СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ РАСТИТЕЛЬНОГО ОРГАНИЗМА

Клетка. Свойства растений

Ботаника — раздел биологии, наука о растениях. Слово «ботаника» произошло от греческого слова «ботанэ», что в переводе означает растение, трава. Ботаника сложная система научных дисциплин, изучающая растительный мир во всем его богатстве форм и жизненных проявлений. Поэтому растительные организмы изучаются различными разделами биологии. В настоящее время различают несколько структурно-функциональных уровней организации живой материи: молекулярно-генетический, клеточный, тканевой, организменный, популяционно-видовой и биосферно-биогенетический. Растения относятся к миру живой природы, как и животные и человек, в основе строения которых лежит клетка — элементарная живая система. Изучение строения клетки, открытие которой принадлежит английскому ученому Р. Гуку в 1665 г., продолжается и по сегодняшний день.

Клетки сильно различаются по размерам и форме. Размер клеток колеблется от нескольких микрон до нескольких сантиметров. Но, все клетки имеют общность в строении. Клетка включает протопласт. Это живая часть, активно участвующая в обмене веществ. Форменные элементы обладают специфическими функциями и называются органоидами. Структуры, видимые в световой микроскоп: цитоплазма, ядро, митохондрии, пластиды. К ультраструктурам относятся: плазмалемма, тонопласт, микротрубочки, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть с рибосомами. В процессе жизнедеятельности клетки образуются производные протопласта, названные парапластом. Он включает: клеточную стенку, вакуоль с клеточным соком, запасные питательные вещества (белки, жиры, углеводы), экскреторные вещества (эфирные масла, включения, смолы, слизи и др.)

В 1830 г. немецкий зоолог Т. Шванн обобщил результаты немецкого ботаника М. Шлейдена и сформулировал клеточную теорию, основные положения которой следующие: как растительные, так и животные организмы состоят из клеток; клетки развиваются аналогично и близки друг к другу по строению и функциональному значению; каждая клетка способна к самостоятельной жизнедеятельности. Однако растения обладают определенными специфическими свойствами, которые отличают их от животных.

Первое свойство, заключается в строении самой растительной клетки. Имеется прочная, не пропускающая твердых частиц, клеточная стенка. Растительные клетки, покрытые твердой оболочкой, могут воспринимать из окружающей среды необходимые вещества лишь в растворенном состоянии путем «всасывания». После того как в клетку поступит определенное количество воды, достигается равновесие, при котором давление, оказываемое растянутой клеточной стенкой, соответствует давлению, оказываемому клеточным соком.

Второе свойство связано с внешним строением большинства растений, которое характеризуется более сложным, чем у животных, внешним расчленением.

Третье свойство показывает, что восприятие питания «всасыванием» влечет за собой малую подвижность растений.

Четвертое свойство вытекает из неподвижности растений, которая является главной причиной особого их способа расселения — разнообразными зачатками, которые называются диаспоры. Это могут быть специализированные одиночные клетки — споры, или сложно устроенные многоклеточные образования — семена, содержащие в себе зародыш. У многих видов диаспорами могут служить части вегетативного тела — выводковые почки, части листьев (бегония), метаморфизированные побеги (клубни, луковицы, корневища) и другие элементы.

Пятое свойство показывает особенность расположения органов тела растения. Они находятся снаружи и тесным образом связаны с факторами окружающей среды.

Шестое свойство выражается в особенности способа питания растений. Организмы, синтезирующие необходимые питательные вещества, называются автотрофными. Известно два основных типа автотрофов: 1) фотосинтезирующие организмы — зеленые растения, в клетках которых содержится хлорофилл и 2) хемосинтезирующие организмы — некоторые бактерии. Энергия, получаемая при химических процессах, используется для синтеза органических веществ, необходимых в поддержании жизни и роста. Организмы, не способные синтезировать питательные вещества из неорганических соединений и вынужденные поэтому либо жить за счет автотрофов, либо питаться разлагающимися остатками, называются гетеротрофами, а их способ питания — гетеротрофным. Существуют различные типы гетеротрофного питания: 1) голозойный, при котором происходит питание твердыми частицами пищи, в дальнейшем она переваривается и всасывается; 2) сапрофитный связан с поглощением органических веществ непосредственно через клеточные стенки при наличии разлагающихся тел или скоплений продуктов жизнедеятельности. Место их произрастания называется субстратом (бактерии, грибы); 3) тип питания, характерный для некоторых растений и животных — паразитизм. Для паразитов главное условие — наличие живого организма — хозяина. Паразит может существовать или внутри тела — эндопаразит, или на поверхности тела — эктопаразит (повилика, заразиха).

Седьмое свойство показывает, что все организмы, способные к фотосинтезу, содержат в клетках хлоропласты, в которых имеется особое вещество — хлорофилл. Кроме того, в клетках растений имеются и другие пластиды, которые хорошо различимы в световой микроскоп. По окраске различают пластиды зеленые — хлоропласты, которые встречаются в зеленых частях растений от водорослей до цветковых растений включительно. Желтооранжевые и красные — хромопласты содержатся в клетках зрелых плодов, например, перца, томата, боярышника, шиповника. Яркие плоды хорошо поедаются птицами и животными, что способствует распространению семян, а яркая окраска цветков, привлекает насекомых к опылению растений. В этом их биологическая роль. И бесцветные — лейкопласты, которые встречаются в клубнях картофеля, семенах подсолнечника, способны к накоплению в своей строме запасного белка и крахмала. В последнем случае лейкопласты превращаются в крахмальные зерна.

Исходя из того, что огромное количество растительных организмы — это автотрофы, можно полагать, что жизнь на Земле в целом обеспечивается воздействием солнечных лучей и атмосферы на зеленый растительный покров суши и океанов. Автотрофный способ создания органических веществ дает возможность питаться не только самим растениям, но и животным и человеку. Несмотря на обилие солнечного света и большую густоту зеленого покрова, растения используют лишь 1-2 % падающей на них световой энергии. Но даже при этом в результате фотосинтеза образуется колоссальная масса органической материи — ежегодно создается сотни миллиардов тонн органического вещества, а также выделяется свободный кислород.

Роль зеленых растений может быть кратко охарактеризовано следующим образом:

- обеспечение атмосферного воздуха кислородом, необходимого для дыхания большинства организмов планеты;

• - создание из неорганических веществ органических соединений, которые используются как самими растениями для поддержания своей жизни, так и для животных и человека;

• - аккумуляция солнечной энергии в органическом веществе, за счет которого развивается жизнь на Земле и представляющая основу энергетических ресурсов, используемых человеком в промышленности;

• - создание огромного количества продуктов как сырья, необходимого человеку для различных видов промышленности;

• - разложение (диссимиляция) отмерших организмов низшими растениями;

• - формирование и изменение климата;

• - преобразование окружающей природной среды и эстетики поселений человека.

Среда обитания — это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части среды, которые называются факторами, а также их свойства многообразны и изменчивы. Среда — это совокупность всех факторов, включающая неживую (неорганическая) часть природы и живую (органическая) часть природы. В начальной школе с первых уроков естествознания начинается формирование понятий: «неживая природа» и «живая природа». Поэтому учащиеся должны различать признаки отличия между ними. Факторы среды объединены в группы.

• 1. Климатические факторы: осадки, солнечный свет, температура воздуха, ветер и др.

• 2. Почвенные, или эдафические: физические свойства почвы, ее химический состав, механическая структура, влажность и др.

• 3. Орографические: факторы рельефа.

• 4. Геологические, или исторические: землетрясения, извержение вулкана, наводнения, выветривание горных пород.

• 5. Биотические: взаимоотношения представителей растительного и животного миров.

• 6. Антропогенные: влияние деятельности человека.

Первые четыре группы факторов имеют общее название — абиотические факторы, а последние две — биотические факторы (от гр. био — жизнь). Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Таковы силы тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Большинство экологических факторов — температура, влажность, направление ветра, осадки, конкуренты и т.д. — очень изменчивы в пространстве и во времени. Экологические факторы оказывают на растительные организмы различные воздействия: они могут влиять как раздражители, вызывающие приспособительные изменения; как ограничители, обуславливающие невозможность существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.

Тело растений складывается из большого числа клеток, которые называются соматическими (сома — тело). В их ядрах содержится постоянное число хромосом, специфичных для вида и передается из поколения в поколение. Этот набор хромосом, или кариотип, двойной и называется диплоидным. Например, пшеница твердая содержит 28 хромосом, а пшеница мягкая — 42. В клетках, которые участвуют в половом процессе, содержится одинарный набор хромосом и он называется гаплоидным. Образование новых клеток происходит различными способами.

• 1. Слияние. Яйцеклетка и сперматозоид (спермий) в процессе оплодотворения, сливаясь, образуют зиготу — новую клетку с диплоидным набором хромосом.

• 2. Почкование. На поверхности материнской клетки появляется бугорок, постепенно увеличивающийся до размеров материнской клетки (дрожжи).

• 3. Свободное образование. Происходит многократное деление ядра с частичным участием цитоплазмы в формировании дочерних клеток (сумчатые грибы, зародышевый мешок).

• 4. Деление клеток — процесс, который наступает тогда, когда поверхность клеток вследствие непропорционального роста становится недостаточной по сравнению с ее объемом.

Известны следующие способы деления.

Амитоз, или прямое деление (а — без и хрома — краска). При этом способе вначале происходит деление ядра на два перетяжкой, в след за которым наступает полное деление протопласта и всей клетки на две. При этом ядерное вещество не всегда равномерно распределяется между дочерними клетками. Это деление открыто в 1840 г. Н. Железновым. Встречается в клетках стареющих, но нередко и молодых (водоросли, эндосперм семян, донце луковицы).

Митоз, или кариокинез (митос — нить) открыт И.Д. Чистяковым, материалы исследования которого опубликованы в 1874 г. Это универсальный, широко распространенный способ деления. Суть этого деления заключается в передаче дочерним клеткам такого же количества хромосом, что содержится в материнской, но количество дочерних клеток увеличивается вдвое. Деление проходит в несколько стадий и может длиться от нескольких минут до 2-3 часов.

Мейоз, или редукционное деление (мейон — меньше). Этот способ характерен лишь для особых клеток. Момент наступления мейоза зависит от состояния зрелости всего организма. Характерная особенность данного деления — это уменьшение числа хромосом вдвое в процессе деления материнской клетки, но образуется четыре дочерние клетки. Открыт мейоз В.И. Беляевым в 1885 г. Мейоз складывается из двух следующих друг за другом делений. При первом делении, которое названо редукционным, происходит уменьшение вдвое числа хромосом в дочерних ядрах, а затем они вновь делятся, но путем митоза. Образуется четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.