Как регулируется концентрация глюкозы в кро­ви животных?

Ответ. 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 гли­

когена 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 (гепатоци- ты) 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.

20. Концентрация солей в организме пресновод­ных и морских животных отличается от концентра­ции их в окружающей среде. Зачем животным это нужно и как они этого достигают?

Известно, что существуют болезни, связанные с недостатком витаминов,— гиповитаминозы. Почему избыток витаминов может также приводить к болез­ням? Почему иногда симптомы таких болезней совпа­дают с симптомами гиповитаминозов?

Человек, входящий со света в темное помеще­ние или, наоборот, выходящий из темного помещения на яркий свет, первое время ничего не видит и лишь затем начинает различать окружающие предметы. Как Вы можете это объяснить? (ШБО, 9 кл., 1977 г.)

23. 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? Ответ поясните рисунком.

Ответ. 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.

24. Известно, что бабочка-крапивница в холодную солнечную погоду греется на солнце, раскрывая крылья. Если солнце скрывается за тучами или тем­пература бабочки достигнет 37°С, она закрывает крылья. Работа крыльев управляется мышцами-ан- тагонистами — опускателями и поднимателями кры­ла. Нарисуйте нейронную сеть, то есть систему взаи­модействующих нейронов, которая обеспечивала бы описанное поведение бабочки. (ШБО, 10 кл., 1978 г.)

Ответ. Эта задача, как многие другие, не имеет од­нозначного ответа. Можно придумать много схем, удовле­творяющих ее условию. Возьмем одну из возможных. Пусть мышцами-опускателями и мышцами-поднимате- лями управляют свои нервные клетки — мотонейроны, которые мы обозначим МНо и МНп. На эти мотоней­

роны должны поступать сигналы от рецепторов о температуре и солнечном свете. Тут также возмож­ны разные решения. Пусть клетка Т (рецептор тепла) возбуждается и посылает импульсы только тогда, когда температура тела бабочки выше 36°С («тепло»), а клетка С (рецептор света) — когда светит солнце («свет»).

По условию задачи при свете крылья раскрываются, поэтому соединим световой рецептор с МНо (см. рис. на стр. 85 вверху). Когда же температура поднимается выше 36°С и заработает тепловой рецептор, крылья должны за­крыться. Значит, надо соединить клетку Т с МНп возбуж­дающей связью. Мышцу-антагониста (опускатель крыла) надо при этом затормозить; для этого надо соединить теп­ловой рецептор с МНо тормозной связью. Но один и тот же нейрон, как правило, не бывает и возбуждающим и тормозным, поэтому для создания торможения надо по­местить в эту линию тормозной вставочный нейрон (ин­тернейрон — ИН1). Теперь, если будет и светло, и тепло, МНо не будет работать, так как на него приходят проти­воположные по знаку сигналы и они не доведут его до по­рога. Однако наша схема еще не полностью удовлетворя­ет условиям задачи: если на улице холодно, но солнца нет, то по условию крылья должны быть закрыты, а из нашей схемы это не следует. Поэтому и вставлен в схему еще один рецептор X, работающий, когда температура тела бабочки ниже 36°С («холодно»). Соединим его с МНп возбуждающей связью. Но чтобы не испортить работу схемы в ситуации «холодно и светло», эта связь не долж­на работать, когда светит солнце. Значит, нужен еще один интернейрон ИН2, который будет при освещении тормозить X. Теперь наша схема будет работать (см. рис. на стр. 85 внизу).

25. Известно, что сытый пресноводный моллюск ползет вниз в глубину водоема, но при этом не опуска­ется глубже двух метров. Проголодавшийся моллюск поднимается к поверхности воды. Однако это описа­ние верно только для холодной воды (ниже +10°С). Чем выше температура воды, тем меньше в ней раство­рено кислорода и тем на меньшую глубину опускает­ся сытый моллюск. Известно, что моллюск перемеща­ется за счет движения ресничек, выстилающих его но-

гу, причем имеются нейроны, управляющие по отдель­ности ресничками левой и правой половин ноги (это позволяет обеспечить поворот моллюска). Нарисуйте нейронную сеть, которая обеспечивала бы описанное поведение моллюска при низких температурах. Попробуйте так усложнить эту сеть, чтобы она описывала поведение при повышении температуры воды. (ЗБШ)

26. Предложите метод определения объема крови в теле человека, используя, если Вам понадобится, только такие анализы, которые можно провести в обычной поликлинике. За счет чего могут возникнуть ошибки при определении объема крови?

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? (ШБО, 8 кл., 1982 г.)

Ответ. 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 дав­

ление 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).

Подумайте сами, почему для проверки предложенных гипотез не годятся опыты с перекрестным кровооб­ращением.

28. У двух лягушек перекрестное кровообраще­ние. При раздражении блуждающего нерва одной лягушки снижается частота сердечных сокращений обеих. Какие объяснения этого опыта Вы можете предложить? Как выяснить, какое объяснение вер­но?