БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЛИМПИАДА ФМШ

ИНТЕРНЕТ-ОЛИМПИАДА СУНЦ НГУ 2007
Ответы на вопросы по БИОЛОГИИ для 11-х классов
1. Фантазия кинорежиссеров создала самых невероятных по внешности инопланетян, но при ближайшем
рассмотрении оказывается, что все они содержат ДНК. Обязательно ли это? Если нет, то каким
требованиям должны удовлетворять молекулы, составляющие химическую основу любой жизни?
(4 балла)
Ответ на вопрос 1.
Вопрос по сути связан с феноменом происхождения жизни – каким необходимым условиям
должны удовлетворять молекулы, обусловившие переход материи в принципиально новое
– живое – состояние.
Мы знаем, что фундаментальными свойствами живого являются сложность и способность
к самовоспроизведению. Воспроизведение невозможно без записи информации. Значит,
молекулы-носители жизни должны быть
1) длинными линейными НЕРЕГУЛЯРНЫМИ полимерами.
2) Единственный известный нам способ воспроизведения информации на молекулярном
уровне - матричное копирование, значит эти молекулы должны обладать свойством
самокопирования.
3) Ну и наконец, способность к эволюции подразумевает, что копирование идет не
абсолютно точно, а с ошибками – отсюда и изменчивость, и возможность отбора наиболее
эффективных молекул и молекулярных комплексов.
Мы перечислили требования к молекулам, лежащим в основе живого. Теперь задумаемся
– обязательно ли это ДНК? Ясно, что такими свойствами, в принципе могут обладать
многие биополимеры – и выбор одного из них зависит как от случайности, так и от
физико-химических условий на планете – они ведь могут быть совсем другими, чем на
Земле. В последнее время накапливается все больше доводов в пользу того, что и на Земле
первой «живой» молекулой была не вовсе не ДНК, а РНК (гипотеза РНК-мира).
2. Эукариотические клетки отличаются от прокариотических прежде всего наличием внутренних
мембран, которые делят клетку на отдельные отсеки (компартменты). Какие преимущества дает это
клетке?
(4 балла)
Ответ на вопрос 2.
Самая распространенная ошибка в ответе на этот вопрос – перечисление ВСЕХ отличий
эукариотической клетки от прокариот. Вопрос же сформулирован совершенно конкретно –
в чем выгода от разделения на компартменты. И самый простой ответ – в возникновении
отсеков с разной химической средой – рН, концентрацией различных ионов и мелких
органических молекул. Мы знаем, что от этих параметров зависит эффективность
ферментов – и оптимальные условия для разных ферментов различны. Это и позволяет,
разделив клетку на зоны, добиться наиболее эффективного протекания химических
реакций.
Вторая несомненная выгода – увеличение площади самих мембран и, следовательно,
интенсивности процессов, протекающих только на мембранах
– фотосинтеза и
кислородного дыхания.
Третье – с появлением мембранных отсеков появляется возможность внутриклеточного
пищеварения (фагоцитоз, лизосомы и пищеварительные вакуоли). Для бактерий это
невозможно – любой пищеварительный фермент, попав в клетку, переварит саму клетку.
3. Обнаружив кошку, у которой возникла редкая мутация «загнутые уши», заводчики решили вывести на
ее основе породу, в которой все особи имели бы этот признак. Но столкнулись с трудностями: при
скрещивании двух кошек с загнутыми ушами в потомстве всегда выщеплялись котята с ушами
нормальной формы. Таким образом, признак никак не удавалось перевести в гомозиготное состояние.
Как вы думаете, почему? И доминантным или рецессивным был этот признак?
(3 балла)
Ответ на задачу 3.
Это задача на летальный ген. Признак «загнутые уши», несомненно, доминантный – при
скрещивании родителей с этим признаком, он всегда наследуется потомством. Как мы
можем догадаться о летальном эффекте этого гена? В условии сказано, что всегда, при
скрещивании ЛЮБЫХ кошек с загнутыми ушами в потомстве появлялись и нормальные
уши. Что это значит? Что родители ВСЕГДА были гетерозиготны – только в этом случае
возможно появление потомков с рецессивным признаком (нормальные уши) у родителей с
доминантным. Ведь если бы хоть один родитель был АА (если А – загнутые уши, а –
нормальные), то котят с нормальными ушами бы в потомстве не появилось. Вывод:
гомозигот АА не существует. Следовательно, ген А летален в гомозиготном состоянии.
4. Работая с дрозофилами, студент обнаружил одного самца с новой мутацией «блестящие крылья». Он
скрестил этого самца с нормальными самками и уехал на каникулы, оставив пробирку со скрещиванием
лаборанту. Лаборант обещал размножать мух, когда появится потомство, но сказал, что ничего не
понимает в крыльях и отбирать мух с новым признаком не будет – а просто пересаживать по 10-15
особей каждого поколения в новую пробирку.
Вернувшись, студент застал уже десятое поколение от своего скрещивания и предполагал, что
новая мутация безвозвратно потеряна, так как большинство мутаций снижает жизнеспособность. К его
удивлению, почти все мухи в пробирке имели блестящие крылья. Какие объяснения он мог выдвинуть и
как их проверить?
(6 баллов)
Ответ на задачу 4.
Эта задача допускает множество разных объяснений – и среди ваших ответов попадались
такие, которые не пришли в голову составителям (например, что ген блестящих крыльев
одновременно сдвигает срок размножения на более ранний – так что эти мухи успевают
размножиться раньше своих неблестящих собратьев).
Перечислим возможные объяснения.
1) Мутация «блестящие крылья» доминантна. Тогда носителей этого признака,
действительно, будет больше. Проверить доминантность легко, скрестив мух с
блестящими крыльями с нормальными мухами из другой линии (которые точно не несут
гена «блестящести») и посмотрев, какой признак унаследуют потомки.
2) Мутация повышает приспособленность. Действительно, хоть в задаче и сказано, что
большинство мутаций снижает жизнеспособность – но это не абсолютное правило, и хоть и
редко, но в природе возникают «полезные» мутации. Это тоже легко проверить: вывести
чистую (гомозиготную) линию с блестящими крыльями, затем взять из нее несколько
оплодотворенных самок и посадить их в одну пробирку с равным количеством
оплодотворенных самок из чистой линии с нормальными крыльями. Потомство будет
развиваться в условиях конкуренции за корм – и если каких-то мух окажется существенно
больше, значит носители этого признака имеют преимущество в борьбе за существование.
3) Мутация рецессивна, но находится в Х-хромосоме (это объясняет ее обнаружение у
самца, но не объясняет, почему она распространилась в нашей пробирочной минипопуляции)
4) Половой отбор – самки предпочитали самцов с блестящими крыльями.
5) Дрейф генов (это объяснение не предложил никто из ответивших, хотя оно
представляется очень вероятным). В этом случае мутация может быть нейтральной или
даже вредной – но закрепится в силу чисто случайных причин, поскольку размер
популяции был крайне мал (в задаче не случайно говорится что в каждом поколении для
размножения отбирались только 10-15 особей). Это объяснение проверить прямо нельзя
(дрейф – случайный процесс), но оно останется единственным в случае, если мутация
рецессивна, снижает жизнеспособность (или нейтральна) и нет полового отбора.
5.Участок бактериальной ДНК имеет следующий состав:
5'...Г Т Т Г Ц А Т Ц А Ц Ц Ц А Т А Г...3'
3'...Ц А А Ц Г Т А Г Т Г Г Г Т А Т Ц…5'
Как Вы думаете, это начало или конец гена? От чего это зависит?
(5 баллов)
Ответ на задачу 5.
Если считать геном непосредственно участок, соответствующий белку, то он начинается со
СТАРТ-кодона АУГ (в м-РНК), а заканчивается одним из СТОП-кодонов УАА, УАГ, УГА.
Но кроме этого, чтобы ответить на вопрос, нужно знать, какая из цепей ДНК является
матричной (транскрибируемой), а какая – смысловой (нетранскрибируемой). Мы этого не
знаем – поэтому проверим обе возможности.
1) Пусть транскрипция идет с нижней цепи. Тогда она идет слева направо (матрица
читается от 3' к 5' концу). Синтезируемая м-РНК будет соответствовать верхней цепочке (с
учетом замены Т на У).
Мы видим, что в ней есть СТОП-кодон ТАГ:
5'...Г Т Т Г Ц А Т Ц А Ц Ц Ц А Т А Г...3'
3'...Ц А А Ц Г Т А Г Т Г Г Г Т А Т Ц…5'
И нет кодона АУГ – знака начала. Значит, если матричная – нижняя цепь, то это – конец
гена.
2) Рассмотрим второй случай – матричная верхняя цепь. Значит транскрипция идет
справа налево и м-РНК соответствует нижней цепочке. Читая нижнюю цепь справа
налево, встречаем СТАРТ-кодон АТГ, причем два раза:
5'...Г Т Т Г Ц А Т Ц А Ц Ц Ц А Т А Г...3'
3'...Ц А А Ц Г Т А Г Т Г Г Г Т А Т Ц…5'
Делаем вывод, что это – начало гена. Скорее всего, стартовым будет тот, что справа – он
первый, который встретит рибосома, двигаясь по матрице м-РНК.
Таким образом, приведенный участок может быть как началом гена (если матричная
верхняя цепь), так и концом (если матричная – нижняя цепь).
6. В ДНК одной из бактерий содержится 15% аденина и 35% гуанина, а у другой - 26% тимина и 24%
цитозина. Одна из этих бактерий была обнаружена в горячем источнике. Как Вы думаете, какая и
почему?
(3 балла)
Ответ на задачу 6.
Ответ на этот вопрос исходит из того факта, что комплементарное взаимодействие
нуклеотидов Г-Ц в двуцепочечной молекуле ДНК – прочнее (эта пара образует три
водородных связи, тогда как пара А-Т – только две). При высокой температуре важна
стабильность молекулы ДНК – поэтому у бактерий, живущих в горячих источниках
процентное содержание пар Г-Ц должно быть выше. Отсюда делаем вывод, что в
приведенном примере в горячем источнике жила первая бактерия (пар Г-Ц – 70%).