Сводный текст подготовлен к публикации
А.В.ЖЕРДЕВЫМ

VI Соросовская олимпиада школьников

Заочный тур

В 1999/2000 у. г. Международная Соросовская Программа образования в области точных наук проводит VI Олимпиаду школьников по математике, физике, биологии и химии.
Олимпиада по традиции началась заочным туром, который продолжался два месяца. Условия задач были опубликованы в специальном выпуске газеты. Номера газеты были разосланы в тысячи школ России и других стран, в органы управления образованием, учителям.
Около 14 000 школьников из 2450 школ 900 городов 81 региона России и многих других стран стали участниками заочного тура. После проверки тетрадей с решениями задач дирекция Соросовской олимпиады разослала во все школы, в которых учатся участники заочного тура, сведения о баллах, полученных школьниками за каждую из предложенных задач, а также таблицу распределения числа участников заочного тура по баллам. С помощью этой рейтинговой таблицы школьник может сравнить свой результат с результатами других участников. Результаты всех участников заочного тура размещены на web-странице олимпиады ( www.issep.rssi.ru ).
Ниже публикуются условия и решения задач заочного тура, а также список школьников, показавших лучшие результаты в заочном туре.

Директор подпрограммы «Соросовские олимпиады школьников»
Б.И. МИРОПОЛЬСКИЙ

ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ

В наших кратких ответах невозможно отразить все идеи, предложенные участниками олимпиады. Поэтому не следует воспринимать данную публикацию как истину в последней инстанции – если о чем-то в ответе не написано, это не значит, что высказанная школьником идея была неверной. Все нетривиальные предложения и гипотезы при проверке олимпиадных работ анализируются и оцениваются в индивидуальном порядке.

IX класс

Задача 1. Известный эколог Л.Г. Раменский разделил живые организмы на три группы по стратегиям выживания в природных сообществах (экосистемах): виоленты (образно названные им «львами»), патиенты («верблюды») и эксплеренты («шакалы»).
«Львы» – сильные конкуренты, захватывающие весь широкий диапазон условий, в которых могут жить. «Верблюды» обитают лишь в условиях с бедными ресурсами и переносят тяготы жизни благодаря наличию специальных приспособлений. «Шакалы», как и «львы», предпочитают изобилие ресурсов, но в отличие от «львов» являются слабыми конкурентами; всплески численности «шакалов» происходят в периоды временного отсутствия «львов».
А. К каким из описанных выше групп относятся следующие растения:
1) дуб, 2) ива, 3) ковыль, 4) копытень, 5) лиственница, 6) малина, 7) орляк, 8) пырей, 9) рис, 10) саксаул?
Б. Объясните, почему разделение на «львов», «верблюдов» и «шакалов» является условным. В каких случаях живые организмы занимают промежуточное положение между этими группами или могут быть отнесены сразу к нескольким из них? Приведенные вами соображения подтвердите примерами.

А. Из перечисленных растений могут быть отнесены:

• к виолентам – дуб, ковыль, лиственница, орляк и пырей;

• к патиентам – ива, ковыль, лиственница, орляк, пырей, рис и саксаул;

• к эксплерентам – дуб, ива, копытень, лиственница, малина, орляк и пырей.

Причины, по которым некоторые из организмов оказались одновременно в нескольких группах, приводятся ниже.

Б. Большинство растений совмещают черты двух экологических стратегий по классификации Раменского и к тому же неодинаково ведут себя в разных местообитаниях. Но в растительных сообществах есть и виды, приближающиеся к идеальным вариантам виолентов, патиентов и эксплерентов. Их соотношение отражает условия среды и внутреннюю структуру сообщества.
Так, дуб в мезофильных условиях может быть и виолентом, и эксплерентом. В дубраве он является видом-эдификатором, определяющим условия среды, а значит – виолентом. Однако подрост светолюбивого дуба и в дубраве, и в лесах других типов сильно угнетен под сомкнутым пологом верхних ярусов. Лишь при выпадении крупных деревьев и образовании крупных осветленных окон подрост дуба трогается в рост (типичная стратегия «шакала»).
Лиственница образует лиственничные леса на большой территории Сибири и определяет в них типы растительности (виолент). Но она произрастает главным образом на участках, по которым прошли пожары, то есть имеющих бедные почвенные ресурсы (патиент). И наконец, лиственница как эксплерент увеличивает свою численность при временном отсутствии других пород деревьев, не выдерживающих пожары. При частых пожарах лиственничные леса существуют на определенной территории длительное время, как и сосновые леса на Европейском Севере. При долгом отсутствии пожаров лиственницу вытесняют более конкурентоспособные ель и пихта.
Под названием «ива» объединены виды, условия произрастания которых существенно различаются. Например, ива черничная – патиент, поскольку средой ее обитания являются сфагновые болота с кислой реакцией почвы. А иву козью, предпочитающую мезофильные условия лесов, можно отнести к эксплерентам, так как обычно она заглушена виолентами, а численность увеличивает на опушках и вырубках.
Пырей способен расти в местах с неустойчивым, резко меняющимся от года к году увлажнением (низменные поймы, западинки с малым водосбором) и успешно переносит резкие колебания внешней среды, т.е. является патиентом. Но тот же пырей как эксплерент в мезофильных условиях при отсутствии сильной конкуренции может бурно разрастаться (что наблюдается, например, на заброшенных пашнях).
Орляк может быть отнесен к виолентам, поскольку он захватывает территорию, затеняет ее и определяет условия жизни других организмов. Но сам орляк сильного затенения не переносит. Он обитает в сосновых лесах на бедных ресурсами песках и в березовых лесах, разрастаясь на вырубках и гарях. Поэтому логично включение орляка также в группы патиентов и эксплерентов.
Ковыль в степях захватывает большие территории и доминирует в них – это характерные признаки виолента. Однако как среда обитания степь характеризуется суровыми условиями с резкими суточными и сезонными перепадами температуры. А значит, всех ее обитателей можно считать патиентами.

Задача 2. А. Какие из перечисленных ниже птиц выращиваются человеком с целью получения яиц:
1) гагара, 2) голубь, 3) гусь, 4) журавль, 5) индейка, 6) курица, 7) перепел, 8) страус, 9) утка, 10) цесарка?
Б. Какими особенностями должна обладать птица, чтобы ее можно было использовать для выведения яйценосной породы? Для каждой из упомянутых вами особенностей приведите по 1–2 примера птиц, не упомянутых в пункте А, обладающих и не обладающих этой особенностью.

А. Исключая из рассмотрения эксперименты любителей- одиночек, к птицам, разводимым с целью получения яиц, следует отнести гусей, кур, перепелов и уток.

Б. Рассматривая особенности физиологии и образа жизни потенциально яйценосных птиц, следует прежде всего обратить внимание на соблюдение следующих условий: вид должен быть полигамным и, по-видимому, полигинным (см. задачу 2 для X кл.); развитие птенцов должно идти по выводковому типу; количество яиц в кладке должно быть большим, и не должно быть четких ограничений на максимальное число насиживаемых яиц; яйца должны быть приемлемыми с гастрономической точки зрения (калорийность, хорошая усвояемость); предпочтительны большие размеры яиц (хотя пример перепелов свидетельствует о том, что данное требование не является обязательным); отсутствие специальных требований к месту гнездования; работа с видами-дуплогнездниками потребует дополнительных ухищрений, а откладывание яиц в просто устроенное наземное гнездо (или вообще на голую землю) с практической точки зрения оптимально; простота содержания вида в неволе – устойчивость к заболеваниям, неприхотливость в пище, способность обитать на минимальной территории и пр.

Задача 3. В трагедии В.Шекспира «Гамлет» Офелия, собрав букет цветов, раздает их придворным и членам королевской семьи как средства от разных болезней.
А. Сможет ли использовать в лечебных целях свой подарок придворный, получивший от Офелии:
1) алтей, 2) валериану, 3) крапиву, 4) лопух, 5) мать-и-мачеху, 6) мяту, 7) ноготки, 8) одуванчик, 9) полынь, 10) пырей, 11) шалфей, 12) щавель конский?
Б. Обоснуйте ответы, данные вами в пункте а.
Конечно, Офелию вряд ли можно считать идеальным фитотерапевтом. Чтобы лекарственные растения обладали максимальной эффективностью, при их сборе следует учитывать много разных условий. Какие советы вы могли бы дать сборщику лекарственных растений? Объясните, в чем состоит их целесообразность.

А. Придворные, получившие цветы алтея, валерианы, одуванчика, лопуха и пырея, скорее всего, не смогут использовать их в лечебных целях.
У алтея и валерианы сырьем для медицинских препаратов служат исключительно корни и корневища (алтей – отхаркивающее при заболеваниях дыхательных путей, валериана снижает нервное возбуждение), у одуванчика – корень и листья (применяют как горечь и желчегонное), у лопуха – молодые корни и побеги (используют в косметике), а пырей, как правило, в медицинских целях вообще не применяется.
Больше повезло придворным, получившим цветы крапивы, шалфея и щавеля. Если на стеблях крапивы остались листья – главное лекарственное сырье этого растения, то настой из них можно применить в качестве кровоостанавливающего средства (в том числе при внутренних кровотечениях). Крапива входит в состав витаминных чаев и сборов, так как содержит витамины К, В₂ , С, каротин и др. Сок из свежих листьев крапивы употребляют при появлении камней в печени и почках, при болезнях легких и параличах.
Хотя у шалфея в медицинских целях используют листья, цветки этого растения также содержат эфирные масла и другие активные вещества. Поэтому их можно применять в настое для полоскания как вяжущее, дезинфицирующее и противовоспалительное средство.
У щавеля основными целебными свойствами обладают корни и плоды, цветки же пригодны для приготовления отвара при дизентерии и болезнях кишечника, а также как кровоостанавливающее и вяжущее средство.
Придворные, получившие цветки мать-и-мачехи, мяты, ноготков и полыни, могут радоваться: они смогут заняться лечением многих болезней.
Цветки мать-и-мачехи имеют лекарственное значение наряду с листьями этого растения. Мать-и-мачеха входит в состав грудных и потогонных чаев, применяемых как отхаркивающие и мягчительные препараты при бронхите, ларингите и других заболеваниях.
В качестве лекарственного сырья у мяты используются надземная часть растения, в том числе цветки и листья. Настойка из мяты – средство борьбы с тошнотой, а также болеутоляющее (при невралгических болях) и желчегонное.
Цветки ноготков (календулы) содержат многие ценные для человека биологически активные вещества. Препараты календулы применяют при язвах, заболеваниях печени и желчных путей, гастритах, а также при нарушениях сердечного ритма и некоторых видах гипертонии. Широко используют ноготки в качестве противовоспалительного и бактерицидного средства при ангине, заболеваниях слизистой оболочки рта и пр.
В качестве лекарственного сырья использует листья и цветущие облиственные верхушки многих видов полыни:
препараты полыни горькой усиливают перистальтику и возбуждают аппетит; полынь таврическая оказывает возбуждающее действие на центральную нервную систему (ЦНС), увеличивает диурез, а также эффективна при лечении болезней сердечно-сосудистой системы; полынь цитварная применяется как противоглистное средство и др.

Б. Полезные свойства лекарственных растений зависят от содержания в них так называемых действующих веществ, то есть органических соединений, способных оказывать физиологическое воздействие лечебного характера на организм человека или животного.
Максимальное накопление действующих веществ в надземных зеленых частях растения наблюдается обычно в период цветения и начала плодоношения, плоды содержат наибольшее количество этих веществ после созревания, корни и корневища – после увядания надземной части растения, кора – во время весеннего сокодвижения. В зависимости от указанных периодов устанавливается и время сбора каждого вида сырья.
Надземные части растений собирают, как правило, в сухую погоду, когда они обсохнут от росы. Несоблюдение этого правила приводит к быстрой порче сырья.
Подземные части растений можно собирать в любую погоду.

• Почки собирают ранней весной, когда они тронулись в рост, набухли, но еще не лопнули. Нельзя сдергивать почки резким движением, так как при этом они повреждаются (мнутся). Отрывать почки следует, слегка нажимая на них сверху вниз.

• Кору собирают только с молодых (обычно двулетних) ветвей в период усиленного сокодвижения, то есть в момент набухания почек. В это время кора не только богата действующими веществами, но и легко сдирается благодаря насыщенному водой слою, отделяющему ее от древесины.

• Сбор листьев можно осуществлять в течение всего периода цветения растений. Делать это раньше не следует, так как листья для растения – важный орган питания. Собирать рекомендуется только вполне развитые средние и нижние зеленые листья (не более одной трети их общего количества). Не надо обрывать поблекшие, пораженные ржавчиной или изъеденные насекомыми листья.

• Цветки собирают в начале цветения – в это время они имеют наибольший запас действующих веществ, меньше осыпаются и лучше сохраняют окраску при сушке. При заготовке цветков надо следить, чтобы они не были поражены ржавчиной или мучнистой росой, изъедены насекомыми, сильно загрязнены или запылены.

• Траву (надземные части растения) собирают в большинстве случаев в период цветения.

• Сезон сбора корней, корневищ и клубней – осень. Ведь после формирования плодов надземная часть растения увядает или подсыхает. Реже это делают весной, до того как подземные части тронутся в рост.

• Плоды и семена собирают выборочно, по мере созревания. У некоторых растений созревшие плоды очень быстро осыпаются, поэтому их следует собирать до полного созревания (когда они только начинают буреть), по утрам и вечерам. Сочные плоды (например, ягоды) собирают только зрелыми, в пасмурную сухую погоду – в течение всего дня, а в жаркие дни – по утрам после высыхания росы и по вечерам до ее появления. Ягоды, собранные в сильную жару, быстро портятся. Собирать ягоды надо осторожно, не надавливая на них пальцами. Даже от легкого, малозаметного нажима на ягоде образуются темные пятна и быстро начинается загнивание. Нельзя собирать влажные ягоды, а также мыть их – от этого они быстро портятся.

Задача 4. Весьма популярными мелиоративными мероприятиями являются осушение чрезмерно увлажненных почв и орошение тех участков, где наблюдается недостаток воды. Однако эти, казалось бы, полезные действия могут вызывать неблагоприятные последствия. Какие?

Мелиоратор должен учитывать, откуда пришла и куда уходит используемая им вода. В республиках Средней Азии воду для орошения брали из крупных рек – СырДарьи и АмуДарьи. Испаряясь с полей, вода не доходила до естественного резервуара – Аральского моря. Сегодня морем его назвать трудно: от бывших рыбачьих поселков береговая линия отступила на 50 км и более. Арал признан зоной экологической катастрофы.
Возможны неблагоприятные последствия орошения и для самих полей. Со временем в почве накапливаются большие количества солей, всегда присутствующих в природной воде.
Упомянем и еще одну опасность. Часто в засушливых районах под землей находятся природные резервуары воды. Иногда она пресная, но чаще содержит много поваренной соли или сульфата магния. Орошать поля, расположенные над резервуаром, следует очень осторожно. Если слой породы между резервуаром и поверхностью почвы пропитается водой, то соленая вода двинется по капиллярам вверх, начнет испаряться и повысит концентрацию солей именно в той зоне, где лежат корни культурных растений. В результате почва станет не пригодной для земледелия.
Чтобы избежать этих опасностей, применяют проточный полив – вода подается в междурядья, а затем уходит с поля и сбрасывается либо опять в главный канал оросительной системы, либо в реку ниже по течению.
Часто воду используют многократно, поливая ею нижележащие поля. При этом ядовитые пестициды и дефолианты смываются с одного поля на другое. В конце-концов токсичные вещества оказываются в реке, и там гибнут рыбы и другие животные.
А к чему приводит вызванный орошением вынос в реки удобрений, которые использовались на полях? Сначала в реках сильно возрастает численность водорослей, затем – бактерий. Результат – цветение воды, массовая гибель животных, а также проблемы, обусловленные нехваткой питьевой воды.
Орошение способствует распространению в новые места обитания представителей водной и околоводной флоры и фауны. Так, в оросительных канавах могут поселиться малярийные комары, которые создадут новый природный очаг малярии. Создание оросительных каналов в тропиках привело к распространению сорняков-гидрофитов – водяного гиацинта и водяного «салата». В пресных водах селятся разнообразные болезнетворные микроорганизмы: возбудители холеры и дизентерии, вирус гепатита и др. Движение воды по оросительным каналам облегчает распространение этих заболеваний.
Осушение не приводит к столь значительным неблагоприятным последствиям. Однако нельзя не отметить вызванное им повышение пожароопасности.
Обычно осушают болотные территории, богатые торфом. Высокий уровень грунтовых вод «спасает» торф от возгорания. При высыхании болот частыми становятся пожары, в том числе подземные.
Падение уровня грунтовых вод может неблагоприятно воздействовать на вышележащие территории. Из-за интенсивного «стекания» воды возможно высыхание окружающих лесов.
При осушении болот увлажнение почвы может из застойного превратиться в проточное. Это приведет к интенсивному обмену грунтовых вод (с растворенными в них соединениями) и ко всем тем печальным последствиям, о которых мы говорили выше.
Болота часто служат своеобразным буфером и в засушливые годы медленно отдают воду окружающим участкам. При осушении осуществление этой функции становится невозможным.
Поскольку зачастую болотистые территории служат истоками для ручьев, осушение может вызвать ощутимое обмеление вытекающих рек.
Накопленная водная масса медленно нагревается и медленно остывает. При осушении изменяется микроклимат, становятся резче температурные колебания (например, более сильными становятся весенние и осенние заморозки). Это может неблагоприятно сказываться на сельскохозяйственных растениях.

Задача 5. Многие болезни человека (как, впрочем, и болезни животных, и болезни растений) «тяготеют» к определенным сезонам: для одних пик заболеваемости приходится на лето, для других – на зиму и т.д. Перечислите причины, с которыми это может быть связано. Каждую из указанных вами причин проиллюстрируйте примерами.

Сезонность заболеваний может определяться влиянием факторов внешней среды непосредственно на организм человека либо на его образ жизни.
Начнем с рассмотрения прямого воздействия различных факторов.

• Температура. У организма, подвергаемого охлаждению, снижается сопротивляемость к инфекциям. Поэтому именно зимой свирепствуют грипп и другие вирусные заболевания, а за ними следуют бактериальные осложнения – бронхит, пневмония и др. Казалось бы, летом организм сильнее и выносливее, но бактерии и другие паразиты тоже размножаются значительно активнее. Этим и объясняются летние эпидемии желудочно-кишечных заболеваний: дизентерии, брюшного тифа и др.

• Освещенность. Короткие зимние дни у многих людей вызывают депрессию. При этом страдает не только настроение, но и иммунная защита, вероятность заболеваний повышается. Кроме того, зимой в организме человека образуется меньше витамина D, что увеличивает частоту рахита у детей.

• Влажность. Высокая влажность в теплое время года – дополнительный фактор, способствующий развитию микроорганизмов.

• Интенсивность солнечного излучения. Летом высокая активность Солнца особенно опасна для людей, страдающих заболеваниями сердца, а также для гипертоников.

• Весна и лето – время цветения растений. Эти сезоны особенно опасны для людей, страдающих аллергией на пыльцу. С другой стороны, зимой проще заработать аллергию, например, к домашней пыли (поскольку люди проводят больше времени в помещениях).

Ну а чем отличается образ жизни человека в разные сезоны и как это влияет на его здоровье?

• Зимой мы меньше двигаемся. Это плохо для всех органов, но особенно – для сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата. Может увеличиться масса тела, а ведь тучность является первостепенным фактором риска для развития артериальной гипертонии.

• Зимой мы едим меньше овощей и фруктов. В связи с этим может возникнуть дефицит витаминов (в первую очередь – витамина C и витаминов группы В), что снижает сопротивляемость инфекциям. Кроме того, с растительной пищей в организм поступают многие важные минеральные элементы. Фрукты и овощи содержат много калия, благотворно влияющего на работу сердца и кровеносных сосудов. А в отсутствие здоровой свежей растительной пищи злоупотребление острыми и солеными блюдами неблагоприятно сказывается на процессах кровообращения.

• Наконец, угроза желудочно-кишечных инфекций связана с немытыми овощами и фруктами, а летом подобная халатность встречается все-таки чаще. Опасность желудочно-кишечных инфекций увеличивается и весной, во время таяния снега. Даже если органы санэпиднадзора предпринимают специальные меры – все равно не следует пить сырую воду из-под крана.

Задача 6. Известно, что у некоторых видов термитов и муравьев существуют солдаты-«камикадзе». Эти особи, вступая в сражение с врагами, жертвуют собой: при сильном сокращении мускулатуры брюшко разрывается и содержащаяся в нем ядовитая жидкость попадает на неприятеля. Это свойство, безусловно, полезно для термитника (муравейника) в целом, но лишь при ограниченном его использовании (не всеми солдатами и не при любой угрозе) – ведь иначе солдат вообще не останется. Как же в термитнике (муравейнике) может регулироваться интенсивность применения данного способа защиты и нападения? Предложите ваши гипотезы и опишите способы их проверки.

Потенциально возможные способы регуляции: выращивание особой расы солдат-«камикадзе», количество которых контролируется благодаря ограниченной секреции некоторого соединения, обеспечивающего изменения в их строении; раса «камикадзе» возникает в результате неравномерного распределения между муравьями тех источников пищи, компоненты которых требуются для создания «живых бомб»; пороговый уровень интенсивности раздражения, при котором начинается описанная в условии задачи защитная реакция, зависит от степени благополучия муравейника; жертвовать собой могут лишь особи старших возрастов, количество которых ограничено и не влияет на общую жизнеспособность муравейника; среди веществ, выделяющихся при взрыве «живой бомбы», имеются соединения, препятствующие аналогичному поведению находящихся по соседству муравьев.
Для проверки выдвинутых допущений целесообразно проанализировать, имеются ли у муравьев-«камикадзе» какие-то особенности строения; пометив ряд обитателей муравейника, разобраться, не предшествует ли «подвигу» муравья совершение им каких-либо нетипичных действий; также с помощью мечения установить возраст гибнущих муравьев; проанализировать, как изменяется частота «подвигов» в разных условиях, влияют ли на нее обеспеченность кормом, погодные условия и пр.; изучить воздействие компонентов «разорвавшейся бомбы» на муравьев-сородичей.

Задача 7. Из записных книжек Кифы Мокиевича: «Ученые патетически описывают, что разные водные организмы могут накапливать определенные ионы в крайне высоких концентрациях. Например, в теле асцидий содержание ванадия – редчайшего элемента – достигает 0,16%. А вспомним огромные залежи железа и марганца на дне Мирового океана, созданные микроорганизмами! Восхитительно? На самом деле надо не восторгаться, а спасать природу. Ценные соединения захватываются немногими счастливчиками и надолго выводятся из круговорота веществ. Снижение численности этих «Плюшкиных» до минимального уровня позволит повысить продуктивность экосистем!» Что вы могли бы возразить Кифе Мокиевичу?

Живые организмы действительно способны концентрировать разнообразные химические элементы, в том числе довольно редкие. Однако Кифа Мокиевич заблуждается, полагая, что каждый элемент нужен для жизнедеятельности организмов. Скажем, серебро, свинец или ртуть содержатся в виде «примесей» во многих живых организмах, но не показано, что они входят в состав простетических групп ферментов или ускоряют какие-то метаболические процессы. Значит, повышение их концентрации не должно увеличивать продуктивность экосистем.
Имеется лишь около двух десятков химических элементов, необходимых для существования живых организмов. (К ним относятся, в частности, упомянутые Кифой марганец и железо.) Однако вреден может быть не только недостаток, но и избыток элемента.
Особенно это относится к «редчайшим» элементам, которые требуются для жизнедеятельности в микроколичествах. Металлы с переменной степенью окисления используются для катализа окислительно-восстановительных реакций: железо входит в состав цитохромов и гемоглобина, медь – в состав оксидаз и гемоцианина и т.д. Но в высоких концентрациях эти элементы образуют соли с аминокислотами цистеином и фенилаланином, а также с некоторыми другими веществами клетки. Естественно, если ион металла находится не на своем месте, работа биологически активной молекулы нарушается. Иначе говоря, избыток железа или меди вызывает токсический эффект. Организмы-концентраторы скорее спасают экосистему от избытка микроэлементов в среде, чем приводят к их дефициту. В отсутствие концентраторов продуктивность экосистемы упадет, а не увеличится.
Кифа Мокиевич рассуждает о выходе элементов из биохимических превращений, но не учитывает их поступление в экосистему. Так, с суши в озера, моря и океаны приносятся миллионы тонн солей, вымываемых атмосферными осадками из материнских пород.
Если бы не было организмов-концентраторов, все эти соли накапливались бы в воде до немыслимых концентраций, способных погубить все живое. Кроме того, выпавшие на дне или накопленные живыми организмами элементы не уходят из экосистемы насовсем. Накопленный асцидиями ванадий вновь рассеивается, когда они становятся добычей других животных, а после отмирания – бактерий. В анаэробных условиях железные руды способны к превращению Fe³⁺ --> Fe²⁺, благодаря которому образующийся продукт снова переходит в раствор.
И последнее. Не все концентраторы «отбирают» химические элементы у других организмов. Элементы зачастую достаются им из абиотической среды, причем другие члены экосистемы не способны к трансформации исходных соединений. После отмирания концентраторов их добыча становится доступной для остальных членов экосистемы. Так, цианобактерии, азотобактер, ризобии в симбиозе с бобовыми могут трансформировать и накапливать молекулярный азот, не доступный другим организмам. А микоризные грибы добывают фосфор из труднорастворимых солей. Непосредственно корням растений этот фосфор недоступен, и лишь в симбиозе с грибами они могут сделать его достоянием всей экосистемы. Если (по предложению Кифы Мокиевича) снизить численность этих организмов, то продуктивность не увеличится, а, напротив, упадет.
Описано несколько случаев, когда накопление большого количества некоторых элементов позволяет стабилизировать экосистему, предотвратив внедрение в нее «чужаков». Всем известно, что контакт островной флоры и фауны с континентальной приводит к гибели многих островных видов и, как результат, к снижению продуктивности сообщества (см. задачу 7 для XI кл.).
На островах Новой Каледонии природой созданы уникальные условия: организмы накапливают высокие дозы никеля. Вода и почва островов буквально пропитаны ионами этого металла, что не позволяет адаптироваться здесь континентальным видам и сохраняет первозданность уникальной экосистемы.

X класс

Задача 1. Физиологи выделяют две группы желез внутренней секреции – зависимые и независимые от функций гипофиза.
А. К какой из этих групп следует отнести: 1) корковое вещество надпочечников, 2) мозговое вещество надпочечников, 3) поджелудочную железу, 4) половые железы, 5) околощитовидные железы, 6) щитовидную железу?
Б. С помощью каких соединений гипофиз влияет на работу других желез внутренней секреции? В чем заключается это влияние? (В задаче рассматривается эндокринная система человека.) 

А. Железы внутренней секреции, зависимые от функций гипофиза: корковое вещество надпочечников, половые железы, щитовидная железа.
Железы внутренней секреции, независимые от функций гипофиза: мозговое вещество надпочечников, поджелудочная железа, околощитовидные железы.

Б. Гипофиз состоит из трех долей: передней, средней и задней.
Передний гипофиз вырабатывает шесть гормонов.
Органами-мишенями четырех гормонов передней доли гипофиза служат эндокринные железы, поэтому их называют тропными гормонами. Гипофизарные гормоны стимулируют определенную железу, а повышение уровня в крови выделяемых ею гормонов подавляет секрецию гормона гипофиза. Тиреотропный гормон – главный регулятор биосинтеза и секреции гормонов щитовидной железы. кору надпочечников стимулирует адренокортикотропный гормон. Два остальных гормона называются гонадотропными: фолликулостимулирующий гормон способствует созреванию фолликулов в яичниках, а лютеинизирующий гормон вызывает овуляцию и образование желтого тела.
Кроме того, передняя доля гипофиза вырабатывает еще два гормона, которые действуют на системы органов и весь организм в целом. Соматотропный гормон – важнейший стимулятор синтеза белка в клетках, образования глюкозы и распада жиров, а также роста организма. Лютеотропный гормон (пролактин) регулирует лактацию, дифференцировку различных тканей, ростовые и обменные процессы, инстинкты заботы о потомстве.
Средняя доля гипофиза продуцирует в основном меланоцитстимулирующий гормон, который осуществляет регуляцию пигментного обмена в покровных тканях и участвует в формировании памяти.
Задняя доля гипофиза аккумулирует и секретирует гормоны, синтезируемые в крупноклеточных ядрах гипоталамуса: антидиуретический гормон (АДГ, он же – вазопрессин) и окситоцин. АДГ воздействует на почки, регулируя водный обмен и тонус артериол. Этот гормон усиливает обратное всасывание воды в дистальных канальцах и собирательных трубочках почек. В результате количество мочи уменьшается, а ее осмотическая концентрация возрастает. Окситоцин регулирует родовой акт и секрецию молока грудными железами; его мишенями служат мышечный слой матки и миоэпителий молочной железы.

Задача 2. А. Свойственна ли перечисленным ниже животным: а) моногамия – спаривание одного самца с одной самкой, б) полиандрия – спаривание одной самки с несколькими самцами, в) полигиния – спаривание одного самца с несколькими самками?
1) антилопа, 2) горилла, 3) дрофа, 4) заяц, 5) курица, 6) лебедь, 7) лосось, 8) лось, 9) медоносная пчела, 10) морж, 11) слон, 12) удильщик, 13) тетерев, 14) шалашник, 15) якана.
Б. Какие особенности образа жизни и строения животного позволяют с высокой вероятностью предположить, что данному виду свойственна моногамия; полиандрия; полигиния? Ответ аргументируйте, пояснив связи между этими особенностями и типом развития потомков.

А. Представим ответ в виде таблицы и дадим необходимые комментарии к наиболее сложным случаям.

• Антилопа. Ответ зависит от конкретного вида; например, гунтада – моногам, а карликовые антилопы могут быть как моно-, так и полигамами.

• Горилла. Хотя гориллам свойственно образование гаремов, имеются свидетельства того, что подчинение в группе у них мягкое (самец не является «хозяином» гарема).

• Дрофа. Для этой птицы характерно токование (как у глухарей и тетеревов).

• Курица. Хотя полигиния домашних кур общеизвестна, следует вспомнить и о видах диких кур, большинство из которых – моногамы.

• Лосось. У лососей наблюдается особая стратегия спаривания – промискуитет, рассматриваемая в конце ответа на п. б.

• Лось. Моногамия является преобладающим вариантом, но бывают ситуации, когда с самцом находится более одной самки.

• Удильщик. Самец удильщика прикрепляется к самке и прирастает к ней. Однако, как ни удивительно, бывают случаи, когда к самке прикрепляется несколько самцов.

Б. Для полиандрии свойственна реверсия полового диморфизма – самка ярче и крупнее самца. Это понятно, так как самки конкурируют за самцов. У многих полиандрических видов самец сам строит гнездо, насиживает яйца и заботится о потомстве. Объяснение логично: у одной самки много потомков, выращиваемых разными самцами, и она не может ими заниматься. Если у рыб самка выметывает икру порциями, а самец – всю молоку за один раз, то подобные случаи также следует относить к полиандрии.
При полигинии самцы крупнее и имеют яркую окраску. Критерием является также половой состав популяции (речь, естественно, идет о взрослых особях, вступивших в размножение): самцов должно быть значительно меньше, чем самок. При полигинии индивидуальный участок самца перекрывает несколько индивидуальных участков самок. Если группа самок кочует по участку с самцом, это тоже свидетельствует о полигинии. У общественных насекомых под полигинией понимают присутствие в семье нескольких размножающихся самок.
При моногамии рассмотренные выше признаки проявляются в среднем варианте между полиандрией и полигинией: половой диморфизм выражен слабо, о потомстве заботятся и самец, и самка, соотношение полов 1:1, распределение по территории особей обоих полов равномерное.
Естественно, полиандрия исключена, если самка за сезон размножения приносит лишь одного потомка (но при этом возможна и полигиния, и моногамия).
Наконец, рассмотрим на примере благородных лососей еще одну распространенную стратегию – промискуитет. Рыбы не образуют постоянных пар, а половые продукты выметывают порциями. В качестве характерных черт такой стратегии размножения можно выделить низкий уровень внутрипопуляционных отношений, большое количество особей на нерестилище.

Задача 3. А. Какие из перечисленных ниже факторов вызывают уменьшение содержания белка в крови человека по сравнению с нормой:
1) воспаление желудочно-кишечного тракта, 2) гемофилия, 3) гепатит, 4) голодание, 5) задержка мочевыделения, 6) лактация, 7) повышение температуры тела, 8) сахарный диабет, 9) усиленное потоотделение, 10) цирроз печени.
Б. Перечислите причины, которые могут приводить к изменению содержания в крови различных соединений. Какие вы можете предложить лечебные мероприятия, направленные на восстановление уровня этих соединений?

А. Уменьшение содержания белка в крови вызывают: воспаление желудочно-кишечного тракта, гемофилия, гепатит, голодание, лактация, сахарный диабет и цирроз печени.

Б. Причины, вызывающие изменение содержания в крови различных соединений, можно разделить на следующие группы: недостаточное поступление различных соединений с пищей (голодание, авитаминозы, анемия); нарушение всасывания, обусловленное патологиями желудочно-кишечного тракта; кровопотери (в частности, при гемофилии); дисфункции эндокринной системы (здесь мы вправе говорить о содержании в крови как самих гормонов, так и продуктов работы органов, которыми эти гормоны управляют); болезни сердечно-сосудистой, дыхательной и выделительной систем органов, а также полифункционального органа печени, сопровождающиеся нарушением эффективного транспорта с кровотоком тех или иных соединений (примеры – цирроз и гепатит); наследственные заболевания, нарушающие синтез какого-то из компонентов крови либо его выделение в кровоток (здесь опять можно упомянуть гемофилию); различные «нетипичные» состояния организма – от беременности и лактации до суточных колебаний уровня в крови разных соединений.
Что касается лечебных мероприятий, то можно бороться и с симптомом, и с его причиной. Хотя второй подход кажется более радикальным, в ряде случаев реализовать его, увы, невозможно и приходится ограничиваться восполнением содержания дефицитного компонента. Для этой цели применяют диету с повышенным содержанием недостающих больному соединений, гормональную терапию, переливание крови.
Меры, направленные на борьбу с первопричиной заболевания, пожалуй, не поддаются такой общей классификации. В зависимости от того, какой биохимический процесс или работа какого органа нарушены у больного, могут предприниматься меры, направленные на истребление патогенных микроорганизмов; хирургическое устранение пораженных участков, препятствующих нормальным физиологическим процессам; изменение образа жизни с целью обеспечить щадящий режим плохо работающему органу и т.д.

Задача 4. Можно выделить две основные стратегии хозяйственного использования человеком лесов. Первая стратегия состоит в последовательной сплошной вырубке отдельных участков леса, после чего на освободившихся пространствах растут новые деревья до тех пор, пока не приобретут «товарный вид». Вторая стратегия предполагает постоянную выборочную вырубку на всей территории леса. Оба варианта предусматривают использование и других лесных богатств – грибов, ягод и т.д. В чем вы видите преимущества и недостатки этих двух подходов?

Сплошные и условно-сплошные (когда на корню остаются не имеющие сбыта деревья) рубки воздействуют на лес значительно интенсивнее, чем выборочные. При этих видах рубок уничтожается старый древостой и начинается формирование вторичного леса, часто затягивающееся на десятилетия в связи с заболачиванием (ранее предотвращавшимся интенсивным испарением воды деревьями), сильной эрозией либо переуплотнением почвы, смывом значительной части ее верхнего плодородного слоя. Резкое изменение природных условий при сплошной вырубке и формирование сомкнутого вторичного леса с упрощенной структурой древесного полога и остальных ярусов приводит к началу длительных изменений в структуре и видовом составе травяно-кустарничкового покрова. Качественный и количественный состав нижних ярусов леса не возвращается к исходному состоянию даже через 100 лет. Чем больше остается жизнеспособного подроста и не вырубленных деревьев, тем слабее изменения в структуре и составе нижних ярусов, тем быстрее идет восстановление естественной структуры и мозаичности растительного покрова. Чем больше площадь вырубки, тем хуже она заселяется подростом хвойных деревьев, тем выше в формирующихся вторичных лесах доля березы и осины. Связано это с тем, что семена березы и осины могут разноситься на многие километры, а подавляющее большинство семян ели и сосны – не более чем на 75–100 м. Обычная же ширина участка сплошной рубки в таежных лесах составляет порядка 500–1000 м. Чем меньше на вырубке остается старого валежника и сухостоя, тем сильнее нарушается почвенный микрорельеф. Механизация лесозаготовительных работ с применением тяжелых машин приводит к значительной трансформации почвы и живого надпочвенного покрова.

Продолжение следует

Авторы задач:
С.М. Глаголев, Д.Н. Ермоленко, А.В. Жердев,
А.А. Мартьянов, И.Л. Окштейн, О.С. Тарасова, В.В. Чуб
Материалы, использованные при составлении ответов, предоставили:
Л.А. Аксенова, М.В. Белопольская, А.В. Жердев, Н.П. Маркелова,
А.А. Мартьянов, Э.Н. Рахимбердиев, О.С. Тарасова, А.В. Тихомиров,
О.Е. Фадюкова, М.В. Фридман, В.И. Цветков, В.В. Чуб