Многим растениям в сезонном климате приходится жить при отрицательной температуре. Какие приспособления могут помочь им справиться с заморозками?

Вопрос, заданный участникам, требовал понимания и применения не только биологических знаний, но и физических законов. К таким закономерностям относятся свойства и природа тепла и поведение воды при замерзании.

Основной источник тепла зимой — нагретая во время теплого сезона земля, она отдает тепло воздуху над ней. Теплый воздух легче холодного, а потому поднимается и уступает место более холодному воздуху — таков механизм остывания земли. Однако, если воздуху что-то препятствует, то циркуляции теплого и холодного воздуха не происходит. Многие участники вспомнили, что снег может препятствовать воздуху, чем и пользуются низкорослые растения и растения с укороченными побегами (в том числе ставшие стелящимися или превратившиеся в подушечку), а также те, у которых верхняя часть отмирает, а подземная перезимовывает в теплой почве, например, как это происходит у многих травянистых растений (а некоторые луковичные даже имеют специальный втягивающий их луковицу в землю корешок). Если корни растут глубоко, они также меньше теряют тепла. По такому же принципу (задержание теплого воздуха) растению может помогать опушение различных частей, например, почек (но, конечно, не листьев, если они будут сброшены), и сами почечные чешуи. По той же причине для растений, произрастающих в сезонном климате, характерно утолщение различных защитных и покровных тканей (коры, пробки, кутикулы и т.д.)

Растение может терять тепло и из-за испарения воды. Вода требует очень большого количества тепла для нагревания и испарения — у нее высокая теплоемкость. Это тепло вода берет от растения, с которого испаряется. Тяжелые пары эфирных масел помогут уменьшить испарение воды, а также удержать теплый воздух. Той же цели служат и смолы, в обилии выделяемые почками хвойных растений — они как бы “запечатывают” почку.

Многие участники справедливо отметили, что жизнедеятельность растения сезонна, и в жизни растения есть периоды покоя и активности. Так, растение перераспределяет питательные вещества из листьев в другие органы, например, в луковицы или в запасающие ткани в стволе, выводит и связывает воду. Опасность воды при замерзании заключается в том, что объем льда больше объема замерзающей воды, и что образующиеся кристаллики льда разрушают острыми гранями нежные клеточные структуры. С другой стороны, совсем без воды растение обходиться не может. Есть много способов обезопасить воду: прочно связать ее специальными белками, чтобы не могли образоваться кристаллики; увеличить количество растворимых сахаров — вода станет более вязкой и температура ее замерзания уменьшится; а в клеточной стенке воду связывают гемицеллюлозы, вещества, похожие на знакомую вам целлюлозу, но отличающиеся химически. Кроме того, связывание воды также поможет избежать образования пузырьков газа, которые иначе при таянии льда образовались в проводящей системе и нарушили нормальный процесс проведения соков.

Большинство участников вспомнило и про листопад как одно из самых ярких предзнаменований перехода растения к зимнему сну, однако, к сожалению, лишь некоторые развили мысль дальше и пояснили, чем же листопад так полезен растению, а ведь тут можно было многое вспомнить: он и освобождает растение от лишних трат воды и питательных веществ, и уменьшает нагрузку на дерево (иначе на листовые пластинки легло бы много снега), а листовой опад, формируя сплошной слой у земли, может служить дополнительной защитой от промерзания корней, особенно в бесснежные зимы.

Много ответов было посвящено хвое как одной из главных адаптаций к холоду у хвойных растений. Как и в случае с версией про листопад, часто участники ограничивались написанием одного слова “хвоя” (или просто “иголки”) и редко поясняли, чем же эти видоизмененные листья так полезны растению, а ведь и испарение воды с них ниже за счет кутикулы и глубоко погруженных устьиц, и фотосинтез в не слишком суровые морозы возможен, и ветки с хвоей от снега редко ломаются за счет формы листьев. Преобразованные в хвою листья и характерная форма кроны многих вечнозеленых деревьев способствуют образованию “шалаша”, покрытого снегом, который формирует воздушную подушку и защищает корни от вымерзания.

 

Адаптации к сезонности климата — это адаптации не только к переживанию холода, но и адаптации к пробуждению от зимнего сна и возобновлению жизнедеятельности. Версии о таких адаптациях высоко оценивались. Они очень разнообразны: это и рост из зимующих плодов, которые должны быть скорее сухими, а не сочными; разновременная всхожесть, когда семена, проросшие ранее, угнетают рост еще не проклюнувшихся семян - тогда в случае резких заморозков еще будет, кому прорасти; более темная кора хорошо впитывает солнечное излучение, как и некоторые другие вещества, например, красные пигменты антоцианы (обратите внимание на проростки весной — многие из них красные именно из-за антоцианов!).

 

К сожалению, абсолютное большинство участников рассмотрели только наземные растения в контексте вопроса, и совсем не вспомнили про водные, которые в холодный сезон встречаются совсем с другими условиями, чем наземные растения. Задача пережидания неблагоприятных условий для них существенно облегчена, так как редкий водоем промерзает до дна, а жидкая вода из-за ее физических свойств имеет наибольшую плотность при 4°С, и соответственно, опускается вниз, где и перезимовывают вегетативные части и плоды водных растений.

 

У млекопитающих одного вида состав молока может отличаться в довольно широких пределах, даже у одного и того же животного в разное время. Предположите, с чем это может быть связано.

Молоко — это питательная жидкость, вырабатываемая молочными железами млекопитающих и предназначенная для питания детенышей, не способных усваивать другую пищу. Несмотря на то, что вопрос не относился к конкретному животному, участники олимпиады рассматривали и писали в основном о коровах (Bos taurus taurus, одомашненный подвид дикого быка), часто приводя конкретные данные по составу их молока из соответствующих руководств. Точные цифры, взятые из справочной литературы, не оценивались, поскольку не имеют отношения к ответу на поставленный вопрос: что может повлиять на состав молока у животных одного и того же вида?

Таких факторов много. Как верно писали участники олимпиады, на состав молока может оказывать существенное влияние порода/географическая раса животного, его питание, количество потребляемой воды, возраст, индивидуальные особенности конкретного животного, сколько животное двигается и не болеет ли оно чем-нибудь, в каких условиях содержится, если животное домашнее. В отдельную категорию можно вынести ответы, учитывающие периодическую смену состояния животного — его реакцию на смену дня и ночи (так, вечернее молоко у сельскохозяйственных коров отличается от утреннего), времен года, также состав молока будет очень сильно изменяться в зависимости от периода лактации (сразу после родов вместо молока будет выделяться молозиво, значительно более обогащенное белками и белыми кровяными тельцами, обеспечивающими иммунитет новорожденному; затем молозиво становится переходным, а впоследствии и зрелым молоком); молоко будет немного различаться и в зависимости от начала к концу доения или кормления (жирность молока постепенно возрастает). Время, проведенное животным на солнечном свету, теоретически может повлиять на содержание витамина D₃ в молоке такого животного.

 

7-5 Внеярусные растения — это такие, которые могут существовать на разных ярусах растительного сообщества, то есть на разной высоте от земли. Как вы думаете, какие преимущества и проблемы для растения создаёт его внеярусность?

Внеярусные растения получают следующие преимущества:

- получают много света и даже могут выбирать наиболее благоприятные условия обитания;

- легко приспосабливаются к различным условиям внешней среды;

- снижается внутривидовая конкуренция;

- за счет одновременного нахождения в нескольких ярусах у растения есть доступ к большему числу видов опылителей

- легче распространять семена, как с помощью ветра, так и с помощью животных.

У таких растений возникают следующие сложности:

- нужен длинный стебель, а по нему сложно доставлять воду и питательные вещества

- нужны приспособления для устойчивости к ветру

- при гибели и падении растения-опоры придется снова забираться наверх

- нет специфических приспособлений к определенному ярусу

- с переходом от яруса к ярусу сильно меняются условия освещенности и для эффективного фотосинтеза нужны разные листья, а их рост сложно регулировать

 

Вы давно и пристально наблюдаете за популяцией малоизученных животных мымриков в дикой природе. Вы заметили, что время от времени они едят не только свою привычную пищу, но и какую-то не характерную для них еду (например, ядовитые грибы или кору деревьев), хотя “обычной” еды им, казалось бы, хватает. С помощью каких экспериментов вы можете выяснить, зачем они это делают?

Вопрос требовал от участников предложить эксперимент, который позволил бы понять, для чего мымрики едят нехарактерную пищу. К сожалению, многие ребята предлагали только свои гипотезы, не сопровождая их экспериментами. Такие ответы не засчитывались, так как не отвечали на вопрос.

Среди предложенных экспериментов наиболее часто встречалась идея изучить различные анализы мымриков. Например, посмотреть на биохимический состав крови, изучить их кал, мочу, сравнить биохимические показатели мымрика, который ел обычную пищу и мымрика, который ел необычную пищу и т.п. Часто такое предложение сопровождалось гипотезами, что мымрик болеет, либо что ему не хватает каких-то веществ, и необычная еда нужна ему чтобы вылечится или чтобы восполнить недостаток. Опираясь на эти гипотезы, участники также предлагали проверить здоровье мымрика, предлагать больным мымрикам нехарактерную пищу и т. п. Это всё — хорошие версии, которые оценивались тем выше, чем более подробно описывался эксперимент. Например, версия “взять больных мымриков и предложить им обычную и необычную пищу и посмотреть, что они выберут” была более “дешевой”, чем версия “взять здоровых и больных мымриков и предложить им обычную и необычную пищу и посмотреть, что они выберут”, потому что во второй версии присутствует контрольная группа из здоровых животных.

Также участники предлагали разные варианты экспериментов, в которых одна группа мымриков питается одним образом, а другая — другим. Например, одной группе давать только обычную еду, другой — только необычную. Или одну группу кормить обычной и необычной едой, а другой давать только обычную. Это хорошие идеи для экспериментов, они оценивались неплохо, особенно если участник сопровождал это своими гипотезами.

Совсем редкие версии были такими: мымрики едят необычную еду для того, чтобы плод/потомство правильно развивались, поэтому нужно части беременных мымрих давать необычную еду, а части — не давать; возможно, необычная еда нужна мымрикам для изменения своего запаха/внешнего вида в брачный период, поэтому нужно понаблюдать за поведением тех мымриков, которые ели необычную еду; необычную еду мымриков заставляет есть нейропаразит, поэтому нужно исследовать их мозг.

В целом, если участник предлагал хотя бы какой-нибудь вариант исследования, а не только писал гипотезы, это уже засчитывалось и оценивалось.

 

Класс