У птиц и млекопитающих частота сокращений сердца, как правило, тем выше, чем меньше животное. Чем можно объяснить такую закономерность? (ЗБШ)

Ответ. Млекопитающие и птицы — теплокровные жи­вотные, они поддерживают постоянную температуру тела. Количество тепла, отдаваемого животным во внешнюю среду, при прочих равных условиях (равной температуре тела, строении наружных покровов, одинаковой окраске) прямо пропорционально площади поверхности его тела. Теплопродукция, то есть количество вырабатываемого организмом тепла, прямо пропорциональна массе тела, поскольку каждая клетка организма участвует в обмене веществ и вырабатывает тепло (мы не будем рассматри­вать специальные ткани, имеющиеся у некоторых живот­ных и вырабатывающие тепло более интенсивно, чем другие).

Рассмотрим двух животных, подобных друг другу, но разного размера (например, кошку и тигра). Площадь поверхности их будет пропорциональна квадрату линей­ных размеров, а масса — кубу. Пусть одно из животных меньше другого в десять раз, тогда его поверхность меньше в сто раз, а масса — в тысячу. Если бы теплопродукция единицы массы у маленького животного была такой же, как у большого, оно не могло бы сохра­нить такую же температуру тела, как большое, так как те­ряло бы слишком много тепла через относительно боль­шую поверхность.

Подкрепим эти рассуждения следующим простым расчетом. Пусть животное поддерживает постоянную температуру тела при некоторой постоянной температуре окружающей среды. При этом количество вырабатывае­мого в его теле тепла равно количеству тепла, теряемому через поверхность:

qm= к (t — t_cp) S.

Здесь q — удельная теплопродукция, то есть количе­ство тепла, вырабатываемого единицей массы; т — масса тела; к — коэффициент теплопередачи (он зависит от строения покровов, длины шерсти и др.); S — площадь тела. Найдем отсюда разность температур тела и среды

для большого животного. Она равна t — t_c0 — ‘*^т у_ч_

kS

тем, что у маленького животного площадь меньше в /г² раз, а масса — в л³ раз (мы считаем, что отношение линейных размеров животных равно п). Тогда для ма-

дтп² qm

ленького животного получим t — t_CD — — = .

^у nks nks

Видно, что у маленького животного разность температур будет в п раз меньше, чем у большого. Это значит, что когда большое животное при наружной температуре 10°С имеет температуру тела 35°С (разность температур 25°), животное в десять раз меньшее может поддерживать разность температур только 2,5°С и будет иметь темпе­ратуру тела 12,5°С. Иными словами, такое животное перестанет быть теплокровным.

Один из возможных выходов для маленького живот­ного — увеличить удельную теплопродукцию (если q бу­дет увеличиваться прямо пропорционально линейным размерам, то температура тела будет поддерживаться такой же, как у большого животного). Оказывается, маленькие теплокровные животные действительно имеют более высокий уровень обмена веществ, чем большие, то есть они потребляют в единицу времени на килограмм веса заметно больше пищи, чем крупные животные, и со­ответственно больше кислорода для сжигания этой пищи.

Таким образом, маленьким животным требуется до­ставлять к тканям относительно больше кислорода. Этой цели служит интенсивное движение крови, переносящей кислород. Быстрое движение крови создается как за

счет увеличения относительной массы сердца мелких животных, так и особенно за счет высокой частоты его со­кращений, которая достигает у мелких млекопитающих и птиц 1000 ударов в минуту. Из сказанного ясно, что мелкие теплокровные не могут долго обходиться без пищи, особенно в холодную погоду. Без пищи они быстро погибают или (некоторые) впадают в спячку, понижая температуру тела.

38. У позвоночных животных Частота сердечных сокращений растет с уменьшением размеров тела, а у насекомых такой закономерности не наблюдается. Как это можно объяснить?

В каком нервном волокне — в толстом или в тонком — выше скорость распространения возбужде­ния и почему? (ЗБШ)

Почему у насекомых кровь (гемолимфа) обыч­но бесцветная и очень редко (у «мотыля» — личи­нок комаров-звонцов или у личинок кишечных ово­дов) красная, а у позвоночных животных — наобо­рот (бесцветная кровь встречается у некоторых рыб Антарктики, например у ледяной рыбы)? Объясните также исключения. (ШБО, 9 кл., 1985 г.)

Почему многие теплокровные животные не за­мерзают в холодной воде? (ШБО, 8 кл., 1981 г.)

Известно, что у некоторых животных (зай­цы, киты и др.) молоко очень жирное, а у других (обезьяны, волки) — нет. Предложите объяснение этому факту и на основе своего объяснения по­пробуйте назвать других животных, у которых долж­но быть жирное или нежирное молоко. (ШБО, 9 кл., 1979 г.)

Ответ. Основная идея ответа такова. Жир — источ­ник энергии, поэтому жирное молоко в первую очередь имеется у тех животных, детеныши которых кормятся нерегулярно (зайцы, некоторые копытные, тюлени), с большими перерывами или затрачивают много энергии. Эти энергозатраты могут быть связаны с большой отдачей тепла во внешнюю среду (у животных, обитаю­щих в воде, теплоемкость которой велика, а температура

обычно заметно ниже температуры тела млекопитаю­щих; у животных полярных районов; у животных, детеныши которых не имеют убежища); с высокой актив­ностью детенышей (у китов, ряда копытных, детеныши которых должны самостоятельно следовать за матерью сразу после рождения); с быстрым ростом (например, у китообразных, для которых быстрый рост очень выго­ден, так как при увеличении размеров уменьшается удельная поверхность тела и, значит, снижается отдача тепла в воду). Возможны и другие причины высокой жирности молока, например необходимость создания у детенышей толстой жировой прослойки.

У животных, детеныши которых находятся в убежи­щах (норах, пещерах и т. д.) и обычно обогреваются телом матери, медленно растут и созревают, получают молоко регулярно, а также у животных, обитающих в зонах с теплым климатом, молоко менее жирное.

38. Кенгуровая крыса, моль и мучной червь могут всю жизнь обходиться без воды. Объясните это.

Некоторые животные (в отличие от человека) могут обходиться без поступления извне одного из следующих веществ: воды, кислорода, белков, вита­мина С. С какими особенностями их физиологии, биохимии, образа жизни это связано? Если Вы знаете таких животных, назовите их. (ШБО, 10 кл. 1988 г.)

Известно, что содержание углеводов в листьях и клубнях растений составляет до 90% сухого веса, в клетках мышц и печени животных - до 5 %, а в прочих клетках животных — до 1 %. Чем можно объяснить такую разницу? Какова биологическая функция этих углеводов? (ШБО, 8 кл., 1982 г.)

Ответ. Прежде всего надо объяснить резкие различия и содержании углеводов между растениями и животными. Основные соображения тут таковы. Углеводы использу­ются животными в первую очередь в качестве источ­ников энергии. Однако жир является более энергоемким, чем углеводы, а животным, которые значительную чисть энергии тратят на движение, очень важно эконо-

мить вес, поэтому животным выгоднее хранить энергети­ческие запасы в виде жира.

Растения неподвижны, и экономить вес им не так важ­но, поэтому, хотя растения и производят жиры, они в основном хранят «топливо» в виде углеводов. Другое соображение состоит в том, что растениям нужно больше углеводов, так как для них углеводы не только источник энергии, но и основной материал для дальнейшего синтеза, в то время как животные получают с пищей жиры и белки.

Таким образом, различия животных и растений обу­словлены различием в их питании и в подвижности. Кроме того, растительные клетки кроме мембраны имеют оболочку, образованную в значительной мере углевода­ми (клеточная стенка), которой животные клетки ли­шены.

Листья растений содержат много углеводов потому, что там углеводы синтезируются и там же отчасти хра­нятся. Клубни служат резервуаром углеводов; крахмал клубней используется, например, для обеспечения энер­гией развития молодого растения на тех этапах, когда оно еще не начало синтезировать само.

Печень является резервуаром гликогена и играет основную роль в регуляции уровня глюкозы в крови, в связи с чем в ней относительно много углеводов (см. ответ на вопрос 3.20). Поскольку мышцы живот­ных — один из основных потребителей энергии, они со­держат относительно большой запас углеводов.

38. Какими могут быть физиологические меха­низмы действия ядов на организм животных? При­ведите примеры реально существующих ядов с таким действием. (ШБО, 9 кл., 1982 г.)

Ответ. Этот вопрос допускает чрезвычайно широкий спектр ответов разной глубины (анализ на физиологи­ческом уровне, на цитологическом, на биохимическом). Ограничимся несколькими наиболее простыми приме­рами.

Окись углерода необратимо связывается с гемогло­бином, что приводит к удушью. Синильная кислота, цианистый калий блокируют цитохромы дыхательной це­пи митохондрий. Яды многих змей содержат ферменты,

разрушающие эритроциты. Метаболические яды, напри­мер оубаин, нарушают работу натрий-калиевого «насо­са», что приводит к изменению нормального ион­ного состава клеточной цитоплазмы, а это имеет след­ствием, в частности, прекращение возникновения потен­циалов действия нервных клеток, то есть фактически остановку работы нервной системы. Многие яды дей­ствуют на синапсы, нарушая работу нервной системы. Так, например, растительный яд кураре блокирует пере­дачу в нервно-мышечных синапсах, стрихнин блоки­рует тормозные синапсы, столбнячный токсин инактиви­рует фермент, разрушающий отработавший синаптиче­ский медиатор.

38. У лягушки перерезали зрительный нерв и перевернули глаз в орбите на 180° (верхней частью вниз). После прорастания зрительного нерва лягушка стала в ответ на пищевой раздражитель, поднесенный справа, прыгать влево и наоборот. Дай­те объяснение этому явлению. Какой вывод можно было бы сделать, если бы после такой же опе­рации лягушка прыгала в правильную сторону?

Какие есть у верблюда приспособления к жизни в пустыне? (ШБО, 10 кл., 1977 г.)