Углеводы у животных и растений

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?

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 экономить 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. У животных резервуаром гликогена является печень, которая играет основную роль в регуляции уровня глюкозы в крови, в связи с чем, в ней относительно много углеводов. Поскольку мышцы животных — один из основных потребителей энергии, они содержат относительно большой запас углеводов.

Число эритроцитов в крови

Срок жизни безъядерных эритроцитов относительно невелик (порядка одного-трех месяцев), между тем их число в организме достаточно постоянно. Предложите гипотезу, объясняющую, как организм поддерживает постоянное число эритроцитов, и опыты, которые позволили бы проверить эту гипотезу.

Чтобы регулировать какую-либо величину, надо, прежде всего, уметь ее измерять, а кроме того, иметь «эффектор», то есть устройство, которое позволяет увеличивать или уменьшать регулируемую величину. В задаче про эритроциты главная загадка — как измерять число эритроцитов в организме. Трудно представить себе устройство, которое прямо подсчитывало бы число эритроцитов (их слишком много, и они находятся в самых разных местах). Значит, в организме должно происходить изменение какой-то величины, которая пропорциональна числу эритроцитов.
Здесь может быть придумано достаточно много вариантов, представляющихся разумными. Во-первых, такой величиной может быть количество кислорода, поступающего к каким-либо органам или участку мозга. Во-вторых, это может быть какое-то вещество, выделяемое в кровь самими эритроцитами. В-третьих, организм может измерять не полное число эритроцитов, а пропорциональное ему количество погибших эритроцитов. При гибели эритроцитов в кровь или еще куда-либо может поступать, например, гемоглобин.

Подробнее...

Артериальное давление

Известно, что даже при небольшой мышечной работе артериальное давление возрастает. Согласно одной гипотезе, это происходит потому, что работающие мышцы выделяют в кровь какие-то вещества, влияющие на сосуды. Согласно другой гипотезе, когда мозг посылает к мышцам сигналы, заставляющие их работать, он одновременно посылает к сосудам сигналы, меняющие кровяное давление. Какие эксперименты надо поставить для проверки этих гипотез?

Очевидно, идея опытов должна быть такова: надо заставить нервную систему работать так, чтобы мышца не сокращалась, а сигнал к сосудам шел, затем надо заставить мышцу работать без участия нервной системы. Первый опыт может быть поставлен с использованием яда кураре, который блокирует передачу сигналов от нервов к скелетным мышцам (чтобы животное при этом не погибло, его переводят на искусственное дыхание). Затем надо подать сигнал, на который животное обычно отвечало заученным движением. В этих условиях мышцы реально работать не будут, несмотря на желание животного совершить движение. Если в этих условиях давление будет меняться, то это значит, что сигналы, приходящие от мозга, могут менять давление.
Конечно, этот опыт не доказывает, что давление меняется только от этих сигналов, и тем самым не отвергает первую гипотезу, подтверждая вторую. Если же давление в этих условиях меняться не будет, то никакого вывода сделать не удастся, так как опыт допускает разные толкования. Может, например, оказаться, что, когда все мышцы расслаблены, нервная система перестанет посылать сигналы к сосудам. Чтобы разобраться в таком результате, требуются дополнительные опыты. Для проверки первой гипотезы можно перерезать нерв, идущий к мышце, чтобы сигналы от нее не поступали в мозг, а затем раздражать саму мышцу электрическим током. Если в этих условиях давление изменится, значит, вещества, выделяемые мышцей, могут влиять на кровяное давление (и тут опыт не доказывает, что это единственный источник, влияющий на кровяное давление).

Расширение зрачков

При проверке зрения врачи капают в глаза атропин, что вызывает расширение зрачка. Зрачки расширяются в темноте, при испуге, от боли. Как Вы полагаете, какие явления приводят к расширению зрачка в этих разных случаях?

Зрачок — это отверстие в радужной оболочке глаза. Диаметр зрачка изменяется под действием мускулатуры радужной оболочки, а именно двух гладких мышц: кольцевой и радиальной. Кольцевая мышца возбуждается волокнами парасимпатического отдела вегетативной нервной системы (медиатор — ацетилхолин), а радиальная — симпатическими волокнами (медиатор — норадреналин). Обе гладкие мышцы обычно тонически напряжены, и диаметр зрачка определяется их взаимодействием. Расширение зрачка может быть вызвано либо расслаблением кольцевой мышцы, либо сокращением радиальной. Атропин блокирует действие ацетил- холина, что вызывает расслабление кольцевой мышцы. Адреналин, выделяющийся при сильных эмоциях, возбуждает радиальную мышцу. Этим объясняется расширение зрачка при испуге или от боли; в этих случаях механизм регуляции гуморальный. Напротив, расширение зрачка в сумерках обусловлено нервной регуляцией, работой соответствующей рефлекторной дуги.

Регуляция концентрации глюкозы в крови

Как регулируется концентрация глюкозы в крови животных?

В нервных клетках нет собственных запасов питательных веществ, поэтому даже кратковременное прекращение поступления к ним глюкозы (или кислорода) приводит к нарушению процессов жизнедеятельности клеток и даже к их гибели. Следовательно, поддержание нормального уровня глюкозы в крови является жизненно важным. При поступлении большого количества углеводов с пищей уровень глюкозы в крови повышается мало. Это связано с тем, что глюкоза, поступившая после всасывания в кишечнике в кровь, прежде всего поступает в печень, где избыток ее откладывается в виде гликогена. Если печень не справляется с этой задачей, то уровень глюкозы в крови несколько повышается и ее избыток выделяется через почки.
В промежутках между приемами пищи (особенно при длительном голодании) глюкоза в организм не поступает, но расход ее в клетках продолжается. И, тем не менее, уровень глюкозы в крови практически не понижается. Это объясняется двумя причинами: во-первых, из запасов гликогена в печени образуется глюкоза, которая поступает в кровь; во-вторых, при необходимости глюкоза синтезируется в печени заново из неуглеводных предшественников, в частности из белков (этот процесс называют глюконеогенезом). Мобилизация запасов гликогена может происходить очень быстро; для развития глюконеогенеза требуется несколько часов. Очевидно, для того чтобы была возможность регуляции уровня глюкозы, он должен как-то определяться, измеряться в организме (как и любой другой регулируемый параметр). По-видимому, клетки печени (гепатоциты) имеют собственные глюкозочувствительные рецепторы и в зависимости от их «показаний» либо создают запасы гликогена, либо, напротив, расходуют его. Работа гепатоцитов находится под контролем целого ряда гормонов, в первую очередь гормонов поджелудочной железы. Клетки поджелудочной железы имеют собственные рецепторы, измеряющие уровень глюкозы в крови. При избытке глюкозы бета-клетки поджелудочной железы усиливают синтез инсулина, при снижении уровня глюкозы альфа-клетки усиливают синтез глюкагона. Инсулин тормозит глюконеогенез и способствует образованию запасов гликогена в печени и мышцах, а также поглощению глюкозы жировой тканью. Функции глюкагона противоположны: под его воздействием происходит образование глюкозы из гликогена. Мобилизация гликогена и образование глюкозы происходят также под действием адреналина. Работа гормонального аппарата поджелудочной железы и надпочечников контролируется системой гипофиз — промежуточный мозг, где имеются собственные рецепторы, измеряющие уровень глюкозы в крови.

Реакции при кровопотерях

При больших потерях крови человек сильно бледнеет, учащенно дышит, ему хочется пить. Какими реакциями организма обусловлены эти симптомы? Являются ли эти реакции защитными? Почему? Какие еще реакции возникают при кровопотере?

Большие кровопотери ведут к уменьшению числа эритроцитов, ухудшению снабжения организма кислородом, потере жидкости. Это вызывает ряд защитных реакций организма. Так, повышение концентрации СО₂ вызывает учащение дыхания. Снижение кровяного давления приводит к учащению сердцебиения, сокращению просветов сосудов кожи (бледность) и мышц, выбросу крови из депо. Общая вялость, сонливость также носят защитный характер, так как ведут к снижению энергозатрат. Ухудшение кровоснабжения мозга может привести к обмороку. При большой кровопотере начинается интенсивный гемопоэз (образование эритроцитов, лейкоцитов и других элементов крови). Реакции сердечно-сосудистой системы запускаются хеморецепторами и рецепторами давления.
Более сложен вопрос о возникновении жажды. По-видимому, отчасти возникновение жажды связано с тем, что при обезвоживании повышается осмотическое давление крови, что вызывает реакцию осморецепторов, расположенных в гипоталамусе. Кроме того, снижение кровоснабжения почек ведет к выделению ими вещества ангионина, которое, действуя на хеморецепторы гипоталамуса, тоже вызывает усиленное потребление воды.

Трехкамерное сердце

Если бы к Вам пришла лягушка за советом, стоит ли ей менять свое трехкамерное сердце на четырехкамерное или двухкамерное (убрав перегородку между предсердиями), что бы Вы ей посоветовали?

Лягушке надо посоветовать сохранить ее трехкамерное сердце. Двухкамерное сердце было бы невыгодно для лягушки по следующим причинам. При трехкамерном сердце кровь, несущая кислород от легких, попадает в левое предсердие. Венозная кровь от мышц, внутренних органов и т. д. поступает в правое предсердие (туда же поступает кровь от кожи). При одновременном сокращении предсердий кровь поступает в единственный желудочек лягушки, но мало смешивается в нем, так как желудочек содержит ряд перегородок и напоминает по своей структуре губку. В результате в правой половине желудочка оказывается смешанная кровь, довольно бедная кислородом, а в левой — богатая кислородом. Аналог аорты (артериальный конус) отходит от правой части желудочка. В конусе находится особый так называемый спиральный клапан. От начальной части конуса отходят сосуды, несущие кровь к легким и коже; потом отходят сосуды, идущие к телу и к конечностям; еще дальше отходят сосуды, несущие кровь к головному мозгу и органам чувств, расположенным на голове. Когда желудочек начинает сокращаться, давление в нем еще невелико, спиральный клапан открывает только отверстие сосуда, идущего к легким и коже, и туда начинает поступать кровь из правой половины желудочка, бедная кислородом. По мере сокращения желудочка давление в нем нарастает, и спиральный клапан открывает отверстие следующего сосуда; к телу и внутренним органам поступает кровь, более богатая кислородом. Наконец, когда давление еще повысится, откроются входы в сонные артерии, несущие кровь к голове. Туда будет поступать кровь, наиболее богатая кислородом, из левой части желудочка, максимально удаленной от артериального конуса. Эта кровь лишь в незначительной степени попадает в другие сосуды, которые еще раньше были наполнены предыдущими порциями крови.

Подробнее...

Ощущения при невесомости

Космонавтам, попавшим в условия невесомости, первое время (особенно при закрытых глазах) кажется, что они перевернулись вниз головой. Объясните это явление.

В условиях поля тяжести человек воспринимает свою ориентацию как «правильную» в результате работы целого ряда механорецепторов: отолитового аппарата, механорецепторов суставов и внутренних органов, которые воспринимают давление вышележащих тканей, механорецепторов кровеносных сосудов, которые растягиваются под действием веса крови. Показания всех этих рецепторов интегрируются в центральной нервной системе и дополнительно контролируются зрением. Если человек на Земле переворачивается вниз головой, отолиты отклоняются от обычного положения, давление на суставы исчезает, кровь перестает растягивать вены ног. Но ведь и в невесомости сила тяжести не действует на отолиты, исчезает давление на механорецепторы суставов, невесомая кровь перестает растягивать сосуды ног, они за счет упругости сжимаются, и больше крови приливает к голове (это же происходит и на Земле при повороте вниз головой). В результате у космонавта может возникнуть впечатление, что он перевернулся вниз головой, особенно при закрытых глазах, когда нельзя ориентироваться относительно приборов кабины.

Сокращение мышцы в ответ на электрический импульс

При раздражении смешанного нерва одиночным электрическим импульсом в одной точке мышца сокращается однократно, а при таком же раздражении в другой точке мышца сокращается дважды. Чем это можно объяснить?

Простейший вариант ответа: при раздражении одной точки смешанного нерва возбуждаются и моторные волокна, в результате чего возбуждение поступает к мышце первый раз, и чувствительные, по которым сигнал идет в спинной мозг, а оттуда по рефлекторной дуге вторично приходит к мышце. Этот ответ, однако, является недостаточным. Дело в том, что при искусственном раздражении нерва электрическим током возбуждение по моторным волокнам идет не только к мышце, но и в обратном направлении — в спинной мозг, к моторным нейронам, которые на некоторое время после поступления неявных импульсов становятся невозбудимыми. Осознание этой проблемы — как избавиться от мешающего влияния встречных импульсов — необходимо для верного решения задачи.

Подробнее...