Ботаника изучает строение, жизнедеятельность, закономерности индивидуального и эволюционного развития, распространение и условия обитания растений.
Значение растений в биосфере огромно. Фотосинтезирующие растения являются источником органического вещества и кислорода, оказывают значительное влияние на климат. Жизнь современного человека зависит от использования культурных растений, которых в настоящее время насчитывается около 1500 видов. Человек широко использует природные и культивируемые растения для изготовления лекарственных препаратов или в декоративных целях.
Размеры и строение растений — от 2—3 мкм у одноклеточных водорослей (хлорелла) до сложно устроенных покрытосеменных с высокодифференцированными тканями и органами (эвкалипты до 150 м).
Общие черты растений:
Наличие в составе клеток твердой клеточной оболочки из целлюлозы.
Способ питания — адсорбционный (всасывательный).
Прикрепление к твердому субстрату и ограничение подвижности.
Расселение растений зачатками (спорами, семенами), находящимися в состоянии покоя.
По типу питания растения — автотрофы, запасное питательное вещество — крахмал.
Закономерное чередование двух поколений в жизненном цикле, проходящем от зиготы одного растения до зиготы другого: бесполого диплоидного поколения — спорофита, и полового гаплоидного — гаметофита.
При чередовании поколений гаметофит — растительный организм, на котором формируются гаметы, закономерно сменяется спорофитом: гаплоидные гаметы сливаются диплоидная зигота зародыш
взрослое растение — спорофит (имеет спорангий и производит споры, одинаковые или разные. При образовании спор происходит мейоз, поэтому споры гаплоидные) из спор вырастает гаметофит (гаплоидное поколение, есть половые органы, производящие сперматозоиды и яйцеклетки). Все наземные растения имеют половые органы одного типа: мужские называются антеридии, а женские — архегонии. В мужских органах образуется много сперматозоидов, а в женских — одна крупная неподвижная яйцеклетка.
Гаметофит и спорофит могут быть одинаковыми как по строению, так и по продолжительности жизни. Но у наземных растений оба поколения различны. При этом оба поколения могут быть самостоятельными или одно развивается на другом. Так, у мхов спорофит (коробочка со спорами) — часть одного растения, тело которого является гаметофитом. У семенных растений сильно редуцированный, лишенный хлорофилла гаметофит представлен клетками зародышевого мешка.
В процессе эволюции при приспособлении к дефициту воды происходили постепенная редукция (сокращение продолжительности жизненных циклов) полового поколения — гаметофита, упрощение половых органов и увеличение размеров бесполого поколения — спорофита.
Около 600 тыс. видов растений условно делят на:
низшие —тело не расчленено на органы и ткани и называется слоевищем, или талломом. К этой группе относятся водоросли и лишайники.
высшие — имеются органы (корень, стебель и лист), образованные сложно дифференцированными тканями. Зигота высших растений развивается в многоклеточный зародыш. К высшим растениям относятся отделы моховидные, плауновидные, хвощевидные, папоротниковидные, голосеменные и покрытосеменные (цветковые).
Растения появились на Земле около 2 млрд лет назад. Первоначально развитие растительных организмов происходило в водной среде, что привело к появлению – водорослей. Затем растения стали осваивать сушу. Этому способствовало возникновение следующих ароморфозов:
– возникновение фотосинтеза;
– возникновение эукариотического строения клеток;
– возникновение мейоза и оплодотворения;
– возникновение многоклеточности и дифференциации клеток с образованием тканей и органов;
– возникновение чередования гаплоидного и диплоидного поколений;
– возникновение семени;
– возникновение цветка.
Эволюция растений шла в направлении от споровых к семенным, от низших к высшим.
Ткани высших растений
В процессе эволюции у высших растений совершенствование организации сопровождалось усложнением внутреннего строения — появлением органов и тканей.
Ткань — совокупность клеток, сходных по морфологическим и физиологическим признакам и выполняющих определенные функции. Орган состоит обычно из нескольких тканей.
Различают ткани:
1. образовательная (меристема) появляется по мере деления зиготы. Формирует тело зародыша, по мере роста растения перемещается во все его точки роста – верхушки корней, стеблей, в основания междоузлий и листьев – это первичные меристемы ( их клетки делятся в поперечном, радиальном и тангенциальном – параллельным поверхности – направлениях; лежат беспорядочно):
Верхушечные (апикальные)
Боковые (латеральные)
Вставочные (интеркалярные)
Основное свойство меристем – способность делиться митозом и дифференцироваться (преобразовываться в другие ткани).
Меристемы могут возникать и из уже имеющихся тканей – это вторичные меристемы ( клетки делятся только в тангенциальном – параллельным поверхности – направлении; лежат четкими рядами):
Камбий – образовательная ткань корня и стебля, состоящая из клеток, при делении и дифференцировке которых с внутренней стороны от слоя камбия откладывается древесина, с внешней – луб (у голосеменных и двудольных растений)
Феллоген (пробковый камбий)
Раневые меристемы
2. покровные ткани растений находятся на границе с внешней средой и защищают их от высыхания, механического повреждения, действия высоких и низких температур, чрезмерного испарения воды, проникновения микроорганизмов:
Кожица (э пидерма) в виде однорядного слоя клеток покрывает листья и однолетние побеги. Наружная поверхность клеток этой ткани часто покрыта кутикулой или восковым налетом, особенно развитых у растений засушливых местообитаний. Основные функции эпидермы — защитная и регуляция газообмена и испарения воды (связь с внешней средой – через устьица)
Пробка сменяет эпидерму, вследствие чего к осени зеленый цвет побегов переходит в бурый; из нескольких слоев отмерших клеток, стенки которых пропитаны жироподобным веществом суберином, непроницаемым для воды и газов. Т.к. живые ткани, лежащие под пробкой, нуждаются в газообмене и удалении избытка влаги, то связь с внешней средой осуществляется через разрывы в пробке, заполненные рыхло расположенными клетками — чечевички.
Пробка вместе со слоями отмерших клеток других тканей входит в состав корки, которая предохраняет стволы деревьев от механических повреждений, лесных пожаров, резкой смены температур и т. п. Корка ежегодно наращивается за счет клеток находящегося под ней камбия.
3. проводящие ткани служат для распространения по всему растению веществ, всасываемых корнями, и веществ, образующихся в листьях и молодых стеблях.
Различают:
Дальний или осевой транспорт веществ (от листьев к корням и от корней к листьям)
Ближний или радиальный.
Проводящая система растений состоит из:
Ксилемы или древесины – комплекс тканей, расположенных внутрь ль камбия или в проводящих пучках; обеспечивает восходящий ток воды и минеральных солей.
Состоит из:
-сосудов (проводящая ткань)
- древесных волокон (механическая ткань)
-древесной паренхимы (основная ткань)
Флоэмы или луба – комплекс тканей с внешней стороны от камбия или в проводящих пучках; служит для проведения нисходящим током продуктов фотосинтеза к местам их использования или отложения в запас (подземные органы, созревающие плоды и семена и др.).
Состоит из:
-ситовидных трубок (проводящая ткань)
-лубяных волокон (механическая ткань)
-лубяной паренхимы (основная ткань)
Дальний, или осевой, восходящий ток осуществляется по трахеидам и сосудам. Трахеиды — мертвые вытянутые клетки, лишенные цитоплазмы, имеющие одревесневшие стенки, в которых находятся поры. Через поровую мембрану происходит фильтрация растворов. Ток жидкости по трахеидам медленный, так как поровая мембрана препятствует движению воды. Трахеиды встречаются у всех высших растений, а у большинства хвощей, плаунов, папоротников и голосеменных служат единственными проводящими элементами ксилемы. У покрытосеменных развиты сосуды — полые трубки, состоящие из отдельных члеников, расположенных друг над другом. В члениках имеются сквозные отверстия — перфорации, благодаря которым быстрота тока растворов многократно увеличивается. Оболочки сосудов пропитываются лигнином и придают стеблю дополнительную прочность.
Нисходящий ток органических веществ осуществляется по ситовидным трубкам, входящим в состав проводящей ткани — флоэмы (луб). Ситовидные трубки состоят из члеников, поперечные перегородки которых пронизаны мелкими отверстиями, образующими «сито». Клетки ситовидных трубок лишены ядер, но содержат живую цитоплазму, образующую единое целое с цитоплазмой соседних клеток. Скорость движения по ситовидным трубкам меньше, чем скорость движения по сосудам.
Элементы проводящей системы вместе с волокнами механической ткани образуют пучки. Сосудисто-волокнистые пучки хорошо видны в листьях в виде жилок, они распространены в стебле, корнях, плодах и объединяют растение в единое целое.
4. механические ткани формируют «внутренний скелет» растения; обеспечивают прочность его органов: сопротивление нагрузкам на растяжение, сжатие и изгиб. Прочность и упругость клеток механических тканей достигается утолщением и одревеснением их оболочек. В молодых участках растущих органов механических тканей нет, т.к. живые клетки, находясь в состоянии тургора, благодаря плотным клеточным стенкам приобретают упругость.
Наиболее распространенная классификация механических тканей:
Склеренхима – представлена волокнами – длинными узкими клетками с равномерно утолщенной одревесневающей клеточной стенкой и обычно отмершим протопластом. В корне, стебле, плодах. В составе ксилемы (древесные волокна), флоэмы (лубяные волокна) и т.д.
Склереиды – клетки округлой или кубовидной формы с толстыми стенками, способными раздревесневать (утрачивать лигнин). В тканях мезофилла листа, мякоти сочных плодов (каменистые клетки), «косточек» плодов костянок
Колленхима – свойственна только двудольным, под эпидермой надземных органов. Округлая или кубовидная форма клеток, живой протопласт, неравномерное утолщение клеточных стенок (свойства пружины)
5. основная ткань или паренхима, состоит из живых тонкостенных клеток, располагающихся между другими тканями:
основная паренхима – в сердцевине стеблей
древесная паренхима – между сосудами и древесными волокнами в древесине
лубяная паренхима – между ситовидными трубками и волокнами в лубе
хлорофиллоносная паренхима – столбчатая ткань в листе под верхней эпидермой, губчатая – под нижней
запасающая паренхима – в эндосперме семян, клубнях, корнеплодах, плодах
воздухоносная паренхима – у водных растений с плавающими листьями и стеблями.
Корень
Орган — часть организма, имеющая определенную форму и строение, состоящая из тканей, занимающая определенное положение в организме и выполняющая специфическую функцию. Выделяют органы:
вегетативные – корень, стебель и лист
репродуктивные – цветок, семя и плод.
Корень – основной вегетативный орган растения, обладающий неограниченным верхушечным ростом, положительным геотропизмом, имеющий радиальное строение, никогда не несущий листьев.
Геотропизм — способность различных органов растения располагаться и расти в определенном направлении по отношению к центру земного шара. Всем известно, что стебель растет вверх, а корень вниз. Но так как понятия "вверх" и "вниз" относительны, то точнее это явление нужно формулировать так: стебель и корень растут по направлению земного радиуса. Уже на основании этого повсеместно наблюдаемого факта можно заключить, что причина такой ориентировки кроется в силе земного притяжения, или силе тяжести. Опыты Найта (Knight, в 1806 г.) подтвердили это вполне. Проращивая семена на быстро вращающемся кружке центробежной машины, Найт заметил, что корни молодых растений росли по направлению центробежной силы (к центру), а стебли в противоположную сторону. Очевидно, что в этом опыте центробежная сила действовала так, как при нормальных условиях действует земное притяжение. Если органы, как например, корень, растут по направлению действия силы земного притяжения, т. е. к центру Земли, то о них говорят, что они положительно геотропичны; геотропизм же органов, растущихв обратном направлении, например, стебля, называют отрицательным.
Функции корня:
закрепление растения в почве
поглощение воды с растворенными минеральными веществами
запасание органических веществ
симбиоз с грибами и бактериями
вегетативное размножение (у корнеотпрысковых растений – вишни, малины, осота, бодяка)
Совокупность корней одного растения — корневая система.
В состав корневой системы входят главный корень, боковые и придаточные корни. Главный корень происходит от зародышевого корешка, придаточные — от листьев или стебля, боковые – ответвления любых корней. Известны два типа корневых систем — стержневая и мочковатая. У стержневой корневой системы, свойственной большинству двудольных растений, главный корень хорошо выражен.
Если зародышевый корешок быстро отмирает, вместо него у основания побега образуются придаточные корни, от них отходят боковые корни. Так формируется мочковатая корневая система, свойственная однодольным растениям и многим травянистым двудольным.
Корень обладает неограниченным ростом, покрыт кожицей с корневыми волосками – 6, под ней располагается кора – 7, а внутри – центральный цилиндр корня – 8. Растет верхушкой, защищенной корневым чехликом – 5. Корневой чехлик определяет также направленность роста корня.
На продольном разрезе растущего корня можно выделить зоны:
деления (конус нарастания корня) – увеличение числа клеток в результате митоза, рост корня в длину– 1
роста (растяжения) – увеличение размеров клеток– 2
всасывания (корневых волосков) – поглощение воды и минеральных солей; формирование проводящих тканей корня– 3
проведения – здесь в восходящем направлении транспортируются вода и минеральные соли по сосудам ксилемы, в нисходящем – углеводы по ситовидным трубкам флоэмы – 4
В процессе приспособления растений к условиям существования корни приобрели некоторые дополнительные функции:
накопление запасных питательных веществ в корнеплодах – это видоизмененный утолщенный главный корень, который переходит в шейку (разросшееся подсемядольное колено) и головку (укороченный главный побег). Покрыт пробкой. Для запасания питательных веществ, у двулетников (морковь, свекла) – для весеннего возобновления растений и последующего цветения
Посемядольное колено (гипокотиль) – участок стебля между семядольным узлом и корнем
корневые клубни – видоизмененный утолщенный боковой или придаточный корень, выполняющий функцию запасания питательных веществ (георгина, батат, аспарагус, лапчатка)
втягивающиеся – заглубляющие в почву основания побегов для сохранения зимующих почек (лилия, амариллис, тюльпан)
воздушные корни – обитающие в воздухе и не стремящиеся к почве (орхидеи – на стволах деревьев)
ходульные корни – дополнительная опора побегам (монстера)
образование микоризы с грибами, симбиоза с клубеньковыми бактериями и т.д.
Побег
Побег – это стебель с расположенными на нем листьями и почками, образующийся в течение одного лета:
Главный – развившийся из почки зародыша семени
Боковой – развившийся из боковой пазушной почки
Удлиненный – с удлиненными междоузлиями (огурец, помидор)
Укороченный – с укороченными междоузлиями (розетка прикорневая у редиса, моркови)
Вегетативный – несущий листья и почки
Цветоносный – несущий репродуктивные органы (цветка, плоды, семена)
Почка — зачаточный побег, на верхушке которого находится конуцс нарастания:
верхушечная почка (1) — почка на верхушке стебля, включающая конус нарастания, размножение клеток которого обеспечивает рост стебля в длину
боковая (2) — в пазухе листа, из нее образуются боковые побеги.
придаточная — вне пазухи (на стебле, корне, листе), дает придаточный побег
листовая – состоит из укороченного стебля с зачаточными листьями и конуса нарастания
цветочная – состоит из укороченного стебля с зачатками цветка или соцветия
смешанная – состоит из укороченного стебля с зачаточными листьями и цветками
почка возобновления – зимующая почка многолетнего растения, из которой развивается побег
спящая – находящаяся в течение нескольких вегетационных периодов в состоянии покоя.
4 – листовой рубец,
6 – граница годичного прироста,
7 – чечевички,
8 – листовые следы (проводящие пучки в листе, после опадения листа),
9 – годичный прирост.
Стебель — осевой вегетативный орган растения, обладающий положительным гелиотропизмом, неограниченным ростом, радиальным строением, несущий листья и почки; часть побега, осуществляющая связь между корнями и листьями, выносящая листья к свету; запасающая питательные вещества.
Главный стебель – развивается из почки зародыша семени.
Конус нарастания – многоклеточный массив верхушечной образовательной ткани, которая за счет постоянного деления клеток формирует все ткани и органы побега.
Участок стебля, от которого отходит лист (или листья) — узел — 5, а расстояние между соседними узлами — междоузлие — 3.
Ветвление побега – образование боковых побегов, за счет которых формируется все надземное «тело» растений:
верхушечное ветвление наиболее простое и древнее, встречается у разных групп растений — от водорослей до плаунов. Верхушка главной оси растения дихотомически ветвится и дает начало двум осям следующего порядка
боковое ветвление — от главной оси растения отходят боковые оси
при моноподиальном боковом ветвлении верхушечная почка активна на протяжении всей жизни растения и главная ось имеет неограниченный верхушечный рост (характерно для многих голосеменных и части травянистых покрытосеменных)
большинству покрытосеменных растений свойствен симподиальный тип ветвления — верхушечная почка отмирает или прекращает рост, в то время как боковые побеги усиленно развиваются, формируются наземная часть кустарников, кроны деревьев.
Формы побегов:
по направлению роста: прямостоячие, вьющиеся, лазающие, ползучие побеги
по степени одревеснения: одревесневшие (деревья и кустарники) и травянистые растения.
Строение стебля древесного растения — структура, на поперечном срезе которой выделяют части:
снаружи — корка — 1 — комплекс отмерших тканей, которые покрывают стволы деревьев и защищают их от обморожения и потери воды. Молодые (однолетние) стебли снаружи покрыты кожицей, которая затем замещается пробкой. У древесных растений наружные слои коры постепенно переходят в корку. Пробка – покровная ткань, состоящая из нескольких слоев отмерших клеток
луб (кора, флоэма) — 2 — комплекс проводящей (ситовидные трубки), механической (лубяные волокна) и основной ткани, расположенный кнаружи от камбия; для проведения углеводов от листьев к корням
камбий — 3 — образовательная ткань, 1 слой делящихся клеток; наружу откладываются клетки луба, внутрь – клетки древесины.
древесина (ксилема) — 4,5 — ежегодно нарастающий комплекс проводящей (сосуды), механической (древесные волокна) и основной тканей, расположенных внутрь от камбия. Годичное кольцо – слой древесины, образовавшийся за счет работы камбия в течение одного лета.
сердцевина — 6 — основная ткань, расположенная в центре стебля, выполняет запасающую функцию. 7 – сердцевинный луч.
Стебель выполняет функции опоры, транспорта, запасания веществ, вегетативного размножения растений и защиты их от поедания. Видоизменения стебля — клубни, луковицы, корневища, колючки.
Лист – боковой вегетативный орган, растущий от стебля, имеющий двустороннюю симметрию и зону роста при основании.
Функции:
фотосинтез
газообмен
транспирация (испарение)
запасание воды (алоэ, молодило)
вегетативное размножение (бегония, глоксиния)
Ловля насекомых (росянка, венерина мухоловка)
Защита от повреждений (верблюжья колючка кактусы)
Прикрепление к опоре (горох)
4—боковые жилки,
5—главная
жилка (проводящий пучок),
6—верхушка листа,
7—выемчатый край,
8—основание листа
По строению лист включает листовую пластинку—3 и черешок—2.
Без черешка — сидячие листья.
У некоторых видов при основании черешка развиваются прилистники (парные листовидные образования в основании листа, защищающие боковые пазушные почки и вставочную образовательную ткань листа – меристему)—1 (яблоня, липа, роза, горох).
По форме листья бывают округлыми, ланцетовидными, стреловидными и т. д. Листья подразделяют на:
простые – из листовой пластинки и черешка. Простые листья могут быть цельными (свойственны многим деревьям) и лопастными (пластинка рассечена на лопасти).
сложные – несколько листовых пластинок на одном черешке; могут прикрепляться в одной точке (пальчатосложные у каштана, люпина); перистосложные листья (у которых листовые пластинки прикрепляются по всей длине черешка). Перистосложные листья бывают двух видов: парноперистые (заканчиваются парой листовых пластинок, как у гороха) и непарноперистые ( одним листком (рябина).
1-прилистники,
2-листочки,
3-усики,
4-ось листа (рахис).
Рахис –
1) ось сложного листа, несущая листочки, у семенных растений и листа (вайи) папоротников;
2) ось сложного колоса; основная ось репродуктивного побега; ложе корзинки сложноцветных (редко).
Листорасположение – порядок расположения листьев на стебле, наиболее благоприятствующий выполнению их функции:
очередное (1 узел – 1 лист; яблоня, огурец)
супротивное (1 узел – 2 листа напротив друг друга; сирень, гвоздика)
мутовчатое (1 узел – несколько листьев; вороний глаз, лилия, хвощ).
Строение листа:
верхний эпидермис (1) – покровная ткань на верхней стороне листа (обращенной к свету), часто покрыта волосками, кутикулой, воском
столбчатая ткань (2) – основная ткань, клетки ее – цилиндрической формы, плотно прилегают друг к другу, со стороны листа, обращенной к свету, содержат множество хлоропластов, осуществляющих фотосинтез.
нижний эпидермис (4) – покровная ткань с нижней стороны листа,
обычно несет устьица (5), состоящие из двух замыкающих клеток эпидермиса и щели, открывающейся в зависимости от величины тургорного давления в клетках, для газообмена и транспирации
губчатая ткань (3) – основная ткань из клеток неправильной формы с межклетниками, ближе к нижней стороне листа. Хлоропластов в клетках губчатой ткани меньше; помимо фотосинтетической функции эта ткань осуществляет функцию газообмена и испарения воды (через устьица)
6–луб жилки – часть проводящего пучка листа, состоит из ситовидных трубок
7–древесина жилки – часть проводящего пучка листа, состоит из сосудов
8–главная жилка (сосудисто-волокнистый проводящий пучок); жилки листа – система проводящих пучков, связывающая лист в единое целое, служит опорой мякоти листа, соединяют его со стеблем. Жилкование – порядок расположения жилок в листовой пластинке:
параллельное
дуговое
сетчатое
перистое – выражена главная жилка, от нее отходят боковые
пальчатое – главная жилка не выражена, есть несколько крупных жилок и боковые.
Механизм работы устьиц.
Устьица (закрытое – а) имеют полукруглые замыкающие клетки (1), между ними – устьичная щель (2). Та их сторона, которая обращена к щели, более утолщена по сравнению с остальными тонкими стенками. Она содержит хлоропласты (3), способные осуществлять фотосинтез. В результате накапливаются углеводы, их концентрация увеличивается, соответственно, концентрация воды уменьшается, и в это время начинает поступать вода из окружающих клеток. Поскольку замыкающие клетки устьиц по-разному утолщены, то они выпячиваются в ту сторону, где стенка толще. Так происходит раскрытие устьиц (б), туда поступает углекислый газ, выделяется кислород, т. е. происходит газообмен.
4–прилегающие клетки кожицы листа,
5–утолщенная клеточная стенка,
6–тонкая клеточная стенка.
Процесс испарения воды листьями способствует передвижению воды и растворенных в ней веществ от корней к листьям, охлаждению растения и служит защитой от перегрева. Механическая ткань обеспечивает упругость и эластичность листа.
Видоизменения листьев:
колючки (кактус, молочай, барбарис, белая акация)
усики (горох, вика)
сочные чешуи (лук, чеснок)
кроющие чешуи
ловчие аппараты (венерина мухоловка, непентес, росянка)