Задание 3 ЕГЭ по биологии: расчётные задачи по хромосомам, ДНК и физиологии

Что проверяет задание

Задание 3 проверяет умение применять биологические закономерности для расчётов: находить число хромосом или молекул ДНК на разных стадиях деления клетки, вычислять параметры биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, применять правило экологической пирамиды, рассчитывать простые физиологические показатели организма. Это задание базового уровня, но ошибка в логике рассуждения (а не в арифметике) — главная причина потери балла. Проверяется не столько счёт, сколько понимание биологического смысла процесса: что происходит с хромосомами при делении клетки, как устроена комплементарность нуклеотидов, как энергия и вещество переходят по трофическим уровням.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

В условии даётся исходное числовое значение (например, число хромосом в диплоидной клетке, масса одного из видов нуклеотидов, число особей на одном трофическом уровне) и указывается объект расчёта — число хромосом, молекул ДНК, нуклеотидов, аминокислот, особей или биомассы на другой стадии/уровне. Ответ — одно число (иногда несколько чисел через запятую), без единиц измерения, если не указано иное. Задание оценивается в 1 первичный балл: полный балл даётся только при полностью верном числовом ответе, частичного балла не предусмотрено.

Что нужно знать

• Соматические клетки — диплоидны, набор хромосом $2n$; половые клетки (гаметы) — гаплоидны, набор $n$.
• Зигота образуется слиянием двух гамет ($n + n = 2n$), поэтому её хромосомный набор равен соматическому набору вида.
• Митоз: в профазе–метафазе хромосом $2n$, каждая состоит из двух хроматид, значит молекул ДНК — $4n$; после расхождения хроматид в анафазе временно $4n$ хромосом и $4n$ ДНК; после цитокинеза в дочерних клетках снова $2n$ хромосом и $2n$ ДНК.
• Мейоз I (редукционное деление): в метафазе I — $2n$ хромосом (двухроматидных), $4n$ ДНК; в анафазе I к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы (не хроматиды), поэтому в клетке остаётся $2n$ хромосом, $4n$ ДНК; после деления клетки — $n$ хромосом (двухроматидных), $2n$ ДНК.
• Мейоз II (эквационное деление): в метафазе II — $n$ хромосом, $2n$ ДНК; в анафазе II сестринские хроматиды расходятся и становятся самостоятельными хромосомами — в клетке становится $2n$ хромосом, $2n$ ДНК; после цитокинеза гамета получает $n$ хромосом и $n$ ДНК.
• Правило комплементарности (Чаргаффа): $A = T$, $G = C$ в двухцепочечной ДНК; в информационной РНК аденину ДНК соответствует урацил, тимину — аденин, гуанину — цитозин и наоборот.
• Триплетность генетического кода: одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами; число нуклеотидов в гене (кодирующей части) $= 3 \times (\text{число аминокислот} + 1)$, где $+1$ — стоп-кодон, если он учитывается в задаче.
• Длина участка ДНК: один нуклеотид занимает примерно $0{,}34$ нм, значит длина $= N \times 0{,}34$ нм, где $N$ — число нуклеотидов в одной цепи.
• Правило экологической пирамиды: на каждый следующий трофический уровень переходит примерно 10% биомассы или энергии предыдущего уровня: $M_{n+1} \approx 0{,}1 \times M_n$.
• Простейшие физиологические зависимости: частота сердечных сокращений и минутный объём крови связаны как $\text{МОК} = \text{УО} \times \text{ЧСС}$ (ударный объём умножить на частоту); дыхательный объём за минуту $=$ объём одного вдоха $\times$ частота дыхания.

Методы решения

1. Метод анализа фаз клеточного деления. Составляется таблица «фаза → число хромосом → число ДНК» для митоза и обоих делений мейоза, и в неё подставляется исходное диплоидное число. Мини-пример: если $2n=14$, то в метафазе мейоза I хромосом 14, ДНК — 28; после мейоза I в клетке 7 хромосом, 14 ДНК.

2. Метод комплементарности (правило Чаргаффа). Если известно количество одного нуклеотида, находится комплементарный, а затем через сумму всех нуклеотидов — оставшиеся. Мини-пример: если аденина в ДНК 20% от всех нуклеотидов, то тимина тоже 20%, а на гуанин и цитозин остаётся $100\% - 40\% = 60\%$, то есть по 30% на каждый.

3. Метод расчёта через триплетность кода. Число аминокислот в белке связано с числом нуклеотидов гена или мРНК через коэффициент 3. Мини-пример: если мРНК содержит 300 нуклеотидов (без учёта стоп-кодона), то белок состоит из $300/3=100$ аминокислот.

4. Метод экологической пирамиды. Биомасса каждого следующего уровня примерно в 10 раз меньше предыдущего; для обратного расчёта нужно умножать на 10. Мини-пример: если биомасса растений 10000 кг, биомасса растительноядных — примерно $10000 \times 0{,}1 = 1000$ кг, биомасса хищников — $1000 \times 0{,}1=100$ кг.

5. Метод прямого пропорционального расчёта в физиологии. Используются простые формулы «показатель за единицу времени × число единиц времени». Мини-пример: если частота дыхания 16 вдохов в минуту, а объём одного вдоха 500 мл, то минутный объём дыхания $=16 \times 500 = 8000$ мл.

Алгоритм решения по шагам

1. Определить, к какой подтеме относится задача: деление клетки, биосинтез, экология или физиология — это задаёт нужную формулу или правило.
2. Выписать все данные из условия и перевести их в удобные обозначения ($2n$, $n$, число нуклеотидов, доля биомассы и т.д.).
3. Определить конкретную стадию или объект, о котором спрашивается (анафаза какого деления, зигота, гамета, определённый трофический уровень).
4. Применить соответствующую формулу или правило, аккуратно отличая число хромосом от числа молекул ДНК, число нуклеотидов от числа аминокислот.
5. Проверить результат на биологический смысл: гаметы не могут иметь больше хромосом, чем соматическая клетка; зигота не может иметь гаплоидный набор; сумма нуклеотидов по правилу Чаргаффа должна давать 100%.
6. Записать в ответ только число, без лишних знаков и единиц измерения, если это не требуется условием.

Разбор примеров

Пример 1. Условие: определить число молекул ДНК в анафазе второго деления мейоза при образовании гамет у зелёной лягушки, если диплоидный набор равен 26.

Шаг 1. Диплоидный набор $2n=26$, значит гаплоидный набор $n=13$.

Шаг 2. После первого (редукционного) деления мейоза клетка становится гаплоидной по числу хромосом: в ней $n=13$ хромосом, но каждая хромосома двухроматидна, поэтому молекул ДНК в этот момент $2n=26$.

Шаг 3. Во втором делении мейоза в метафазе сохраняется $n=13$ хромосом и $2n=26$ молекул ДНК. В анафазе II сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к разным полюсам клетки и становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами. Так как расходятся хроматиды, а не целые хромосомы, общее число хромосом в клетке (до разделения цитоплазмы) удваивается: становится $2n=26$ хромосом.

Шаг 4. Каждая из этих новых хромосом состоит из одной хроматиды, то есть содержит одну молекулу ДНК. Значит число молекул ДНК равно числу хромосом в этот момент: 26.

Шаг 5. Проверка: после завершения деления клетки каждая дочерняя клетка получит $n=13$ хромосом и 13 молекул ДНК — это соответствует гамете. Значит расчёт для промежуточной стадии (анафазы, пока клетка ещё не разделилась) верен.

Ответ: 26.

Пример 2. Условие: в ядрах клеток слизистой оболочки кишечника позвоночного животного 20 хромосом. Какое число хромосом будет иметь ядро зиготы этого животного?

Шаг 1. Клетки слизистой оболочки кишечника — соматические, значит указанное число 20 — это диплоидный набор вида: $2n=20$.

Шаг 2. Зигота образуется в результате слияния женской и мужской гамет, каждая из которых гаплоидна: $n + n = 2n$.

Шаг 3. Так как гаплоидный набор данного вида $n=10$ (половина от 20), сумма хромосом двух гамет составит $10+10=20$.

Шаг 4. Таким образом, зигота получает полный диплоидный набор, равный соматическому набору вида, то есть 20 хромосом.

Шаг 5. Проверка: зигота — это первая клетка нового организма, из которой митозом образуются все соматические клетки; поэтому её хромосомный набор обязательно равен набору соматических клеток — 20, что совпадает с условием.

Ответ: 20.

Пример 3. Условие: у плодовой мухи дрозофилы в соматических клетках 8 хромосом. Сколько хромосом в половых клетках?

Шаг 1. В условии указано число хромосом соматической клетки, значит $2n=8$.

Шаг 2. Половые клетки (гаметы) образуются в результате мейоза и содержат гаплоидный набор хромосом $n$.

Шаг 3. Так как $2n=8$, гаплоидный набор $n = 8/2 = 4$.

Шаг 4. Проверка: при оплодотворении две гаметы с $n=4$ дадут зиготу с $2n=8$, что соответствует исходному соматическому набору дрозофилы, известному из школьного курса.

Ответ: 4.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают число хромосом и число молекул ДНК: забывают, что двухроматидная хромосома содержит две молекулы ДНК, а после расхождения хроматид в анафазе число хромосом временно увеличивается.
• Не различают анафазу мейоза I и мейоза II: в первом случае расходятся целые гомологичные хромосомы (число хромосом в клетке не меняется, остаётся $2n$), во втором — сестринские хроматиды (число хромосом временно удваивается до $2n$, хотя до этого было $n$).
• Считают, что зигота имеет гаплоидный набор, потому что «получена из половых клеток» — на самом деле зигота всегда диплоидна (или соответствует нормальному числу вида), так как объединяет геномы двух гамет.
• В задачах на комплементарность забывают, что доли нуклеотидов должны в сумме давать 100%, и не проверяют итоговый результат.
• В задачах на триплетность кода путают число нуклеотидов гена, число нуклеотидов мРНК и число аминокислот белка, забывая учитывать (или, наоборот, лишний раз учитывая) стоп-кодон.
• При применении правила экологической пирамиды путают направление: умножают, когда нужно делить на 10, или наоборот, из-за чего получают биологически нереалистичный результат (биомасса хищников больше биомассы растений).
• Небрежно читают вопрос: если спрашивается число хромосом, а не число ДНК, но по невнимательности отвечают удвоенным или половинным значением.
• Забывают проверить итоговый ответ на биологическую логичность: у гамет число хромосом не может быть больше, чем у соматической клетки того же вида.

Как готовиться

Первым шагом стоит выучить и зарисовать таблицу изменения числа хромосом и молекул ДНК по всем фазам митоза и обоих делений мейоза — эта таблица закрывает большинство задач на хромосомный набор. Полезно решать задачи с разными исходными диплоидными числами (не только «удобными» чётными), чтобы автоматизировать деление и умножение на 2. Для подтемы биосинтеза белка нужно многократно проработать правило комплементарности и переход от числа нуклеотидов к числу аминокислот и обратно, включая случаи с указанием массы или процентного состава нуклеотидов. Для экологических задач стоит закрепить правило десяти процентов на нескольких примерах с разным направлением расчёта — как «вперёд» по цепи питания, так и «в обратную сторону». Для физиологических задач полезно помнить типовые формулы связи объёма, частоты и времени и решать задачи на минутный и часовой пересчёт показателей. При тренировке важно после каждого решения проверять результат на биологическую осмысленность — это позволяет отловить арифметические и логические ошибки ещё до сдачи работы. Регулярная практика с задачами разного типа внутри этого номера формирует устойчивый алгоритм, который применим к любому конкретному числовому набору в условии.