XII Международная олимпиада «Эрудит» Биология 9 класс 1 тур

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.