Задача 3. Из приведенного ниже перечня выберите заболевания, которыми человек может переболеть лишь один раз в жизни.

Аскаридоз, бронхит, ветряная оспа, грипп, дифтерия, коклюш, лейшманиоз, парадонтоз, родильная горячка, СПИД, столбняк, туберкулез, холера, чесотка.

Обоснуйте данные ответы. Какими общими свойствами обладают заболевания, которые могут поражать человека: (I) многократно; (II) однократно?

Заболевание может угрожать человеку единственный раз в жизни, если:

– инфекционный агент активирует иммунную систему и обеспечивает длительный иммунитет, причем антитела распознают все формы возбудителя;

– при болезни происходят необратимые изменения того или иного органа, что делает невозможным повторное развитие тех же симптомов (вариант – заболевание летально).

Разберемся, какие болезни из перечня можно отнести к этой группе.

СПИД – заболевание, вызываемое ретровирусами ВИЧ-1 и ВИЧ-2. Вирус передается половым путем, при переливаниях крови, трансплантации органов и тканей, грудном вскармливании, иногда – от матери к плоду. Оболочка вируса обладает определенным набором антигенных детерминант, приводящих к образованию специфических антител. Поскольку антигенная изменчивость ВИЧ очень высока, эту инфекцию можно было бы отнести к заболеваниям, которыми человек болеет много раз. Однако необходимо принять во внимание объект поражения.

Вирусные частицы связываются с клетками, несущими на поверхности CD4-антиген. Этим свойством обладает ряд иммунокомпетентных клеток: Т4-лимфоциты, некоторые В-лимфоциты, различные макрофаги, моноциты крови, клетки костного мозга и вилочковой железы. Вирус проникает внутрь клетки посредством эндоцитоза, на собственной РНК синтезирует ДНК и встраивает ее в геном хозяина. После этого вирус «молчит» много лет, а в какой-то момент начинает синтезировать свои копии, в результате чего развивается аутоиммунный ответ против Т4-лимфоцитов. Компоненты иммунной системы начинают заниматься «внутренними разборками», перестав бороться с внешними инфекциями и собственными мутировавшими клетками. Человек умирает от рака, воспаления легких или других заболеваний. Ясно, что повторное заболевание СПИДом в такой ситуации невозможно.

Ветряная оспа – вирусное заболевание, к возбудителю которого вырабатывается устойчивый иммунитет.

Возбудителем коклюша является палочка Борде–Жангу. Антитела вырабатываются как к самому возбудителю, так и к токсину.

Лейшманиоз – группа заболеваний, вызываемых простейшими – внутриклеточными паразитами. Поражаются макрофаги, ретикулярные клетки, возбудители могут проникать в селезенку, печень, лимфатические узлы и костный мозг. Благодаря развитию иммунного ответа происходит уничтожение больных клеток. Иммунитет стойкий. Из-за существования разных видов паразита теоретически лейшманиозом можно болеть несколько раз (если приобретенного иммунитета оказалось недостаточно, чтобы справиться с новым возбудителем), однако вероятность подобной ситуации крайне мала.

Инфекционное действие холерного вибриона обусловлено вырабатываемыми им токсинами. Переболевший человек приобретает иммунную защиту прежде всего против токсинов, а против вибриона – в меньшей степени. Соответственно этому результат повторного инфицирования зависит от состояния иммунной системы конкретного человека. В целом же шансы заболеть холерой вторично невелики.

Палочка Леффлера, возбудитель дифтерии, выделяет несколько типов токсинов. Иммунитет развивается и против токсинов, и против палочки. Возможно (хотя и нетипично) повторение заболевания, а также ситуация, когда антитела нейтрализуют токсины, но человек остается носителем инфекции.

Рассмотрим теперь болезни, которые могут поражать человека многократно. Подобные ситуации возникают, если:

– название болезни является сборным обозначением для патологических процессов со сходными симптомами, но обусловленных разными причинами и возбудителями;

– возбудитель имеет эффективные системы защиты, предотвращающие выработку иммунитета к его поверхностным антигенным детерминантам;

– антигенные детерминанты возбудителя весьма вариабельны;

– приобретенный иммунитет сохраняется лишь ограниченное время.

Перейдем к болезням, перечисленным в условии задачи.

Бронхит – это воспаление бронхов, которое может быть вызвано разными патогенными микроорганизмами, раздражающими химическими агентами и т.д. Болезнь может протекать остро или иметь хроническую форму с обострениями. Возможность повторных случаев бронхита следует из разнообразия возбудителей, вызывающих сходные симптомы болезни. Универсальный иммунитет в данном случае приобрести невозможно.

Парадонтоз – нарушение обмена веществ, приводящее к воспалению десен. Воспаление может вызываться попаданием различных микробов в область повреждения либо иметь внутренние (неинфекционные) причины. Понятно, что болеть парадонтозом можно несколько раз.

Послеродовая гнойная инфекция (родильная горячка) часто встречалась в XIX в. Возбудителями болезни являются кокки, разнообразные по строению и антигенным свойствам. Клетки возбудителя фагоцитируются с трудом, формирование долговременной иммунной памяти не происходит.

Выделяют две основные разновидности вируса гриппа: А и В. Иммунитет против штамма, которым переболел человек, сохраняется практически на всю жизнь, однако антигенные детерминанты вирусов гриппа изменяются довольно быстро. Поэтому приобретенный иммунитет к вирусу типа А становится бесполезным через 1–2 года, а к вирусу типа В – через 3–6 лет. С такой периодичностью и наблюдаются эпидемии гриппа.

Аскаридоз и чесотка вызываются крупными паразитами, хорошо защищенными от агрессивных сред хозяина. В организме выздоровевшего человека не остается возбудителей болезни, но и надежного иммунитета не появляется. Оба заболевания могут повторяться многократно, однако второй и последующие случаи аскаридоза протекают существенно легче, чем первый. Возможно, иммунитет защищает от токсинов или действует на личинок паразита.

Возбудитель столбняка – довольно крупная столбнячная палочка, попадающая в раны вместе с землей и грязью. Заболевание обусловлено токсином, выделяемым палочкой. Иммунитет после перенесенного заболевания не формируется (эффективную защиту обеспечивает прививка столбнячным анатоксином).

Заболевание туберкулезом вызывается палочкой Коха – туберкулезной микобактерией. Эта бактерия имеет плотную восковую оболочку, из-за чего выработка иммунитета затруднена. Кроме того, палочка легко приобретает устойчивость к лекарствам. При этом возникают новые штаммы, не поддающиеся обычным методам лечения. Поэтому часто возникают ситуации, когда видимых признаков болезни уже нет, но человек остается носителем палочки. Возможны случаи как обострения болезни, так и повторного заболевания.

Задача 4. Составьте определитель в форме тез и антитез, позволяющий по строению сердца делать вывод о принадлежности данного позвоночного животного к той или иной систематической группе. Постарайтесь не ограничиваться характерными признаками разных классов – рассмотрите также животных, у которых сердце обладает какими-либо специфическими чертами строения.

Разумеется, возможны различные варианты построения определителя. Ниже приведен один из них в – качестве примера, но не обязательного образца. Неважно, какие именно признаки вы выбрали и в каком порядке их расположили. Главное, чтобы определитель позволял проводить корректный анализ всех основных групп позвоночных и охватывал по возможности большое количество исключений.

Задача 5. Вам поручили определить примерное количество представителей разных каст в муравейнике. Самый очевидный способ – устроить поштучный пересчет всех обитателей муравейника, перебирая его содержимое или «выкурив» муравьев наружу. Однако это занятие трудоемкое, да и жизнь в потревоженном муравейнике стабилизируется не скоро. Какие более практичные для исследователя и щадящие для муравьев способы вы можете предложить?

Подсчет представителей разных каст – дело более сложное, чем обычное определение численности животных. Важно не только общее количество муравьев в муравейнике, но и доля, которую составляют самки, самцы, солдаты и фуражиры. Условно решим, что у выбранного для исследования вида имеются как раз четыре упомянутые касты. На самом деле каст может быть и три, и более четырех (при наличии специализированных форм солдат или фуражиров).

Сложность задачи связана прежде всего с тем, что разные касты муравьев в разной степени активны на поверхности, а есть и такие, которые всю жизнь проводят в недрах муравейника. Кроме того, соотношение каст и степень их поверхностной активности различны у разных видов муравьев. Поэтому сразу оговоримся, что все предлагаемые манипуляции относятся к одному конкретному виду.

Итак, начнем с определения численности муравьев, активных на поверхности. Для этого необходимо отловить определенное число муравьев одной касты, распределив пробы равномерно по поверхности муравейника и/или по периметру вокруг него, пометить муравьев (нанося на спину капельку цветного лака) и выпустить в месте поимки. На следующий день в тех же местах и в то же время повторяют отлов и подсчитывают, сколько из пойманных муравьев оказались мечеными. Пользуясь полученными данными, составляют пропорцию, которая позволяет приблизительно оценить количество особей данной касты в муравейнике (количество равно произведению объемов проб первого и второго дней, деленному на число меченых особей в пробе второго дня).

Чтобы оценить численность муравьев, принадлежащих к кастам, редко и нерегулярно появляющимся на поверхности, необходимо выяснить соотношение между численностью этих каст и тех, кого можно посчитать (используя литературу или, увы, потревожив несколько муравейников). Это соотношение более или менее постоянно для каждого вида; оно позволяет оценить численность «подземных» каст.

Еще один способ – установить опытным путем соотношение между объемом надземной части муравейника и количеством в нем муравьев каждой касты. Однажды проделанная, эта тяжелая и довольно жестокая по отношению к муравьям работа впоследствии позволит быстро и не тревожа насекомых оценивать количество особей каждой касты (правда, весьма приблизительно). Необходимо учитывать, что количество и соотношение особей разных каст сходно в одинаковых по размеру муравейниках одного вида, но может сильно меняться в зависимости от сезона.

Задача 6. Вы собираетесь в экспедицию для изучения шуршунчика обворожительного – зверя, который несколько столетий назад был широко распространен, а сейчас стал редким. Ваши предшественники составили подробные карты ареалов этого зверя. А вот современники шуршунчиками интересовались мало; сведения о местах его нынешнего обитания, увы, отсутствуют. Тратить время впустую не хочется; желательно сразу направиться туда, где вероятность встреч с животным наиболее высока. Неясно только, куда именно. Какими данными стоит воспользоваться, чтобы добиться успеха?

Шуршунчика мы, конечно, выдумали. А вполне реальная лошадь Пржевальского оказалась точно в таком же трагическом положении. Сейчас эти лошади обитают только в зоопарках и на строго охраняемых территориях. Последняя достоверная встреча с вольным животным произошла более 30 лет назад. Попытайтесь конкретизировать ваши рассуждения о шуршунчиках и сделать предположения, в каких местах еще имеются хоть какие-то шансы обнаружить дикую лошадь Пржевальского.

Можно предложить следующий план действий.

1. Проанализировать карты прошлых ареалов, стараясь выделить факторы, лимитировавшие распространение интересующего нас вида. Такими факторами могут быть:

– распространение кормовых растений;

– приемлемые свойства почвы;

– наличие необходимых защитных условий;

– климатические показатели (минимальные температуры, глубина промерзания почвы, высота снежного покрова, количество осадков и т.п.);

– границы ареалов видов-хищников и/или конкурентов;

– влияние деятельности человека.

2. Определить территорию, на которой сохранились условия, подходящие для обитания шуршунчика или лошади Пржевальского.

3. В пределах гипотетического современного ареала выделить места, где в прошлом вид был многочислен, в том числе – и в неблагоприятные годы.

4. Из оставшихся вариантов выбрать участки, наибольшие по площади и по возможности удаленные от границы исходного ареала.

В этих местах и следует искать вид, обращая особое внимание на экологически важные для данных животных точки (для копытных это прежде всего водопои и солонцы). Много времени и сил можно сэкономить, если провести анкетирование местных жителей и выяснить, где и как часто в последнее время видели этих животных.

Катастрофическое сокращение ареала лошади Пржевальского вызвано преследованием со стороны человека, а также включением в сельскохозяйственный оборот территорий, занимаемых ранее этим видом. Соответственно, рассчитывая обнаружить дикую лошадь Пржевальского, необходимо:

– выделить в рамках ее прежнего ареала максимальные по площади участки, не затронутые сельским хозяйством и малодоступные для охотников;

– убедиться, что в этих местах за последние полвека существенно не менялись климат и растительность.

Задача 7. В 1970–1980-е гг. в СССР активно разрабатывался проект поворота сибирских рек. Предполагалось использовать их для орошения засушливых азиатских регионов страны, существенно сократив «бесполезный слив воды в Арктику». К счастью, до практической реализации этих планов дело так и не дошло, в определенной степени – из-за активных протестов ученых-экологов. Как вы полагаете, на чем основывалось их негативное отношение к данному проекту?

Оставим в стороне организационно-финансовые сложности проекта и попытаемся разобраться с его экологическими последствиями для северных и южных биогеоценозов.

Обширнейшие бассейны сибирских рек не просто механически собирают воду и отдают ее в Арктику. Они формируют все многообразие климатических условий, почв, растений и животных разных регионов Сибири. Лишив эти пространства значительных масс воды, мы оставим их без климатического стабилизатора: нарушится водно-тепловой баланс локальных экосистем, станут резче суточные и сезонные температурные колебания.

Осушение почв приведет к исчезновению некоторых болот, озер, связанных с ними рек и ручьев. Изменятся водный режим и почвенная структура пойменных лугов, что может привести не только к нарушению связей в этих экосистемах, но и к оскудению сельскохозяйственных угодий. Изменится, а в некоторых случаях вообще исчезнет среда обитания водных животных и растений.

Избыточная влажность – основной фактор, определяющий структуру и динамику развития таежных лесов. Снижение влажности воздуха может привести к сдвигу типа леса от лиственного древостоя к ельнику. Исчезнут многие редкие виды, начнется миграция новых видов и расширение их ареалов. В результате мы лишимся уникальных лесных массивов с ценной древесиной, пушниной, травами, ягодами и грибами и бесценной функцией регуляторов испарения почвенной влаги, т.е. водного баланса.

Возможно, что уменьшение стока Обь-Иртышского речного бассейна повлияет и на структуру природных сообществ дельт этих рек.

Ну а что будет происходить на юге? Экосистемы Средней Азии характеризуются ничтожным количеством влаги. Круговорот воды здесь в большей степени определяется солнечной активностью. Другой основополагающей особенностью южных земель является сильная засоленность почв и грунтовых вод.

В таких условиях вожделенное орошение приведет к повышению уровня грунтовых вод, которые начнут интенсивно испаряться под действием солнца. Поднявшиеся при этом соли останутся в тонком слое плодородной почвы. В условиях засоления погибнут растения, формирующие и укрепляющие почвенный слой, разовьется эрозия земель, снизится их плодородие. Травянистые оазисы заместятся пустынными песками. Вслед за растительным миром закономерно изменится и животный мир, что может быть сопряжено с исчезновением редких видов.

Даже значительное увеличение объема протекающей по рекам воды в Средней Азии вряд ли приведет к существенному смягчению климата, т.к. влажный воздух будет быстро смещаться в сторону близлежащих горных массивов и там пополнять ледниковые истоки местных рек. Таким образом, забыв о специфике южных экосистем, мы рискуем потерять существующее многообразие их природных ландшафтов.

В заключение стоит отметить, что проект переброски северных рек, казалось бы, бесповоротно заброшенный после распада СССР, вновь начал обсуждаться в самые последние годы.