БІОФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ

Рослини як об’єкт вивчення біофізики

1. Ботаніки Аризонського університету (США) з’ясували, що внут­рішній тиск у голках секвої заввишки 110 м удвічі нижчий, ніж у гол­ках секвої заввишки 55 м. Що довели цим дослідженням учені?

Відповідь. Як відомо, на підтримку тургорного тиску в клітинах рослин і перебігу фотосинтезу високому дереву щоденно треба сотні літрів води. Ґрунтуючись на цих даних, учені розрахували, що секвої не можуть вирости вище 130 м.

2. В Індії, на берегах Гангу, росте рослина заввишки біля одного метра, яка має назву десмодіум (Резтосііит тоіогіит). У цієї рослини типові для бобових квітки, плід — біб. За легендою, колись цю рос­лину прокляли боги і прирекли протягом усього життя здійснювати рухи листками. Поясніть механізм руху листків цієї рослини.

Відповідь. Листок десмодіуму складається з трьох листочків: віднос­но великої верхньої пластинки і двох малих бічних. Верхня пластинка здійснює рухи, пов’язані зі зміною дня і ночі. Вдень вона є горизонталь­ною, а на вечір опускається вниз, розміщуючись паралельно стеблу. Але цікавіші рухи здійснюють ланцетоподібні бокові листочки: вони безпе­рервно описують коло або еліпс. За цими рухами можна прослідкувати неозброєним оком, оскільки один оберт здійснюється за ЗО—90 с.

Слід зазначити, що листки десмодіуму рухаються лише за віднос­но високої температури. Якщо вона знижується до 21 °С — рухи за­вмирають. У молодих кущів рухи інтенсивніші, ніж у старих.

В основі руху листків десмодіуму лежить зміна тургору — напру­женого стану клітин потовщених членувань черешків із віссю листка. Під час опускання листків йони Калію виділяються із клітин нижньо­го боку членувань і надходять у клітини верхнього. Завдяки цьому внизу тургорний тиск падає, а вгорі підвищується, що приводить до зменшення об’єму нижніх клітин і збільшення об’єму верхніх. Рух листків уверх супроводжується переходом Калію із клітин верхнього боку членувань до клітин нижнього. Учені вважають, що в основі коливань вмісту Калію і іургорного тиску лежать ритмічні зміни проникності клітинних мембран.

3. Із давніх часів людина уважно спостерігала за явищами природи і намагалася їх пояснити. Так, було підмічено, що квітки і суцвіття деяких рослин протягом дня повертаються за Сонцем. Завдяки яким механізмам у рослин рухаються квітки та суцвіття?

Відповідь. До рослин, які слідують за Сонцем, належить соняшник. Спостереження за цією рослиною дали змогу зробити висновок: у соняшника рухаються суцвіття, які ще не зацвіли. Вранці вони «дивляться» в бік світила, що піднімається над горизонтом. Верхівки стебел у цей час вигнуті, і кошики тримаються вертикально. Опівдні всі кошики повернуті до Сонця. Вигинів стебел немає, суцвіття займають горизонтальне положення. Як тільки Сонце схиляється до горизонту, верхівки стебел вигинаються, і кошики повертаються у тому самому напрямку.

Таким чином, нерозкриті суцвіття соняшника слідують за світилом зі сходу на захід, і весь день сонячні промені падають перпендикулярно до їх площини. Уночі кошики «рухаються» у зворотному напрямку. Цікаво, що вдень вони свій шлях долають приблизно за 15 год, а вночі — за А—5. Коли кошики розкриються, рух їх послаблюється і навіть зупиняється.

Досконалою системою руху за Сонцем володіє цимблярія стінна (СитЬаІагіа тигаШ). Під час цвітіння квітконіжки цимблярії реагують на світловий подразник таким чином, що квітка завади опиняється повернутою до світла. Коли ж оцвітина в’яне і на місці квітки з’являється плід, реакція квітконіжки стає діаметрально протилежною. Тепер рослина ніби прагне відвернути плід від сонячних променів: вона «підшукує» на камені або стінці темну щілину, у яку можна було б розсіяти зріле насіння.

4. У деяких рослин за Сонцем рухаються не лише квітки та суцвіття, але й листки. Чому в одних видів листки «спостерігають» за Сонцем, розміщуючись до його променів перпендикулярно, а в інших — паралельно?

Відповідь. Справді, у деяких видів рослин листки здатні до руху. Наприклад, просвирник приземистий має округло-серцеподібні лист-ки, які своєю пластинкою повернуті до Сонця. Якщо ж на шляху сонячного світла виник- будь-яка перепона, то рух листків припиняється, але коли промені знов осяють їх листки досить швидко повертаються до нього. після заходу Сонця листки рослини швидко орієнтуються на схід

По-іншому рухаються листки деяких австралійських дерев, зокрема евкаліптів. Вони безперРВН0 повертаються вслід за Сонцем, але кожний із них повернений!0 світла не пластинкою, а ребром. Припускають, що таким спосо0м рослини захищаються від надлишкової втрати вологи в посушливий умовах існування.

Досліджуючи рухи лист'® рослин, викликані переміщенням Сонця по небосхилу, вчені всновили> щ0 У видів» які належать до родів Люпин та Амарант, листкі розміщуються до променів перпендикулярно, а у видів із родів АіГРагал і Касія паралельно. У першому випадку це пояснюється ти1» Щ° в рослин виникло пристосування до інтенсивного використання сонячної радіації у процесі фотосинтезу і збільшення продуктивносЬ а У ДРУГ0МУ пояснюється адаптацією рослин засушливих районів Д° водного стресу, який допомагає зменшити інтенсивність транспі,аЦІЇ> послабити перегрівання листків.

5, Корені, безумовно є основними постачальниками води. Якщо її в грунті мало, це ще не озн.,чає> рослина неодмінно загине. Деякі види пристосувалися до засвоєння вологи з повітря. Які механізми забезпечують рослинам можливість засвоєння атмосферної вологи?

Відповідь. Серед дикороі-лих рослин є чимало видів, які існують за рахунок пароподібної води, причому рослини виробили кілька механізмів для вловлювання так31 вологи. Наприклад, мешканець пустель американський карликовий кедр. Запаси води він поповнює у вечірні години, коли навіть у такій місцевості повітря насичене вологою. У кактусів, наприклад, є колючки- Саме завдяки скороченню поверхні випаровування їм вдалося обмежити витрати води. Однією з важливих функцій колючок є їх здатність до конденсації з повітря водяної пари. Здерев’янілі колючки і волосинки кактусів у вітряну погоду накопичують електричні заряДи> які притягують до себе з повітря крапельки води і сприяють конденсації водяної пари.

По-іншому пристосувалися вловлювати з повітря вологу епіфіти — рослини, які ростуть н;а деревах та кущах і використовують їх як опору, але живляться самостійно. Епіфітів багато серед родини Орхідні. Вони живуть у кронах високих дерев вологих тропічних лісів.

їх повітряні корені вільно звисають у просторі. Товстий шар гігроскопічної тканини з мертвих клітин, заповнених повітрям, захищає їх від висихання і вловлює вологу з повітря. Такі гігроскопічні чохли наче промокальний папір убирають не лише дощову воду і ранкову росу, але й найдрібніші крапельки туманів і пару.

Третій механізм, найбільш ефективний і вражаючий, можна виявити у представників родини Бромелієві. Вони цікаві не лише особливостями кореневої системи і зростанням у суворих умовах, але й тим, ще успішно задовольняють свої потреби у воді в основному за рахунок вологи нічних туманів. Ці рослини, по суті, відмовилися від коренів або використовують їх лише як інструмент прикріплення до субстрату. Для поглинання вологи безпосередньо з повітря у бромелієвих виникли особливі пристосування — мікроскопічні лусочки, розміщені на листках. Під час висихання вони зморщуються, але це не заважає нормальному газообміну через продихи.

Так, у декоративної кімнатної рослини ехмеї — вузькі, довгі й соковиті листки, прикрашені білими поперечними смугами. Смуга утворена безліччю дрібних круглих пластинок, діаметр яких — менше чверті міліметра. Під мікроскопом чітко видно, шо пластинки мають форму лійок, середина яких занурена у тканину листка, а краї вільно лежать на поверхні, не зростаючись з нею. Кожна лійка — це особлива порожниста клітина, яка в суху погоду стискається. Під час зволоження її стінки швидко бубнявіють і розпрямляються. Одночасно всередині клітини утворюється розріджений простір: завдяки цьому вологе повітря, і конденсаційна волога всмоктується всередину. Волога, що надійшла у клітину-лійку, не залишається в ній, а відразу всмоктується живими клітинами, які містяться на нижньому боці пластинок, і через них надходить усередину листка.

Таким чином, завдяки різним пристосуванням рослини посушливих місць засвоюють вологу з повітря.

6. Численні спостереження за рослинами показують, що видозмінені підземні пагони (кореневища, цибулини, бульби) тим глибше сидять у грунті, чим більше це місце підлягає промерзанню взимку. Так, наприклад, у рясту, який росте під пологом лісу, де ґрунт мало промерзає, бульби розміщуються на глибині кількох сантиметрів від поверхні. І, навпаки, на відкритому місці, де грунт гірше захищений опалим листям і тому більше промерзає, бульби цієї рослини «зариваються» глибше. Яким чином відбувається поглиблення підземних пагонів до безпечного рівня?

Відповідь. Щодо кореневищ проблема розв’язується доволі просто: спершу вони ростуть вертикально вниз, а потім, досягнувши безпечної зони промерзання, починають рости горизонтально. А ось поглиблення бульб і цибулин відбувається внаслідок скорочення особливих, так званих контрактильних, або втягуючих, коренів, яке викликається дією низьких температур. Корені — досить чутливі органи рослини щодо різних факторів зовнішнього середовища. Під час похолодання молоді розгалуження коренів залишаються на своєму місці, а скорочуються довші, контрактильні корені. Саме завдяки цьому бульби і цибулини переміщуються у глибину ґрунту. При цьому контрактильні корені стають поперечно-зморщеними і їх легко можна відрізнити від звичайних. Наприклад, добре помітні вони у крокуса.

7. Французький натураліст Ж.-Б. Ламарк першим звернув увагу на те, що температура суцвіть або окремих частин рослин родини Ароїдні на 10, 16 і навіть 30 °С вища температури навколишнього середовища. Укажіть причину цього явища.

Відповідь. Причина в інтенсивності процесу дихання. Так, наприклад, в образків, які ростуть на болотах, топких берегах річок, озер, дихання квітконосів напередодні розпускання квіток активізується у 25—30 разів, унаслідок чого всього за кілька годин рослина витрачає значну кількість вуглеводів (15—30 %), які містяться в її тканинах.

Інтенсивність дихання приводить до підвищення температури чоловічих і жіночих органів статевого розмноження. У цьому випадку підвищення температури суцвіття має важливе пристосувальне значення.

Більшість представників ароїдних росте в болотистих місцях, де порівняно холодно. У цих умовах підвищення температури квіток сприяє нормальному перебігу запліднення. Наприклад, в образка італійського, який поширений у Середземномор’ї, вона досягає 40— 44 °С, у той час як повітря прогрівається всього до 15 °С. А квітка вікторії гігантської, що росте на річці Амазонці, під час розпускання поступово розігрівається, причому різниця між температурою всергдині квітки і навколишнім повітрям буває більш ніж 10 °С.

Таке явище — далеко не поодиноке. Воно властиве не лише водним і болотним рослинам. У похмуру і безвітряну погоду на гірських луках температура квітки дзвоника досягає 16,6 °С, у той час як навколишнє повітря прогрівається лише до 13,2 °С. Не дивно, що мошкара радо використовує ці квітки як «готель»: тут тепло і сухо. 8. Насіння деяких рослин має здатність самостійно зариватися у ґрунт. Поясніть механізм цього явища.

Відповідь. Самостійно зариватися у грунт може насіння ковили. Зернівки ковили загострені з одного кінця, а на іншому мають закручену у штопор і зігнуту під прямим кутом ворсисту нитку. Вітер відділяє насінину ковили і розносить полем, а ворсиста нитка виконує роль парашута й стабілізатора. Завдяки їй зернівка завжди потрапляє на землю гострим кінцем і вгвинчується у ґрунт. Набубнявівши, стрижень ості починає розкручуватися. Зігнута під прямим кутом верхня частина ості зачіплюється за предмети на поверхні ґрунту, а гостра вгвинчується в землю, ніби штопор.

Маленькі й непомітні насінини вівсюга можуть пересуватися поверхнею ґрунту. В основі цього руху лежить такий самий механізм, як і в насіння ковили. Насіння вівсюга має довгу, колінчасто вигнуту колючу ость. За підвищення вологості повітря коліно цієї ості, що прилягає до насінини, закручується і вкорочується. Протягом доби ость, розкручуючись, впирається в землю і штовхає насінину вперед. Так, перекочуючись із боку на бік, насіння повільно переміщується поверхнею поля або луки.

9. Багатьом відома така рослина, як нетреба звичайна з родини Бальзамінові. Вона росте у вологих місцях, лісах, ярах. Якщо доторкнутися до цієї рослини — її плоди швидко розтріскуються. Чому ж нетреба розкидає своє насіння?

Відповідь. Плід цієї рослини складається з п’яти плодолистків. Коли вони дозрівають, шар крупних клітин, які містяться безпосередньо під шкіркою, бубнявіє і тримається в напруженому стані. Одночасно відбувається послаблення зв’язку між плодолистками по лінії їх членування через руйнування речовин (пектинів), які склеюють клітини одна з одною. Варто тепер лише злегка доторкнутися до плоду нетреби, як зв’язок між плодолистками порушується. Вони швидко закручуються всередину ніби годинникова пружина і з силою розкидають прикріплені до них насінини.

У огірка-пирскача плід досягає у довжину 4—5 см. Внутрішня його частина складається з тонкостінних роздутих клітин. Вони створюють дуже сильний внутрішній тиск, який приводить до розриву оболонки плоду. Порушення цілісності оболонки відбувається зазвичай в одному місці — точці прикріплення плодоніжки. Тут розміщується особлива тканина, яка під час дозрівання плоду розпадається. Із відірваного плоду весь його вміст наче ракета рухається у протилежному напрямку.

Циклантера вибухова — рослина родини Гарбузові — росте в Центральній і тропічній Південній Америці. Ця трав’яниста витка рослина з опушеним стеблом має 5—7 лопатевих листків. Достиглі плоди раптово розкриваються, як і плоди скаженого огірка, але з допомогою двох клапанів, які із силою відгинаються назад. Насіння розкидається на відстань до 3 м.

10. Відомо, що під час проростання насіння рослина певним чином орієнтується у просторі: корені в заростків, як правило, ростуть униз, а стебла — вверх. Рух стебел і коренів під дією сили тяжіння отримав назву геотропізму. Завдяки йому коренева система рослин зажди опиняється у грунті, а стебло виносить листки до Сонця.

У процесі природного добору збереглися в основному ті форми, які володіли здатністю до росту коренів і стебел у діаметрально протилежному напрямку. У чому причина геотропізму? Які існують теорії геотропізму?

Відповідь. У горизонтально розташованому заростку ауксини розміщуються в тканинах нерівномірно. Вони накопичуються в нижній частині стебла або кореня. Це приводить до посиленого поділу і розтягування клітин у тій частині стебла, що визначає його вигин угору. Але не зрозуміло, чому корінь росте вниз? Учені вважають, що клітини кореня дуже чутливі до ауксину. Ті концентрації ауксинів, які стимулюють ріст клітин стебла, пригнічують поділ клітин кореня. Тому в горизонтально розміщеному заростку клітини кореня інтенсивніше діляться і подовжуються не на нижній, а на верхній частині. Це й спричиняє вигин кореня вниз.

Існує й інше пояснення геотропізму. У клітинах кореневого чохлика рослин є особливі крохмальні зерна, які використовуються у процесі життєдіяльності лише у рідкісних випадках. Учені дійшли висновку, що вони виконують функцію статоліту в органі рівноваги рослин. Під час вигину вони здійснюють тиск на певні зони цитоплазми і клітинних мембран. У ході тривалої еволюції в різних частин клітини виробилося власне сприйняття до цього тиску. У разі природного положення кореня дія статолітного крохмалю не приводить до його викривлення. Якщо ж положення кореня зміщується, тиск крохмальних зерен сприймається по-іншому, і рослина реагує на це викривленням кореня вниз. На користь статолітної теорії геотропізму свідчить той факт, що розчинення статолітного крохмалю приводить до дезорганізації росту.

Нині гормональна і статолітна теорії геотропізму об’єднані в одну. Вважається, що рослина сприймає силу тяжіння з допомогою рецеп-торів статолітів. Потім відбувається передача збудження сусіднім клітинам, у яких відбувається зміна вмісту ауксинів. Ауксини виробляються переважно в частині, що зазнає сильнішого тиску зерен стато-літного крохмалю.

11. Відомо, що насіння потребує тепла, а у природних умовах воно зазвичай проростає, коли грунт ще має відносно низьку температуру. Як ви вважаєте, завдяки чому насіння проростає навіть за низьких температур? •

Відповідь. Проростаючи, насіння в процесі дихання виділяє тепло, і завдяки цьому навколо нього виникають зони особливого мікроклімату, де можливе підвищення температури на кілька градусів.

Збереженню тепла сприяє і низька теплопровідність грунту. Так, спостереження за процесом виділення тепла пророслим насінням рису показало, що найбільш інтенсивно воно продукується протягом першої години. Після 18 год росту цей процес майже призупиняється і знову посилюється лише наприкінці другої доби. Насіння ранніх сортів, як правило, виділяє більше тепла, ніж пізніх.

12. Хвощі — рівноспорові рослини, проте в них з однакових спор розвиваються одностатеві гаметофіти. Після дозрівання спор їх зовнішня оболонка розривається навхрест на чотири стрічкоподібні гігроскопічні пружинки-елатери. Яке значення цих утворів?

Відповідь. Завдяки пружинкам-елатерам спори розкидаються групами. Така особливість, безумовно, є пристосуванням для збільшення можливості утворення поруч чоловічих і жіночих гаметофітів, що є необхідною умовою запліднення.

13. Тур Хейєрдал, який мандрував десятки років Атлантикою, із сумом писав, що останніми роками чиста поверхня океану трапляється дуже рідко, а от веселкові плями нафтопродуктів є всюди. Яким чином це відіб’ється на життєдіяльності зелених водоростей?

Відповідь. Через надмірне забруднення поверхні океану сонячне проміння відбивається від поверхні води, і в зелених водоростях порушується процес фотосинтезу, що призводить до зменшення насиченості киснем вод океанів і морів. При цьому зменшується накопичення органічних речовин, від яких залежать ланцюги живлення.

Не можна забувати і про те, що від водоростей Світового океану надходить до 75 % кисню в повітря тропосфери -— місця проживання людства.

Тварини — об’єкт вивчення біофізики

1. На питання, як пересуваються тварини б просторі, можна відповісти так: ходять, бігають, літають, плавають і стрибають. Але кожен із названих видів руху має багато різновидів, що заслуговують на увагу. Які ж різновиди руху в мешканців водного, повітряного та наземного середовищ ви знаєте?

Відповідь. Мешканці водного середовища рухаються по-різному. Наприклад, водоплавні птахи, водні черепахи і ластоногі пересуваються у воді завдяки видозміненим кінцівкам. Вигинаючи все тіло, плаває більшість риб, а також хвостаті амфібії й змії. Реактивним способом, виштовхуючи воду із порожнини тіла, користуються восьминоги, каракатиці й медузи. А більшість дрібних тваринок, зокрема, клопи-водомірки, не плавають, а ходять або бігають по поверхні води.

Завоювати повітря можна лише завдяки польоту. Саме так роблять птахи, літаючі комахи і летючі миші. А літаючі риби використовують можливості двох стихій: стрімко розігнавшись у воді, вони продовжують рухатися в повітрі. Підкорили повітряне середовище також деякі інші безкрилі тварини: окремі види жаб і ящірок, білки-летяги, шерстокрилі. Вони навчилися здійснювати затяжні планерні стрибки, інколи на досить значні відстані. А для цього вони мають відповідні пристосування, які утримують їх у повітрі: перетинки між подовженими пальцями, особливі складки шкіри тощо.

По твердій поверхні можна ходити, бігати, стрибати, повзати, лазити і ковзати. Так, гарні стрибуни — це, безсумнівно, кенгуру, жаби, коники тощо. Наприклад, у разі небезпеки кенгуру встановлюють справді світові рекорди: стрибають на 10—12 м у довжину і розвивають швидкість до 50 км/год.

Безумовними чемпіонами з повзання є змії й безногі ящірки. Але, крім чемпіонів, існують також звичайні «повзуни» — гусінь, морські зірки.

Серед лазячих тварин насамперед виділяють мавп. Однак заслуговує на увагу також австралійський сумчастий ведмідь коала, який усе життя проводить на евкаліптових деревах. Чудово лазять на деревах білки, соболі, куниці, а також багато котячих.

Ковзати вміють дуже багато різних тварини. Так, не поспішаючи несе свій «будиночок» по ним же створеній слизовій доріжці слимак.

Стрімко ковзає на животі по щільному снігу пінгвін. Також пінгвіни — чудові плавці. У воді вони здатні розвивати швидкість до ЗО км/год і пірнати на глибину до 60 м і більше. Суходолом ці птахи пересуваються повільно, тримаючи своє тіло у вертикальному положенні й спираючись на короткий жорсткий хвіст, але якщо по дорозі на рибну ловлю їм трапиться пологий схил, то завдяки ковзанню вони опиняються на березі набагато швидше, ніж пішки.

Насамкінець — про тварин, яким випало пересуватися у товщі землі. Найвідоміший серед них — кріт. По суті, кріт — жива підземна машина — залишає за собою чистий тунель із гладенькими стінками. Риючи складні системи підземних ходів на глибині від 2 до 60 см, він постійно крутить головою, вдавлюючи грунт у стінки тунелю.

2. Тварини, і хребетні, і безхребетні, спілкуються між собою зна-ками-жестами, знаками-запахами, знаками-яскравими плямами, зна-ками-звуками... Тварини-поліглоти знають не одну мову, вони користуються кількома способами передачі інформації. Отже, тварини — не безсловесні істоти. Але що ж собою являють їхні «слова»?

Відповідь. Зовсім недавно не було сумнівів: єдине, для чого потрібні звуки тваринам, — це виражати свої емоції та інформувати інших про свій внутрішній стан. Так, наприклад, слони можуть багато сповістити один одному вухами і хоботом. Якщо слон виставляє вперед вуха — це означає, що він збуджений; якщо піднімає хобот уверх — відчуває страх; якщо почне обмацувати хоботом голову — хоче перебороти страх.

Якщо ж, наприклад, почнуть з’ясовувати стосунки між собою лисиці або макаки-резуси, за їхніми звуками багато чого можна пізнати. У лютому й березні, коли в розпалі лисячі «весілля», конфлікти між самцями виникають досить часто. Загарчить лисиця — вона роздратована, застерігає свого суперника. А свій напад на суперника лис супроводжує гавканням. Гавкають і макаки. Але у них гавкіт лунає тоді, коли мавпа недостатньо агресивна. Щоб атакувати суперника, якому він погрожує, макак, що не дуже впевнений у собі й бажає отримати підтримку окремих членів стада, видає інші звуки: неначе його мучить сильна задуха. А мавпа, яка захищається і сили якої вичерпані, пищить.

Однак у звуках тварин є й інформація зовсім іншого роду. Ось що писав крупний спеціаліст у галузі психології мови і мислення М. І. Жинкін, який вивчав мову павіанів гамадрилів: «Поширена думка, що звуки тварин, у тому числі й мавп, не мають предметного значення. Зазвичай їх розглядають як виявлення емоційного стану. Насправді це не так. Справді, розгортається ряд змінних експресивних станів, але звук сигналізує про ситуацію, а не лише виявляє стани. Якщо, заховавшись за великою кам’яною скелею недалеко від стада, раптово висунути довгу палицю з ловильною сіткою для мавп, роздадуться голосні крики “ак, ак, ак”. У гамадрилів вигук “ак, ак” має предметне сигнальне значення. З’являється він у новій, несподіваній ситуації і є сповіщенням про небезпеку. Ці тварини наділені механізмом прийому і видачі сповіщень. Також очевидно, що вони інформують не про свій емоційний стан, а про змінену предметну ситуацію. На виході системи сповіщення видається, як завжди, постійний акустичний ефект типу “ак, ак, ак”. На прийомі це сповішення переробляється окремими індивідуумами по-різному. Деякі шаркають передньою лапою, в інших з’являється орієнтовна реакція — озирання навколо себе, матері забирають до себе на спину дитинчат і не завжди відповідають на крик. Якщо одна з мавп “обшукувала” іншу, то це заняття припиняється. Таким чином, отримана інформація у членів стада переробляється різними каналами і по-різному».

Здавалося б на перший погляд, яку інформацію можна добути, почувши вереск? Саме ці звуки лунають, коли макаки-резуси не можуть щось поділити між собою. Але у макак існує п’ять різновидів вереску, і в кожному з них — інформація про ситуацію. Звучить вереск, і стає зрозуміло: розділяє суперників відстань чи вони вже наблизилися впритул один до одного. За вереском мавп, які сваряться, інші визначають, які в них ранги, чи існують між ними зв’язки по материнській лінії.

Також хто є хто неважко впізнати і за криками лисиць. Ось почали тявкати дві лисиці. Одна з них — глухо, а друга — гучніше і до того ж скавчить, крутить хвостом, притискує вуха, розтягує губи. Вона — підлегла. У найвідповідальніший момент бійки така лисиця верещить і скавчить. Дві лисиці, що конфліктують, інколи скавчать. Але в домінуючої звуки нижчі, ніж у підлеглої.

Однак про що б не інформували звуки, виникає питання: скільки ж усього «слів» говорять лисиці, мавпи та інші тварини? Серед усіх живих істот, які населяють Землю, комахи займають перше

місце за кількістю видів. А вся ця величезна армія користується лише тридцятьма звуковими сигналами. Найбільш говіркі серед комах — бджоли, у їхньому словнику 11 звуків. Комахам на «розмови» відведено не дуже багато часу. Майже все життя проводять вони в мовчанні, лише деякі з них видають звуки в дитинстві. Однак таких одиниці, а інші — хто більше, хто менше, але мовчать. Перш ніж заспівають визнані співаки — цикади, може пройти не один місяць. Одна із цикад може чекати свого часу два роки, друга — чотири.

Серед риб перше місце з мовчання належить оселедцю, хамсі, плотві. В озерної жаби — 6 криків, а у жаби-бика — 7.

Словник птахів різноманітніший. Кулик кроншнеп задовольняється трьома криками, двома видами трелей і однією піснею. До його репертуару входить і стукіт, який утворюється під час роботи пір’я крил і хвоста. У малої чайки — 13 криків. Стільки ж у снігурів, але у них є ще й 3 різні пісні. Повний словник у чижа — 29 звукових сигналів. А у коноплянки їх 42. Синиці залишають далеко позаду коноплянок — у них 90 сигналів. У той же час синицям не наздогнати шпаків. У них — 120 криків.

Однак перше місце займають сірі ворони. Каркання цього птаха досить виразне. Почувши «квар», можна не сумніватися: кричить холостяк. А якщо роздається «ак», яке часто повторюється, то це вже крик ревнощів; «курра» означає: ця територія зайнята. Щоб оголосити тривогу, ворони використовують крики, які відносять до десяти і більше груп сигналів. Усього ж у цих птахів понад 300 криків.

Серед звірів мовчунами вважаються жирафи, окапі, єхидни, качкодзьоби. Домашній віслюк видає лише 3 звуки. А ось домашні собаки у спілкуванні з людиною надають перевагу мові звуків, але використовують лише частину сигналів найближчих родичів — вовків, і ці сигнали не призначені для передачі інформації на далекі відстані. Кабани видають різні звуки, однак, спілкуючись між собою, вони впізнають необхідне головним чином за особливими рухами один одного. А домашні свині в основному покладаються на звуки. їх словник має 23 крики. Таким чином, звукові сигнали домашніх тварин набагато простіші.

Стихія дельфінів афалін — океан, і вони зовсім не мовчуни: нявчать, скавчать, викрикують. Якщо дельфін афаліна почне переслідувати іншого дельфіна, то донесуться звуки, які нагадують гавкання собаки. А якщо відстане від нього самка, яка пливе за ним і до якої він залицяється, теж лунає гавкіт. Дельфін перестане гавкати лише тоді, коли самка його наздожене.

Дельфіни афаліни свистять на всі лади. У них 31 вид свисту. Звуки, що видають афаліни, різноманітні. Нині виділено 11 груп сигналів, а в кожній групі — від однієї до дев’яти підгруп. Хоча розшифровка мови дельфінів визнана досить важливою, словник мови дельфінів ще й досі не складено.

Летючі миші бурі вечірниці користуються лише 10 сигналами.

Мешканець Африки сенегальський галаго (напівмавпа) з великими вухами, який зі сходом Сонця згортає їх, щоб не чути шуму, передає своїм родичам усе, що потрібно, 18 криками.

У павіанів гамадрилів не менше 40 звукових сигналів, у койотів — біля 30, у лисиць — 36 звукових сигналів.

3. Серед численних систем передачі інформації, що є у світі тварин, жодна не викликає стільки суперечливих думок, як система, що грунтується на знаках-звуках. Людина теж користується звуками. Але чи можна назвати мовою спілкування у тварин із допомогою звуків? Наведіть приклади висловлювань учених щодо наявності мови у тварин.

Відповідь. Відповісти на це питання намагалися ще великі мислителі стародавнього світу. Так, Аристотель говорив, що тварини здатні сприймати звуки і розрізняти різноманітність знаків. Плутарх також визнавав, що «тварини мають голос, але не мають мови». Монтень не такий розважливий, він думав, що «у тварин є мова, якої ми не розуміємо, але хто ж у цьому винний?» Дюпон де Немур уявляв, що «тварини володіють здібностями говорити», і, що ще гірше, уявляв, що він розуміє їх мову...

Цитат, у яких би висловлювалися зовсім протилежні думки, можна знайти досить багато. Але що думають із цього приводу лінгвісти? У сучасних лінгвістів відповідь на це питання досить визначена. Вони вважають, що мова — це знакова система, яка складається зі знаків одного роду. Тобто звукова мова, мова малюнків, жестів, запахів тощо. Навіть саму поведінку тварин вони розглядають як «мову слабкого ступеня».

Так, самець триголкової колючки, побачивши самку з розбухлим від ікри черевцем, починає танцювати. Але він танцює і побачивши модель самки з розбухлим черевцем. Отже, для самця важливе явище в цілому — самка. Поведінка тварин, особливо нижчих, нехай не вся, але розпадається на ланцюг відмежованих один від одного «кадрів». Таким чином, деякі ланки цього ланцюга є знаками, які відтворюються регулярно. І доктор філологічних наук Ю. С. Степанов робить висновок: «До цього часу однобічно ставили питання про мову тварин. Разом із тим, з точки зору сучасної семіотики, питання треба ставити не так: «Чи є “мова тварин” і в чому вона проявляється?», або по-іншому: «Безпосередньо інстинктивна поведінка тварин є родом мови, який ґрунтується на знаковості нижчого порядку? У гаммі мовних або мовоподібних явищ вона, по суті справи, не що інше, як “мова слабкого ступеня”».

4. Максимально можливі розміри тварин різних систематичних груп завжди обмежені. Наприклад, не буває: а) одноядерних найпростіших об’ємом більш як 1 мм; б) комах із товщиною тіла більше 5 см; в) війкових червів масою більше 100 г. Як ви думаєте, із чим пов’язані ці обмеження для кожної з названих систематичних груп?

Відповідь. Те, що одноядерні найпростіші не можуть вирости більше 1 мм в об’ємі, пов’язано з низкою обмежень. По-перше, потужності одного ядра буде недостатньо для великої клітини. Справді, продуктів діяльності ядра — різноманітних матричних і рибосо-мальних РНК — може бути недостатньо для крупного найпростішого. Інфузорії, наприклад, розв’язують цю проблему з допомогою макронуклеуса (великого поліплоїдного ядра, у якому геном малого ядра — мікронуклеуса — повторений тисячу разів, і це в багато разів збільшує кількість синтезованої РНК). Багатоядерні одноклітинні (наприклад, міксоміцети) доростають до значних розмірів (десятки сантиметрів).

Крім цього, такі крупні організми будуть пересуватися значно повільніше за своїх дрібніших родичів. Однак це не заважає крупнішим тваринам використовувати ті ж самі способи пересування достатньо ефективно. Наприклад, амебоїдний рух відомий у міксоміцетів, а личинки багатьох безхребетних, і навіть ставковика великого та прісноводної котушки, рухаються за допомогою війок.

Захоплення об’єктів харчування відбувається всією поверхнею тіла або її спеціальними ділянками. Кількість їжі, яку проковтнули, прямо пов’язана з площею поверхні тіла. У разі збільшення лінійного розміру організму площа поверхні росте з меншою швидкістю, ніж об’єм. Таким чином, дуже велика найпростіша тварин буде не в змозі прогодувати весь об’єм цитоплазми свого тіла. Таку ситуацію можна виправити зміною форми, наприклад, як у радіолярій (безліч тонких довгих виростів — псевдоніжок). Щоправда, у цьому разі виникають ще дві проблеми — міцність псевдоніжок і внутріклітинного транспорту із центра клітини до периферії, по всій довжині псевдоніжок.

Товщина комах обмежена перш за все особливостями їх дихальної системи. Дихання у комах пасивне і здійснюється з допомогою дифузії кисню і вуглекислого газу вздовж трахей, що пронизують тіло. У «дуже товстої» комахи трахеї можуть стати дуже довгими. Нормально будуть забезпечені киснем лише верхні шари тканин. По-друге, великій комасі буде важко пересуватися. Для того щоб пересувати на суходолі крупне, важке тіло, необхідно мати потужні м’язи, які, у свою чергу, потрібно прикріпити до міцного скелета. Але біда в тому, що сила м’яза прямо пропорційна площі її поперечного перерізу, а його власна маса пропорційна його об’єму. Виходить, що якщо м’яз збільшився в довжину вдвічі, то його сила зросте вчетверо, а маса — у вісім разів. Значне збільшення розмірів комахи призведе до того, що для її пересування знадобиться масивний зовнішній хітиновий скелет, а це зробить тварину ще більш незграбною.

Проблеми виникнуть і під час польоту. М’язи, які приводять у рух крила комахи, містяться всередині тіла і рухають крилами, як важелем. Внутрішнє плече такого важеля дуже коротке і потрібна значна сила, щоб підняти у повітря таким крилом масивний об’єкт. До того ж, щоб крила не зламалися від такої ваги, їх треба зробити товстішими, а тому і важчими. Причому підйомна сила крила збільшується прямо пропорційно його площі, а маса — прямо пропорційно об’єму, тобто набагато швидше.

Великій комасі складніше ховатися від хижаків. Вона є не лише дуже помітною, але й не має можливості ховатися від ворогів у дрібні щілини.

Однією з причин того, що війкові черви не виростуть важчими, ніж 100 г, є особливості їх дихання. На відміну від комах, вони не мають товстого хітинового покриву і дихають усією поверхнею тіла. Для ефективного газообміну вони мають сплющену форму тіла. Якщо розмір черва збільшиться, то, відповідно, збільшиться й площа його тіла. Чим більший черв, тим краще такий «млинець» буде рватися. Стати ж товстішим він не зможе і через те, що це викличе труднощі газообміну у внутрішніх тканинах. Війкові черви з великою масою не зможуть пересуватися за допомогою війок. Потужність війок має певну межу, а масивного черва вони не зможуть зрушити з місця (кожен грам маси буде приводитися в рух порівняно невеликою ділянкою поверхні тіла, тобто недостатньою кількістю війок).

Нелегко буде дуже великому черву і харчуватися. Травна система плоских червів сліпо замкнута, і залишки неперетравленої їжі викидаються через ротовий отвір. У великого черва процес виштовхування неперетравлених залишків із такого довгого кишечнику може зайняти занадто тривалий час, який у дрібних особин буде витрачено на перетравлення нової їжі.

5. Протягом тривалого часу вчені спостерігали й досліджували живих істот, які світяться в темряві (їх безліч і мешкають вони в різних середовищах). Яким тваринам притаманна здатність світитися? Поясніть механізм світіння живих організмів із точки зору фізики.

Відповідь. Серед живих організмів здатність світитися притаманна багатьом комахам, деяким іншим тваринам, особливо «мешканцям» морів і океанів. Мікроскопічні істоти, відомі під назвою ночесвіток, викликають світіння поверхневого шару морської води. Глибше плавають медузи, які світяться то блакитним, то зеленим, то жовтим або червонуватим кольором, а також риби, що випромінюють світло: в одних яскраво горять очі; в інших на голові є відросток, верхівка якого нагадує електричну лампу; ще в інших від верхньої щелепи відходить довгий «шнур із ліхтариком» на кінці, а в деяких сяє все тіло.

Так, усередині кожної ночесвітки видно безліч жовтуватих «крупинок» — бактерій. Випромінюючи світло, вони роблять цих істот освітленими.

Світінню тварин не завжди сприяють особливі клітини, які розміщені в їхньому організмі. Органи світіння можуть бути простими або складними, але, на думку науковців, механізм їх дії однотипний. Розглянемо його на прикладі головоногих молюсків. У шкірі цього молюска є невеличкі тверді тіла овальної форми. їх передня частина прозора і схожа на кришталик ока. А задня (більша) частина ніби згорнута в оболонку з пігментних клітин. До неї прилягають кілька рядів сріблястих клітин. Між ними і «кришталиком» міститься шар клітин, що світяться, і виконують також роль нервових елементів сітківки ока. Світло, яке випромінюється клітинами внутрішнього шару і яке відображено від сріблястих клітин, проникає через прозорий шар і виходить назовні. Цей освітлений «апарат» має ще додаткову «деталь»: у шкірі молюска біля кожного світильника є тканинний утвір, схожий на ввігнуте дзеркало. Він складається з двох видів клітин: перші — темні, які не пропускають світла, а другі — сріблясті, відображають світло.

Джерелом енергії світіння клітин живих організмів (біолюмінес-ценції, або «холодного» світла) слугують реакції з участю люциферину — речовини, яка міститься в організмі тварин і деяких бактерій, що світяться. У процесі його хімічних перетворень виникають молекули в електронно-збудженому стані, які, переходячи у стабільний стан, виділяють енергію.

Ретельне вивчення природи біолюмінесценції, її різновидів і закономірностей дало змогу вченим створити на її основі кілька високочутливих методів дослідження, наприклад, визначення ступеня зараження бактеріями навколишнього середовища.

6. Відомо, що серед водних тварин є досить багато прозорих форм, а ось серед мешканців поверхні ґрунту такі форми практично відсутні. Поясніть ці відмінності з точки зору фізики.

Відповідь. Справді, серед водних тварин багато прозорих або напівпрозорих істот. В основному це організми, які мешкають у товщі води: найпростіші, коловертки, медузи, гребінці, ракоподібні, а також їхні личинки. Трапляються і майже прозорі донні тварини: гідроїдні та коралові поліпи, турбелярії тощо.

Серед тварин, які мешкають на поверхні грунту, лише деякі з них ледь прозорі (тля, деякі види гусені), але справжні склоподібні форми не трапляються. Ці відмінності можна пояснити кількома причинами. По-перше, багатьом водним тваринам прозорість дає змогу залишатися непомітними для хижаків (або для своїх жертв). Наприклад, прозорість рятує дафній від хижаків, які мають гарний зір, а прозорість медуз допомагає залишатися непомітними для їхніх жертв — рачків або мальків риб. У воді зазвичай містяться різні домішки, тому навіть часткова прозорість може забезпечити маскування.

На суходолі такий спосіб маскування неможливий. Річ у тім, що всі організми містять у собі великий відсоток води, тому коефіцієнт заломлення їх тіла може бути дуже близьким до коефіцієнта заломлення води. Це й означає, що у воді за відсутності в тілі пігментів організм буде непомітним. Щоб стати непомітним у повітрі, необхідно, щоб коефіцієнт заломлення тіла був таким самим, як у повітря. Однак це неможливо: коефіцієнт заломлення визначається швидкістю світла у певному середовищі. Тому навіть прозорий організм на суходолі буде помітним (наприклад, через відбиття відблиску, викривлення форми предметів, які видимі крізь його тіло).

Інша причина відсутності прозорих форм серед наземних тварин полягає в тому, що пігментація захищає їх від згубного впливу ультрафіолетового випромінювання. Вода сильно поглинає ультрафіолетові промені, тому для водних тварин такої проблеми в захисті немає. Але в мілких і прозорих водоймах у високогір’ї, де інтенсивність ультрафіолетового випромінювання досить велика, водні тварини, які зазвичай мають прозорі покриви (наприклад, дафнії), набувають пігментації і можуть стати майже чорними.

7. Більшість наземних тварин заздалегідь відчувають наближення землетрусу. Наприклад, ящірки і змії перед цим кидають нори. Домашні тварини (кози, свині, корови) передчувають наближення землетрусу за дві доби. Глибоководні риби океанів перед землетрусом виходять у поверхневий шар води або у прибережну зону. Як пояснюють фізики та геофізики механізм передчуття землетрусу тваринами?

Відповідь. Учені по-різному пояснюють передчуття землетрусу тваринами. Геофізики вважають, що перед наближенням землетрусу виділяється газ радон, концентрація якого зростає в десятки разів і спрямовується з великих глибин до поверхневих шарів землі. Можливо, тварини можуть уловлювати підвищення його концентрації в атмосфері і у воді.

Натомість фізики припускають, що тварини можуть уловлювати флутації в електромагнітному полі, що викликані напруженням земної кори перед землетрусом. З’являються блукаючі струми, які поступово наростають, і це наростання сприймають тварини, особливо риби, так як у їх бічній лінії є електричні рецептори.

8. У природі існують досить непрості відносини між рідинами і поверхнею твердого тіла. Так, наприклад, краплі води «полюбляють» вітрове скло автомобіля і, скочуюсь, залишають на ньому мокрі довгі смуги. А ось на поверхні лотоса, капусти, крил метеликів та багатьох інших комах залишити слід їм не вдається. Поясніть, від чого залежать «взаємні почуття» матеріалів.

Відповідь. «Взаємні почуття» матеріалів залежать від параметрів явища змочування і адгезії. Змочування — явище, яке виникає в разі зіткнення рідини з поверхнею твердого тіла і є результатом міжмолекулярної взаємодії цього контакту.

Поверхня квітів і листків лотоса, крил метеликів та інших комах завжди чиста — краплі води стікають із покривів, які відштовхують воду й одночасно змивають частки пилу. Так, з’ясувалося, що поверхня листків лотоса густо вкрита мікропухирцями заввишки 10 мкм, а самі мікропухирці, у свою чергу, вкриті мікроволоконцями. Між мікропухирцями поверхні листка є повітря. Краплині води, яка потрапила на поверхню листка лотоса, схожого на масажну щітку, заважає великий поверхневий натяг рідини. Для того ж щоб проникнути між мікропухирцями поверхні листка та крил комах, краплині води треба збільшити свою поверхню, а це енергетично невигідно. Чим більший коефіцієнт поверхневого натягу рідини, тим із більшою силою вона намагається мінімізувати свою поверхню — крапля згортається у кульку. Поверхня, подібна на масажну мікрощітку, зменшує адгезію (прилипання) не лише крапель води, але й будь-яких часточок, розміром більше 10 мкм, оскільки вони торкаються такої поверхні лише в кількох точках. Тому часточки бруду, які потрапили на поверхню лотоса і крил метеликів, або самостійно скочуються з неї, або захоплюються краплями води. Таке самоочищення називається ефектом лотоса.

Отже, вивідавши у природи ці секрети, вчені створили покриття, які самоочищаються. Ефект лотоса використовується під час виготовлення водовідштовхувальних та самоочисних покриттів і фарб.

9. Усім нам відоме твердження, що переїдати шкідливо. А ось для деяких тварин ненажерливість не лише корисна, а просто необхідна. Чи згідні ви з таким твердженням? Відповідь аргументуйте.

Відповідь, Ненажерливість необхідна, наприклад, ведмедям. їм життєво важливо нагуляти за літо солідний запас жнру, щоб пережити тривалу зимову сплячку. Такі енергетичні запаси потрібні також птахам перед далекими сезонними перельотами, тому що на шляху підгодовуватися буде ніколи. Обростають жиром і мешканці пустель перед настанням безводного періоду, коли добування їжі перетворюється на важке завдання.

10. Чим можна пояснити скорочення енергії в ланцюгах живлення? Який загальний закон природи тут проявляється?

Відповідь. В екологічних системах у процесі еволюції склалися ланцюги взаємозв’язаних видів, які послідовно добувають речовину й енергію від вихідної харчової речовини. Так, зелені рослини в харчовому ланцюзі створюють первинну органічну речовину, використовуючи енергію Сонця. Лише біля 1 % енергії, що поглинають рослини, перетворюється в потенційну енергію хімічних зв’язків синтезованих органічних речовин і надалі використовується в харчуванні гетеро-трофів. Після вживання цієї їжі тваринами до них переходить лише 5—20 % енергії їжі, решта витрачається на різні процеси життєдіяльності, перетворюючись у тепло, і частково розсіюється. У випадку поїдання рослиноїдної тварини хижаком частина накопиченої енергії витрачається. Через втрату корисної енергії ланцюги живлення не бувають довгими, зазвичай вони мають 3—5 ланок.

Виконаємо такі розрахунки: якщо взяти за основу те, що в речовину тіла тварини переходить у середньому 10 % енергії вжитої їжі, то з однієї тонни рослинної маси може утворитися 100 кг маси хижака. Реально ці цифри можуть бути й іншими, оскільки коефіцієнт використання енергії неоднаковий у різних видів. Таким чином, у природних угрупованнях під час переходу з одного трофічного рівня на інший витрачається 90 % енергії і лише біля 10 % її переходить до наступного споживача.

11. Медузи мають дещо більшу щільність, ніж щільність води, однак вони не тонуть. Що допомагає їм триматися у тих шарах водойми, де мешкає їх постійна здобич?

Відповідь. Маючи більшу щільність, медузи змушені активно рухатися, щоб не потонути. Крім того, триматися на рівні мешкання їх здобичі їм допомагають світлочутливі органи й органи рівноваги, розташовані на парасольці.

12. Серед безхребетних тварин досить цікавими є морські зірки (Лїіегоісіеа). Найбільше вони приваблюють своїм способом пересування. У чому особливості руху морських зірок?

Відповідь. Голкошкірі мають особливу, лише їм властиву водно-судинну, або амбулакральну, систему. Нижня поверхня кожного променя має безліч амбулакральних ніжок — порожнистих тонкостінних м’язових трубочок, що закінчуються присосками. Біля основи цих ніжок є м’язові мішечки — ампули. Скорочуючись, вони закачують воду в ніжки, і ніжки витягуються. ІІри скороченні м’язів ніжок вода знову виштовхується в ампули. Порожнини всіх амбулакральних ніжок з’єднані каналом, усі радіальні канали з’єднані кільцевим каналом, розташованим у центральному диску. Кільцевий канал з’єднаний кам’янистим каналом із мадрепоровою пластиною, розташованою на спинному боці і пронизаною безліччю пор, які з’єднують порожнину кам’янистого каналу із зовнішнім середовищем. Пересувається морська зірка, поперемінно працюючи різними групами ніжок.