ПОДРОБНЕЕ О БИОЛОГИЧЕСКОМ КОНСТРУКТОРЕ

«1С:Биологический конструктор» – творческая компьютерная среда, предназначенная для поддержки школьного курса биологии при помощи виртуальных экспериментов. Лаборатории конструктора предоставляют уникальную возможность смоделировать недоступные для обычных экспериментальных исследований биологические процессы – в школе, дома, на факультативных занятиях.

«1С:Биологический конструктор» версии 3.0 предоставляет пользователям пять виртуальных лабораторий,
посвященных основам экологии, эволюции, социобиологии, генетики и цитологии:

	Равновесие в экосистемах Виртуальные экосистемы Пищевые цепи Конкуренция и хищничество Нарушения в сообществе
	Основы теории эволюции Популяционная генетика Виртуальная эволюция Половой отбор Изоляция и дрейф генов
	Эволюционно стабильные стратегии Агрессия и миролюбие Эгоизм и альтруизм Сотрудничество и обман Забота о потомстве
	Основы генетики и селекции Законы Менделя Взаимодействие генов Летальные мутации Селекция на примере кошек
	Клеточная биология Строение клетки Функции органелл Автотрофы и гетеротрофы Дыхание и брожение

Равновесие в экосистемах

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка

Лабораторная установка «Равновесие в экосистемах» посвящена основам экологии. Она позволяет моделировать процессы обмена веществом и энергией, происходящие в природных экосистемах. В ней можно создавать несложные экосистемы, моделировать трофические связи, изучать факторы, определяющие структуру и биоразнообразие сообществ.

Компоненты создаваемых экосистем

• Поле – участок территории, на котором обитает сообщество видов.
• Ландшафты разных типов, распределенные на поле. Ландшафты могут различаться скоростью возобновления растительности, водным режимом, интенсивностью нарушений, проходимостью для разных видов животных.
• Возобновляемые ресурсы (вода, травянистые растения).
• Виды растений (продуцентов), травоядных и хищных животных (консументов) с определенным набором видовых характеристик.
• Редуценты, переводящие мертвое органическое вещество в неорганическое.
• Катастрофы – нарушения, уничтожающие часть популяций видов.

Ресурсы

В моделях вам встретятся виртуальные организмы, населяющие среду обитания. Они перемещаются по участку (полю) или же сидят неподвижно, периодически размножаясь и производя потомков. В процессе жизнедеятельности особи расходуют определенную энергию на поддержание жизни, перемещение, рост, накопление запасных веществ. Эти потери энергии выражаются в потере массы, которую нужно восполнять путем потребления пищи. Чтобы не погибнуть, особи должны регулярно питаться.

Для травоядных пищевым ресурсом являются растения, для хищников – животные. Растения возобновляются в клетках поля через определенные промежутки времени.

В некоторых моделях растения рассматриваются не как ресурс, а как популяция: в этом случае они сами потребляют воду, которая периодически возобновляется в клетках поля.

Особь может употребить в пищу только тот ресурс, который находится в той же ячейке поля, что и особь. Все виды пищевых ресурсов идентичны по калорийности.

Эффективность усвоения

При потреблении ресурса усваивается только часть ресурса, рассчитанная по следующей формуле: масса усвоенного ресурса = масса потребленного ресурса * эффективность усвоения.

Растение с эффективностью усвоения воды 60% образует 0,6 кг питательных веществ при поглощении 1 кг воды, а хищник с эффективностью усвоения 90% получит 0,9 кг питательных веществ при съедении 1 кг мяса.

Расходы питательных веществ

Все усвоенные ресурсы организм переводит в питательные вещества. Эти питательные вещества используются в следующей последовательности:

1. расходуются на поддержание массы тела;
2. идут на рост (прирост собственной массы) у молодых особей;
3. идут на формирование потомства у зрелых особей;
4. расходуются на перемещение;
5. идут на увеличение количества запасных веществ.

Если количества усвоенного ресурса хватило на все потребности, а масса запасных веществ достигла максимально возможной, то потребление ресурса прекращается.

Если же ресурса недостаточно, то в первую очередь организм тратит доступные питательные вещества для выполнения обязательных затрат (поддержание массы тела, рост). Когда ресурса слишком мало, чтобы удовлетворить обязательные потребности, особь расходует свои запасные вещества, но если и их оказалось недостаточно, особь погибает.

Специализация. Вероятность потребления

В некоторых моделях можно регулировать частоту успешных охот у хищника и управлять пищевыми предпочтениями травоядных.

Хищник с успешностью охоты 100% при каждой попытке охоты успешно убивает жертву, а хищник с 50% эффективностью в половине случаев оставит жертву целой и невредимой. Хищник с нулевой вероятностью поймать жертву становится падальщиком.

У травоядных вероятность потребления отражает предпочтение одних видов растений другим. «Разборчивое» травоядное будет чаще выедать наиболее предпочитаемый вид растений – тот, для которого вероятность потребления наиболее высока.

Продолжительность жизни и жизненный цикл

Для каждого вида заданы следующие характеристики:

1. Параметры жизненного цикла – продолжительность жизни, возраст зрелости, время формирования потомства, максимальное количество потомков (а для растений – еще и время прорастания семян). Время в лаборатории измеряется в тактах, или «днях».
2. Размерные параметры вида, т.е. параметры массы: минимальная масса взрослой особи, минимальная масса потомка, допустимая масса запасных веществ и начальная масса запасных веществ у потомка. Если массы особей оказываются меньше минимально допустимых – особи погибают.

Для простоты все создаваемые виды животных и растений обладают общими законами роста и размножения. Размножение происходит бесполым путем. При создании вида и начальном заселении поля особи в популяции различаются по возрасту и репродуктивному статусу.

Пространственное распределение и перемещение организмов

У животных представители одного вида не могут занимать одну клетку поля. Так имитируется внутривидовая территориальность.

Перемещение особей осуществляется направленно: особи переходят в клетку поля с наибольшим доступным количеством пищевого ресурса.

Основы теории эволюции

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка

Лаборатория «Основы теории эволюции» позволяет создавать популяции виртуальных организмов и исследовать их эволюционные преобразования, управляя факторами эволюции.

Компоненты интерактивных моделей

• Среда обитания популяции («поле»). Среда обитания имеет определенную окраску, которая в некоторых моделях может изменяться со временем. Некоторые участки могут играть роль непроходимых барьеров.
• Популяция вида с заданным набором хромосом, генов и их аллелей.
• Невидимые хищники, периодически истребляющие особей популяции (обычно наиболее заметных на фоне среды).
• Катастрофы – стихийные бедствия, уничтожающие часть популяции вида вне связи с окраской особей.
• Столбчатые диаграммы, отображающие количество аллелей, признаков или их сочетаний в популяции, а также степень близости усредненной окраски особей к цвету среды и другим цветам.

Характеристики популяции

В моделях вам встретятся виртуальные организмы, населяющие среду обитания, способные к размножению и расселению. Особи виртуальной популяции имеют гаплоидный или диплоидный набор хромосом с определенными генами, бесполое или половое размножение, заданные параметры жизненного цикла (продолжительность жизни, сроки размножения, число потомков). В случае полового размножения особи могут быть гермафродитами или же раздельнополыми.

Структура генома

Геном особи может включать от 1 до 8 генов, расположенных в заданном числе хромосом. Гены в моделях полностью определяют развитие внешних признаков у особи, включающих окраску, форму тела, пол, избирательность скрещиваний, наличие органов чувств и органов передвижения. Большинство генов имеют только два возможных аллеля, однако в некоторых моделях гены, определяющие окраску, содержат более сотни аллелей. Для аллельных генов моделируется полное или неполное доминирование.

В случае генетического определения пола и диплоидного набора хромосом каждая особь несет пару половых хромосом: самцы XY, самки – XX. Половые хромосомы негомологичны и содержат разные наборы генов, но в хромосоме Y всегда присутствует ген, ответственный за развитие самца.

Естественный отбор

Во многих моделях особи виртуальной популяции подвержены воздействию хищника. Невидимые хищники через заданные промежутки времени уничтожают определенный процент популяции вида. Поведением хищников можно управлять, регулируя процент гибели особей, хорошо заметных на фоне среды, и особей, сливающихся по цвету со средой обитания. Степень различий цветов рассчитывается в системе HSL, где каждому цвету соответствует свое значение H (цветового тона, hue), S (насыщенности цвета, saturation), L (светлоты, lightness). Максимальными различиями характеризуются цвета, наиболее удаленные друг от друга в веретене HSL: например, белый и черный, синий и желтый.

Избирательность скрещиваний и половой отбор

В некоторых моделях самки могут обращать внимание на окраску самцов и чаще скрещиваться с самцами более привлекательной окраски. Чтобы особи проявляли избирательность в скрещиваниях, необходимо выбрать половой тип размножения и указать, какая окраска является наиболее привлекательной. Тогда самки среди окружающих их самцов выбирают наиболее «привлекательных», с которыми и вступают в размножение.

Жизненный цикл

Все особи имеют определенную продолжительность жизни. Через заданные промежутки времени происходит размножение: в случае полового размножения отсчет времени вынашивания потомства начинается после скрещивания, в случае бесполого – сразу после предыдущего размножения. По окончании этого времени особь производит потомков, заселяющих соседние незанятые клетки.

При бесполом размножении генотипы потомков идентичны генотипу родителя (если не произошло мутаций). При половом размножении часть генов наследуется от отца, часть – от матери.

Пространственное распределение и перемещение

В клетке поля может находиться только одна особь. За один такт времени («день») особь может перемещаться на соседнюю свободную клетку. Как правило, это перемещение осуществляется направленно. Во-первых, особь сравнивает цвет среды в соседних незанятых клетках со своим собственным и перемещается в ту клетку поля, где различия наименее выражены, чтобы стать менее заметной для хищника. Во-вторых, при половом размножении особи ищут партнеров для размножения.

Эволюционно стабильные стратегии

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка

Лаборатория «Эволюционно стабильные стратегии» позволяет моделировать различные формы социального поведения виртуальных животных (при конкуренции за пищу, сотрудничестве, воспитании детенышей) и выяснять, какие из них обеспечивают особям эволюционное преимущество.

Компоненты интерактивных моделей

• Среда обитания популяции – «поле» определенного размера. Может включать барьеры, непроницаемые для особей.
• Популяция вида с заданными параметрами жизненного цикла, питания, размножения и определенным набором поведенческих стратегий.
• Графики и столбчатые диаграммы, позволяющие отслеживать изменения численности представителей разных стратегий.

Общие характеристики особей

В моделях вам встретятся виртуальные организмы, населяющие среду обитания, способные к размножению и расселению. Все особи принадлежат к одному виду. Возможно создание как раздельнополых особей, так и гермафродитов. В процессе жизнедеятельности особи расходуют определенную энергию на поддержание жизни, перемещение, выкармливание потомства, накопление запасных веществ, а также на добывание пищи и на драки – конфликты с другими особями за пищевой ресурс. Эти потери энергии выражаются в потере массы, которую нужно восполнять путем потребления пищи. Пищевой ресурс появляется в клетках поля в каждый такт времени в ограниченном количестве.

При достаточном питании особи приобретают способность к вынашиванию потомства. Тогда при встрече самца и самки в одной клетке поля возможно скрещивание. В том случае, если особи являются гермафродитами, особь в каждый момент времени считается либо самцом, либо самкой. После скрещивания самка (или гермафродит, оказавшийся в роли самки) начинает вынашивание потомства и через период вынашивания производит на свет одного детеныша.

В некоторых моделях до достижения возраста зрелости детеныш не способен питаться самостоятельно и нуждается в выкармливании. Выкармливает детеныша либо его собственная мать, либо другая самка, оказавшаяся в той же клетке поля. Незрелый детеныш всегда перемещается вместе с матерью, даже если она не выкармливает его. Как только детеныш достигает возраста зрелости, он может начать передвигаться независимо от родительской особи.

При создании вида и начальном заселении поля особи в популяции различаются по возрасту и находятся на разных этапах репродуктивного цикла.

Пространственное распределение особей и ресурсов, перемещение особей

Поле разделено на клетки. В одной клетке поля может находиться до двух взрослых особей, которые могут вступать во взаимодействия. Детеныши, которые еще не начали самостоятельно питаться, находятся в одной ячейке вместе с матерью. Каждый такт времени особь старается перейти в свободную соседнюю клетку, если такая имеется.

В каждый такт времени в клетке поля доступно определенное количество пищевого ресурса, которое может быть потреблено особями в той же клетке. Если в клетке находятся две взрослые особи, они могут конкурировать за пищевой ресурс (в этом случае вся пища достается только одной особи) или делить доступную пищу пополам. Судьба пищевого ресурса определяется поведенческими стратегиями особей.

Стратегии поведения

Особи в одной популяции могут придерживаться различных поведенческих стратегий. Стратегия поведения – это совокупность вариантов поведения в следующих ситуациях: при конфликтах за пищевой ресурс (инициирование драки за ресурс и участие в навязанной драке), при совместной охоте на добычу (сотрудничество или обман напарника), при дележке пищей с другими особями, при выкармливании детеныша, при ухаживании за половым партнером и спаривании. Так, примером стратегии родительского поведения самки может быть следующая: «выкармливай молоком своего детеныша и не выкармливай чужих детенышей». Детеныш наследует стратегию поведения от одного из родителей.

Если одна из поведенческих стратегий, будучи принята большинством членов популяции, подавляет все остальные стратегии, она называется эволюционно стабильной стратегией.

Счетчики

На графике и столбчатой диаграмме можно отслеживать, как со временем изменяются количественные соотношения представителей разных стратегий в популяции.

Основы генетики и селекции

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка

Лаборатория «Основы генетики и селекции» позволяет выявлять закономерности наследственности и изменчивости, создавая и скрещивая особей, обладающих определенным набором аллелей генов. В качестве таких особей выступают виртуальные представители домашней кошки. Таким образом, с помощью созданных в данной лаборатории экспериментальных установок можно изучать генетику домашней кошки.

Компоненты интерактивных моделей

• «Вольер» – участок территории, на котором размещены виртуальные животные. Вольер разделен на три отсека – «Производители», «Потомки» и отсек для проведения скрещиваний.
• Виртуальные животные, иллюстрирующие различные варианты фенотипов домашней кошки. Животных можно скрещивать и получать от них потомство.
• Кнопки для проведения скрещиваний виртуальных животных, расположенные в нижней части вольера.
• Гистограммы, отображающие численность самцов и самок разных фенотипов в потомстве. Под гистограммами расположены поля ввода, с помощью которых можно проводить статистический анализ результатов скрещивания (с помощью критерия хи-квадрат).

Генотип особей

Все виртуальные кошки несут определенный набор аллелей 16-ти генов, полностью определяющий внешние признаки животных: окраску, наличие шерсти и ее длину, форму хвоста, лап и ушей. В большинстве предложенных задач животные-производители отличаются по одному – трем генам. Проведение скрещиваний животных позволяет установить правила, по которым наследуются те или иные признаки у домашней кошки. На примере домашней кошки можно исследовать полное и неполное доминирование аллелей, комплементарность и эпистаз, летальные мутации, сцепленное с полом наследование генов.

Размещение особей

В правой части виртуального вольера размещены самки, в левой – самцы. В отсеке «Производители» одну ячейку всегда занимает только одно животное. В отсеке «Потомки» в одной ячейке может находиться целая группа особей, если они имеют одинаковый фенотип. Под каждой ячейкой с изображением животного отображается число находящихся в ней особей.

Проведение скрещиваний

Чтобы провести скрещивание, нужно выбрать двух особей, которых мы хотим скрестить. Предположим, что требуется скрестить кошку и кота, находящихся в отсеке «Производители». Если мы дважды щелкнем мышью по иконке каждой особи, то животные отобразятся в верхней строчке отсека для проведения скрещиваний.

Проведем однократное скрещивание между особями. Для этого нажмем на кнопку «Провести скрещивание». В нижней строчке отсека появятся котята (их обычно шесть, но может быть меньше, если какие-то потомки оказались нежизнеспособными на эмбриональной стадии). Котята-самцы отображаются слева, самки – справа.

Если мы повторно нажмем на кнопку «Провести скрещивание», то котята предыдущего скрещивания исчезнут (окажутся исключены из племенной работы), а на их месте появятся котята другого помета. Чтобы этого не происходило, можно после каждого скрещивания вручную (с помощью мышки) переносить нужных нам котят в отсек «Потомки». Можно также нажать на кнопку «Добавить результат скрещивания в отсек "Потомки"» – тогда все полученные при однократном скрещивании котята будут отсажены в отсек «Потомки».

Если котята отображаются зачеркнутыми, это значит, что они погибли вскоре после рождения из-за мутаций, не совместимых с жизнью. Однако при некоторых мутациях котята могут погибнуть и на эмбриональной стадии: в этом случае количество котят в потомстве снижено, но зачеркнутые особи в потомстве не появляются.

Для анализа расщепления гибридов первого поколения лучше воспользоваться возможностью проведения многократных скрещиваний. При нажатии на кнопку «Провести 10 скрещиваний и поместить результат в отсек "Потомки"» мгновенно происходит сразу 10 скрещиваний выбранных особей, и все полученные котята автоматически помещаются в отсек «Потомки» (и, соответственно, не отображаются в нижней строчке отсека для скрещиваний).

Если мы хотим исключить особь из племенной работы, нужно воспользоваться кнопкой «Удалить выделенную особь». Выделите животное, щелкнув по нему мышкой (выделение отобразится рамкой), и нажмите на кнопку удаления. Если в ячейке сидит группа особей, то будет удалена верхняя из них, имеющая первый порядковый номер.

Для анализа расщепления в потомстве удобно использовать гистограммы, отображающие количества особей разных фенотипов в отсеке «Потомки». Однако для адекватного анализа нужно следить, чтобы в отсеке случайно не оказались животные, имеющие разных родителей. Поэтому удобно использовать кнопку «Очистить отсек "Потомки"»: при нажатии на нее исчезают все особи в отсеке «Потомки», а особи в отсеке «Производители» остаются.

Если в ходе проведения скрещивании были допущены ошибки, используйте кнопку «Вернуться к первоначальному состоянию»: она возвращает задачу к ее исходному виду.

Статистический анализ

Столбчатые диаграммы отображают количество различающихся по фенотипу особей, сидящих в отделе «Потомки». Под диаграммой расположено поле ввода, с помощью которого можно провести статистический анализ расщепления признаков, используя критерий хи-квадрат.

Предположим, мы провели дигибридное скрещивание и получили котят четырех фенотипов (например, в количествах 333, 119, 111, 37). Мы хотим проверить, соответствует ли наблюдаемое расщепление признаков 9 к 3 к 3 к 1. Введем эти числа в правильном порядке в поля ввода, расположенные под столбцами гистограммы, и нажмем зеленую галочку – кнопку проверки ответа. Если результаты эксперимента соответствуют теоретически ожидаемому расщеплению 9 к 3 к 3 к 1, мы получим подтверждение «Соответствует». Если результаты отличаются от теоретически ожидаемых, появится надпись «Не соответствует». Если из-за малого количества потомков критерий не позволяет провести проверку, появится надпись «Неизвестно».

Для корректного проведения анализа необходимо следить за тем, чтобы в отсеке «Потомки» находились только потомки одних и тех же родителей.

Клеточная биология

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка

В лаборатории «Клеточная биология» можно создавать клетки разных типов, которые способны устойчиво поддерживать собственное существование в определенной среде обитания. Такая клетка осуществляет все необходимые ей для поддержания жизни биохимические процессы.

Компоненты интерактивных моделей

• Среда обитания – водный раствор различных органических и неорганических веществ.
• Одноклеточный организм, которого можно сконструировать, используя различные структуры эукариотических клеток: органеллы, цитозольные ферменты, белки-переносчики для транспорта веществ через плазматическую мембрану с затратой АТФ (АТФазы-переносчики).
• Панели, показывающие численные значения концентраций (или количеств) веществ в среде и в клетке.
• Столбчатые диаграммы, отображающие концентрации или количества веществ в среде и в клетке.

Строение клетки

Из органелл виртуальная клетка может включать плазматическую мембрану, ядро, эндоплазматический ретикулум (ЭПР), рибосомы, клеточную стенку, хлоропласт, митохондрию, пероксисому, вакуоль. Каждая органелла выполняет свой набор функций. Так, плазматическая мембрана поддерживает целостность клетки и ограничивает ее внутреннюю среду, создавая непроницаемый барьер для многих веществ. Ядро, ЭПР и рибосомы в совместной работе обеспечивают клетке синтез всех белков (и поэтому они объединены в один элемент конструктора). Клеточная стенка препятствует набуханию и разрыву клетки, который может произойти, если концентрации осмотически активных веществ внутри клетки выше, чем снаружи. Хлоропласт на свету осуществляет процесс фотосинтеза, а в его внутренней среде возможен синтез аминокислот. Митохондрия выполняет процессы кислородного дыхания, синтеза аминокислот, окисления жирных кислот, получения ацетил-кофермента А (ацетил-КоА) – промежуточного вещества, необходимого для синтеза жиров. Пероксисома обезвреживает молекулы токсичного для клетки кислорода, превращая кислород в воду. Вакуоль накапливает в себе осмотически активные вещества, снижая их концентрацию в цитозоле.

Цитозольные ферменты являются катализаторами важных для жизнедеятельности клетки химических реакций. К таким реакциям относятся гликолиз и брожение, синтез жиров из ацетил-КоА, синтез структурных полисахаридов, синтез нуклеотидов.

Белки-переносчики (или АТФазы-переносчики) располагаются в плазматической мембране. Они нужны для транспорта веществ, для которых мембрана непроницаема. На перенос одной молекулы вещества затрачивается энергия в виде одной молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).

Поддержание структуры клетки

Клетка состоит из белков, жиров, углеводов и нуклеотидов. Молекулы этих органических веществ со временем разрушаются и изменяют свое строение. Наличие токсичного кислорода в клетке ускоряет их скорость повреждения. Если доля разрушенных структурных молекул достигает критической, клеточные органеллы, ферменты и белки-переносчики прекращают выполнять свои функции. Обычно это приводит к гибели клетки. Чтобы этого не случилось, клетка должна заменять поврежденные молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеотидов новыми. Она может самостоятельно синтезировать новые молекулы или же получать их из внешней среды. Для синтеза белков необходимы аминокислоты, для синтеза жиров – ацетил-КоА, для синтеза нуклеотидов – аминокислоты и глюкоза, для синтеза глюкозы – углекислый газ и вода, для синтеза полисахаридов – глюкоза.

Индикаторы в виде горизонтальных полос на рисунке клетки отображают степени повреждения клеточных структур. Если щелкнуть левой кнопкой мыши по структурному компоненту клетки, откроется панель с составом этого компонента и числом неповрежденных молекул в нем.

Энергия и способы ее получения

Для осуществления многих химических превращений и для транспорта веществ клетке необходима энергия. Веществом, которое поставляет энергию для большинства химических реакций, является аденозинтрифосат (АТФ). У клетки существует несколько способов получения АТФ: гликолиз, кислородное дыхание, окисление жирных кислот, фотосинтез.

Диффузия и осмос

Клетка обитает в водной среде, в которой могут находиться газы, соли, органические вещества. Для веществ в среде действует закон диффузии. Так, если в среде вокруг клетки концентрация вещества, проходящего через мембрану, оказывается выше, чем в клетке, то это вещество поступает в клетку до тех пор, пока не произойдет выравнивание концентраций снаружи и внутри. Однако для ряда веществ мембрана непроницаема: ионы неорганических солей, аминокислоты, глюкоза, нуклеотиды, ацетил-КоА, пируват не проходят через мембрану, если у клетки нет специальных белков-переносчиков.

Среди веществ, для которых мембрана непроницаема, есть те, которые растворяются в воде (т.н. осмотически активные вещества). Если концентрация такого растворенного вещества по одну сторону от мембраны окажется выше, чем по другую, вода (для которой мембрана проницаема) будет проходить через мембрану в сторону большей концентрации. Так возникает осмотическое давление на мембрану, которое может привести к гибели клетки (клетка разбухнет от воды и разорвется или же, наоборот, съежится).