Принцип целесообразности Тренировочные задачи

1. Почему у тюленей, китов, моржей имеется мощный подножный слой жира?

Решение. Ответ не представляет труда – для предотвращения больших потерь тепла в холодной воде.

2. Знаменитые горбы у верблюда содержат большие запасы жира – до 100-120 килограммов. В чем физиологический смысл этого? И почему жир запасен в горбах, а не под кожей, как у некоторых водных животных?

Решение. О холоде, разумеется, речи быть не может – верблюд живет в пустыне. Здесь другая проблема – нехватка воды. Тогда будем искать полезную для организма связь между нехваткой воды и избытком жира в организме. Дело в том, что при окислении углеводов и, особенно, жиров образуется так называемая метаболическая вода. За ее счет верблюд может не пить 45 дней и при этом первые две недели нормально работать. Жиры дают больше воды, чем углеводы (почему?), поэтому запасаются именно они. А почему не под кожей как у водных животных? Для верблюда это было бы не только нецелесообразно, но просто гибельно из-за перегревания. У других пустынных животных тоже имеются скопления жира и, конечно, опять-таки не под кожей, а в определенных местах, например, у основания хвоста.

3. У некоторых антарктических рыб кровь бесцветная. С чем это связано?

Решение. Красный цвет крови обусловлен наличием эритроцитов, содержащих гемоглобин. Следовательно, у этих рыб эритроцитов нет.

В чем физиологический смысл такой несколько необычной особенности? В антарктических морях вода очень холодная. Рыбы пойкилотермные животные и в этих условиях метаболизм у них низкий. Кроме того, у них имеются компенсаторные приспособления для поступления кислорода через кожные сосуды, сеть которых очень развита. В результате можно обойтись и без гемоглобина.

4. Для самых различных млекопитающих установлена математическая зависимость между диаметром аорты (d) и величиной систолического объема сердца (С), d = 0,013С (размерности не учитываются). Чем можно объяснить наличие такой универсальной зависимости?

Решение. Физиологический смысл данной зависимости сразу найти довольно трудно. Здесь потребуется привлечь на помощь не только физиологию, но и биофизику. Начнем с того, что при данном диаметре аорты увеличение систолического объема приведет к повышению линейной скорости кровотока. И наоборот, при данном систолическом объеме уменьшение диаметра аорты также вызовет повышение скорости кровотока. Следовательно, вопрос сводится к тому, что физиологически невыгодно, чтобы скорость кровотока превысила некоторый определенный предел. Почему? Вот здесь и потребуются сведения из биофизики или просто физики. Существует закон Рейнольдса, из которого, в частности, следует, что при достижении определенного уровня скорости течения жидкости или газа поток из ламинарного становится турбулентным. А при таком течении резко возрастает сопротивление.

Таким образом природа и здесь нашла оптимальный вариант – у всех млекопитающих аорта имеет такой диаметр, при котором течение крови не переходит в турбулентное и не возрастает нагрузка на сердце.

5. После предыдущей задачи эта не должна представить никаких трудностей.

Если бы гемоглобин содержался непосредственно в плазме, а не в эритроцитах, то присоединение кислорода происходило бы быстрее. Почему же в ходе эволюции весь гемоглобин был «упакован» в огромное количество эритроцитов?

Решение. Гемоглобин – хромопротеид и содержит белок – глобин. Раствор такого вещества в плазме повысил бы вязкость крови в несколько раз. Взгляните на рис. 3.1. Ясно, что сопротивление кровотоку значительно возросло бы, а это в свою очередь приведет к существенному повышению КД. Расплачиваться же за все это опять-таки пришлось бы сердцу.

6. Возможно, Вы не знаете, что у комаров, которые иногда так нам досаждают, существует «разделение труда». Кусаются и пьют кровь только самки, а самцы ведут себя гораздо безобидней и довольствуются пищей растительного происхождения. А где здесь физиологический смысл?

Решение. Самки отличаются от самцов прежде всего тем, что им приходится производить потомство. А это требует дополнительных расходов. В частности, необходимо получать больше белка. Вот и приходится добывать его из крови.

Способность находить аналогии – весьма полезное качество ума. Поэтому прежде чем перейти к следующей задаче, подумайте чем можно объяснить существование насекомоядных растений?

7. Исходя из принципа целесообразности, можно предсказать, что должны существовать только две группы физиологических механизмов, которые в конечном счете позволяют ему приспособиться к гипоксии любого происхождения. Какие же это механизмы?

Решение. Если денег маловато, есть только два выхода. Или как-то раздобыть дополнительное их количество, или научиться жить «по средствам». Так же действует и организм в условиях гипоксии. Или усиливается деятельность средств доставки кислорода – кровообращение, дыхание, дыхательная функция крови, или происходят изменения в тканях, позволяющие им существовать в среде с пониженным содержанием кислорода.

8. А что Вы думаете относительно содержания миоглобина в мышцах ныряющих животных?

Решение. После предыдущей задачи эту Вы должны решить, что называется, на ходу. Миоглобин – родной брат гемоглобина. Как показывает название, содержится он в мышцах. При восстановлении миоглобин, как и гемоглобин, отдает кислород. Когда ныряльщик, например, тюлень уходит под воду, то взять кислород из воздуха он уже не может. А мышцам кислород по прежнему нужен. Поэтому ясен физиологический смысл того, что в мышцах тюленя миоглобина в семь раз больше, чем, например, у быка, который, как известно, не ныряет. А в мышцах китов миоглобина еще больше.

9. У собак слюна выделяется только во время еды, а у человека постоянно. В чем физиологический смысл такого различия? Зачем нужна слюна, если во рту ничего нет?

Решение. В последнем вопросе условия содержится подсказка. Значит, слюна нужна не только для еды. После выхода организмов из воды на сушу у всех них появилась проблема борьбы с высыханием. Так, слеза защищает от высыхания роговицу глаза. Слюна делает то же самое по отношению к слизистой полости рта. Почему же человеку в отличие от собаки требуется непрерывная секреция слюны для защиты от высушивания? Потому что он значительно чаще открывает рот в связи с речевой артикуляцией. Речь сопровождается движением воздуха, что способствует подсыханию слизистых.

Для дополнительной тренировки попробуйте ответить самостоятельно на следующие вопросы.

Происходит ли непрерывная секреция слюны у человека в связи не только со звуковой, но и с мысленной речью?

Имеется ли такая особенность слюноотделения у глухонемых от рождения?

10. У икроножных мышц по сравнению с другими мышцами особенно выражена выносливость к статическим усилиям. С чем это связано?

Решение. Как Вы понимаете, это простая задача. Поддержание позы, например, стояние требует постоянного сокращения ряда мышц, в том числе и икроножных. Этим и объясняется их выносливость к статическим усилиям.

11. Глаз воспринимает всю видимую часть спектра. Но не видит тепловую, инфракрасную часть его. Не обделила ли нас природа? Ведь тогда мы могли бы ориентироваться в темноте. Разве это физиологически плохо?

Решение. У Вас уже достаточно опыта, чтобы понимать – если в ходе эволюции не появилось какое-то кажущееся полезным свойство, значит, этому мешали серьезные причины.

Свет воспринимают рецепторы сетчатки. Они находятся в глубине глаза, .Прежде чем достигнуть сетчатки, свет проходит через роговицу, хрусталик и стекловидное тело. Эти образования, как и другие ткани тела излучают тепло. Поэтому, если бы глаз мог воспринимать инфракрасные лучи, то мы ничего не видели бы, кроме постоянной пелены перед глазами.

12. В суставной 'полости существует отрицательное давление. Чем это полезно?

Решение. Отрицательное давление – это, иначе говоря, некоторое разрежение. В разреженном пространстве находящиеся в нем предметы более тесно прилегают друг к другу. Поэтому в суставной полости кости, образующие сустав, взаимно притягиваются. При нарушении целости суставной сумки отрицательное давление исчезает, кости могут легко разъединяться и сустав не сможет работать надежно.

13. Если Вы не помните, как влияют на величину просвета сосудов углекислый газ, молочная и пировиноградная кислоты, то не попытаетесь ли Вы ответить на этот вопрос, исходя из принципа целесообразности?

Решение. Все перечисленные вещества являются метаболитами. Их содержание в крови увеличивается, если организм производит какую-либо работу. Очевидно, при этом кровоснабжение органов должно увеличиться. В таком случае логично предположить, что указанные метаболиты расширяют сосуды. В действительности так и происходит.

14. Некоторые рыбы имеют электрические органы. Возникающее в них напряжение может достигать 600 В. Немудрено, что возникающий при разряде такого органа ток может оказаться для жертвы смертельным. Однако столь высокое напряжение существует только в электрических органах пресноводных рыб. У обитателей же морей оно в 8-10 раз меньше. С чем это связано?

Решение. Для морских рыб физиологически нецелесообразно расходовать дополнительную энергию, чтобы повысить напряжение в электрическом органе. Ведь морская вода соленая и хорошо проводит ток. Поэтому и при относительно невысоком напряжении разрядный ток окажется достаточно сильным. Пресная же вода значительно худший проводник. Приходится увеличить напряжение, чтобы получить нужный эффект.

Задачи для самоконтроля

15. Интенсивность метаболизма у тюленей и китов в два раза выше, чем у наземных животных с такими же размерами тела. В чем физиологический смысл этого?

16. Массы тела землеройки и горбатого кита различаются почти в сто миллионов раз. А размеры эритроцитов у них почти одинаковы – 7,5 и 8,2 мкм. Не представляется ли это Вам странным?

17. Почему ни одно из насекомых не достигает больших размеров, свойственных многим другим! животным?

18. При физической нагрузке сердце, как всем известно, усиливает свою работу. У насекомых роль сердца выполняет особый спинной сосуд. Он сокращается и проталкивает гемолимфу по остальным сосудам. Однако даже при усиленной работе насекомого спинной сосуд сокращается по прежнему. Почему?

19. Кенгуровые крысы – типичные пустынные животные. В связи с этим в ходе эволюции у них выработались различные приспособления к условиям пустыни.

Если бы Вам довелось исследовать гипофиз у кенгуровой и белой лабораторной крысы, то где бы Вы обнаружили большее количество АДГ?

20. Даже очень тренированный человек не может пробыть под водой больше 5-6 минут. Углекислый газ, накапливающийся в избытке в связи с задержкой дыхания, раздражает дыхательный центр и, в конце концов, происходит вдох. В таком случае как же некоторые ныряющие животные могут оставаться под водой достаточно долго, иногда до часа (киты) и при этом не дышать?

21. Если человек натренирован к выполнению значительной мышечной работы, то каких изменений щелочного резерва крови следует у него ожидать?

22. Некоторые животные постоянно совершают очень большую мышечную работу. Например, крот в ходе рытья может выбросить количество земли, в 20 раз превышающее его собственный вес. Какие особенности содержания гемоглобина у кротов по сравнению с другими животными имеют место?

23. Лиса раскапывает мышиную нору, а кошка терпеливо сидит у норы в ожидании появления добычи. Как при этом обстоит дело с выделением слюны?

24. У мужчин преобладает брюшной тип дыхания, а у женщин – грудной. Чем можно объяснить это различие?

25. У совы шейная часть позвоночника обеспечивает поворот головы почти до 180 градусов. Можно ли объяснить такую анатомическую роскошь?

26. Чувствительность уха огромна. Мы воспринимаем звуки, вызывающие ничтожные перемещения барабанной перепонки. Но, если повысить чувствительность органа слуха дополнительно всего в 100 раз, то вместо ожидаемых преимуществ появится очень большой недостаток. Какой?

27. Явление доминанты в головном мозге выражается, в частности, в способности нервного центра, находящегося в состоянии доминантного возбуждения, «притягивать» возбуждения, адресованные другим центрам. и тем самым усиливать собственное возбуждение. В чем физиологический смысл этой особенности?

28. При воздействии катехоламинов на альфа – адренорецепторы сосуды суживаются, араздражение бета-адренорецепторов приводит к расширению сосудов. В чем физиологический смысл того, что у здорового человека в коронарных сосудах сердца количество бета – адренорецепторов значительно превышает число альфа – адренорецепторов?

29. Выносящая артериола в почках, которая получает кровь из капилляров клубочка, имеет меньший диаметр, чем приносящая артериола, доставляющая кровь в клубочек. В чем состоит физиологический смысл этого анатомического различия? Что произошло бы, если соотношение диаметров данных сосудов изменилось бы на противоположное?