Эволюционный принцип Тренировочные задачи

30. Два животных вступают в драку. Изменится ли у них свертываемость крови?

Решение. Когда дерутся, применяя зубы и когти, весьма велика вероятность получить повреждение с последующим кровотечением. В ходе эволюции выработалась реакция, направленная на то, чтобы заранее подготовиться к такой опасности – при агрессивном столкновении свертываемость крови повышается. Это наглядный пример регулирования по возмущению.

31. Если змею некоторое время держать в вертикальном положении (головой вверх), то она погибает. Почему?

Решение. В эволюции змеи образовали группу животных, которые всегда находятся в горизонтальном положении. Поэтому у них не выработались компенсаторные приспособления, препятствующие постепенному оттоку крови в вены нижней части тела при длительном поддержании вертикального положения. Если такое положение сохранять насильственно, то приток крови к сердцу резко уменьшается и, в конце концов, наступает смерть.

32. Если закрыть глаза и катать двумя соседними неперекрещенными пальцами горошину, то возникает ощущение одной горошины. Если сделать то же, но перекрещенными пальцами, то возникает ощущение двух горошин. Такой опыт проделал еще Аристотель. Чем объясняется этот феномен и не противоречит ли он принципу целесообразности? Ведь мы получаем неадекватное ощущение?

Решение. В первом случае раздражаются внутренние, соприкасающиеся поверхности пальцев. Во втором – наружные, не соприкасающиеся. В естественных условиях наружные поверхности двух соседних пальцев одновременно могут раздражаться только двумя предметами. Поэтому в мозгу и возникает соответствующее ощущение. Этот простой опыт еще раз иллюстрирует неоднократно упоминавшееся положение – если мы ставим организм в искусственные условия, то в них он работает по программам, которые сложились в естественных условиях в ходе эволюции.

33. Первые многоклеточные животные не имели ни жабр, ни легких и дышали всей поверхностью тела. Когда появились более высокоорганизованные организмы, то, хотя все они приобрели особые органы дыхания, способность дышать кожей сохранилась. Некоторые участки кожи по интенсивности дыхания даже превосходят легкие. Почему же все-таки эволюция пошла по пути создания специализированных органов дыхания?

Решение. С помощью правил системного подхода решение находится сразу же. Но это у нас еще впереди. А пока будем исходить из того, что все возникшее в эволюции биологически целесообразно. Почему легочное дыхание эффективнее кожного? Не из-за каких-то особых свойств легких. Преимущество в другом. Общая поверхность кожи у человека составляет 1,5 – 2 м². А, если развернуть все сотни миллионов альвеол легких, то суммарная их поверхность, через которую происходит газообмен, окажется примерно в 50 раз больше – 90-100 м². Именно в очень большой дыхательной поверхности и состоит преимущество легочного дыхания.

34. После решения предыдущей задачи на этой Вы долго не задержитесь. Почему плоские черви плоские?

Решение. У плоских червей еще нет специализированных органов, обеспечивающих газообмен. Дыхание происходит через всю поверхность тела. Поэтому только при сплющенной форме тела диффузия может обеспечить доставку кислорода в ткани, благодаря тому что они находятся не слишком далеко от поверхности. Проведите аналогию с формой эритроцита.

35. Попробуйте объяснить физиологический смысл следующего любопытного опыта. Если сидящей в клетке обезьяне показывать пищу и постепенно приближать ее к клетке, то слюноотделение у животного будет увеличиваться более или менее плавно. Но, когда расстояние до пищи составит примерно сорок сантиметров, происходит скачкообразное усиление слюноотделения. Почему?

Решение. В естественных условиях обезьяна, увидев пищу, стремится ее схватить. Для этого до пищи нужно дотянуться рукой. А сорок сантиметров – это примерно длина вытянутой руки. В ходе эволюции в мозгу животных закрепилось соотношение между данным расстоянием и возможностью схватить и съесть. Поэтому, если даже обезьяна, находясь в клетке, не может достать пищу, все равно срабатывает закрепленный тысячелетиями механизм и слюноотделение резко увеличивается.

36. В этой задаче Вы столкнетесь с поистине изощренным приспособлением, которое в ходе эволюции выработалось у симпатичных австралийских коала. Как известно, эти животные питаются исключительно листьями различных видов эвкалиптов. Но в сильную жару коала едят листья только одного определенного вида. Попытайтесь догадаться, почему.

Решение. Хотя в условии задачи не содержится никаких подсказок, но если рассуждать с позиций физиологического смысла, то можно прийти к правильному ответу хотя бы в общей форме. Чтобы противостоять жаре, нужно или увеличить теплоотдачу, или уменьшить теплопродукцию. Теплоотдача регулируется физическими механизмами, а теплопродукция – химическими. Листья могут служить источником каких-то химических веществ, но не физических процессов. Можно предположить, что листья определенного вида эвкалиптов содержат вещества, уменьшающие теплопродукцию. Избыточная теплопродукция в организме зависит, в частности, от действия простагландинов. И хотя коала не изучали физиологию, но инстинкт, выработанный в ходе эволюции, заставляет их поедать именно те листья, которые содержат вещества, угнетающие выработку простагландинов.

37. В процессе эволюции постоянно возникали противоречия, когда тот или иной выработанный механизм при несомненной своей полезности в то же время" имел недостатки, потенциально опасные для жизни. Например, система кровообращения смогла обеспечить все клетки всем необходимым. Но при этом возникла угроза возможного кровотечения. Поэтому потребовалось появление дополнительной системы – свертывания крови. Новая опасность – возможность внутрисосудистого свертывания – привела к образованию противосвертывающей системы.

Когда миллионы лет назад организмы вышли из воды на сушу, то одна из самых первых задач, которая встала перед ними, состояла в защите от высыхания. Неслучайно роговица увлажняется слезой, слизистые полости рта – слюной, кожа – потом. Внутренняя поверхность альвеол в легких тоже покрыта очень тонким слоем жидкости. Это хорошо. Но альвеолы постоянно содержат воздух. На границе «газ – жидкость» всегда возникает поверхностное натяжение. Величина его такова, что альвеолы должны были бы спадаться и не могли бы растягиваться. Что же делать? Без жидкости – высыхание, с жидкостью – большое поверхностное натяжение.

Решение. Ответ Вам скорее всего известен. Но при разборе данной задачи Вы должны прежде всего лишний раз задуматься над тем, сколь разнообразны выработанные в ходе эволюции приспособления, которые позволяют организмам сохранять полезные для них структуры и процессы и при этом компенсировать полностью или частично свойственные этим структурам или процессам недостатки. В данном случае эволюция пошла по такому пути. Если убирать жидкость с поверхности альвеол нельзя, то невозможно и избавиться от поверхностного натяжения. Но можно значительно уменьшить его. В легких пневмоциты второго типа вырабатывают поверхностно – активное вещество, которое содержит^ в слое жидкости, покрывающей внутреннюю поверхность альвеол, и снижает поверхностное натяжение в 10 раз. Так природа в очередной раз преодолела возникшие затруднения. Но в то же время появилась возможность заболеваний, связанных с нарушениями в сурфактантной системе. А сурфактант – это и есть то вещество, о котором шла речь.

38. Некоторые животные, например, придонные рыбы живут в среде с очень низким содержанием кислорода. Естественно, что в ходе эволюции у таких животных выработался целый ряд приспособлений, облегчающих существование в данных условиях. Как по Вашему мнению выглядит кривая диссоциации гемоглобина у этих рыб?

Решение. Гемоглобин присоединяет кислород при его высоком парциальном давлении и отщепляет (диссоциирует) при низком. Однако в зависимости от условий, в которых обитают данные организмы, понятия «высокое» и «низкое» существенно смещаются. Для того чтобы гемоглобин придонных рыб мог захватывать кислород даже при очень низком его содержании, свойства гемоглобина должны несколько измениться. Это становится ясным, если сравнить кривые диссоциации у этих рыб и, например, человека (рис. 6.1).

Решение. Анализ нужно начать с особенностей пищеварения жвачных. Травоядными они называются потому что их видимая пиша – это трава. Но при этом в желудок жвачных поступает огромное количество бактерий и простейших. Их общая масса в организме может доходить до седьмой части от массы всего тела. Таким образом корова питается не столько травой, сколько микробами и простейшими. Поэтому важно, чтобы микроорганизмы могли усиленно размножаться в желудке. Для этой цели и приспособлен рубец. В ходе эволюции в нем образовалась благоприятная для размножения микробов и простейших среда – оптимальная величина рН и отсутствие ферментов. В результате микробы интенсивно размножаются, а затем перевариваются в последующих отделах желудочно-кишечного тракта. Это, конечно, не очень справедливо по отношению к микробам, но зато полезно для коровы.

40. У человека пищеварение в толстой кишке практически отсутствует. Однако эта часть кишечника у многих наземных животных хорошо развита. С чем такая особенность связана?

Решение. Низкий уровень ферментативной активности в толстом кишечнике выработался в ходе эволюции и связан с тем, что поступающий сюда химус содержит уже очень мало непереваренных пищевых веществ. А вот для второго вопроса ключевое слово – «наземных». После выхода животных на сушу первостепенное значение приобрела проблема сберегания воды. В толстом же кишечнике всасывается До 95 % поступившей в него (главным образом с пищеварительными соками) воды. При холере, когда всасывание воды в толстом кишечнике резко нарушается и начинается профузный понос, может наступить смерть от жесточайшего обезвоживания организма.

41. Как изменилось в процессе эволюции количество митохондрий в клетках нефронов почек?

Решение. Понятно, что в ходе эволюции происходило усложнение строения почек, появлялись дополнительные функции, связанные, в частности, с активным транспортом веществ. Все это требовало увеличения затрат энергии и, следовательно, возрастания количества митохондрий.

42. У грудных детей раннего возраста поступление избыточных количеств воды мажет вызвать водную интоксикацию, введение солей часто приводит к отеку, избыток белка вызывает азотемию – увеличение содержания азота в крови. Почему все это происходит?

Решение. Совершенствование функций происходит не только в филогенезе, но и в онтогенезе. У новорожденных почки функционально еще не созрели полностью. Поэтому в отличие от почек взрослых они не справляются с повышенными нагрузками.