ВВЕДЕНИЕ
Лекция 1
ЗНАЧЕНИЕ РАСТЕНИЙ В ПРИРОДЕ И ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА
ПРЕДМЕТ И РАЗДЕЛЫБОТАНИКИ
Единство органического мира. Отличие растений от животных.
Фотосинтез — способ питания зеленых растений. Значение
Фотосинтеза в природе. Роль незеленых растений в природе.
Предмет и разделы ботаники
Ботаника — часть биологии, предмет ее изучения — растения.
Важнейшими и специфическими признаками живого являются обмен веществ, процессы роста и размножения, явления раздражимости и наследственности.
Обмен веществ — совокупность всех химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих рост, сохранение и воспроизведение жизни. Обязательным условием обмена веществ является связь живых организмов с внешней средой. Из внешней среды живые существа получают элементы питания — воду, кислород, и др. Во внешнюю среду они выделяют многие продукты своей жизнедеятельности. Такой взаимообмен обусловливает жизнь организмов. Они растут, развиваются, изменяются их строение и свойства, но при этом не меняется главное качество — они остаются живыми.
Тела неорганической природы под воздействием внешней среды теряют свои характерные качества, приобретают новые, испытывают превращения: железо превращается в ржавчину, камень — в щебень, песок, пыль; алюмосиликаты распадаются на ряд окислов, окислы превращаются в кислоты и т. д. Чтобы сохранить неизменными тела неорганической природы, надо изолировать их от воздействий внешней среды.
Как видно, отношение живых существ и тел неорганической природы к среде характеризуется противоположными свойствами. По этому поводу Ф. Энгельс писал: «Скала, подвергшаяся выветриванию, уже больше не скала; металл в результате окисления превращается в ржавчину. Но то, что в мертвых телах является причиной разрушения, у белка становится основным условием существования ».
Поглощение живым организмом ряда веществ из внешней среды и выделение продуктов жизнедеятельности, многообразные процессы синтеза и гидролиза, созидания и разрушения, протекающие непрерывно во всяком живом существе, составляют содержание обмена веществ.
Все разнообразные химические процессы, составляющие обмен веществ, делятся на две группы — процессы ассимиляции и процессы диссимиляции.
Ассимиляция (от лат. assimilatio — усвоение) - это поглощение питательных веществ из внешней среды и образование в организме веществ более сложных из более простых, т; е. синтез. Процессы ассимиляции протекают с поглощением энергии. Внешнее выражение ассимиляции — питание. В результате ассимиляции образуются вещества, из которых состоят живые части клетки: цитоплазма, ядро, пластиды и др.
Диссимиляция (от лат. dissimilaris — непохожий) — это процессы выделения во внешнюю среду некоторых конечных продуктов обмена и расщепления более сложных веществ до более простых. Исходным материалом являются высокополимерные соединения — продукты первичного синтеза. Эти процессы протекают с выделением энергии. Внешнее выражение диссимиляции — дыхание и брожение.
Энергия, освобождающаяся при дыхании, используется организмом для синтетической деятельности и других процессов, требующих затраты энергии. Кроме того, на длинном пути окисления глюкозы или другого дыхательного материала до конечных продуктов — углекислого газа и воды — образуется множество относительно простых лабильных промежуточных продуктов, которые являются в свою очередь исходным материалом для вторичных синтезов. Таким образом, ассимиляция и диссимиляция тесно между собой взаимосвязаны, неразделимы и составляют разные стороны единого процесса обмена веществ.
У разных видов эти процессы осуществляются в различной форме, но их содержание и биологическое значение одинаковы. Обмен веществ — самое характерное, самое общее свойство всего живого. Другие признаки - рост, раздражимость, наследственность, размножение — все это результат обмена веществ и его проявление.
Гетеротрофы (от греч. heteros — другой, trophe — питание) — организмы, питающиеся готовыми органическими соединениями: белками, жирами, углеводами, витаминами и пр. Эти вещества имеют в природе биологическое происхождение. Поэтому животные питаются растениями или другими животными, которые в свою очередь являются травоядными. Характер пищи животных обусловливает их подвижный образ жизни, форму тела, пластичность организации, ограниченный рост. К гетеротрофам относятся и некоторые бесцветные растения — грибы, большая часть бактерий.
Автотрофы (от греч. autos — сам, trophe—питание) — организмы, питающиеся минеральными веществами. Органические соединения они синтезируют самостоятельно в процессе своей жизнедеятельности. К ним относятся все зеленые растения и некоторая часть окрашенных и бесцветных бактерий. Пища зеленых растений — вода, углекислый газ, минеральные соли. Эти вещества имеются в природе повсюду, только рассеяны они в небольших количествах (концентрация, например, углекислого газа в атмосфере составляет 0,03—0,04%). Для добывания их не требуется подвижность, но необходима большая внешняя поверхность, которая облегчает процесс их поглощения из окружающей среды. Отсюда и прикрепленный образ жизни растений, и твердые клеточные оболочки, и неограниченный рост, позволяющий использовать новый объем воздуха и почвы. Таким образом, существует прямая связь между способом питания, образом жизни и формой тела.
Фотосинтез — способ питания зеленых растений. Рассмотрим подробнее способ питания зеленых растений. Образование органических веществ из минеральных, как и всякий синтез, требует затраты энергии, источником которой служит солнечный свет. По этой причине процесс образования органических веществ из минеральных, происходящий в растениях, называется фотосинтезом (от греч. phos — свет, sinthesis — соединение). Суммарное уравнение фотосинтеза таково: 6СО2 + 6Н2О + 690 ккал=С6Н12О6 + 6О2.
Это общее уравнение показывает начальные и конечные продукты реакции, но не отражает всей сложности процесса. На самом деле восстановление углекислого газа и образование углеводов идет многоступенчато, через множество промежуточных реакций.
Фотосинтез происходит только в зеленых частях растений, клетки которых имеют специальные органеллы — хлоропласты. Хлоропласты содержат специфическое красящее вещество — хлорофилл, с участием которого идет поглощение солнечного света и восстановление углекислого газа до органических соединений.
В процессе фотосинтеза происходит первичное образование органических веществ. Первичные продукты фотосинтеза подвергаются в растении дальнейшим превращениям и дают все разнообразные органические вещества, из которых состоит тело растений.
Фотосинтез был открыт в 1771 г. английским ученым Д. Пристли. К числу первооткрывателей фотосинтеза надо отнести также голландского ученого Я. Ингенгуза, швейцарских натуралистов Ж. Сенебье и Н. Соссюра, французского исследователя Ж. Буссенго. В более позднее время успешно исследовали химию пигментов, строение пластид, механизм фотосинтеза Ю. Сакс, Р. Вильштеттер, А. Хиль, Р. Хилл, М. Кальвин, Ф. Блекман, Д. Арнон. Существенный вклад в изучение фотосинтеза внесли многие русские и советские ученые — А. С. Фаминцын, К. А. Тимирязев, М. С. Цвет, А. А. Рихтер, В. Н. Любименко и др. В настоящее время интенсивное исследование фотосинтеза продолжается многими учеными как у нас в стране, так и за рубежом.
Значение фотосинтеза в природе. Отметим следствия фотосинтеза, важные для существования жизни на Земле и для человека: «консервирование» солнечной энергии; образование свободного кислорода; образование разнообразных органических соединений; извлечение из атмосферы углекислого газа.
Солнечный луч — «мимолетный гость нашей планеты» (В. Л. Комаров) - производит какую-то работу только в момент падения, затем рассеивается бесследно и бесполезно для живых существ. Однако часть энергии солнечного луча, упавшего на зеленое растение, усваивается хлорофиллом и используется в процессе фотосинтеза. При этом световая энергия превращается в потенциальную химическую энергию органических веществ — продуктов фотосинтеза. Такая форма энергии устойчива и относительно неподвижна. Она сохраняется до момента распада органических соединений, т. е. неопределенно долго. При полном окислении одной граммолекулы глюкозы выделяется столько же энергии, сколько поглощается при ее образовании — 690 ккал. Таким образом, зеленые растения, используя солнечную энергию в процессе фотосинтеза, запасают ее «впрок». Сущность этого явления хорошо вскрывает образное выражение К.А. Тимирязева, назвавшего растения «консервами солнечных лучей».
Органические вещества сохраняются при некоторых условиях очень долго, иногда многие миллионы лет. При их окислении выделяется и может быть использована энергия солнечных лучей, падавших на Землю в те далекие времена. Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании нефти, угля, торфа, древесины, - все это энергия солнца, усвоенная и преобразованная зелеными растениями.
Источником энергии в животном организме служит пища, которая также содержит в себе «консервированную» энергию Солнца. Жизнь на Земле только от Солнца. А растения — «это те каналы, по которым энергия Солнца вливается в органический мир Земли» (К. А, Тимирязев).
В изучении фотосинтеза, именно его энергетической стороны, огромную роль сыграл выдающийся русский ученый К.А. Тимирязев (1843—1920). Он первым показал, что закон сохранения энергии имеет место и в органическом мире. В те времена это утверждение имело огромное философское и практическое значение. Тимирязеву принадлежит лучшее в мировой литературе популярное изложение вопроса о космической роли зеленых растений.
Один из продуктов фотосинтеза — свободный кислород, необходимый для дыхания почти всех живых существ, В природе имеется и бескислородный (анаэробный) тип дыхания, но намного менее продуктивный: при использовании равных количеств дыхательного материала свободной энергии получается в несколько раз меньше, так как органическое вещество окисляется не до конца. Поэтому понятно, что кислородное (аэробное) дыхание обеспечивает более высокий жизненный уровень, быстрый рост, интенсивное размножение, широкое расселение вида, т. е. все те явления, которые характеризуют биологический прогресс.
Предполагается, что почти весь кислород в атмосфере биологического происхождения. В ранние периоды существования Земли атмосфера планеты имела восстановленный характер. Она состояла из водорода, сероводорода, аммиака, метана. С появлением растений и, следовательно, кислорода и кислородного дыхания органический мир поднялся на новую, более высокую ступень и его эволюция пошла гораздо быстрее. Следовательно, зеленые растения имеют не только сиюминутное значение: выделяя кислород, поддерживают жизнь. Они в известной мере определили характер эволюции органического мира.
Важным следствием фотосинтеза является образование органических соединений. Растения синтезируют углеводы, белки, жиры в огромном разнообразии видов. Эти вещества служат пищей для человека и животных и сырьем для промышленности. Растения образуют каучук, гуттаперчу, эфирные масла, смолы, дубильные вещества, алкалоиды и т, п. Продукты переработки растительного сырья — это ткани, бумага, красители, лекарственные и взрывчатые вещества, искусственное волокно, строительные материалы и многое другое.
Масштаб фотосинтеза огромен. Ежегодно поглощается растениями 15,6-1010 тонн углекислого газа (1/16 часть мирового запаса) и 220 млрд. тонн воды. Количество органического вещества на Земле составляет 1014 тонн, причем масса растений относится к массе животных как 2200:1. В этом смысле (как созидатели органического вещества) имеют значение и водные растения, водоросли, населяющие океан, органическая продукция которых в десятки раз превышает продукцию наземных растений.
Форма и размеры клеток. Клеточное строение некоторых органов можно наблюдать, не прибегая к помощи микроскопа (плоды яблони, томатов, арбуза и др.).
Однако в большинстве случаев клетки микроскопически малы и лежат за пределами разрешающей способности глаза. Размеры клеток варьируют в очень широких пределах: от 1—2мк (бактерии) до нескольких сантиметров (волокна высших растений). Обычно средняя величина растительных клеток 10—100 мк в диаметре.
По форме клетки делятся на две группы: паренхимные и прозенхимные.
Паренхимные (от греч. рага — равный, engchyma — налитое) клетки имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям, т. е. эти клетки изодиаметрические. Их форма наиболее разнообразна: округлая, овальная, многогранная, дисковидная, таблитчатая, звездчатая и др. Паренхимные клетки, как правило, живые и тонкостенные. Они составляют основные ткани растения — сердцевину и кору стебля и корня, ткани листа, цветка и семени, мякоть плодов.
Прозенхимные (от греч. pros — по направлению к., engchyma — налитое) клетки вытянутые, длина их превышает ширину в десятки и сотни раз. Окончания клеток заостренные, оболочки толстые, содержимое часто отсутствует. Прозенхимные клетки образуют главным образом проводящие и механические ткани растений. Живые физиологически активные клетки редко имеют прозенхимную форму.
Строение клетки. Клетка представляет собой объемное тело, ограниченное оболочкой. Внутри находится живое содержимое — протопласт (от греч. protos — первый, plastos — фигура). Его основные части - цитоплазма и ядро.
Цитоплазма — вязкая, прозрачная, эластичная масса сложного химического состава. Ядро — обязательный компонент почти всех клеток. По химическому составу оно близко к цитоплазме. Между ними существуют тесные морфологические и функциональные связи.
Цитоплазма дифференцирована на бесструктурную массу — гиалоплазму и оформленные образования — клеточные органеллы. Гиалоплазма — основное вещество или матрикс цитоплазмы, среда, в которой находятся органеллы. Она играет важную роль в метаболизме клеток. Органеллы — морфологически и функционально специализированные части клетки. К ним относятся митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, клеточный центр. Они свойственны всем живым клеткам как растительным, так и животным. В растительных клетках имеются еще и пластиды – органеллы, в которых происходит синтез белков, жиров и углеводов. У некоторых высокоспециализированных клеток есть органеллы особого назначения, характерные только для данного вида клеток или ткани.
Включения - это мертвые и временные образования, которые накапливаются и исчезают в результате жизнедеятельности цитоплазмы. К ним относятся запасные питательные вещества и конечные продукты обмена, например зерна крахмала, капли масла, кристаллы оксалата кальция и т. п.
Продуктом жизнедеятельности цитоплазмы являются также вакуоли - полости, заполненные жидкостью - клеточным соком. Вакуоли имеются и в животных и в растительных клетках. В последних они занимают больше места по объему и выполняют иные функции.
Роль оболочки в животных клетках играет наружный слой цитоплазмы — плазматическая мембрана, или плазмалемма, имеющая особые строение и свойства. Такая же плазматическая мембрана ограничивает протопласт растительной клетки, но кнаружи от нее в отличие от животных клеток имеется еще относительно твердая полисахаридная оболочка - мертвое образование, являющееся продуктом жизнедеятельности цитоплазмы.
Растительные и животные клетки имеют общие принципы организации, одни и те же органеллы, им присущи одинаковые функции. Некоторые отличительные особенности растительных клеток {наличие более или менее твердой оболочки, клеточных пластид — органелл синтеза, специфических вакуолей, а также обильное содержание запасных питательных веществ и других продуктов синтетической деятельности) обусловлены автотрофным способом питания зеленых растений и прикрепленным образом жизни.