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

Продолжение. См. No 11, 12, 13, 14/2001

Устный экзамен по биологии в 9-м классе

Билет № 18

1. Работа мышц, их утомление. Значение двигательной активности для укрепления здоровья человека. Предупреждение плоскостопия и искривления позвоночника

Мышечная система человека образована поперечно-полосатыми и гладкими мышцами. Поперечно-полосатые мышцы называются также скелетными, так как они соединены через сухожилия с костями скелета (кроме мимических мышц). Поперечно-полосатые мышцы составляют в среднем 42% от массы тела человека. Эти мышцы сокращаются произвольно, развивая значительные, но относительно короткие усилия. Поперечно-полосатые мышцы образованы длинными (до 10 см) многоядерными волокнами, которые, однако, в несколько раз тоньше человеческого волоса. Под микроскопом видно, что эти волокна имеют поперечную исчерченность, возникающую за счет упорядоченного расположения в них волокон сократительных белков актина и миозина.

Сокращение происходит под влиянием импульсов, приходящих из центральной нервной системы. Импульсы от одного двигательного нейрона, чаще всего расположенного в передних рогах серого вещества спинного мозга, приводят к сокращению от единиц до тысяч мышечных волокон. При сокращении нити актина и миозина перемещаются друг относительно друга – мышца укорачивается и утолщается. Сокращение мышцы занимает около 0,01 с.

Скелетные мышцы очень часто являются сгибателями или разгибателями суставов. Например, локтевой сустав сгибается при сокращении двуглавой, а разгибается при сокращении трехглавой мышцы плеча. При одновременном сокращении этих двух мышц локтевой сустав фиксируется в каком-то одном положении.

На работу мышц тратится большое количество глюкозы, других питательных веществ, кислорода, АТФ. Эти вещества приносятся в мышцы кровью. Кровь же выносит из мышц продукты обмена: СО2, молочную кислоту и др.

Если мышца сокращается длительное время, в быстром ритме или при большой нагрузке, то развивается ее утомление. Утомление – временное понижение работоспособности мышцы, возникающее чаще всего при накоплении в ней вредных продуктов обмена и исчезающее после отдыха. Другая причина утомления – торможение двигательных центров мозга, возникающее при длительной работе.

Основные группы скелетных мышц и их функции

1. Мышцы конечностей – движение конечностей, удержание положения тела.

2. Мышцы шеи и спины – удержание и движение головы, обеспечение вертикального положения тела, изгибов спины.

3. Мышцы груди – движения рук, дыхание.

4. Мышцы живота – наклоны вперед и в стороны, защита органов брюшной полости.

5. Мышцы головы – жевание, мимика.

Помимо поперечно-полосатых мышц в организме человека имеются гладкие мышцы, входящие в состав внутренних органов: желудка, кишечника, артериальных сосудов и др. Гладкие мышцы сокращаются медленно и независимо от желания, хотя они также управляются нервной системой. Их волокна короткие, одноядерные. Гладкие мышцы могут оставаться в сокращенном состоянии очень долго.

Для того чтобы организм школьника правильно развивался и из него вырос здоровый, сильный человек, необходимо постоянно тренировать мышечную систему. Тренировки улучшают координацию движений, повышают работоспособность мышц, ускоряют восстановление работоспособности мышц при утомлении. Нагрузка на мышцы улучшает состояние человека, создает ощущение бодрости, положительно влияет на работу нервной и кровеносной систем.

Формирование скелета и мышечной системы человека происходит в детские и юношеские годы. Наиболее распространенными нарушениями, с которыми можно бороться самостоятельно, являются искривление позвоночника и плоскостопие.

Чтобы не возникло искривление позвоночника, сидеть за партой следует прямо, не склоняя голову на грудь. Между грудью и краем парты или стола должен быть промежуток в 3–5 см, предплечья должны свободно лежать на парте, ступни – опираться на пол или подножку парты. В младших классах школьникам лучше пользоваться ранцем, а не портфелем.

Чтобы предотвратить плоскостопие, т.е. понижение свода стопы, следует носить обувь с задником, с эластичной подошвой, на небольшом каблуке.

2. Строение и жизнедеятельность растительной и животной клетки

В строении и жизнедеятельности растительной и животной клетки гораздо больше общего, чем различий. И растительные, и животные клетки питаются, дышат, делятся и т.д. И растительные, и животные клетки имеют наружную клеточную мембрану, ядро, цитоплазму, эндоплазматическую сеть, митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи, клеточные включения. Однако между клетками растений и животных имеется целый ряд отличий, которые можно представить в виде таблицы.

Билет № 19

1. Регуляция функций в организме человека. Взаимосвязь нервной и гуморальной регуляции

Для того чтобы организм человека мог нормально существовать, необходима постоянная, быстрая и очень точная регуляция всех функций.

При отдыхе человека заторможена работа сердца, снижено давление крови, дыхание менее глубокое и частое, мышцы расслаблены, а вот процессы пищеварения во время отдыха не тормозятся. Если же человек, например, сдает экзамен, то сердечный ритм ускоряется, давление крови повышается, дыхание учащается, потребление глюкозы и кислорода мозгом возрастает и т.д.

Для постоянной регуляции физиологических процессов в организме существует два механизма: гуморальный и нервный.

Гуморальная регуляция происходит с помощью особых регуляторных веществ, поступающих из специальных эндокринных желез (а иногда и других тканей) в кровь. С кровью эти регулирующие вещества разносятся по всему организму и могут влиять на все его органы и системы. Гуморальная регуляция эволюционно является очень древней, однако ее недостатком является относительно медленное развитие эффектов: необходимо время для выброса регулирующих веществ в кровь, переноса с током крови к органам-мишеням и взаимодействия с этими органами.

В процессе эволюции возникла еще одна регуляторная система – нервная. Нервные влияния передаются с помощью электрических сигналов – нервных импульсов. Возникают эти импульсы в нервных клетках – нейронах, из которых по длинным отросткам – аксонам – достигают органа-мишени. Аксон каждого нейрона прорастает в строго определенную точку организма. Импульсы по аксонам распространяются с очень большой скоростью – до 120 м/с. Таким образом, нервная регуляция отличается высокой точностью и быстротой.

Гуморальный и нервный способы регуляции тесно связаны друг с другом, и все процессы в нашем организме обязательно управляются обоими способами. Таким образом, можно говорить о единой нервно-гуморальной регуляции в человеческом организме. Дело в том, что нервная система постоянно находится под воздействием химических веществ, приносимых кровью. В свою очередь выделение в кровь химических веществ контролируется нервной системой.

Один из отделов мозга – гипоталамус – содержит большие группы нейронов, которые способны выделять в кровь целый ряд химических веществ белковой природы, регулирующих деятельность практически всех эндокринных желез. Таким образом, этот отдел центральной нервной системы одновременно является и важнейшим органом гуморальной регуляции.

Взаимодействие двух регуляторных систем – гуморальной и нервной – позволяет обеспечить быстрое и надежное приспособление организма к постоянно меняющимся условиям внешней среды.

2. Деление клетки и его значение

Способность к делению является важнейшей особенностью клеток. Без деления клеток не может увеличиваться число одноклеточных существ, не может развиваться многоклеточный организм из оплодотворенной яйцеклетки, не могут возникать клетки взамен отмирающих в процессе жизнедеятельности.

Различают несколько видов деления клеток: амитоз, митоз, мейоз.

1. Амитоз, или прямое деление. В этом случае ядро делится без видимых предварительных изменений. Амитоз встречается довольно редко.

2. Митоз, или непрямое деление. Это сложный поэтапный процесс. Вся подготовка к делению происходит во время интерфазы: удваивается генетический материал (т.е. удваиваются хромосомы, которые состоят из двух одинаковых половинок – хроматид, соединенных вместе в особой области – центромере); увеличивается число органоидов клетки; синтезируются белки, необходимые для деления; запасается энергия для деления.

Общая схема митоза.
1– интерфаза; 2 – профаза; 3 – прометафаза; 4 – метафаза; 5 – анафаза; 6 – телофаза;
а – ядерная оболочка; б – хромосомы; в – центриоли; г – ядрышки

Во время первой фазы деления – профазы – хромосомы спирализуются, ядерная оболочка распадается, образуется веретено деления.

Во время метафазы хромосомы располагаются на экваторе клетки и к центромере каждой хромосомы прикрепляются нити веретена деления.

Во время анафазы хромосомы разделяются на дочерние хроматиды, которые переносятся нитями веретена к полюсам клетки.

И, наконец, во время телофазы происходит разматывание хромосом, восстанавливаются ядерные оболочки двух новых ядер, формируются ядрышки, веретено деления исчезает. Одновременно формируется перегородка или перетяжка между двумя клетками – и митоз заканчивается.

В результате митоза из одной клетки возникают две с таким же диплоидным набором хромосом, как и у материнской клетки.

3. Мейоз – способ деления, при помощи которого у животных образуются гаметы с уменьшенным в два раза, т.е. гаплоидным, набором хромосом; у растений мейоз идет при образовании микро- и мегаспор.

Мейоз представляет собой два последовательных деления: во время первого к полюсам клетки расходятся гомологичные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, а во время второго деления к полюсам клеток расходятся хроматиды. Таким образом, в результате мейоза получаются четыре клетки, каждая из которых содержит один (гаплоидный) набор хромосом.

Билет № 20

1. Рефлекс – основа нервной регуляции. Безусловные и условные рефлексы, их роль в жизни человека и животных

Рефлекс можно определить как реакцию организма на воздействие (стимул), осуществляемую под управлением нервной системы. Понятие «рефлекс» происходит от латинского reflexio – отражаю, т.е. рефлекс – это тот или иной ответ организма (его мышц, внутренних органов), отражающий действие на нервную систему некоторого сигнала.

Примером рефлекса может служить коленный рефлекс. Когда невропатолог ударяет молоточком по сухожилию четырехглавой мышцы бедра, мышца немного, но резко растягивается. В результате возбуждаются чувствительные окончания нервных клеток (рецепторы растяжения), находящиеся непосредственно в тканях мышцы. Тела чувствительных нейронов находятся в узлах, расположенных вдоль спинного мозга. По аксону чувствительного нейрона возбуждение (сигнал о том, что мышца растянута) достигает спинного мозга (точнее, его передних рогов; см. также вопрос 1 билета № 22), где расположены тела двигательных нейронов. Получивший сигнал двигательный нейрон также возбуждается. По его аксону нервные импульсы возвращаются к четырехглавой мышце бедра, которая и сокращается. В результате происходит быстрое разгибание коленного сустава.

На этом примере хорошо видно, что при осуществлении рефлекторной реакции возбуждение распространяется по так называемой рефлекторной дуге. Начинается дуга с чувствительной структуры – рецептора, воспринимающего раздражение. Рецептор может быть «настроен» на сигналы, приходящие из внешнего мира (свет, звуки, запахи) либо из внутренней среды организма (например, концентрация кислорода в крови).

Схема рефлекторной дуги

Следующий этап работы дуги – передача сигнала по нервам в центральную нервную систему. Здесь возбуждение распространяется или непосредственно на двигательный нейрон (как в случае коленного рефлекса), или на промежуточные (вставочные) нервные клетки, а уже через них – на двигательный нейрон. Наличие вставочных нейронов позволяет нашему мозгу анализировать пришедшие сигналы и запускать с их помощью наиболее «подходящие» в данный момент рефлексы, регулировать интенсивность реакций, соединять отдельные рефлексы в цепи и т.д.

Наконец, по аксону двигательного нейрона возбуждение достигает исполнительного органа, в результате чего деятельность этого органа изменяется. По типу исполнительного органа рефлексы подразделяют на двигательные, заканчивающиеся сокращением скелетных мышц, и вегетативные, в результате которых меняется работа внутренних органов (желез, сердца и др.).

Русские физиологи И.М. Сеченов и И.П. Павлов разделили все наблюдаемые в поведении животных и человека рефлексы на две группы. Первая группа – это врожденные ответные реакции, которые наследуются от родителей и сохраняются в течение всей жизни. Такие рефлексы видоспецифичны, т.е. характерны для всех представителей данного вида. Круг запускающих их стимулов генетически жестко определен (пища, боль, запах особи противоположного пола и т.п.). И.П. Павлов назвал такие рефлексы безусловными, а запускающие их стимулы – подкреплением.

Вторая группа рефлексов – это приобретенные ответные реакции, образующиеся в результате повторного сочетания любого индифферентного (исходно незначимого) раздражителя с подкреплением. Такие рефлексы индивидуальны; они вырабатываются при определенных условиях у каждой особи, могут в течение жизни исчезать или заменяться другими подобными рефлексами и не передаются потомству. И.П. Павлов назвал такие рефлексы условными.

Врожденные формы поведения (безусловные рефлексы) выработались в процессе эволюции и являются таким же результатом естественного отбора, как и морфологические, физиологические и другие признаки организма. Они генетически жестко заданы, поэтому в систематике один из критериев вида – поведенческий. Безусловные рефлексы очень разнообразны. Их можно классифицировать следующим образом.

1. Рефлексы, направленные на сохранение внутренней среды организма. Это пищевые, питьевые, а также гомеостатические рефлексы (поддержание постоянной температуры тела, оптимальных частот дыхания и сердцебиения и т.п.).

2. Рефлексы, возникающие при изменении условий внешней среды организма. Это ситуационные рефлексы (поведение в стае, постройка гнезд, исследовательские и подражательные рефлексы) и оборонительные реакции.

3. Рефлексы, связанные с сохранением вида, – половые и родительские.

Рассмотрим теперь, что происходит в нервной системе при выработке условного рефлекса, например, реакции слюноотделения у собаки при включение звука. Такая реакция формируется на основе безусловного рефлекса, развивающегося при контакте пищи с рецепторами языка. В этом случае возбуждение поступает в продолговатый мозг (где находятся центры вкуса и слюноотделения) и из него – к слюнным железам. Однако у каждого безусловного рефлекса есть так называемое корковое представительство. Это участок в коре больших полушарий, который при необходимости корректирует работу подкоркового центра. При предъявлении звука в височной коре возбуждается слуховой центр. Если одновременно со звуком собаке давать пищу, то после нескольких сочетаний образуется связь между этим центром и корковым представительством безусловного рефлекса.

Именно такая связь (И.П. Павлов назвал ее временной связью) лежит в основе условного рефлекса. В дальнейшем, даже если предъявить только звук, у собаки начнет выделяться слюна, поскольку возбуждение от слухового центра распространится сначала на корковое представительство безусловного рефлекса, а оттуда – на центры продолговатого мозга.

Формирование условных рефлексов – это основной принцип, по которому в мозге идет переработка, накопление и использование информации. Доказано, что условный рефлекс можно образовать на базе любого безусловного рефлекса. Запускающими рефлекс стимулами (условными стимулами) могут стать также любые сигналы, воспринимаемые органами чувств.

Чем сложнее нервная система, тем больший вклад в поведение организма вносят условные рефлексы. Высокоразвитые животные (млекопитающие) при рождении обладают лишь безусловными рефлексами, но по мере взросления и обучения приобретают множество условных рефлексов, приспосабливая свои реакции к конкретным условиям обитания. Максимального развития эта способность достигает у человека, который наряду с условными рефлексами на реальные сигналы (по И.П. Павлову – первая сигнальная система) способен к формированию огромного количества условных рефлексов на речевые стимулы (вторая сигнальная система). Постепенно усложняясь, система условных рефлексов охватывает все существенные для человека стороны его жизни и служит основой для возникновения и развития процесса мышления.

2. Ткани. Взаимосвязь их строения и функций

Тканью многоклеточного организма называется совокупность его клеток, объединенных сходством строения, функций и происхождением. Следуя этому определению, у растений выделяют пять основных типов тканей: образовательную, покровную, механическую, проводящую, основную; у животных – четыре типа: эпителиальную, соединительную, мышечную, нервную.

В ходе эволюции ткани возникают как результат специализации исходно однотипных клеток на выполнении той или иной задачи (защита от влияний окружающей среды, придание телу механической прочности, движение). Ткани являются структурными единицами, из которых «собираются» органы и системы органов целостного организма.

Объемное изображение строения участка древесины двудольного растения.
А – поперечный срез; Б – тангентальный срез; В – радиальный срез
1 – сердцевинные лучи; 2 – древесинная паренхима; 3 – сосуды;
4 – волокна; 5 – положение увеличенного участка в побеге

Образовательная ткань растений состоит из мелких, живых, постоянно делящихся клеток. При этом часть из них в дальнейшем претерпевает рост и может превращаться в клетку любого другого типа растительных тканей – т.е. образовывать их. Образовательная ткань находится в так называемых точках роста растения – на верхушках стеблей и корней. Из нее также состоит зародыш семян. У многолетних растений может формироваться особый тип образовательной ткани – камбий, за счет которого происходит утолщение и образование годичных колец.

Покровные ткани растений расположены на границе с внешней средой и выполняют защитную функцию. В связи с этим они состоят из плотно сомкнутых клеток и могут быть как однослойными (эпидерма), так и многослойными (пробка). Эпидерма содержит живые клетки и покрывает листья, молодые стебли. В эпидерме есть устьица, регулирующие процессы испарения воды и газообмена. Пробка состоит из нескольких слоев клеток, цитоплазма которых отмирает вследствие резкого утолщения клеточных стенок (опробковение). Пробка выполняет защитную функцию еще эффективнее эпидермы и в наиболее развитом виде встречается у многолетних растений.

Механические (опорные) ткани растений обеспечивают их прочность и, если нужно, жесткость. Они состоят из клеток-волокон, чаще омертвевших, имеющих толстую клеточную стенку. Эта стенка (а значит, и все волокно) может состоять преимущественно из целлюлозы и сохранять гибкость, а может при пропитке некоторыми веществами становиться более хрупкой, но гораздо более жесткой. Вторая ситуация наиболее характерна для древесины многолетних растений.

Проводящие ткани растений делятся на те, которые осуществляют транспорт воды и минеральных солей от корней к побегу, и те, которые проводят питательные вещества (раствор глюкозы) от листьев к остальным органам. У цветковых растений это соответственно сосуды (ксилема) и ситовидные трубки (флоэма). И те, и другие состоят из вытянутых цилиндрических клеток, «посаженных» торцами друг на друга. В сосудах поперечные перегородки между клетками исчезают, в ситовидных трубках в поперечных перегородках возникают многочисленные отверстия, собственно и вызывающие ассоциацию с ситом. Клетки ксилемы мертвые, и транспорт воды по ним осуществляется за счет физико-химических процессов. Клетки ситовидных трубок живые, хотя и лишены ядер. Их жизнеспособность обеспечивают находящиеся рядом клетки-спутницы, также входящие в состав флоэмы. Внутри стеблей и корней ксилема занимает более центральное, по отношению к флоэме, положение, а в жилках листьев – расположена выше нее.

Основные ткани растений содержат живые клетки, осуществляющие фотосинтез (прежде всего в листьях) либо запасающие питательные вещества (например, сердцевина стебля). Именно из клеток этого типа состоят тела (слоевища) низших растений – водорослей.

Эпителиальные (покровные) ткани животных, в отличие от растений, покрывают тело снаружи и выстилают находящиеся внутри него полости. Следовательно, их функция – не только защищать от внешних воздействий, но и разделять внутреннюю среду организма на ряд изолированных отсеков. Однослойные эпителии весьма разнообразны по строению и выстилают сосуды, протоки желез, стенки желудочно-кишечного тракта (в том числе всасывающие клетки с микроворсинками), стенки дыхательных путей (клетки имеют реснички). Многослойный эпителий образует наружный слой кожи – эпидермис. Нижние клетки эпидермиса постоянно делятся, верхние – выполняют собственно защитную функцию, в результате чего быстро отмирают и слущиваются. Эпителиальные клетки образуют также железы (поджелудочную, потовые и др.).

Соединительные ткани животных характеризуются наличием большого количества межклеточного вещества. Именно свойствами этого вещества определяется конкретная функция той или иной соединительной ткани. В случае наиболее «жидкого» межклеточного вещества мы имеем дело с кровью либо лимфой – тканями, выполняющими прежде всего транспортную и защитную функции.

Если межклеточное вещество содержит молекулы строительного белка коллагена, говорят о волокнистой соединительной ткани большей или меньшей плотности. Она образует подкожную жировую клетчатку, оболочки и сухожилия мышц, входит в состав стенок внутренних органов. Наличие очень большого количества белка в межклеточном веществе приводит к образованию хряща, а дополнительная его пропитка фосфатом кальция – к формированию костной ткани. В этих случаях соединительная ткань обеспечивает функционирование опорно-двигательной системы.

Мышечная ткань состоит из удлиненных клеток-волокон и выполняет присущие только животным тканям функции возбудимости и сократимости. При этом находящиеся в их цитоплазме специализированные белковые молекулы обеспечивают укорочение клеток под влиянием некоторых внешних воздействий (чаще всего – сигналов нервной системы). Выделяют гладкие (равномерно окрашенные) и поперечно-полосатые мышечные волокна. Первые образованы одноядерными клетками, входят в состав стенок внутренних органов (желудок, кишечник, мочевой пузырь, сосуды, протоки) и способны к длительным, но относительно слабым сокращениям. Вторые – многоядерные, образуют скелетные мышцы, а также сердце и способны к более кратковременным, но более мощным сокращениям. Для сердечной мышечной ткани характерно наличие между волокнами особых плотных контактов, благодаря чему возбуждение быстро передается от клетки к клетке. Это, в свою очередь, обеспечивает одновременность сокращения больших участков сердечной мышцы.

Нервная ткань образована нервными клетками (нейронами) и нейроглией. Нейроны обладают особыми свойствами – возбудимостью и проводимостью, что обеспечивает наиболее быструю передачу информации в нашем организме, а также ее переработку и хранение. Нейрон обычно состоит из тела и двух видов отростков: нескольких более коротких ветвящихся под острым углом дендритов и единственного более длинного аксона. Дендриты воспринимают информацию, в теле происходит ее обработка, аксон передает сигналы другим клеткам. Следовательно, внутри нейрона проведение информации идет в строго определенном направлении – от дендритов к телу и далее к аксону и по аксону. Информация проводится в виде коротких электрических импульсов.

Отдельные нейроны образуют в нервной ткани цепи и сети. Места контактов между нейронами, существующие в таких цепях, называют синапсами. В синапсе происходит передача сигнала с нейрона на нейрон (или мышечное волокно, клетку железы). Нейроглия – это вспомогательные клетки нервной ткани, обеспечивающие оптимальный режим для работы нейронов. Они регулируют состав межклеточной среды, передают питательные вещества от сосудов, обеспечивают механическую защиту и электрическую изоляцию отростков.

Схематическое изображение синапсов с химическими (А),
электрическими (Б) и смешанными (В) механизмами передачи.
сп – синаптические пузырьки; м – митохондрии;
1 – пресинаптическая мембрана; 2 – синаптическая щель;
3 – постсинаптическая мембрана

В целом можно сказать, что рассмотрение характеристик всех названных тканей является прекрасным примером того, как решение живыми организмами различных эволюционных задач вызывает изменения на структурно-анатомическом уровне и уровне реализации различных функций (последний составляет область интересов особой науки – физиологии).

Билет № 21

1. Строение и функции нервной системы человека

Нервная система воспринимает внешние и внутренние раздражители, анализирует и хранит полученную информацию и в соответствии с ней регулирует работу всех систем организма, обеспечивает координацию их деятельности.

Нервная система выполняет свои функции благодаря тому, что нервные клетки (нейроны) обладают особым свойством – возбудимостью. В ответ на раздражение нервные клетки способны генерировать короткие электрические сигналы – нервные импульсы: нервная клетка изменяет свой потенциал с отрицательного на положительный по отношению к внешней среде, а затем происходит возврат к уровню потенциала покоя. Это явление называется потенциалом действия и является универсальной формой реагирования нейронов на самые разные стимулы.

После генерации потенциала действия в каком-либо месте нейрона (обычно это его дендрит либо тело) нервный импульс начинает распространяться по всей его мембране и при определенных условиях в конце концов направляется по аксону к следующей нервной клетке (мышечному волокну и т.п.). Эта способность передавать сигнал по своим отросткам к другим клеткам называется проводимостью и является вторым главным свойством нейронов, обеспечивающим работу нервной системы. Скорость проведения является важнейшей характеристикой, определяющей скорость нашего мышления и реагирования на внешние события. Она достигает 100–130 м/с благодаря наличию вокруг аксонов специальных электроизолирующих оболочек, формируемых нейроглиальными клетками. Такие оболочки богаты жироподобным веществом миелином и потому называются миелиновыми.

Нервные импульсы в чувствительных нейронах возникают под влиянием различных внешних стимулов, а в остальных нейронах – под действием сигналов, поступающих через синапсы – места контакта между нейронами.

В синапсе аксон предыдущей нервной клетки подходит на очень близкое расстояние к дендриту (реже – телу) следующего нейрона и образует характерное утолщение – пресинаптическое окончание. При приходе в пресинаптическое окончание потенциала действия происходит выделение особого химического вещества – медиатора. Медиатор воздействует на мембрану следующего нейрона, вызывая его возбуждение и генерацию нового нервного импульса либо торможение и прекращение такой генерации. В связи с этим выделяют возбуждающие и тормозящие медиаторы (например, глутаминовая кислота и гамма-аминомасляная кислота соответственно). Связи нервных клеток с периферическими органами обеспечивают такие медиаторы, как ацетилхолин и норадреналин.

Итак, проведение нервных импульсов и выделение различных медиаторов могут вызывать в нервной системе развитие двух основных процессов – возбуждения и торможения. Возбуждение характеризуется проведением и обработкой информации, ее запоминанием, запуском ответных реакций организма – рефлексов. Торможение – это, напротив, блокирование проведения информации и запуска тех или иных рефлексов. Торможение лежит в основе привыкания нервной системы к повторно действующим незначимым сигналам. Оно же является необходимым компонентом внимания – когда из множества действующих на организм раздражителей мы сосредотачиваемся только на важных, значимых и не реагируем на остальные.

Яркий пример взаимоотношений процессов возбуждения и торможения в нервной системе – циклическая смена сна и бодрствования. Этот процесс обеспечивается специальными центрами бодрствования и сна. Первые связаны с различными органами чувств и будят нас при появлении сильных внешних сигналов (например, звонка будильника), а затем поддерживают тонус нервной системы в течение светлого периода суток. Вторые способны тормозить центры бодрствования и работу большинства нервных центров для обеспечения их отдыха. Впрочем, даже во время сна нервная система периодически переходит в более активное состояние. Это так называемый быстрый, или парадоксальный, сон, связанный с обработкой накопленной за день информации и сновидениями.

Анатомически нервная система делится на центральную и периферическую. У человека в состав центральной нервной системы входят спинной мозг и головной мозг. Тела нейронов находятся главным образом здесь, их скопления образуют серое вещество мозга. Скопления отростков нервных клеток, покрытых миелиновыми оболочками, называют белым веществом мозга. Периферическая нервная система – это нервы и нервные узлы (скопления серого вещества вне центральной нервной системы). Нервная система образована тремя разными по функциям типами нейронов: чувствительными клетками, передающими в мозг нервные импульсы от органов зрения, слуха и др., а также от внутренних органов; исполнительными клетками, проводящими потенциалы действия к мышцам и железам; вставочными (промежуточными) клетками. Последних в мозге человека больше всего, и именно они обеспечивают способность нервной системы к тонкому реагированию на изменение внешних условий, обучение и формирование временных связей как первой, так и второй сигнальной систем.

2. Сельскохозяйственные растения. Их происхождение и выращивание

Сельскохозяйственные (культурные) растения произошли от дикорастущих видов. Первобытный человек, находя растения со съедобными плодами, семенами, корнями, позднее стал выращивать их вблизи своего жилища. При этом он заметил, что уход за растениями (рыхление почвы, полив, уничтожение сорняков и вредителей) увеличивает и улучшает урожай. Кроме того, постоянно отбирались особи с наиболее ценными свойствами, поскольку именно они являлись самым качественным посевным материалом. В результате происходила стихийная селекция культурных растений и появились различные их сорта.

Сортом называется однородная группа (популяция) растений с определенными признаками и свойствами, искусственно созданная человеком. Признаки сорта передаются по наследству, хотя в полной мере проявляются лишь при определенных климатических условиях и соответствующем уходе (агротехнике). Характерно, что в полеводстве и овощеводстве подавляющее большинство растений размножается семенами, и чисто генетических факторов достаточно для сохранения свойств сорта. В плодоводстве обычно используется вегетативное размножение (черенки, прививки и т.п.).

В настоящее время селекция представляет собой одну из прикладных областей биологии и использует для создания и улучшения сортов растений не только традиционные способы скрещивания и отбора, но и различные генетические и молекулярно-биологические методы. Они позволяют создавать полиплоидные сорта, проводить отдаленную (межвидовую) гибридизацию, а также проводить направленные изменения ДНК растений, придавая им устойчивость к различным заболеваниям и т.п.

Чем разнообразнее исходный материал, используемый для селекции, тем больше возможностей он дает для успешного создания новых сортов и тем эффективнее селекция. Источником такого разнообразия служат прежде всего исходные (дикие) популяции растений – предков современных пшеницы, картофеля и т.п. При этом тот район, где обнаружено наибольшее генетическое разнообразие предков какого-либо вида культурного растения, является, очевидно, и местом его происхождения и одомашнивания. Систематическое исследование таких районов проведено Н.И. Вавиловым, который установил следующие 8 центров древнего земледелия.

1. Индийский (Южноазиатский) центр включает в себя полуостров Индостан, Южный Китай, Юго-Восточную Азию. Этот центр – родина риса, цитрусовых, огурцов, сахарного тростника и многих других видов культурных растений.

2. Китайский (Восточноазиатский) центр включает в себя Центральный и Восточный Китай, Корею, Японию. В этом центре были окультурены человеком просо, соя, гречиха, редька, вишня, слива.

3. Среднеазиатский центр включает в себя страны Средней Азии, Иран, Афганистан, Северо-Западную Индию. Это родина мягких сортов пшеницы, гороха, бобов, льна, чеснока, моркови, груши, абрикоса.

4. Переднеазиатский центр включает в себя Турцию и страны Закавказья. В этом районе были окультурены рожь, ячмень, роза, инжир.

5. Средиземноморский центр включает в себя европейские, африканские и азиатские страны, расположенные по берегам Средиземного моря. В этом центре родина капусты, маслин, петрушки, сахарной свеклы.

6. Абиссинский центр расположен в относительно небольшом районе современной Эфиопии и на южном побережье Аравийского полуострова. Этот центр – родина твердых пшениц, сорго, бананов; из всех центров древнего земледелия он является самым древним.

7. Центральноамериканский центр включает в себя Мексику, острова Карибского моря и часть стран Центральной Америки. В этих местах – родина кукурузы, тыквы, хлопчатника, табака, красного перца.

8. Южноамериканский центр включает в себя западное побережье Южной Америки. Это родина картофеля, ананаса, томатов, фасоли.

Н.И. Вавилов сделал вывод, что, во-первых, в различных районах независимо одомашнивались близкие, но разные виды растений. Например, бобовые начали разводить и в Средней Азии (горох, бобы) и в Южной Америке (фасоль). Во-вторых, древние земледельцы выбирали для разведения всего 1–2 из многих диких видов. Если взглянуть на карту, то видно, что центры происхождения культурных растений совпадают с местами расположения великих цивилизаций древности (Египет, Китай, государства майя, ацтеков и др.).

Анализ огромного количества культурных растений и их дикорастущих предков позволил Н.И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов наследственной изменчивости, имеющий большое значение как для генетики, так и для практической селекции: «Генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости, и зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение сходных форм у родственных видов и родов».

Так, Н.И. Вавилов исследовал изменчивость признаков у растений из семейства злаковых. Из 38 различных признаков, которые характерны для различных видов этого семейства (окраска колосковых чешуй и зерна, остистость и безостость, форма зерна, строение листьев, окраска всходов, озимость и яровость, холодостойкость и т.д.), у ржи и пшеницы Н.И. Вавилов обнаружил по 37 признаков, у овса и ячменя – по 35, у кукурузы и риса – по 32.

Закон гомологических рядов позволяет предсказать существование диких растений с признаками, ценными для селекционной работы. Например, долгое время были известны лишь многосеменные сорта сахарной свеклы, у которых 3–5 семян соединены в клубочек. При его прорастании лишние побеги приходилось удалять вручную. Однако оказалось, что у дикорастущих видов свеклы имеются растения с односеменными плодами. Тогда начался поиск плодов с одним семенем и у культурной свеклы. В результате обследования огромного числа растений удалось найти такие особи, и на их основе были получены нынешние сорта сахарной свеклы с одним семенем.

Процесс выращивания культурных растений включает целый ряд стадий, правильное выполнение которых позволяет получить максимально высокий урожай. Выбранные для посадки семена должны правильно храниться в сухом и обычно прохладном месте. Перед посадкой их рекомендуется подвергать химической обработке, убивающей споры болезнетворных организмов. Ранней весной высеивают семена холодостойких растений (пшеница, овес, горох), прорастающие при низкой температуре и обилии влаги. Когда почва достаточно прогреется, высеивают семена теплолюбивых растений (кукуруза, фасоль, огурцы, томаты). Глубина посева семян зависит от их размера и свойств почвы.

В ходе развития проростков очень важны своевременный полив, рыхление почвы для доступа к корням кислорода, внесение минеральных удобрений. Периодически проводится обработка растений химикатами, убивающими вредителей. Пикировка корней, окучивание и подвязывание растений, удаление лишних побегов и завязей – все это направлено на формирование развитой корневой системы и создание оптимальных условий для созревания плодов. В садоводстве особое значение имеют правильная обрезка и формирование кроны дерева.

Среди культурных растений важнейшее значение для жизни человека имеют различные виды и сорта злаков. Эндосперм их семян содержит значительное количество как углеводов, так и белков, что делает муку и крупы важнейшими пищевыми продуктами. Еще богаче белками бобовые растения. Кроме того, их выращивание обогащает почву азотом. Источником наиболее полезных для нашего организма жиров служат масличные культуры. Овощи и фрукты поставляют пищевые углеводы, необходимую для нормальной работы кишечника клетчатку, множество минеральных веществ и витаминов.

Таким образом, растительные продукты составляют основу нашего питания (и питания домашних животных), в связи с чем задача селекции и выращивания культурных растений сохраняет и будет сохранять для человечества огромную важность.

Билет № 22

1. Центральная нервная система. Строение и функции спинного мозга и отделов головного мозга

Центральная нервная система включает в себя спинной и головной мозг, развивающиеся у всех позвоночных из нервной трубки. Средняя масса спинного мозга составляет около 300 г, головного – около 1,5 кг. Спинной мозг расположен в позвоночном канале и делится в продольном направлении на 31 однотипно организованный сегмент. На поперечном срезе видно, что в центре спинного мозга расположены тела нейронов, образующие серое вещество. Вокруг серого вещества расположены отростки нервных клеток самого спинного мозга, а также приходящие в спинной мозг аксоны нейронов головного мозга и периферических нервных узлов, которые образуют белое вещество.

Головной мозг (продольный разрез):

1 – центральная борозда; 2 – мозговой свод; 3 – большой мозг; 4 – мозолистое тело; 5 – таламус; 6 – лобная доля; 7 – гипоталамус; 8 – перекрест зрительных нервов; 9 – гипофиз; 10 – средний мозг; 11 – варолиев мост; 12 – продолговатый мозг; 13 – спинной мозг; 14 – четвертый желудочек мозга; 15 – мозжечок; 16 – водопровод мозга; 17 – затылочная доля; 18 – шишковидное тело; 19 – теменно-затылочная борозда; 20 – теменная доля

На поперечном срезе серое вещество похоже на бабочку, и в нем различают передние, задние и боковые рога. В передних рогах расположены двигательные нейроны, по аксонам которых возбуждение достигает мышц конечностей и туловища. В задних рогах расположены тела вставочных нейронов, связывающих отростки чувствительных клеток с телами двигательных нейронов, а также воспринимающие сигналы из головного мозга. В боковых рогах расположены тела нейронов вегетативной нервной системы. От каждого из сегментов спинного мозга отходит пара спинномозговых нервов (всего 31 пара), и каждый сегмент спинного мозга отвечает за определенный участок тела человека.

Спинной мозг выполняет две основные функции: проводящую и рефлекторную. Первая из них заключается в том, что по волокнам белого вещества в головной мозг «поднимается» информация от кожных и мышечных рецепторов; в свою очередь, от центров головного мозга в спинной мозг поступают двигательные команды. Рефлекторная функция спинного мозга обеспечивается тем, что его нейроны управляют движениями скелетных мышц. Кроме того, находящиеся здесь вегетативные центры регулируют деятельность сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной и других систем, запуская различные вегетативные рефлексы. Примером простейшего рефлекса спинного мозга является описанный в билете № 20,1 коленный рефлекс.

Головной мозг делится на пять отделов: продолговатый мозг, задний мозг (к нему относят мост и мозжечок), средний мозг, промежуточный мозг и большие полушария мозга. Продолговатый мозг служит естественным продолжением спинного мозга и является древнейшим утолщением переднего конца нервной трубки. В связи с этим в нем лежат центры многих важнейших для жизни рефлексов. Так, в продолговатом мозге находятся дыхательный и сосудодвигательный центры. Последний, постоянно генерируя нервные импульсы, поддерживает оптимальный просвет артериальных сосудов (тонус их стенок). Область продолговатого мозга – место входа и выхода большинства черепно-мозговых нервов, выполняющих различные чувствительные, двигательные и вегетативные функции. В центральной части продолговатого мозга начинается ретикулярная формация – зона, содержащая главные центры сна и бодрствования.

Мост – это анатомическое и функциональное продолжение продолговатого мозга. С ним также связаны некоторые черепно-мозговые нервы. Мост играет важную роль в переключении двигательных сигналов, идущих из коры больших полушарий в мозжечок, который расположен позади продолговатого мозга и моста, под затылочными долями больших полушарий. Состоит мозжечок из червя (центральной части) и полушарий и покрыт снаружи серым веществом, имеющим слоистое строение, – корой. В мозжечок поступает информация от вестибулярной системы, системы мышечной чувствительности и различных двигательных центров (в том числе от больших полушарий). Используя ее, мозжечок регулирует как относительно простые двигательные функции (поддержание мышечного тонуса и равновесия; движения, связанные с перемещениями в пространстве, – ходьба, бег и т.п.), так и двигательное обучение, когда движение из произвольного, управляемого большими полушариями, при многократных повторах переходит в разряд «автоматических», выполняемых без участия или почти без участия сознания.

Верхняя часть среднего мозга состоит из четырех небольших бугорков – четверохолмия. Это зрительные и слуховые центры, реагирующие на появление новых сигналов и управляющие движениями глаз и головы так, чтобы наилучшим образом рассмотреть (расслышать) привлекший внимание объект (т.н. ориентировочный рефлекс). Под четверохолмием расположена область, являющаяся главным центром сна нашего мозга. Еще ниже расположены скопления нейронов, выполняющих двигательные функции (сгибание конечностей, регуляция уровня двигательной активности).

Продолжение следует