет гаметофита. У папоротникообразных появляются корни; в цикле их развития преобладает спорофит (листостебельное растение), а гаметофит представлен заростком – это маленькая сердцевидная пластинка у папоротников или клубенек у плаунов и хвощей. В древности это были огромные древовидные растения. Размножение у высших споровых невозможно без воды, т.к. оплодотворение яйцеклетки у них происходит в капельках воды, в которых подвижные мужские гаметы – сперматозоиды – движутся к яйцеклеткам. Именно поэтому вода для высших споровых – ограничивающий фактор: если не будет капельной воды, размножение этих растений станет невозможным.

В карбоне (каменноугольном периоде) появляются семенные папоротники, от которых в дальнейшем, как полагают ученые, произошли голосеменные растения. Господствуют на планете гигантские древовидные папоротникообразные (именно они и образовали залежи каменного угля), а риниофиты в этом периоде полностью вымирают.

В пермском периоде палеозоя появляются древние голосеменные растения. Господствуют в этом периоде семенные и травянистые папоротники, а древовидные папоротникообразные вымирают. Голосеменные растения относятся к семенным растениям. Размножаются они семенами, которые не защищены стенками плода (цветков и плодов у голосеменных растений нет). Появление этих растений было связано с поднятием суши и колебаниями температуры и влажности. Размножение этих растений уже не зависит от воды.

В мезозое (возраст мезозоя примерно 240 млн лет) различают три периода – триасовый, юрский и меловой. В мезозое появляются современные голосеменные (в триасе) и первые покрытосеменные (в юрском периоде). Господствующие растения – голосеменные. Древние голосеменные растения и папоротники в эту эру вымирают.

Появление покрытосеменных растений было связано с целым рядом ароморфозов. У этих растений появляется цветок – видоизмененный укороченный побег, приспособленный для образования спор и гамет. В цветке осуществляется опыление, оплодотворение, формируются зародыш и плод. Семена покрытосеменных растений защищены околоплодником – это способствует их сохранению и распространению. При половом размножении у этих растений происходит двойное оплодотворение: один спермий оплодотворяет яйцеклетку, а второй спермий – центральную клетку зародышевого мешка, в результате чего образуются зародыш и триплоидный эндосперм – питательная ткань зародыша. Оплодотворение происходит в зародышевом мешке, который развивается в семяпочке, защищенной стенками завязи.

Среди покрытосеменных растений есть и травы, и кустарники, и деревья. Вегетативные органы (корень, стебель, лист) имеют множество видоизменений. Эволюция покрытосеменных растений шла очень быстро. Для них характерна высокая эволюционная пластичность. Большую роль в их эволюции и расселении сыграли насекомые-опылители. Покрытосеменные – единственная группа растений, образующая сложные многоярусные сообщества. Это способствует более интенсивному использованию среды и успешному завоеванию новых территорий.

В кайнозойской эре (ее возраст примерно 67 млн лет) на Земле господствуют современные покрытосеменные и голосеменные растения, а высшие споровые растения подвергаются биологическому регрессу.

Билет № 2

1. Газообмен в легких и тканях

Между организмом и окружающей средой постоянно происходит газообмен: кислород, необходимый для диссимиляции, поступает в организм, а образующийся в результате окисления органических веществ углекислый газ выводится из организма. Поступление кислорода и выведение углекислого газа обеспечивается органами дыхания. Воздухоносные пути – это носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, бронхи. Главный орган дыхания – легкие. Именно в альвеолах легких и совершается газообмен между атмосферным воздухом и кровью.

Альвеолы – это легочные пузырьки, стенки которых состоят из одного слоя эпителиальных клеток. Они густо оплетены капиллярами. Концентрация углекислого газа в крови выше, чем в воздухе, а концентрация кислорода – ниже, поэтому углекислый газ переходит из крови в альвеолы, а кислород – из альвеол в кровь. Процесс идет до тех пор, пока не наступит равновесие.

В крови кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов – образуется оксигемоглобин. Кровь становится артериальной. Клетки организма непрерывно потребляют кислород. Поэтому кислород из крови переходит в клетки ткани, а оксигемоглобин превращается снова в гемоглобин. В митохондриях с использованием кислорода происходит окисление органических веществ (основной источник энергии в организме – это углеводы), выделяется энергия, которая идет на синтез АТФ – универсального аккумулятора энергии в клетках.

Углекислый газ из клеток поступает в кровь. Таким образом в тканях органов артериальная кровь превращается в венозную. Часть углекислого газа реагирует с гемоглобином с образованием карбгемоглобина, однако большая часть углекислого газа (примерно 2/3) реагирует с водой плазмы. Эта реакция катализируется ферментом карбоангидразой. В зависимости от содержания углекислого газа в крови этот фермент может ускорять или замедлять реакцию. При соединении углекислого газа с водой образуется угольная кислота, которая диссоциирует с образованием катиона Н+ и аниона НСО3–. Этот анион с кровью поступает к легким, где и происходит выделение углекислого газа.

При реакции с угарным газом (СО) гемоглобин образует карбоксигемоглобин, а при взаимодействии с окислом азота или некоторыми лекарственными препаратами – метгемоглобин; эти формы гемоглобина не могут связывать кислород, поэтому может наступить смерть. Содержание гемоглобина в крови у мужчин составляет 130–160 г/л, а у женщин – 120–140 г/л. При снижении содержания гемоглобина наступает анемия – состояние, при котором ткани не получают достаточного количества кислорода.

В норме во вдыхаемом воздухе содержание кислорода, углекислого газа и азота составляет соответственно 20,94%, 0,03% и 79,03%. В выдыхаемом воздухе содержание кислорода уменьшается до 16,3%, а углекислого газа – увеличивается до 4%. Содержание азота изменяется меньше (увеличивается до 79,7%).

Прохождение воздуха через легкие обеспечивается за счет вдоха и выдоха. Вдох – это следствие сокращения наружных межреберных мышц, в результате чего ребра приподнимаются. При вдохе мышечные волокна диафрагмы сокращаются, купол диафрагмы становится более плоским и опускается. Объем грудной полости увеличивается за счет изменения ее размеров, особенно в вертикальном направлении. Легкие следуют за движениями грудной клетки. Объясняется это тем, что легкие отделены от стенок грудной полости плевральной полостью – щелевидным пространством между пристеночной плеврой (она выстилает внутреннюю поверхность грудной клетки) и висцеральной плеврой (она покрывает наружную поверхность легких). Плевральная полость заполнена плевральной жидкостью. При вдохе давление в плевральной полости уменьшается, объем легких увеличивается, давление в них понижается и воздух поступает в легкие. При выдохе дыхательные мышцы расслабляются, объем грудной полости уменьшается, давление в плевральной полости немного увеличивается, растянутая легочная ткань сжимается, давление повышается и воздух выходит из легких. Таким образом, изменение объема легких происходит пассивно, и причиной его являются изменения объема грудной полости и давления в плевральной щели и внутри легких.

Количество воздуха, которое поступает в легкие при спокойном вдохе и выдыхается при спокойном выдохе, называют дыхательным объемом (примерно 500 см3). Объем воздуха, который можно выдохнуть после самого глубокого вдоха, называют жизненной емкостью легких (примерно 3000–4500 см3). Жизненная емкость легких – важный показатель здоровья человека.

2. Одноклеточные растения и животные. Особенности среды обитания, строения и жизнедеятельности. Роль в природе и жизни человека

Одноклеточные организмы – это организмы, тело которых состоит из одной клетки. Они могут быть прокариотами (бактерии и синезеленые водоросли, или цианобактерии), т.е. не иметь оформленного ядра (функцию ядра у них выполняет нуклеоид – молекула ДНК, свернутая в кольцо), но могут быть и эукариотами, т.е. иметь оформленное ядро.

К одноклеточным эукариотическим организмам относятся многие зеленые и некоторые другие водоросли, а также все представители типа Простейшие. Общий план строения и набор органоидов у одноклеточных эукариотов сходны с клетками многоклеточных организмов, но функциональные отличия очень существенные.

Одноклеточные организмы сочетают в себе свойства и клетки, и самостоятельного организма. Многие одноклеточные образуют колонии. От одноклеточных в процессе эволюции произошли многоклеточные организмы.

Наиболее просто устроены одноклеточные синезеленые водоросли. В их клетках нет ядра и пластид, они похожи на бактериальные клетки. На этом основании их относят к цианобактериям. Пигменты (хлорофилл, каротин) растворены у них во внешнем слое цитоплазмы – хроматоплазме. Эти водоросли появились еще в архее и были первыми организмами на Земле, у которых в процессе фотосинтеза образовывался кислород. Синезеленые водоросли могут образовывать и многоклеточную форму – нити.

Среди зеленых водорослей к одноклеточным формам относятся хламидомонада, хлорелла, плеврококк. Одноклеточные водоросли могут образовывать колонии (например, вольвокс).

Диатомовые водоросли – это тоже микроскопические одноклеточные водоросли, которые могут образовывать колонии.

Живут одноклеточные водоросли чаще всего в воде (хламидомонада в пресных водоемах, а хлорелла – и в пресной, и в морской воде), но могут жить и в почве (например, хлорелла, диатомовые водоросли), могут обитать на коре деревьев (плеврококк). Некоторые водоросли живут даже на поверхности льда, снега (некоторые хламидомонады, например, хламидомонада снежная). В Антарктике диатомовые водоросли образуют плотный коричневый налет на нижней стороне льдов.

Одноклеточные простейшие образуют подцарство животных. У большинства в клетке одно ядро, но есть и многоядерные формы. Поверх мембраны у многих простейших есть оболочка или раковина. Передвигаются они с помощью органоидов движения – жгутиков, ресничек, могут образовывать псевдоподии (ложноножки).

Большинство простейших – гетеротрофы. Частицы пищи перевариваются в пищеварительных вакуолях. Осмотическое давление в клетке регулируется с помощью сократительных вакуолей: через них удаляется избыток воды. Такие вакуоли характерны для пресноводных простейших. Вместе с водой из тела простейших выводятся продукты обмена веществ. Однако основная функция выделения осуществляется через всю поверхность клетки.

У простейших есть и бесполое, и половое размножение.

Эти одноклеточные организмы реагируют на воздействия внешней среды: им присущи положительные и отрицательные таксисы (например, у инфузории-туфельки – отрицательный хемотаксис – она движется в сторону от кристаллика соли, помещенного в воду).

Многие простейшие способны к инцистированию. Инцистирование позволяет переживать неблагоприятные условия и способствует расселению простейших.

К простейшим относятся амеба обыкновенная, инфузория туфелька, эвглена зеленая и многие другие. В этом подцарстве животных насчитывают свыше 40 000 видов (по некоторым данным около 70 000 видов). Обитают простейшие в водоемах, почве. Известно также большое число видов паразитических простейших. Они вызывают болезни человека, животных, растений.

Значение одноклеточных водорослей в природе прямо связано с их образом жизни. Эти организмы синтезируют органику, выделяют в атмосферу кислород, поглощают углекислый газ, являются звеном в общей цепи питания, участвуют в почвообразовании, очистке водоемов, могут вступать в симбиоз с другими организмами (например, хлорелла – это фикобионт лишайников). Отмершие диатомовые одноклеточные водоросли образовали мощные отложения горной породы – диатомита, а на дне морей – диатомовые илы. Одноклеточные синезеленые и зеленые водоросли могут вызывать «цветение» воды.

Человек широко использует одноклеточные водоросли и продукты их жизнедеятельности. Так, способность одноклеточных зеленых водорослей поглощать органические вещества всей поверхностью клетки используется для очистки водоемов; способность хлореллы синтезировать большое количество белков, жирных масел и витаминов используется в промышленном производстве кормов; способность той же хлореллы выделять при фотосинтезе много кислорода используется для регенерации воздуха в замкнутых помещениях (например, в космических кораблях, подводных лодках). Некоторые синезеленые водоросли используют как удобрения, т.к. они способны фиксировать азот, а такие водоросли, как спирулина, применяют в качестве добавки к пище.

Значение простейших отчасти сходно со значением одноклеточных водорослей. Простейшие также участвуют в почвообразовании, служат для очистки водоемов, т.к. питаются бактериями и гниющими веществами. Многие простейшие – индикаторы чистоты воды. Раковинами простейших (морские саркодовые) образованы залежи известняков; они служат также индикаторами при разведке нефти и других полезных ископаемых. Простейшие, как и одноклеточные водоросли, – важное звено круговорота веществ.

Большой вред приносят паразитические простейшие: дизентерийная амеба, трипаносомы, малярийный плазмодий и др.

Простейшие и одноклеточные водоросли – важные объекты научных исследований. Их используют при цитологических, генетических, биофизических, физиологических и др. исследованиях.

Продолжение следует

* Здесь автор допустил несколько неточностей.
1. Высшие споровые растения – не царство, а сборная группа растений, не имеющая таксономического ранга (такая же, как например тетраподы (четвероногие), т.е. все позвоночные, имеющие четыре пятипалых конечности.
2. Грибы не относятся с царству растений, их выделяют в отдельное царство.
3. В конце девона появляются все ныне известные отделы растений, кроме покрытосеменных (т.е. Мохообразные, Плауновидные, Хвощеобразные, Папоротникообразные, Голосеменные). Прим. ред.