Предметный тур. Биология. 3 этап

Биология. 8–9 классы

Задача 1.1.(26 баллов)

Ботаника

Условие

В овощном отделе магазина будущий молекулярный биолог Таисия обнаружила следующие овощи:

картофель,
батат,
морковь,
кольраби,
свеклу,
топинамбур,
имбирь.

Ответьте на вопросы, приведенные в заданиях.

Подзадача 1. (2 балла)

Какую общую функцию выполняют для растений эти органы?

Решение

Данные части растений несут запасающую функцию, а также позволяют перезимовать и дать новые побеги в благоприятный сезон.

Подзадача 2. (12 баллов)

Назовите, какие видоизменения побега и корня можно обнаружить на примере перечисленных овощей а – ж. Какие из них являются побегами (7 баллов), а какие — корнями (5 баллов)?

Решение

клубень,
корнеклубень,
корнеплод,
надземный клубень,
корнеплод,
клубень,
корневище.

Побеги — а, г, е, ж; корни — б, в, д.

Критерии оценивания

5 баллов; за каждое несоответствие, отсутствие или наличие неправильной буквы в категории, штраф 1 балл; минимальный балл за задание — 0 баллов.

Подзадача 3. (3 балла)

Какие из видоизменений а – ж располагаются над землей, а какие являются подземными? В чем смысл преимущественно подземного расположения этих органов у растений?

Решение

Надземным видоизменением является клубень кольраби. Остальные видоизменения — подземные, это необходимо для:

защиты от холода и низкой влажности зимой,
защиты от поедания фитофагами.

Подзадача 4. (9 баллов)

Бабушка Таисии каждый год весной высаживает картофель и морковь. Картофель Solanum tuberosum и морковь Daucus carota — двудольные растения, для которых характерно наличие стержневой корневой системы. Почему во время уборки урожая у моркови легко обнаружить главный корень, а в случае с картофелем главный корень не удается обнаружить (3 балла)? Как получить растение картофеля с наличием главного корня (3 балла)? Почему этот способ используют редко (3 балла)?

Решение

При посадке картофеля используют клубни, которые представляют собой побеги, способные давать придаточные корни (3 балла). При посадке моркови используют семена, в которых находится зародыш с зародышевым корешком, из которого развивается главный корень (3 балла). Если картофель вырастить из семени, можно получить картофель с выраженным главным корнем. Выращивание картофеля из семени приводит к низким урожаям клубней в первый год и экономически нецелесообразно (3 балла).

Задача 1.2.(20 баллов)

Проращивание подсолнечника

Условие

Маша провела эксперимент по проращиванию семян подсолнечника. Для этого она поместила по 100 проросших семян подсолнечника в несколько кювет с войлочными ковриками. Одну из кювет она поливала водой, в другую добавила небольшое количество фосфата кальция, в третью добавила фосфат кальция и один из штаммов бактерии Bacillus megaterium, которую часто добавляют в качестве бактериального удобрения. Далее Маша замеряла длину побегов следующие несколько дней с помощью линейки и заносила результаты в таблицу. По результатам наблюдений ей удалось построить диаграмму, представленную на рис. 1.1. Планки погрешностей отображают доверительный интервал, в котором находится истинное среднее значение длины проростков.

Рис. 1.1.

Ответьте на вопросы, приведенные в заданиях.

Подзадача 1. (3 балла)

Какая из групп в данном эксперименте является контрольной? Какие условия нужно соблюсти, чтобы можно было считать группу контрольной?

Решение

Группу 2 (бактерий нет) можно считать контрольной для группы 3 (добавлены бактерии). Группу 1 (нет фосфата кальция) можно считать контролем для группы 2 (добавлен фосфат кальция). Все остальные условия (за исключением факторов различий — бактерии, фосфат) в группах должны быть одинаковыми (температура, влажность, освещенность, концентрация иных веществ), чтобы исключить влияния этих факторов.

Подзадача 2. (6 баллов)

Какие из утверждений непосредственно вытекают из эксперимента:

На 15-й день длина проростков подсолнечника значимо не различалась в разных группах.
На 20-й день наблюдается значимое различие между длиной проростков подсолнечника между группами 1 и 2.
Бактерии положительно влияют на рост растений.
Растения в 3-й группе будут иметь большую длину во взрослом состоянии.
Наличие дополнительных фосфатов стимулирует скорость роста проростков подсолнечника.
Скорость роста проростков подсолнечника, получающих воду и бактерию Bacillus megaterium, будет выше, чем для 2-й группы.

Решение

Верные утверждения, следующие из текста, рисунка задачи: а и д; неверные утверждения: б, в, г, е.

Подзадача 3. (5 баллов)

Предложите гипотезы, объясняющие, по какой причине на 30-й день длина проростков в 3-й группе превосходят длину во 2-й группе, если известно, что условия выращивания были одинаковыми.

Решение

В 3-й группе присутствуют бактерии по сравнению со 2-й группой. Влияние бактерий может быть связано:

с фиксацией атмосферного азота,
с выделением веществ, повышающих доступность фосфата,
с выделением ростовых факторов (в т. ч. растительных гормонов),
с вытеснением патогенной микрофлоры.

За каждый пункт или за любое другое разумное объяснение — по 1 баллу, но не более 5 баллов.

Подзадача 4. (6 баллов)

Почему доступный азот и фосфор могут ускорять рост растений? По какой причине именно эти элементы являются наиболее важными? Как растения, живущие на бедных почвах, решают проблему недостатка азота и фосфора?

Решение

Азот и фосфор входят в состав белков и нуклеиновых кислот (2 балла), их недостаток может замедлять рост растения (1 балл). Клубеньки с симбиотическими азотофиксаторами, переход к хищничеству с формированием ловчих органов (3 балла).

Задача 1.3.(18 баллов)

Клеточная диффузия

Условие

Проницаемость липидного бислоя в составе мембраны для различных веществ будет неодинаковой. Ключевыми параметрами, от которых будет зависеть возможность диффузии через мембрану, являются размер (молекулярная масса) молекул и наличие полярных и неполярных групп.

Подзадача 1. (6 баллов)

Для каждого вещества выберите одно утверждение (обозначены буквенными кодами) о его размере (молекулярной массе).

Вещества:

Азот.
Гемоглобин.
Глюкоза.
Инсулин.
Аминокислота.
Гелий.

Размер (молекулярная масса):

Высокомолекулярные вещества, не могут проходить через липидный бислой.
Вещества средней молекулярной массы.
Низкомолекулярные вещества, хорошо проходят через липидный бислой.

Решение

1 — C, 2 — A, 3 — B, 4 — A, 5 — B, 6 — C.

Подзадача 2. (2 балла)

Какое из перечисленных веществ будет быстрее всего проникать через липидный бислой? Кстати, именно из-за этого его используют глубоководные водолазы.

Решение

Атом гелия имеет самый маленький размер. Гелиево-кислородные смеси используют при глубоководных погружениях, чтобы избежать кессонной болезни.

Подзадача 3. (6 баллов)

Для скорости диффузии через мембрану обычно действует закон Фика: \(Q = \Delta C \cdot S / d\), где \(S\) — площадь поверхности мембраны, \(\Delta C\) — разница концентрации по разные стороны мембраны, \(d\) — толщина мембраны, \(Q\) — скорость диффузии. В центре клетки одноклеточного организма кубической формы со стороной \(2x\) находится митохондрия. Оцените, во сколько раз изменится скорость диффузии кислорода, если:

клетка растет, увеличивая длину ребра до \(3x\);
клетка, не меняя свой объем, уплощается в два раза, митохондрия продолжает находиться в центре.

Решение

Вычислим скорость диффузии для исходного состояния: \(Q \sim 6 \cdot 4x^2 / x = 24x\) (1 балл). Вычислим скорость диффузии для клетки 1: \(Q \sim 6 \cdot 9x^2 / 1{,}5x = 36x\). Скорость диффузии для клетки 1 будет в \(36/24=1{,}5\) раза выше исходной (1 балл).

Вычислим скорость диффузии для клетки 2: при уменьшении высоты клетки в два раза при сохранении объема, в два раза увеличивается площадь основания, при этом в два раза уменьшается расстояние диффузии. Скорость диффузии через эту грань: \(2\cdot 4x^2 / 0{,}5x = 16x\) (1 балл). Высота боковых граней уменьшилась в два раза, при этом длина боковых граней увеличивается в \(\sqrt{2}\) раза. Расстояние увеличивается в \(\sqrt{2}\) раза: \(2\sqrt{2} x \cdot x / \sqrt{2}x = 2x\). (1 балл). Таким образом, суммарную скорость диффузии можно оценить как \(Q \sim 2 \cdot 16x + 4 \cdot 2x = 40x\) (1 балл). Скорость диффузии для клетки 2 будет составлять \(10/6\) от исходной (1 балл).

Подзадача 4. (6 баллов)

Полярные и заряженные вещества (ионы, глюкоза, аминокислоты), несмотря на небольшой размер, хорошо взаимодействуют с водой и плохо проходят через липидный бислой. Чтобы обеспечить транспорт этих веществ через мембрану, в ней находятся транспортные белки (белки-каналы, белки-переносчики). Обычно таких белков в мембране находится конечное количество. На рис. 1.2 приведены графики скорости проникновения двух веществ А и Б. Какой из графиков описывает диффузию кислорода, а какой — глюкозы? Аргументируйте ответ.

Рис. 1.2.

Решение

График Б лучше описывает диффузию кислорода, поскольку представляет прямую линию (1 балл). В задании 3.3 приведено уравнение Фика, где видно, что скорость диффузии прямо пропорционально концентрации. (1 балл)

График А лучше описывает диффузию для глюкозы. (1 балл) Количество белков-переносчиков для глюкозы в мембране конечное. Когда задействованы все белки-переносчики, находящиеся в мембране, скорость диффузии перестает расти при дальнейшем увеличении концентрации глюкозы. (3 балла)

Задача 1.4.(16 баллов)

Растительные гибриды

Условие

Растения часто имеют механизмы защиты от самоопыления, и одним из таких механизмов является самостерильность. Пример реализации этого явления — локусы самостерильности. Пыльца прорастает на рыльце пестика лишь в том случае, если она не содержит аллелей, которые есть у клеток рыльца пестика.

Какое расщепление по генотипам можно ожидать при скрещивании \(S_1S_1 \times S_2S_3\) в \(F_1\) и \(F_2\), \(F_3\)? Приведите схемы скрещиваний, укажите генотипы гамет, укажите, какие гаметы погибают. Считайте, что растения исключительно диплоидные.

Решение

Рассчитаем \(F_1\): \[\begin{aligned} P: & \quad S_1S_1 \times S_2S_3; \\ G: & \quad S_1 \quad \quad S_2, S_3; \\ F_1: & \quad 1 S_1S_2 : 1 S_1S_3. \end{aligned}\] (2 балла — гаметы и расщепление \(F_1\))
Рассчитаем \(F_2\). \(S_1S_2\) и \(S_1S_3\) способны скрещиваться только между собой (1 балл): \[\begin{aligned} F_1: & ~ S_1S_2 \times S_1S_3; \\ G: & ~ S_1, S_2 \quad S_1, S_3 - \end{aligned}\]

— гаметы \(S_1\) не образуются в пыльниках, но образуются в плодолистиках.

Возможны два направления скрещивания, когда пыльца переносится от \(S_1S_2\) к \(S_1S_3\) и наоборот: \[\begin{aligned} G: & ~ S_2 \quad S_1, S_3; \quad\quad\quad \text{или} \quad &G: ~ S_1, S_2 \quad S_3;\\ F_2: & ~ 1 S_2S_3 : 1 S_2S_1; &F_2: ~ 1 S_2S_3 : 1 S_1S_3. \\ &~ (2 \text{ балла}) \quad &~ (2 \text{ балла}) \end{aligned}\] Поскольку эти два варианта равновероятны, то \[F_2:~ 1~ S_1S_2 : 2~ S_2S_3 : 1~ S_1S_3 (1~\text{балл}).\]

Рассчитаем \(F_3\).

Частота аллелей в пыльце для \(F_2:~ 1~ S_1S_2 : 2~ S_2S_3 : 1~ S_1S_3\). Соотношение аллелей в пыльце будет: \(2~ S_1 : 3~ S_2 : 3~ S_3\) (1 балл). При этом каждый из генотипов пылинок сможет прорастать только на одном варианте генотипов материнских растений, см. таблицу 1.1.


\(P: 2 S_1 \times 2 \, ♀ S_2S_3\) \(G: 2S_1 \quad 2S_2, 2S_3\) \(F3: 4 S_1S_2 : 4 S_1S_3\)	\(P: 3 S_2 \times 1 \, ♀ S_1S_3\) \(G: 3S_2 \quad 1S_1, 1S_3\) \(F3: 3 S_1S_2 : 3 S_2S_3\)	\(P: 3 S_3 \times 1 \, ♀ S_1S_2\) \(G: 3S_3 \quad 1S_1, 1S_2\) \(F3: 3 S_1S_3 : 3 S_2S_3\)
(2 балла)	(2 балла)	(2 балла)

Складывая вместе, получаем \(F3:~ 7~ S_1S_2 : 6~ S_2S_3 : 7~ S_1S_3\) (2 балла).

Задача 1.5.(20 баллов)

Синтез олигонуклеотидов и ПЦР

Условие

Большинство олигонуклеотидов синтезируется с помощью амидофосфитного метода, при этом синтез идет на колонке, к твердой фазе которой своим 3\(^\prime\)-концом прикрепляется растущий олигонуклеотид. Каждый следующий нуклеотид добавляется с 5\(^\prime\)-конца, для этого колонка промывается несколькими растворами. Изменяя растворы можно добиваться добавления разных нуклеотидов. Повторяя процесс циклически, можно наращивать длину олигонуклеотида до необходимой.

В некоторых случаях при проведении ПЦР используют вырожденные праймеры, это смесь сходных праймеров, у которых в одной и той же позиции могут располагаться разные нуклеотиды. В этом случае в процессе синтеза добавляется смесь нескольких растворов, что приводит к тому, что на данной позиции может находиться комбинация нескольких нуклеотидов (например, A и G). Такой подход позволяет амплифицировать одни и те же фрагменты генома у различных организмов и не требует полного соответствия, например, его удобно использовать для амплификации генов у некультивируемых микроорганизмов в процессе поиска новых интересных для человека генов.

Подзадача 1. (6 баллов)

Рассчитайте, какое количество различных праймеров содержится в каждом из двух вырожденных праймеров, если известно, что:

N = A, T, C, G;
B = G, C, T;
D = A, G, T;
H = A, C, T;
V = A, G, C;
R = A, G;
Y = C, T;
W = A, T;
K = G, T;
M = A, C;
S = C, G.

Иногда применяют азотистое основание инозин (I), которое может образовывать водородные связи с C, U, T, A. В этом случае символа I в последовательности праймера присутствует лишь один вариант, а в случае наличия в праймере его аналога H — смесь из трех вариантов нуклеотидов в данной позиции.


Название праймера	Последовательность
NF	TGYGAYCCNAARGCNGA
NR	CIGGIGARATGATGGC

Решение

Для праймера NF в трех позициях (Y, Y, R) присутствуют два варианта нуклеотидов, а в двух (N, N) — четыре (1 балл). Таким образом, этот вырожденный праймер является смесью из \(2 \cdot 2 \cdot 2 \cdot 4 \cdot 4 =2^7= 128\) праймеров (2 балла).

Для праймера NR в одной позиции (R) присутствуют два варианта нуклеотидов (1 балл), а в двух позициях находится инозин (I), это увеличивает количество возможных сайтов, которые может потенциально связать такой праймер, но не количество различных праймеров (1 балл). Таким образом, этот вырожденный праймер является смесью из 2 праймеров (CIGGIGAAATGATGGC и CIGGIGAGATGATGGC) (1 балл).

Подзадача 2. (8 баллов)

С использованием этих праймеров для чистой культуры нового штамма азотфиксирующих бактерий провели градиентную ПЦР, далее продукты ПЦР анализировали с помощью агарозного гель-электрофореза. В градиентной ПЦР происходит амплификация при различной температуре отжига праймеров, температура отжига праймеров приведена в таблице 1.2.


Температура отжига, °С					Маркер длины, п. о.
53	55	58	60	63	Маркер длины, п. о.
					900
					800
					700
					600
					500
					400
					300
					200

Объясните, по какой причине целевого продукта нет при амплификации при 53 °C и при 63 °C?

Решение

При температуре отжига выше температуры плавления праймеров праймеры не могут образовать димеры с матричными цепями, а значит, ДНК-полимераза не может синтезировать вторую цепь по матричной цепи ДНК, поэтому амплификация не идет (3 балла).

При низкой температуре существенно увеличивается число возможных участков, с которыми может связаться праймер, поскольку не требуется полное комплементарное соответствие матричной ДНК и праймера. Поэтому амплификация идет неспецифически. Если праймеры в ходе неспецифической амплификации формируют продукт меньшей длины, то продукты меньшей длины получают преимущество перед более длинными продуктами в ходе конкуренции за ферменты, т. к. время их амплификации меньше. Поэтому целевой продукт может исчезнуть из-за более высокой эффективности амплификации коротких продуктов (5 баллов).

Подзадача 3. (4 балла)

Какая температура отжига будет оптимальна для амплификации, если известно, что длина целевого продукта около 900 пар оснований?

Решение

Оптимальной для отжига праймеров будет температура 58 °C (2 балла). При этой температуре амплифицируется наибольшее количество целевого продукта длиной 900 пар оснований, при этом праймеры работают специфически, узнают только участки целевого гена (2 балла).

Подзадача 4. (2 балла)

Оцените температуру плавления праймера.

Решение

В интервале от 60 °C (образуются димеры между праймером и матрицей) до 63 °C (нет димеров между праймером и матрицей) (2 балла за любое значение в пределах интервала или указание верного интервала.)

Биология. 10–11 классы

Задача 2.1.(38 баллов)

Вырожденные праймеры

Условие

Большинство олигонуклеотидов-праймеров для ПЦР синтезируют с помощью амидофосфитного метода, при этом синтез идет на колонке, к твердой фазе которой своим 3\(^\prime\)-концом прикрепляется растущий олигонуклеотид. Каждый следующий нуклеотид добавляется с 5\(^\prime\)-конца, для этого колонка промывается несколькими растворами, изменяя растворы можно добиваться добавления разных нуклеотидов. Повторяя процесс циклически, можно наращивать длину олигонуклеотида до необходимой.

В некоторых случаях при проведении ПЦР используют вырожденные праймеры, это смесь сходных праймеров, у которых в одной и той же позиции могут располагаться разные нуклеотиды. В этом случае в процессе синтеза добавляется смесь нескольких растворов, что приводит к тому, что на данной позиции может находиться комбинация нескольких нуклеотидов (например, A и G). Такой подход позволяет амплифицировать одни и те же фрагменты генома у различных организмов и не требует полного соответствия, например, его удобно использовать для амплификации генов у некультивируемых микроорганизмов в процессе поиска новых, интересных для человека генов.

Подзадача 1. (6 баллов)

N = A, T, C, G;
B = G, C, T;
D = A, G, T;
H = A, C, T;
V = A, G, C;
R = A, G;
Y = C, T;
W = A, T;
K = G, T;
M = A, C;
S = C, G.


Название праймера	Последовательность
NF	TGYGAYCCNAARGCNGA
NR	CIGGIGARATGATGGC

Решение

Для праймера NR в одной позиции (R) присутствуют два варианта нуклеотидов (1 балл), а в двух позициях находится инозин (I), это увеличивает количество возможных сайтов, которые может потенциально связать такой праймер, но не количество различных праймеров (1 балл). Таким образом, этот вырожденный праймер является смесью из двух праймеров (CIGGIGAAATGATGGC и CIGGIGAGATGATGGC) (1 балл).

Подзадача 2. (8 баллов)


Температура отжига, °С					Маркер длины, п. о.
Температура отжига, °С					Маркер длины, п. о.
53	55	58	60	63	Маркер длины, п. о.
					900
					800
					700
					600
					500
					400
					300
					200

Объясните, по какой причине целевого продукта нет при амплификации при 53 °C и при 63 °C?

Решение

При низкой температуре существенно увеличивается число возможных участков, с которыми может связаться праймер, поскольку не требуется полное комплементарное соответствие матричной ДНК и праймера. Поэтому амплификация идет неспецифически. Если праймеры в ходе неспецифической амплификации формируют продукт меньшей длины, то продукты меньшей длины получают преимущество перед более длинными продуктами в ходе конкуренции за ферменты, т. к. время их амплификации меньше. Поэтому целевой продукт может исчезнуть из-за более высокой эффективности амплификации коротких продуктов (5 баллов).

Подзадача 3. (4 балла)

Решение

Подзадача 4. (4 балла)

Оцените температуру плавления праймера.

Решение

В интервале от 60 °C (образуются димеры между праймером и матрицей) до 63 °C (нет димеров между праймером и матрицей) (4 балла — по 2 балла за верхнюю и нижнюю границу интервала). Температура плавления всегда выше температуры отжига.

Подзадача 5. (5 баллов)

В геле также можно наблюдать наличие ярких полос до 100 п. о., причем при более низкой температуре отжига яркость этих полос сильно увеличивается. Что это за полосы?

Решение

При низких температурах праймеры, гибридизуясь между собой, могут образовывать короткие димеры, которые могут достраиваться полимеразой. Поскольку они очень короткие, при низких температурах они максимально быстро амплифицируются и могут затруднять амплификацию целевого фрагмента.

Подзадача 6. (7 баллов)

Чтобы стабилизировать амплификацию, к вырожденным праймерам часто удлиняют с 5\(^\prime\)-конца линкерными последовательностями, которые заведомо не встречаются в ДНК исследуемых организмов, например, вирусными.

5\(^\prime\)-Вирусная последовательность	Вырожденный праймер -3\(^\prime\)

Чем отличается амплификация на начальном и последующих циклах для таких гибридных праймеров? За счет чего происходит стабилизация амплификации?

Решение

На первых циклах (1, 2) происходит связывание вырожденного праймера и исходной матричной ДНК исследуемого организма, при этом линкерная вирусная последовательность не входит в димер, т. к. в геноме исследуемого организма ее нет. Вырожденные праймеры представляют собой смесь сходных праймеров, что позволяет им на первых циклах специфично взаимодействовать с различающимися матрицами (в т. ч. и разных организмов). Но чем большее количество праймеров в наборе, тем меньше становится концентрация каждого уникального праймера в наборе, что уменьшает выход реакции. После 2-го цикла в смеси появляются матрицы, содержащие вирусные последовательности, с такими матрицами гибридные праймеры связываются лучше, чем с исходной матрицей, дальнейшая амплификация сильно облегчается, т. к. температура плавления гибридного праймера (вирусная последовательность с вырожденной последовательностью) существенно выше температуры отжига.

На последующих циклах амплификация с исходной матрицы прекращается.

Подзадача 7. (4 балла)

Для использования нового гена интересующего нас фермента из нового штамма продукт его амплификации часто встраивают в разные плазмиды. Какие требования нужно предъявить к линкерной последовательности, чтобы облегчить процесс встройки в плазмиду?

Решение

Линкерные последовательности праймеров в ходе ПЦР будут входить в продукт амплификации. Это часто используется для введения нужных генетических конструкций и сайтов. В данном случае можно разместить в линкерной части праймера сайт для эндонуклеазы рестрикции, который необходим для встройки целевого продукта в плазмиду.

Задача 2.2.(30 баллов)

Растительные гибриды

Условие

Подзадача 1. (16 баллов)

Решение

Рассчитаем \(F_1\): \[\begin{aligned} P: & \quad S_1S_1 \times S_2S_3; \\ G: & \quad S_1 \quad \quad S_2, S_3; \\ F_1: & \quad 1 S_1S_2 : 1 S_1S_3. \end{aligned}\] (2 балла — гаметы и расщепление \(F_1\))
Рассчитаем \(F_2\). \(S_1S_2\) и \(S_1S_3\) способны скрещиваться только между собой (1 балл): \[\begin{aligned} F_1: & ~ S_1S_2 \times S_1S_3; \\ G: & ~ S_1, S_2 \quad S_1, S_3 ~ - \end{aligned}\]

— гаметы \(S_1\) не образуются в пыльниках, но образуются в плодолистиках.

Возможны два направления скрещивания, когда пыльца переносится от \(S_1S_2\) к \(S_1S_3\) и наоборот: \[\begin{aligned} G: & ~ S_2 \quad S_1, S_3; \quad\quad\quad \text{или} \quad &G: ~ S_1, S_2 \quad S_3;\\ F_2: & ~ 1 S_2S_3 : 1 S_2S_1; &F_2: ~ 1 S_2S_3 : 1 S_1S_3. \\ &~ (2 \text{ балла}) \quad &~ (2 \text{ балла}) \end{aligned}\] Поскольку эти два варианта равновероятны, то \[F_2:~ 1~ S_1S_2 : 2~ S_2S_3 : 1~ S_1S_3 (1~\text{балл}).\]

Рассчитаем \(F_3\).


\(P: 2 S_1 \times 2 \, ♀ S_2S_3\) \(G: 2S_1 \quad 2S_2, 2S_3\) \(F3: 4 S_1S_2 : 4 S_1S_3\)	\(P: 3 S_2 \times 1 \, ♀ S_1S_3\) \(G: 3S_2 \quad 1S_1, 1S_3\) \(F3: 3 S_1S_2 : 3 S_2S_3\)	\(P: 3 S_3 \times 1 \, ♀ S_1S_2\) \(G: 3S_3 \quad 1S_1, 1S_2\) \(F3: 3 S_1S_3 : 3 S_2S_3\)
(2 балла)	(2 балла)	(2 балла)

Складывая вместе, получаем \(F3:~ 7~ S_1S_2 : 6~ S_2S_3 : 7~ S_1S_3\) (1 балл).

Подзадача 2. (6 баллов)

В семеноводческой компании скрещивают две линии растений, производя высокоурожайные гибриды, которые продают садоводам. Для чего можно использовать аллели самостерильности при производстве гибридов этих растений? Смогут ли садоводы самостоятельно получить семена, содержащие полезные признаки гибрида? С какими проблемами они столкнутся?

Решение

Аллели самостерильности можно использовать для защиты от самоопыления и для того, чтобы направить скрещивание в нужном направлении (2 балла).

В случае отсутствия систем самостерильности приходилось бы удалять тычинки и заниматься переносом пыльцы с нужных растений (1 балл).

Также аллели самостерильности блокируют появление семян в случае опыления собственной пыльцой, поэтому садоводы не смогут получить семена гибридных растений (1 балл).

Однако если садовод произведет скрещивание гибридов с растением с иным генотипом (1 балл), то семена получить возможно, однако будет потеряна уникальная комбинация генов, приводящая к высокой продуктивности гибрида (1 балл).

Подзадача 3. (5 баллов)

Предположим, в популяции \(N=10000\) растений, где есть три аллеля самостерильности \(S_1\), \(S_2\), \(S_3\), происходят случайные скрещивания и нет отбора, локус самостерильности расположен в аутосоме. Порассуждайте, что будет происходить в \(F_1\), если частота одного из аллелей \(p(S_1)=0{,}8\) будет больше, чем частоты двух других \(q(S_2)=0{,}1\) и \(r(S_3)=0{,}1\).

Решение

Частоты пылинок с разными генотипами будут совпадать с частотами соответствующих аллелей. Рассмотрим для примера пылинку с генотипом \(S_1\), ее частота будет \(p\). При этом такая пылинка сможет прорастать только на пестике с генотипом \(S_2S_3\), для которого частота будет пропорциональна \(qr\). Вероятность такого скрещивания пропорциональна \(pqr\) (1 балл), при этом будут образовываться иные генотипы \(S_1S_2\) (\(pqr/2\)) и \(S_1S_3\) (\(pqr/2\)) (1 балл). Для любого другого генотипа пылинки верны аналогичные рассуждения, поэтому вероятность для каждого из гетерозигот \(S_iS_j\) будет \(pqr\), а общая вероятность \(3pqr\) (1 балл). Значит, частота \(S_1S_2\), \(S_2S_3\), \(S_1S_3\) будет равна \(1/3\), а новые частоты будут \(p=q=r=1/3\) (2 балла).

Подзадача 4. (3 балла)

В ходе мутации образуется четвертый аллель \(S_m\). Что будет происходить с частотой аллеля \(S_m\) в ряду поколений? Какой конечной частоты достигнет аллель \(S_m\)? Предположите, что будет происходить с числом аллелей самостерильности в ходе эволюции?

Решение

Аллель \(S_m\) — редкий в популяции и будет быстро распространяться, поскольку на первых этапах начнет прорастать на всех пестиках (1 балл). В конечном счете частоты аллелей станут равными и составят \(1/4\) (1 балл). Число аллелей самостерильности может расти (1 балл).

Задача 2.3.(22 балла)

Клеточная диффузия

Условие

Подзадача 1. (6 баллов)

Для каждого вещества выберите два утверждения (обозначены буквенными кодами) о его размере (молекулярной массе) и о степени полярности.

Вещества:

Йод.
Поваренная соль.
Сахар.
Инсулин.
Лизин.
Каротин.

Размер (молекулярная масса):

Высокомолекулярные вещества, не могут проходить через липидный бислой.
Вещества средней молекулярной массы.
Низкомолекулярные вещества, очень хорошо проходят через липидный бислой.

Полярность вещества:
Неполярное, очень хорошо проходит через липидный бислой.
Полярное.
Несет заряды, не проходит через липидный бислой.

Решение

1 — CD, 2 — CF, 3 — BE, 4 — AF, 5 — BF, 6 — BD. По 1 баллу за каждое верное двухбуквенное сочетание.

Подзадача 2. (2 балла)

Почему через липидный бислой полярные и заряженные молекулы проникают плохо?

Решение

Полярные и заряженные молекулы хорошо образуют электростатические (ионные, водородные) связи с водой, поэтому для того, чтобы перейти из воды в липидный бислой, требуется дополнительная энергия на разрыв всех связей. Ионы часто покрыты гидратной оболочкой, которая еще увеличивает их размер.

Подзадача 3. (1 балл)

Как проникает в клетку сильнополярные молекулы воды, если вспомнить, что любой липидный бислой является жидким?

Решение

В текучем билипидном слое образуются короткоживущие поры, через которые может проникать вода.

Подзадача 4. (1 балл)

Каким образом в клетку проникают ионы и аминокислоты?

Решение

Ионы и аминокислоты не могут проходить через липидный бислой из-за наличия зарядов. Для них в мембране клетки существуют белки-каналы, белки-транспортеры (засчитывать в качестве ответа и облегченную диффузию).

Подзадача 5. (3 балла)

На рисунке приведены графики скорости проникновения двух веществ А и Б. Какой из графиков (А или Б) лучше описывает диффузию для аминокислот? Почему для графика А скорость диффузии при больших концентрациях перестает увеличиваться, а для графика Б продолжает линейно расти?

Решение

График А лучше описывает диффузию для аминокислот (1 балл). Количество белков-переносчиков для ионов и аминокислот в мембране конечно. До тех пор, пока концентрации малы, действует линейная зависимость между концентрацией и скоростью диффузии. Как только задействованы все белки-переносчики, находящиеся в мембране, скорость диффузии перестает расти при дальнейшем увеличении концентрации (2 балла).

Подзадача 6. (3 балла)

Известно, что на графиках показана диффузия D-глюкозы и L-глюкозы. Чем отличаются эти формы глюкозы? Сопоставьте, какой из графиков А и Б соответствует D-глюкозе, а какой — L-глюкозе, аргументируйте свой ответ.

Рис. 2.1.

Решение

D-глюкоза и L-глюкоза — оптические изомеры, зеркально-симметричные молекулы (1 балл). D-углеводы активно используются живыми клетками, в то же время L-углеводы не встречаются (кроме редчайших исключений) в живых организмах (1 балл). Для D-глюкозы в мембране клетки имеются каналы, т. к. данная молекула является важнейшей в клеточном метаболизме, а значит, подходящим графиком будет А. Для L-глюкозы каналов в мембране нет, а значит, ее скорость диффузии будет описываться графиком Б (1 балл).

Подзадача 7. (5 баллов)

Для скорости диффузии через мембрану действует закон Фика: \[Q = \Delta C \cdot S / d,\] где \(S\) — площадь поверхности мембраны, \(\Delta C\) — разница концентрации по разные стороны мембраны, \(d\) — толщина мембраны, \(Q\) — скорость диффузии.

В центре клетки одноклеточного организма кубической формы со стороной \(2x\) находится митохондрия. Оцените, во сколько раз изменится доступность кислорода по сравнению с исходным состоянием, если:

клетка растет, увеличивая длину ребра до \(3x\);
клетка, не меняя свой объем, уплощается в 2 раза, оставаясь квадратной в сечении, митохондрия продолжает находиться в центре.

Решение

Вычислим скорость диффузии для исходного состояния: \(Q \sim 6 \cdot 4x^2 / x = 24x\) (1 балл).

Вычислим скорость диффузии для клетки 1: \(Q\sim 6\cdot 9x^2 /1{,}5x = 36x\). Скорость диффузии для клетки 1 будет в 1,5 раза выше исходной (1 балл).

Вычислим скорость диффузии для клетки 2.

При уменьшении высоты клетки в два раза при сохранении объема в два раза увеличивается площадь основания, при этом в два раза уменьшается расстояние диффузии. Скорость диффузии через эту грань: \(2\cdot 4 x^2 /0{,}5x=16x\) (1 балл). Высота боковых граней уменьшилась в два раза, при этом длина боковых граней увеличивается в \(\sqrt{2}\) раза. Расстояние увеличивается в \(\sqrt{2}\) раза: \(2\sqrt{2} x\cdot x / \sqrt{2}x=2x\) (1 балл). Таким образом, суммарную скорость диффузии можно оценить как \(Q \sim 2\cdot 16x+4\cdot 2x=40 x\). Скорость диффузии для клетки 2 будет составлять \(10/6\) от исходной (2 балла).

Задача 2.4.(10 баллов)

Теплая зима

Условие

Давно замечено, что весной и осенью одни и те же температурные условия за окном субъективно воспринимаются по-разному. Информация от терморецепторов стекается в гипоталамус, который отвечает за терморегуляцию. Один из путей терморегуляции заключается в выделении гипоталамусом тиреолиберина, который приводит к высвобождению тиреотропного гормона (ТТГ) гипофизом. Под действием ТТГ железа X вырабатывает гормоны Y (малоактивен, много в крови) и Z (активен, мало в крови), используя для их синтеза аминокислоту A и простое вещество B. Дефицит B в еде приводит к нарушению синтеза этого гормона. Фермент отщепляет ион B и постепенно превращает Y в Z, продлевая действие этого высокоактивного гормона.

Подзадача 1. (4 балла)

Назовите X, Y, Z, A, B.

Решение

X — щитовидная железа (1 балл), Y — тироксин (тетрайодтиронин, T4), Z — трийодтиронин (T3) (1 балл за два гормона), A — тирозин (1 балл), B — йод (1 балл).

Подзадача 2. (2 балла)

Одной из мишеней гормона Z является бурый жир, который богат многочисленными каплями жира и митохондриями. Жир расщепляется на глицерин и жирные кислоты. Жирные кислоты транспортируются в митохондрии. Жирные кислоты в митохондриях находятся в комплексе с коферментом А (HS-KoA) и подвергаются циклическому \(\beta\)-окислению (см. рис. 2.2). В итоге в каждом цикле отщепляется двухуглеродный фрагмент ацетил-кофермент А (\(\ce{CH3-CO-SKoA}\)), который в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса) дает 3 молекулы NADH, 1 молекулу FADH\(_2\) и 1 молекулу АТФ. Рассчитайте, какое количество NADH, FADH\(_2\) и АТФ образуется из молекулы стеарил-КоА (\(\ce{C17H35CO-SKoA}\)) в ходе протекания циклов \(\beta\)-окисления и цикла трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса).

Рис. 2.2.

Решение

Стеариновая кислота содержит 18 углеродов, если в ходе \(\beta\)-окисления отщепляется ацетил-КоА — двухуглеродный продукт (C\(_2\)), то потребуется 8 циклов и получится 9 молекул ацетил-КоА (1 балл). 8 циклов \(\beta\)-окисления дадут 8 NADH и 8 FADH\(_2\). 9 молекул ацетил-КоА дадут 9 АТФ, 27 NADH и 9 FADH\(_2\). Суммируя, получаем 9 АТФ, 35 NADH и 17 FADH\(_2\) (1 балл).

Подзадача 3. (1 балл)

Обычно после протекания цикла Кребса и \(\beta\)-окисления энергия, заключенная в NADH и FADH\(_2\), преобразуется в энергию АТФ в цепи переноса электросов: NADH — 2,5 АТФ и FADH\(_2\) — 1,5 АТФ. Рассчитайте, какое количество АТФ можно получить из NADH и FADH\(_2\), которые были получены из стеарил-КоА на предыдущем этапе.

Решение

17 FADH\(_2 \cdot 1{,}5 = 25{,}5\) АТФ; 35 NADH \(\cdot 2{,}5 = 87{,}5\) АТФ; 9 АТФ, суммируя получаем 122 молекулы АТФ.

Подзадача 4. (3 балла)

В цепи переноса электронов энергия, заключенная в NADH и FADH\(_2\), преобразуется в несколько этапов. На последнем этапе энергия сохраняется в перепаде концентраций протонов в межмембранном пространстве и матриксе. На внутренней мембране митохондрий находится АТФ-синтетаза. Протоны, протекая из межмембранного пространства митохондрий через АТФ-синтетазу, приводят к синтезу АТФ, в которой и запасается энергия.

Поскольку гормон Z неполярный, то он легко проходит через мембраны клеток бурого жира и попадает в ядро клетки, где связывается с белками-рецепторами и запускает транскрипцию гена термогенина. После трансляции мРНК белок термогенин встраивается во внутреннюю мембрану митохондрий. Белок представляет канал для протонов. На последней стадии цепи переноса электронов протоны утекают из межмембранного пространства в матрикс через термогенин, синтез АТФ из NADH и FADH\(_2\) прекращается, вся запасенная в них энергия превращается в тепло. Какое количество энергии выделяется в виде тепла из 1 моля стеариновой кислоты при отсутствии термогенина и при его присутствии, если принять, что стандартная энтальпия сгорания стеариновой кислоты 11270 кДж/моль, энергия гидролиза АТФ 40 кДж/моль, синтез АТФ в цепи переноса электронов полностью прекращается. Для получения стеарил-КоА из стеариновой кислоты тратится 1 молекула АТФ. Насколько увеличилась выработка тепла (приведите ответ в процентах, округлив до целых)?

Решение

Энергетический выход для стеариновой кислоты составит \(122 - 1 = 121\) молекулу АТФ, что соответствует \(121 \cdot 40 = 4840\) кДж. Без термогенина в виде тепла рассеивается \(11270 - 4840 = 6430\) кДж (1 балл). В присутствии термогенина выход составляет 9 молекул АТФ (в цикле Кребса) \(-\) 1 молекула (активация стеариновой кислоты) \(= 8\) молекул АТФ, что соответствует \(8 \cdot 40 = 320\) кДж. С термогенином в виде тепла рассеивается \(11270 - 320 =10950\) кДж (1 балл). Разделим \(10950 /6430 =1{,}70\). Выработка тепла увеличилась на 70% (1 балл).