Основные процессы жизнедеятельности растений
Растениям свойственны все признаки живых организмов, в том числе особенности химического состава, обмен веществ и превращение энергии, гомеостаз, раздражимость, воспроизведение и развитие. Особенности химического состава этих организмов были рассмотрены ранее. К основным процессам обмена веществ и превращения энергии у растений относятся фотосинтез, почвенное (корневое) питание, дыхание и водный обмен.
Фотосинтез
Фотосинтез — это процесс преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических соединений с помощью хлорофилла. Основным органом фотосинтеза является лист, поэтому его структура наиболее полно должна удовлетворять требованиям этого процесса. Кожица листа прозрачна и пропускает максимальное количество света вовнутрь, а сам орган плоский, что обеспечивает увеличение поверхности улавливания солнечных лучей. Основная ткань листа делится на два слоя: столбчатую и губчатую паренхиму. Именно в столбчатой паренхиме, расположенной сверху, и происходит процесс фотосинтеза, тогда как губчатая паренхима содержит большие межклетники, что способствует процессу газообмена. Углекислый газ проникает в лист через устьица и по межклетникам проникает к фотосинтезирующим клеткам. Вода поступает в лист по проводящим пучкам, которые, разветвляясь, образуют сеть жилок, при этом каждая клетка находится на расстоянии не более чем двух-трех клеток от ближайшей жилки.
Конечные продукты фотосинтеза — крахмал и сахароза в течение светового дня накапливаются в листе, а ночью переходят в растворимую форму и по флоэме направляются в запасающие органы и к растущим частям растения. Кислород, образовавшийся в процессе фотосинтеза, удаляется через устьица либо используется растением в процессе дыхания.
Ряд растений, несмотря на наличие хлорофилла, некоторую часть органических веществ, а также воду и минеральные соли черпают из растения-хозяина, проникая в его ткани с помощью видоизмененных корней — гаусторий. Эти растения называются полупаразитами, к ним относятся погремок и омела белая. Тем не менее вред, наносимый данными растениями, достаточно велик, поскольку они снижают продуктивность растений-хозяев, например погремок называют молочным вором из-за ухудшения качества травы на пастбище.
Другие растения неспособны осуществлять процесс фотосинтеза и полностью перешли к гетеротрофному питанию. К таким растениям-паразитам относятся заразиха, повилика и подъельник, наносящие значительный урон важнейшим сельскохозяйственным культурам и лесному хозяйству. Как и полупаразиты, для поглощения органических веществ растения-хозяина они проникают в его ткани, особенно проводящую систему, с помощью видоизмененных корней — гаусторий.
Почвенное питание
Растения поглощают воду и минеральные соли из почвы с помощью корня. Совокупность этих процессов носит название почвенного питания. Структура корня наилучшим образом приспособлена для осуществления всасывающей функции, поскольку разветвленная корневая система сама по себе имеет достаточно большую протяженность и площадь, и еще больше увеличивается за счет корневых волосков зоны всасывания. Вследствие этого корень может получать минеральные соли со значительной площади.
Минеральные соли необходимы растению для включения в состав органических соединений и протекания многих процессов жизнедеятельности, так как азот включается в состав белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла, а без серы невозможен синтез ряда белков, требуемых для дыхания и фотосинтеза, фосфор же является компонентом нуклеиновых кислот, АТФ и т. д. Недостаток минеральных солей в почве приводит к минеральному голоданию, следствием которого являются остановка роста, изменение окраски листьев и формы растения в целом, опадание листьев, бутонов и плодов, запаздывание цветения и т. д. Например, недостаток азота и магния сопровождается пожелтением листьев и их опаданием.
Растения решают проблему недоступности или полного отсутствия элементов минерального питания различными способами. Одни из них используют для этого симбиоз с грибами — микоризу, другие — с клубеньковыми бактериями или получают их, питаясь насекомыми, как, например, росянка и венерина мухоловка.
Росянка — небольшое болотное растение с круглыми листочками, утыканными многочисленными железистыми волосками, на концах которых сверкают капельки выделений. Привлеченное игрой света в капельках насекомое садится на листочек и тут же прилипает к нему. Листочек росянки немедленно сворачивается и выделяемые растением ферменты переваривают жертву, а высвобожденный при этом азот поглощается. Когда листочек разворачивается, ветер сдувает с него только хитиновый панцирь насекомого.
Химические элементы необходимы растению в различных количествах, поэтому их делят на макроэлементы и микроэлементы. К макроэлементам относятся азот, фосфор, серу, калий, кальций, магний и железо, а микроэлементами являются марганец, бор и другие.
С целью улучшения урожайности сельскохозяйственных культур, которые в немалой степени истощают почву, в нее вносятся минеральные, органические и бактериальные удобрения. Минеральные удобрения содержат только неорганические соединения. По элементам, входящим в их состав, минеральные удобрения делят на азотные, калийные, фосфорные и т. д. Чаще всего в сельском хозяйстве применяются калийная и аммиачная селитры, суперфосфат, аммофос, нитрофоска и др.
При внесении минеральных удобрений следует соблюдать меру, так как их передозировка может привести не только к гибели растений, но и к пищевому отравлению человека, как это случается, например, при превышении содержания нитратов в ранних овощах и арбузах. Во многих странах, например Австралии и Португалии, в настоящее время популярно так называемое «экологическое земледелие», при котором для выращивания сельскохозяйственных культур не применяются минеральные удобрения, гербициды и пестициды. Естественно, что урожайность таких растений несколько ниже, чем у выращенных с подкормкой, и стоят они дороже, но все равно пользуются популярностью, так как не вредны для здоровья человека.
Для нормального роста корня необходимо, чтобы почва была не только питательной, но и имела соответствующую структуру, то есть в ней должны быть промежутки между частицами, по которым легко проникают вода и воздух, обеспечивающий дыхание корня. Почва в основном состоит из минеральных частиц — песка, глины и др., а также компонента органического происхождения — гумуса, который представляет собой переработанные различными организмами растительные остатки. Гумус способствует склеиванию минеральных частиц в гранулы, между которыми есть промежутки. Для улучшения структуры почвы следует вносить в него органические удобрения (навоз, перегной, торф и др.), которые в некоторой степени способствуют возврату части изъятых минеральных солей. Почву также следует регулярно вспушивать.
Изучение жизнедеятельности растений дало человеку возможность разработать технологии выращивания растений без почвы: гидропонику и аэропонику. У гидропонных культур корни растений погружены в питательный раствор, в котором может и не быть искусственной почвы в виде синтетических камешков или волокон, однако при этом все равно раствор продувается воздухом для обеспечения дыхания. Наибольшим растением, выращенным на гидропонной культуре, был куст помидора, несущий несколько сотен плодов (Япония).
Аэропоника — это способ выращивания растений в воздухе, когда корни периодически опрыскиваются питательным раствором. Так выращивают салат, капусту и некоторые другие овощные культуры в Южной Корее и Японии, где существует дефицит земли.
Дыхание
Дыхание является характерным для всех живых организмов процессом высвобождения энергии химических связей органических соединений, при котором происходит их окисление до углекислого газа и воды. Несмотря на способность к фотосинтезу, растения не составляют исключения из общего правила, и также осуществляют процесс дыхания, однако на свету он маскируется выделением кислорода при фотосинтезе, а в отсутствие света растения ничем не отличаются от животных.
В отличие от фотосинтеза, дыхание характерно для всех органов растений, а не только для зеленых частей. Особенно интенсивно дыхание корней растений. Для нормального протекания этого процесса кислород должен проникать между частичками почвы, поэтому на излишне утрамбованных или залитых водой участках растения испытывают недостаток кислорода, хуже растут и даже погибают.
Поскольку у растений, в отличие от животных, отсутствует система активной вентиляции организма (дыхательная система), кислород к органам поступает по системе межклетников. В листья и другие фотосинтезирующие органы растения он проникает через открытые устьица, а в покрытые пробкой органы — через чечевички.
У водных и околоводных растений в связи с недостатком кислорода межклетники увеличиваются и образуют специальную воздухоносную ткань, как в стеблях хвощей, черешках и листовых пластинках кувшинок.
Водный обмен
Растения ощущают постоянную потребность в воде, поскольку она необходима им для протекания процесса фотосинтеза, увеличения размеров клеток, а также транспорта веществ по растению. Однако из-за отсутствия замкнутой проводящей системы и иссушающего действия атмосферного воздуха они вынуждены поглощать огромные объемы воды. Например, скромная среднеазиатская фисташка за вегетационный сезон использует приблизительно железнодорожную цистерну воды, не слишком отстает от нее и наша береза, испаряющая около 30 т воды. Тем не менее, эта вода не задерживается в растении, она проходит через него, поглощаемая корнем и испаряемая в основном листьями.
Вода поглощается большей частью корневыми волосками и через первичную кору корня поступает в центральный цилиндр, клетки которого содержат соли в более высокой концентрации, чем в окружающей среде. В результате давление клеточного раствора в них выше, и поток воды направлен к ним. Эти клетки постоянно выдавливают воду в сосуды ксилемы, поднимая ее уровень. Данное явление называется корневым давлением. Его можно продемонстрировать, если ранним утром срезать какое-либо травянистое растение, например крапиву, и надеть на него трубку, в которой со временем поднимется столб жидкости.
Корневое давление способно поднять столб жидкости на несколько метров, но не на такую высоту, как требуется стометровым эвкалиптам и секвойям. Дальнейшее движение воды по растению осуществляется благодаря ее испарению листьями через устьица — транспирации, так как при этом образуется разрежение и вода как бы подсасывается. Обнаружить транспирацию можно, если накрыть растение холодным стеклянным колпаком — он быстро запотеет.
Водный обмен тесно связан с фотосинтезом, почвенным питанием, дыханием и другими процессами жизнедеятельности, поскольку вода необходима для фотосинтеза, с током воды передвигаются по ксилеме растворенные минеральные соли, а по флоэме — растворенные органические вещества. Если восходящий ток воды и минеральных солей обеспечивают корневое давление и транспирация, то нисходящий ток органических веществ — сила земного тяготения. Загружаются органические вещества в ситовидные трубки флоэмы с помощью клеток-спутниц. Транспорт веществ в радиальном направлении осуществляется паренхимными клетками сердцевинных лучей, обеспечивая тем самым надежное соединение между частями стебля.
Естественно, что дефицит воды приводит сначала к подавлению этих процессов, увяданию, а затем и к гибели растения.
Размножение растений