XII Международная олимпиада «Эрудит» Биология 9 класс 1 тур Ответы Максимальное количество баллов – 100 Задание №1 (до 25 баллов): Проблема борьбы с фальшивомонетчиками существует с незапамятных времён. До сих пор ни в одном государстве эта проблема не решена. А знаете ли Вы, что бабочки смогли вдохновить производителей денег на борьбу с фальшивомонетчиками? Вопросы: 1. Каким образом бабочки смогли вдохновить производителей денег на борьбу с фальшивомонетчиками? 2. Какую технологию подсказали бабочки ученым? 3. Почему у фальшивомонетчиков возможность подделать деньги скоро будет равна нулю? 4. Какие проблемы можно было бы решить с помощью данной технологии? 5. Приведите аргументы и примеры, подтверждающие Ваш ответ. Примерное содержание ответа: Одно из недавних открытий учёных-физиков из Кембриджского и Эксетерского университетов (Великобритания), вселяет надежду, что в борьбе с фальшивомонетчиками в скором времени можно будет поставить точку. Сотрудниками Кембриджского университета Матиас Колль (Mathias Kolle), Ульрих Штайнер (Ullrich Steiner) и Джереми Баумберг (Jeremy Baumberg) была создана искусственная структура, которая по своим оптическим свойствам и форме, а также расположению отдельных наноразмерных элементов соответствовала крыльям индонезийской бабочки – парусника (Papilio blumei). Дело в том, что яркие, переливающиеся крылья некоторых бабочек, жуков и других насекомых давно привлекают внимание не только случайных наблюдателей, но и ученых. Крылья бабочек покрыты чешуйками, которые стряхиваются в виде пыли, если к бабочке прикоснуться. Всё разнообразие окраски и рисунка крыльев создаётся не только пигментацией, но и строением чешуек. Помимо пигментных (т. е. содержащих красящие вещества) чешуек, у многих видов, особенно тропических, имеются чешуйки иного типа – «оптические». В таких чешуйках пигмент отсутствует, они бесцветны. Но за прекрасные переливающиеся цвета крыльев бабочек отвечают не пигменты, а особые геометрические образования из клеток крыльев – свет попадает в лабиринт отверстий и ходов и преломляется. В зависимости от строения отражается свет какой-то определённой длины волны. А в сумме образуются переливы различных цветов. Так чешуйки на крыльях P. blumei, определяющие их яркий цвет, покрыты сетью микроскопических углублений. Обычному человеку чешуйки на крыльях P. blumei, кажутся ярко-зелёными, но при наблюдении с помощью определённого оптического оборудования они представляются синими. Причём бабочка видит своих сородичей ярко-синими, а хищники видят лишь зелёные пятна на зелёном фоне тропической растительности. Поэтому данные переливчатые структуры и могут быть использованы для защиты ценных бумаг и денежных купюр от подделок – решили учёные. В своих опытах авторы использовали несколько технологий создания тонких слоёв материала (методики осаждения атомных слоёв, осаждения распылением и некоторые другие). В итоге был сформирован аналог поверхности чешуек с их характерными углублениями. Сверху структура была покрыта 11-ю чередующимися слоями оксидов алюминия и титана. Получившаяся модель меняла цвет с красного на голубой в зависимости от угла зрения и ничем не отличалась от крыла бабочки. В дальнейшем исследователи смогли создать и другие искусственные поверхности, структурно идентичные крыльям бабочек – и они засияли такими же яркими цветами! И, хотя природа до сих пор остается непревзойденным мастером «самосборки», у ученых есть перед ней некоторое преимущество – они могут использовать гораздо более широкий спектр искусственных материалов, специально изготовленных для оптимизации оптических свойств полученных структур. В лабораторных условиях возможно заранее запрограммировать характеристики такого переливания. После чего защитный слой может быть перенесен на ценные бумаги, которые необходимо защитить от подделки. Используя данные технологии, в дальнейшем можно будет решить проблемы с подделкой паспортов, банковских карт и других документов, а также их можно будет использовать в защищенной полиграфии и для шифрования информации. Задание №2 (до 25 баллов): В последнее время на различных научно-практических конференциях, посвященных проблемам современного человечества, ученые активно обсуждают «химические спутники земли». Говорят о том, какую роль они могут сыграть уже сегодня и в будущем. Вопросы: 1. Что скрывается за названием – «химический спутник земли»? 2. Какие взаимосвязи существуют между «химическими спутниками земли» и современными проблемами человечества? 3. Какую роль в истории современного человечества, а также в будущем, могут сыграть «химические спутники земли»? Предлагаем при оформлении ответа воспользоваться предлагаемой ниже таблицей. Таблица для ответа на вопрос №1 Название Описание № разновидности «химического «химического спутника земли» Какую роль «химический спутник земли» Какую роль «химический спутник земли» спутника земли» играет сегодня может сыграть в будущем Приведите аргументы и примеры, подтверждающие Ваш ответ. Примерное содержание ответа: 1. Что скрывается за названием – «химический спутник земли»? «Химический спутник Земли» – токсичные вещества, попадающие в атмосферу Земли и совершающие разнообразные маршруты до выпадения с дождем или снегом в разных регионах нашей планеты. «Химический спутник земли» – это химические вещества, которые при их выбросах в атмосферу подхватывает ветер и, в соответствии с розой ветров, они совершают близкие и далекие (в том числе кругосветные) маршруты, до тех пор, пока не повстречаются с дождевым или снежным облаком и не выпадут в конкретном районе Земли. Ежегодно на территории континентальной России выпадает в среднем 9653 кубометров осадков. Все содержащиеся в них металлорганические и неорганические вещества оказываются в почве и воде. Особенно неблагополучная ситуация складывается в арктических районах России (также Канады и США), загрязнение в 18 раз выше. Уровень загрязнения природных вод также растет, так как постоянно увеличивается объем сточных вод с предприятий промышленности, транспорта, энергетики, сельского и коммунального хозяйства. 2. Какие взаимосвязи существуют между «химическими спутниками земли» и современными проблемами человечества? Токсичные вещества, попадающие в атмосферу с выбросами из труб автомобилей, промышленных и энергетических предприятий, со свалок промышленных и бытовых отходов, с сельскохозяйственных полей и т.д., подхватываются ветром и, в соответствии с «Розой ветров», совершают короткие и длинные (включая кругосветные) маршруты, а затем выпадают с дождём или снегом в различных регионах нашей планеты. Взаимосвязь заключается в том, что «химические спутники земли» – это выбросы, являющиеся результатом хозяйственной деятельности человека, которые оказывают отрицательное влияние на здоровья и человека в том числе, кроме этого способствуют возникновению экологических проблем. Название разновидно Проблемы, связанные с Какую роль сти Описание использованием. «химический № «химическ «химического Какую роль «химический спутник земли» ого спутника земли» спутник земли» может играет сегодня спутника сыграть в будущем земли» 1 Нефтяные Бензин, керосин, углеводоро дизельное топливо ды – производные нефти 2 Полихлори рованные бифенилы (ПХБ) 3 Это хлорпроизводные предельных углево дородов. Их особенность – теплостойкость и возможность использования как изолятора в электротехнике. Бесцветные и без запаха, ПХБ также химически стабильны. Используются человеком как топливный ресурс ПХБ использовались как диэлектрические жидкости в трансформаторах и конденсаторах, теплоносители (в том числе как хладагенты), смазки, стабилизирующие добавки в гибких поливинилхлоридн ых (ПВХ) покрытиях электрических проводов и электронных компонентов, как присадки к пестицидам, ингибиторы пламени (ретарданты), гидравлические жидкости, замазки, клеи, мастики, краски. Поливинил Бесцветная, Применяется для хлорид прозрачная пластма электроизоляции (ПВХ) сса, проводов и термопластичный кабелей, пленок полимер для натяжных винилхлорида потолков, искусств При их сжигании образуются и поступают в окружающую среду канцерогенный бенз(а)пирен, вызывающий гипоксию (кислородное голодание) монооксид углерода, а также влияющий на глобальное изменение климата диоксид углерода. Обладают сильными негативными эффектами на здоровье человека. Будучи устойчивыми соединениями, ПХБ кумулируются в объектах окружающей среды и передаются через пищевые цепи. Водные организмы – гидробионты, рыбы, моллюски, ракообразные накапливают ПХБ. Однако, самое опасное влияние ПХБ на человека заключается в их мутагенном действии. При длительном введении ПХБ обезьянам до и во время беременности, а также в период лактации наблюдались ранние выкидыши, преждевременные роды, гибель плодов вскоре после рождения. При сжигании остатков способствуют образованию и накоплению в биосфере очень устойчивых и одних из самых 4 Азотсодер жащие удобрения 5 Хлорорган ические пестициды, включая ДДТ и продукты диенового синтеза енной кожи, линолеума, грязезащитных ковриков, обувных пластикатов, для производства грамп ластинок (то есть виниловых), профилей для изготовления окон и дверей, в одежде и аксессуарах для создания подобного коже материала, используют как уплотнитель в бытовых холодильн иках, моющиеся обои покрываются плёнкой из ПВХ с лицевой стороны, делая обои непромокаемыми Неорганические и Используются для органические азото повышения содержащие вещес урожайности тва растений в с/хозяйстве Имеют высокую токсичность, медленный метаболизм в природных объектах, свойство биоаккумуляции. Производство и применение в сельском хозяйстве токсичных веществ – полихлорированных дибензодиоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ) Приводят к накоплению в организмах нитратионов, приводят к образованию канцерогенных нитрозаминов. Применение может вызывать эвтрофикациюб лизлежащих водоёмов. Образующийся в ходе денитрификации N2O является сильным парниковым газом Вызывают раковые и другие заболевания 6 7 8 9 Производн ые алкилфено лов Алкилфенолы – его производные, содержащие алкильный радикал типа метил, этил и т.д. Броморган Оранжевая летучая ические жидкость с антивоспла удушающим едким менители запахом. Вызывает химические ожоги, при вдыхании паров – ожоги дыхательных путей и легких, в скорой перспективе – отек легких и смерть. Канцероген Содержит только ная глину, песок и перфторокт камень. ановая кислота Используются в стиральных порошках и моющих средствах. Негативно влияют на репродуктивное здоровье как женских, так и мужских организмов. Добавляют в краски. Выделяемые ими вещества вызывают разрушение внутренних органов человека. Используются для получения полимеров, применяемых в качестве антипригарных покрытий в кухонной посуде Фреоны Использовались долгое время в качестве хладоагентов Является причиной развития рака печени и репродуктивных органов у животных. Также приводит к мутациям клеток, проблемам иммунной системы, щитовидной и поджелудочной желез. Разрушают внутренние органы людей, а также защитный озоновый слой Земли Бесцветный газ, не обладающий токсичными свойствами. 3. Какую роль в истории современного человечества, а также в будущем, могут сыграть «химические спутники земли»? Экологические проблемы глобального характера в будущем будут угрожать существованию мировой цивилизации. Это касается загрязнения окружающей среды и живых организмов, в том числе человека. Главная задача на сегодня – это использование новых нетрадиционных источников энергии (солнечная энергия, ветровая, приливные электростанции и т.д.), кроме этого использование материалов, не приносящих вред природе, например, биоразлагающиеся вещества или из природных материалов (например, бумажные пакеты вместо полиэтиленовых). Задание №3 (до 25 баллов): Известно, что у человека в норме должно быть 46 хромосом. Каждый человек получает 23 хромосомы от матери (столько хромосом в яйцеклетке) и 23 хромосомы от отца (столько хромосом в сперматозоиде). Женщина получила от матери две хромосомы неправильной формы, а остальные нормальные. От отца она получила одну хромосому неправильной формы, а все остальные нормальные. Вопросы: 1. Какова вероятность того, что все три ненормальные хромосомы окажутся в одной яйцеклетке в процессе гаметогенеза? 2. Какова вероятность, что ни одна из них не попадет в яйцеклетку в процессе гаметогенеза? Примерное содержание ответа: 1. Какова вероятность того, что все три ненормальные хромосомы окажутся в одной яйцеклетке в процессе гаметогенеза? ½ *½ * ½ = 1/16 2. Какова вероятность, что ни одна из них не попадет в яйцеклетку в процессе гаметогенеза? ½ *½ * ½ = 1/16 Задание №4 (до 25 баллов): В жизни живых организмов огромное значение играют «буферные системы». Не является исключением и организм человека, в том числе и ваш. Вопросы: 1. Что же такое «буферные системы»? 2. Из чего они состоят и каким образом они работают? 3. Каково их значение в жизни живого организма? 4. Решите биологическую задачку про буферные системы: Фосфатная буферная система: Низкий pH НРО42- + Н ←―――――――→ Гидрофосфат — ион Высокий pH H2PO4- + Дигидрофосфат — ион a) Как отреагирует фосфатная буферная система на понижение рН? Бикарбонатная буферная система: Низкий pH НСО3- + Высокий pH Н+ ←―――――――→ H2СO3 Гидрокарбонат — ион Угольная кислота b) Как отреагирует бикарбонатная буферная система на повышение рН? Приведите аргументы и примеры, подтверждающие Ваш ответ. Примерное содержание ответа: Буферными называют растворы, рН которых практически не изменяется от добавления к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разведении. Простейший буферный раствор – это смесь слабой кислоты и соли, имеющая с этой кислотой общий анион (например, смесь уксусной кислоты СН3СООН и ацетата натрия СН3СООNa), либо смесь слабого основания и соли, имеющая с этим основанием общий катион (например, смесь гидроксида аммония NH4OH с хлоридом аммония NH4Cl). В организме одновременно существует несколько различных буферных систем. В функциональном плане их можно разделить на бикарбонатную и небикарбонатную. Небикарбонатная буферная система включает гемоглобин, различные белки и фосфаты. Она наиболее активно действует в крови и внутри клеток. HCO3- бикарбонатный ион является ключевым компонентом бикарбонатной буферной системы организма. Она состоит из двух кислотно-основных частей, находящихся в динамическом равновесии: угольная кислота / бикарбонатный ион и бикарбонатный ион / карбонатный ион. Кислоты, образующиеся в процессе метаболизма, нейтрализуются бикарбонатом. При рН около 7.4 в организме преобладает бикарбонатный ион, и его концентрация может в 20 раз превышать концентрацию угольной кислоты. По своей природе угольная кислота очень нестойкая и сразу же после своего образования расщепляется на углекислый газ и воду. Реакции образования и последующего быстрого расщепления угольной кислоты в организме настолько совершенны, что им часто не придают особого значения. Эти реакции катализируются ферментом карбоангидразой, который находится в эритроцитах и в почках. В зависимости от условий, обе реакции могут идти в том или ином направлении. Если в закрытой системе появляется избыток углекислого газа, то равновесие этих реакций смещается влево, что приводит к незначительному снижению рН. Особенность бикарбонатной буферной системы состоит в том, что она открыта. Избыток ионов водорода связывается с бикарбонатом, образующийся при этом углекислый газ стимулирует дыхательный центр, вентиляция лёгких повышается, а излишки углекислого газа удаляются при дыхании. Так в организме поддерживается баланс рН. Чем больше в клетках образуется ионов водорода, тем больше расход бикарбонатного буфера. На этом этапе метаболизма подключаются почки, которые выводят избыток ионов водорода, и количество бикарбоната в организме восстанавливается. Небикарбонатная буферная система включает гемоглобин, различные белки и фосфаты. Она наиболее активно действует в крови и внутри клеток. Рассмотрим процесс восстановления небикарбонатных буферных систем с помощью бикарбонатной буферной системы Фосфатный буфер может действовать как в составе органических молекул, так и в качестве свободных ионов. Одна его молекула способна связывать до трёх катионов водорода. Белки могут присоединять к своей полипептидной цепочке как кислотные, так и основные группы. Буферная ёмкость белковой буферной системы может охватывать широкий диапазон рН. В зависимости от имеющейся величины рН она может связывать как гидроксильные группы, так и ионы водорода. Третья часть буферной ёмкости крови приходится на гемоглобин. Каждая молекула гемоглобина может нейтрализовать несколько ионов водорода. Когда кислород переходит из гемоглобина в ткани, способность гемоглобина связывать ионы водорода возрастает и наоборот: когда в лёгких происходит оксигенация гемоглобина, он теряет присоединённые ионы водорода. Освободившиеся ионы водорода реагируют с бикарбонатом, и в результате образуется углекислый газ и вода. Образовавшийся углекислый газ удаляется из лёгких при дыхании. Этот процесс можно рассматривать как цепь реакций, в результате которых ион водорода перемещается между различными буферными системами, в конечном итоге достигая бикарбонатного буфера. 1. При понижении рН фосфатная буферная система связывает Н+, уменьшает кислотность. 2. При повышении рН угольная кислота диссоциирует: H2СO3 → НСО3- + Н+, рН понижается.