Кудряшов Л.В., Гуленкова М.А., Козлова В.Н. Ботаника с основами экологии

Подождите немного. Документ загружается.

ЯВ; К автотрофи ы м организмам относят высшие зеленые ра-

стения, водоросли и окрашенные виды бактерий

. Все они синтезируют

органические вещества при помощи лучистой световой энергии и по-

этому их называют фототрофными организмами или ф о т о-

р о ф а м и. Бактерии, способные создавать органические вещества

из неорганических за счет энергии, освобождаемой при окислении

этими бактериями неорганических веществ, называют х е м о с и н-

(етиками или хемотрофными. Вероятно, хемотрофный

способ питания — наиболее древний.

Гетеротрофные растения питаются готовыми органиче-

скими веществами, которые присутствуют в окружающей среде, и стро-

ят из них органические вещества своего тела. Эти растения не имеют

хлорофилла в теле. К ним относят некоторые высшие растения, грибы

и большинство бактерий. Среди гетеротрофных растений различают

растения-паразиты и сапрофита. Растения-паразиты жи-

вут на теле или в теле другого организма и питаются за его счет. Это

грибы, вызывающие болезни высших растений (мучнистая роса, ржав-

чина, головня и др.), и некоторые бесхлорофилльные высшие растения

(заразиха, повилика). Сапрофит ы питаются органическими

веществами из разлагающихся трупов животных и растений. Сапро-

фитные грибы и бактерии играют огромную роль в почвообразова-

тельном процессе, расщепляя (минерализуя) органические остатки

до простых неорганических соединений. В атмосферу выделяется угле-

кислый газ, а в почву попадают минеральные вещества. У растений

встречается и смешанный способ питания (миксотрофный).

В этом случае растения могут сами создавать органические вещества,

так как имеют зеленую окраску, но частично способны питаться и за

счет других организмов (омела, росянка).

В повседневной своей деятельности человек также разрушает

органические вещества, используя освобождающуюся при этом энер-

гию (при сжигании торфа, угля, нефти, газа). Дыхание живых орга-

низмов (тот же процесс горения) приводит к образованию простейших

минеральных веществ с выделением углекислого газа. Дыхание расте-

ний — процесс, по конечным результатам обратный фотосинтезу:

.,;' С«Н

(і

+ 60, -> 6С0

+ 6Н

0 + 2830 кДж

Таким образом, фотосинтез, осуществляемый зелеными растения-

ми, является источником возникновения и существования всего жи-

вого на пашей планете. К- А. Тимирязев, посвятивший всю свою

жизнь изучению процесса фотосинтеза, постоянно подчеркивал эту

поистине космическую роль маленького зеленого листа. Он очень

ярко описал значение использованного растением солнечного света

• Для физиологических процессов, происходящих в теле человека:

«Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплод-

ную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или,

лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух,

Бактерии и актиномицеты (лучистые Грибки) условно могут быть отнесены к

растениям.

земле окаменелостей и отпечатков воссоздает прежний растительный

покров нашей планеты. Тесно связана с геологией.

Самостоятельными дисциплинами стали в настоящее время и био-

физика, биохимия, космическая ботаника, бионика и др.

На современном этапе развития ботаники, на стыке с другими

науками, возникают новые ее отрасли (см. схему).

ЗНАЧЕНИЕ РАСТЕНИЙ В ПРИРОДЕ И ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

Чем глубже изучает человек природу, тем яснее становится ог-

ромная роль растений. Растения распространены почти повсеместно

на нашей планете: они встречаются в холодных пустынях Арктики

и Антарктиды и в горячих источниках с температурой около 70 °С;

некоторые растительные организмы проникают до 100 м в глубь зем-

ной коры (встречаются даже на глубине 2—3 км) и в атмосферу на

высоту 10—12 км (в виде спор); некоторые водоросли проникают в

толщу морских глубин до 200—250 м (бурые и красные водоросли).

Таким образом растительные организмы достигают более широкого,

чем животные, распространения. Поэтому именно они определяют

границы биосферы

Растения первыми поселяются там, где отсутствует всякая жизнь.

В Антарктиде, например, на свободной от льда поверхности растут

мхи и лишайники.

Велика роль растений в жизни нашей планеты. Одни растения

способны создавать и накапливать огромную массу органических

веществ (автотрофные" растения), другие — разрушают их (гетеро-

трофные растения), возвращая в почву минеральные вещества, не-

обходимые для питания зеленых автотрофных растений. Так совер-

шается круговорот веществ в природе.

Автотрофные растения синтезируют органические вещества из

неорганических соединений (углекислого газа, воды, минеральных

солей), используя лучистую энергию Солнца. Эта энергия поглощается

пигментом (у зеленых растений — хлорофилл, у других окрашенных

растений — каротиноиды или фикобилины) и используется в процес-

се сложных биохимических реакций, приводящих к образованию орга-

нических веществ. В органических веществах накапливается преобра-

зованная солнечная энергия в виде потенциальной энергии химиче-

ских связей. Этот сложный процесс получил название фотосинте-

з а. Упрощенно его можно записать в виде уравнения реакции:

vft

6С0

+ 6Н

0 -*- С

+ 60

— 2830 кДж

Образовавшаяся глюкоза в дальнейшем превращается в более слож-

ные углеводы, жиры, а после присоединения азота, который посту-

пает в растения из почвы в виде неорганических солей, синтезируют-

ся белки и другие сложные вещества. В процессе фотосинтеза вы-

деляется свободный кислород, необходимый для дыхания всех живых

организмов.

Биосфера— область распространения жизни на Земле.

тельнссть была развита значительно слабее. В кайнозойскую эру

цветковые растения достигли мощного развития. Постепенно уве-

личивались территории, занятые травянистой растительностью.

g этот период формировалась современная зональность растительно-

сти- В начале четвертичного периода появляется человек.

В настоящее время на Земле насчитывается около 500 000 видов

'растений. Из них около половины приходится на цветковые. Чело-

век изучил и использует для своих нужд только 2500 видов. Но поч-

ти ежегодно ученые открывают все новые полезные для людей свойства

у растений. В СССР возделывают около 450 видов покрытосеменных:

пищевых, кормовых, лекарственных, технических, декоративных

и пр.

Таблица і

Основные этапы развития растительного мира

Эры и их продолжи-

тельность (в мли. лет)

Геологические перио-

ды и их продолжи-

тельность (в млн. лет)

Основные группы растений

Кайнозойская

Мезозойская 163

Палеозойская

340

Протерозойская

2000

Архейская 900

Четвертичный

(антропогенный)

Неоген 25

Палеоген 62

Меловой 70

Юрский 58

Триасовый 35

Пермский 55

Каменноуголь-

ный 65—75

Девонский 60

Силурийский 30

Ордовикский 60

Кембрийский 70

Современная географическая зональ-

ная флора. Человек интенсивно воздейст-

вует на растительный мир. Обеднение фло-

ры воздействием ледника и произошедшим

похолоданием. Появление человека

Широкое распространение покрытосе-

менных растений — деревьев и трав; фор-

мирование современной зональности. Об-

разование залежей каменного угля

Развитие древесных покрытосеменных,

вымирание саговниковых, гинкговых, бен-

неттитовых

Широкое распространение саговнико-

вых, гинкговых и хвойных. Появление

первых покрытосеменных

Появление беннеттитовых. Вымирание

кордиатовых. Развитие и распростране-

ние папоротникообразных (современных)

Распространение голосеменных. Выми-

рание древних папоротникообразных

Расцвет древовидных папоротникооб-

разных. Появление первых голосеменных

Расселение первичных папоротникооб-

разных. Появление мхов и грибов. Выми-

рание псилофитов

Появление первых наземных растений —

псилофитов -(выход растений на сушу).

Господство бактерий, сине-зеленых водо-

рослей, бурых, красных

Остатки бактерий, водорослей и, воз-

можно, грибов (фикомицетов)

Наличие водорослей сине-зеленых, зе-

леных, красных, а также бактерий

Появление многоклеточных зеленых и

красных водорослей. Обособление живот-

ных и растений

Возникновение жизни на Земле. Бакте-

рии. Возможно, сине-зеленые водоросли

перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутрен-

нюю работу... В той или иной форме он вошел в состав хлеба, который

послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нер-

вы, и вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь

соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы

нашего тела. При этом луч солнца, таившийся в них в виде химиче-

ского напряжения, вновь приобретает форму явной силы. Этот луч

солнца греет нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту

минуту он играет в нашем мозгу»

Не^менее важна роль растений как образователей леса, луга, степи

и других растительных сообществ. При этом создаются не только раз-

нообразные ландшафты Земли, но и определенные отношения между

жизненными формами растений и животных, их приспособленность

к определенным физико-химическим условиям среды.

ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРИОДОВ

Богат и разнообразен формами мир современных растений. Но

этому предшествовала длительная эволюция растительных организмов

под влиянием изменяющихся условий существования. Жизнь зароди-

лась в водной среде. Однообразие условий жизни в Мировом океане

способствовало очень медленному течению формообразовательных

процессов. Мы и сейчас именно в водной среде находим самые при-

митивные одноклеточные и колониальные растения (сине-зеленые и

зеленые водоросли). Только с выходом растений на сушу и неодно-

кратным изменением условий существования происходит убыстрение

темпов эволюции растительных организмов. В протерозойскую эру

определились две линии развития живой природы: животных и расте-

ний. В силурийский период палеозойской эры появляются первые не-

большие наземные растения — риниефиты, сплошным ковром покрывав-

шие сушу. В девонском периоде произошло массовое переселение

растений на сушу. Это были псилофиты, древовидные папоротники,

хвощи, древние голосеменные. Пышная растительность изменила

состав атмосферы, обогатив ее кислородом. Она способствовала уве-

личению слоя почв, усложнению животных организмов. У растений

развилась проводящая система, корневая система. Древние голосе-

менные имели большое преимущество перед остальными растениями:

оплодотворение происходило без участия воды и зародыш был защи-

щен от неблагоприятных условий, в семени находился запас питатель-

ных веществ, необходимых для развития зародыша. В конце палеозой-

ской эры голосеменные уже занимали господствующее положение.

Вымершие папоротникообразные образовали залежи каменного угля,

который сейчас использует человек. В мезозойскую эру важным со-

бытием было появление покрытосеменных (цветковых) растений.

Большие пространства были покрыты их древесными формами: маг-

нолии, лавры, платаны, эвкалипты, ивы, виноград, тополя и др.

Появились древовидные однодольные — пальмы. Травянистая расти-

Тимирязев К- А. Жизнь, растения. — Избр. соч. М., Сельхозгиз, 1949,

т. Ш, с. 164.

В результате сложного эволюционного процесса на Земле обра-

зовалась сфера живых организмов—б и о с ф е р а. Она тесно связана

с окружающей ее неживой природой, составляя единую экологи-

ческую систему, в которой царит равновесие. От неразумного вмеша-

тельства в эту систему человека" предостерегал еще в прошлом столе-

тии Ф. Энгельс: «Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой

Азии и в других местах выкорчевывали леса, чтобы получить таким

путем пахотную землю, и не снилось, что они этим положили начало

нынешнему запустению этих стран, лишив их, вместе с лесами, цен-

тров скопления и сохранения влаги»

. В наш век высокой механиза-

ции и химизации сельского хозяйства, в век.интенсивного изменения

окружающей среды следует помнить, чем мы обязаны растительному

миру, и бережно охранять растительный покров нашей планеты и

отдельно каждый вид растения. Ведь может случиться, что растения,

на которые мы сейчас не обращаем внимание, содержат в себе ценные

лекарственные вещества или необходимые человеку витамины.

•Энгельс Ф. Диалектика природы. М., Политиздат, 1975, с. 153.

КЛЕТКА

,~ -Растения, как и животные, имеют клеточное строение. Впервые

клетка была описана английским исследователем, математиком и

физиком Робертом Гуком в 1665 г. Работая над усовершенствованием

микроскопа, Гук рассматривал срезы с пробки и обнаружил ее ячеи-

стое, клеточное строение. Пробка — покровная ткань растения, ее

клетки мертвые, так что первые увиденные человеком клетки состояли

только из оболочек. Но уже Р. Гуком были рассмотрены срезы с дру-

гих частей растения и отмечено, что клетки заполнены «соком».

Современниками Р. Гука и позднейшими исследователями было

подтверждено клеточное строение органов растения. Но представ-

ления о клетке еще очень отличались от настоящих. Только в XIX в.

с усовершенствованием микроскопа клетка была изучена более де-

тально. Было обнаружено, что каждая клетка имеет собственную

стенку — оболочку. О растительной клетке укрепилось представление

как о структурном элементе растения. В 1831 г. Роберт Броун обна-

ружил и описал ядро. Вязкое зернистое вещество, находящееся внутри

растительной клетки и занимающее в ней постеннсе положение,

X. Моль (1844—1846) назвал протоплазмой

. Ученые обра-

тили внимание на движение протоплазмы в растительных клетках;

протоплазму стали рассматривать как основу, где протекают жизнен-

ные процессы. В растительных клетках были открыты пластиды

которые затем в зависимости от окраски подразделили на лейко-

'Пласты, хлоропласти и хромопласты. В конце

столетия были описаны митохондрии и гольджиосомы, хотя в клетках

растений их обнаружили только в XX в.

Электронный микроскоп, широкое использование которого нача-

лось с 50-х годов XX в., позволил изучить субмикроскопическую струк-

туру ранее известных компонентов клетки и выявить новые ультра-

структуры.

В растительной клетке различают протопласт — живую

часть клетки, активно участвующую в обмене веществ, и окружающую

протопласт клеточную оболочку. Форменные элементы прото-

пласта, обладающие специфическими функциями, называют о р г а-

неллами клетки. Во взрослых клетках в центре имеется в а-

а rw

еч

Ротос — первый и пластос — вылепленный.

От греч. пластикос— оформленный, отлитый.

Рис. 2

Строение растительной клет-

ки (схема):

А — клетка под световым ми-

кроскопом;

Б — часть клетки под элект-

ронным микроскопом;

1 — оболочка (а — первичная;

б — вторичная;

в — пора);

2 — цитоплазма;

3 — хлоропласт (г — оболочка;

д — строма с ламеллами и гра-

нами;

е — первичное крахмальное

зерно);

4 — ядро с ядрышком;

5 — вакуоль;

6 — митохондрия;

7 — каналы эндоплазматиче-

ской сети с рибосомами на мем-

бранах;

8 — плазмалемма;

9 — тонопласт;

10 — аппарат Гольджи;

11 — цитоплазматический мат-

рице, или гиалоплазма.

к у о л ь — полость с клеточным соком. В клетке, кроме того, могут

накапливаться запасные вещества и продукты ее жизнедеятельности.

В протопласте выделяют цитоплазматическую основу, или основ-

ную плазму (цитоплазматический м а т р и к с,

г и а л о п л а з м а

), и форменные элементы. Одни из них — ядро,

пластиды, митохондрии, сферосомы — обнаружи-

ваются в световой микроскоп; другие — плазмалемма, то-

нопласт, аппарат Гольджи, эндоплазм этиче-

ская сеть с рибосомами, лизосомы, микро-

труб«очки, пероксисомы — являются ультраструктурными

образованиями. Часть протопласта без элементов клетки, видимых

под световым микроскопом, называют цитоплазмой (рис. 2).

Основные химические компоненты клетки. Основным веществом

цитоплазмы являются белки, на долю которых от общей массы су-

хого вещества клетки в среднем приходится 50—70%. Белок — по-

лимерное соединение, где структурной единицей является аминокис-

лота. Белки проявляют большую активность и способность к обра-

От греч. гиалос -= стекло.

зованию комплексов с другими веществами. С углеводами они дают

глюкопротеиды, с липоидами, жироподобными веществами — липо-

протеиды, с нуклеиновыми кислотами — нуклеопротеиды, с пигмен-

тами — хромопротеиды и т. д. Белки в виде комплексных соединений

участвуют в построении всех компонентов клетки, обладающих свой-

ствами живого. Белковую природу имеют ферменты — органические

катализаторы клетки. Белок определяет специфичность клетки, тка-

ни, организма в целом.

Белки как запасные вещества накапливаются в виде аморфных

образований и кристаллидов, а также в форме протеиновых (белко-

вых) зерен. Последние образуются из вакуолей при их высыхании.

Сильное обезвоживание тканей наблюдается в созревших семенах,

поэтому и образование протеиновых зерен характерно для клеток

запасающих тканей семян. Кроме белка в составе зерна можно об-

наружить неорганические вещества (рис. 3).

В процессе жизнедеятельности клетки белки вовлекаются в об-

мен веществ, вступают во взаимодействие с другими веществами и,

образовав сложные комплексные соединения, участвуют в построе-

нии элементов протопласта.

Важными компонентами клетки являются нуклеиновые кислоты

ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (рибонуклеиновые

кислоты). Молекулы их крупные и состоят из большого числа нуклео-

тидов. В состав каждого нуклеотида входят азотистое основание, угле-

вод и остаток фосфорной кислоты. ДНК и РНК отличаются друг от

друга по химическому составу, структуре молекулы, местонахождению

в клетке, по функции. Их сравнительная характеристика приведена

в таблице 2. %

Рис. 3

Запасные вещества клетки:

^ — крахмальные зерна и кри-

сталлиды белка в клетках

к л уб н я картофеля;

" — протеиновые зерна в клет-

~ндосперма семени клеще-

протеиповое зерно из клет-

14:

ИЬ',

II —

ки эндосперма клещевины;

крахмальные и протеино-

вые зерна в клетке семядоли

•ороха;

— белковый кристаллид;

крахмальные зерна;

протеиновые зерна;

оболочка зерн

кристаллид;

аморфный белок;

°вания)

і'лобоид (минеральные об

Таблица 2

Сравнительная характеристика ДНК и РНК

ДНК

РНК

Химический состав

Дезок-

сирибоза

Рибоза

азотистые

основания

Аденин,

гуанин,

тимин,.

цитозин

Аденин,

гуанин,

урацил,

цитозин

Макромолекуляр-

кая структура

Двойная по-

линуклеотид-

ная спираль

Одинарная

полинуклеотид-

ная цепь, обра-

зующая складки

Локализация в

клетке

Ядро,

пласты,

хондрии

Ядро,

плазма,

пласты,

хондрии

хлоро-

мито-

цито-

хлоро-

мито-

функция

Хранение ге-

нетической ин-

формации

Передача ин-

формации от

ДНК на рибо-

сомы, где про-

исходит синтез

белка

Обязательными компонентами клетки являются жироподобные ве-

щества, или липоиды, входящие в состав липоидно-белковых мем-

бран цитоплазмы. Запасные жиры являются энергетическим материа-

лом клетки. В запас они откладываются в жидком или твердом виде.

Твердые жиры, характерные для многих тропических растений (се-

мена шоколадного дерева, кокосовой пальмы и др.), накапливаются \

в форме игольчатых кристаллов. Как запасные вещества жиры ха-

рактерны для семян, реже они обнаруживаются в клетках плода і

(маслина) или вегетативных органов (корневище ириса, стебли дере-

вьев в зимний период).

Углеводы являются составными компонентами ряда жизненно важ-

ных соединений клетки: нуклеиновых кислот, сложных белков —

глюкопротеидов и т. д. Они участвуют в построении оболочки клет-

ки (клетчатка, полуклетчатка, пектины). Запасные углеводы — это

наиболее подвижные соединения, постоянно вовлекаемые в обмен

веществ и дающие -начало другим компонентам. Их называют плас-

тическим материалом клетки. Запасные углеводы выполняют также

важнейшую энергетическую функцию.

Углеводы откладываются в клетке в виде сложных сахароз, или j

полисахаридов (крахмал, полуклетчатка), дисахаридов (сахароза) |

и моносахаридов (глюкоза, фруктоза). Сахароза, глюкоза и фруктоза

накапливаются в вакуоли; крахмал — в лейкопластах (крахмальные І

зерна); полуклетчатка откладывается на оболочке.

Важным соединением, занимающим ключевые позиции в энергети- j

ческом обмене клетки, является АТФ (аденозинтрифосфат), где в фор- .

;

ме макроэргических связей накапливается энергия, которая потом

используется для биохимических реакций.

За основы взята таблица В. С. Гайцоки (1965) из книги «Руководство по і

цитологии». М., Наука, т. I, с. 440.

16 ,

Кроме указанных веществ, в клетке имеется целый ряд органи-

ческих и неорганических соединений, а также физиологически актив-

ных веществ типа витаминов, ростовых веществ, необходимых для

осуществления нормальной жизнедеятельности клетки и организма

в целом. Обязательным компонентом клетки является вода, на кото-

рую в среднем приходится 80—85% от общей массы клетки.

Цитоплазма. Термин цитоплазма для обозначения живого

содержимого растительной клетки, исключая ядро и пластиды, был

введен в науку Страсбургером (1882). Цитоплазма — это высоко-

организованная система субмикроскопических структур, находящихся

в состоянии постоянного взаимодействия. В обеспечении тесных взаи-

мосвязей и единства компонентов цитоплазмы большая роль принадле-

жит мембранам, выполняющим важные и разносторонние биологические

функции. Химический состав цитоплазмы чрезвычайно сложен. В ходе

разнообразных обменных реакций в клетке постоянно что-то разрушает-

ся и что-то синтезируется вновь, ибо для цитоплазмы характерно по-

стоянное самообновление, которое осуществи! яется в процессе а с-

с и м и л я ц и и

и диссимиляции

. При ассимиляции ве-

щества, поступающие из внешней среды, превращаются в вещества

самого организма. Этот процесс совершается в единстве с процессом

диссимиляции, при котором в результате окисления органических

веществ высвобождается энергия, необходимая для осуществления

жизненных процессов.

Ассимиляция и диссимиляция — две стороны обмена веществ,

метаболизма

, лежащего в основе жизни. Согласованный ход

реакций обмена веществ определяется каталитическим действием

ферментов.

Основная плазма — это непрерывная субстанция в клетке, в ко-

торую погружены или граничат с ней, как, например, плазмалемма и

тонопласт, структурные образования протопласта. В электронном

микроскопе основная плазма выглядит образованием гомогенным, од-

нородным или мелкозернистым. Иногда в ней обнаруживаются тончай-

шие нити диаметром до 70—100 А. Но этот компонент непостоянен.

Цитоплазматический матрикс богат белками и ферментами, биохими-

ческими катализаторами, участвующими в сложных обменных реак-

циях клетки.

Эндоплазматическая сеть — система субмикроскопических каналь-

цев, имеющих расширения в виде цистерн и пузырьков. Стенки ка-

нальцев выполнены липоидно-белковой мембраной, в которую вклю-

чены многочисленные ферменты. Эндоплазматическая сеть пронизы-

ает основную плазму в разных направлениях. По канальцам сети

Циркулирует «плазменный сок» — э н х и л е м а. Различают гладкую

и шероховатую мембраны. В последнем случае к мембране канальцев

От лат. ассимиляций — уподобление.

От лат, диссимиляре — делать непохожим.

От греч. метаболе — изменение.