ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

Материально-техническое обеспечение дисциплины: мультимедийное оборудование, компьютерная техника, тематические CD-диски, микроскопы (Биолам, МикМед и др.), бинокулярные микроскопы МБС-9, МБС-10, термостат, гербарий.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП по направлению и профилю подготовки 020400.62 БИОЛОГИЯ.

ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

Растения — это обширная группа автотрофных фотосинтезирующих организмов.

Ø Все проявления жизнедеятельности растительных организ­мов изучает наука ботаника

Ø Наука о растениях называется ботаника (от греч. ботанэ — растение, трава).

Современная ботаника представляет собой многоотраслевую область знаний и включает систематику, морфологию, анатомию, экологию растений и ряд других част­ных дисциплин.

Роль растений в природе определяется их способностью к фотосинтезу и продуцированию основной биомассы, служа­щей источником энергии и пищи для гетеротрофов. Фактически любые пищевые цепи начинаются с растений.

За исключением некоторых бактерий, только растения мо­гут осуществлять первичный синтез органических веществ; выделяя при этом кислород, необходимый для дыхания живых организмов. Именно растения осуществляют этот процесс в глобальном масштабе. Кисло­род, выделяемый растениями в процессе фотосинтеза, слу­жит источником аэробного дыхания и озонового слоя атмо­сферы. Таким образом растения обеспечивают существование других живых организмов на Земле.

Невозможно переоценить роль растений в жизни челове­чества. Растения служат для человека пищей, топливом, мате­риалом для изготовления одежды, жилищ и орудий. В процессе как неосознанной, так и направленной селек­ционной работы человек создал около 1,5 тыс. видов культур­ных растений, занимающих сейчас огромные площади обра­батываемых земель. Человек использует культурные растения как пищевые, технические и лекарственные ресурсы. Продук­ты питания растительного происхождения обеспечивают ор­ганизм человека белками, жирами, углеводами и витаминами.

Растения чрезвычайно разнообразны, Царство Растений включает около 500 тыс. видов. При всем разнообразии расти­тельных организмов им присущи определенные общие черты, позволяющие объединить их в одно царство.

Общие черты строения и жизне­деятельности растений:

• фотоавтотрофный способ питания;
• относительная неподвижность и связь с субстратом;
• разветвленность поглощающей поверхности тела;
• постоянный рост;
• проявление раздражимости — тропизмы, настии;
• общий план клеточного строения – свидетельство того, что растения и животные имеют единое происхождение.

Растения обладают способностью к фотосинтезу, они ис­пользуют энергию солнечного света в качестве источ-ника энергии для поддержания жизнедеятельности. Для осуществ­ления фотосинтеза в растительных клетках имеются специфи­ческие органоиды: хроматофоры — у низших растений, хлоропласты — у высших. В этих орга-ноидах локализованы специфические вещества, фотосинтезирующие пигменты — хлорофиллы, улавливающие кванты света и передающие их энергию другим молекулам.

Подавляющее большинство растений способны существовать автотрофно, то есть осуществлять синтез органических молекул из неорганических. Они используют углекислый газ (СО₂) в качестве источника углерода для синтеза клеточной органики. Гетеротрофные хищные растения и растения-паразиты имеют вторичное происхождение, то есть образовались в ходе эволюци­онного процесса от фотосинтезирующих предшественников.

В качестве основного питательного вещества в клетках растений запасается крахмал.

Специфической чертой растительных клеток является на­личие особых органоидов — вакуолей. Они представ-ляют собой полости, ограниченные липидной мембраной и содер­жащие раствор веществ, называемый клеточ-ным соком. Ва­куоли служат резервуаром, в который выделяются продукты обмена, кроме того, в них могут нахо-диться полезные для кле­ток вещества и происходят различные метаболические про­цессы. В молодых клетках обычно имеется несколько мелких вакуолей, взрослые клетки содержат одну крупную вакуоль, расположенную центрально.

Растительная клетка, как и животная, окружена цитоплазматической мембраной, но, кроме нее, ограничена толстой, со­стоящей из целлюлозы клеточной стенкой, которой нет у живот­ных. Наличие клеточной стенки— специфическая особенность растений и т. к. клетки растений окружены целлюлозной клеточной стен­кой, они могут поглощать необходимые для жизнедеятельности вещества из внешней среды только в растворенном виде. То есть растения питаются осмотически, они обладают совершен­ными механизмами всасывания и имеют чрезвычайно большую площадь соприкосновения тела с внешней средой.

Для растений характерен неподвижный, прикрепленный об­раз жизни. Поэтому растения не имеют костей, мышц и нервной системы. Движения растений связаны с перемещением их частей тела, например ростовые движения корней и стеблей, движение листьев в зависимости от времени суток и освещенности.

Для растений характерно наличие роста в течение всей жизни. Эта особенность, вероятно, связана с необходимостью смены точек всасывания, то есть рост в каком-то смысле мо­жет заменять движения.

Характерной чертой растений является чередование в жиз­ненном цикле двух типов орга-низмов (двух поколений): гапло­идного (гаметофита) и диплоидного (спорофита). Гаплоид-ным называется организм, в клетках которого имеется один набор хромосом, а диплоидным — орга­низм, у которого в клетках имеется два набора гомологичных (то есть очень похожих) хромосом. Один набор хромосом он полу­чает от отца, а другой — от матери в процессе полового размно­жения. Гаплоидное поколение (гаметофит) образует половые клетки (гаметы) путем митоза, соответственно, они тоже гапло­идны. Сливаясь, гаметы образуют диплоидную зиготу, которая в свою очередь делится митозом и образует диплоидное поколение (спорофит). Спорофиты («растение, образующее споры») называются так потому, что способны к бесполому размножению при помощи спор, которые образуются в результате мейоза и являются гаплоидными.

У растений споры – результат мейоза, а гаметы – результат митоза!

Из гаплоидной спо­ры вырастает гаметофит. Одно из двух поколений всегда преоб­ладает над другим, и на его долю приходится большая часть жизненного цикла, это поколение называется доминантным.

Растения появились на Земле около 1,5 млрд лет назад.

Первоначально развитие растительных организмов про­исходило в водной среде, что привело к появлению водорос­лей. Затем растения стали осваивать сушу. Этому способст­вовало возникновение ароморфозов.

Классификация растений

1. по происхождению: дикорастущие и культурные

2. по длительности жизни:

однолетние, двулетние и многолетние

3. по внешнему облику (жизненные формы):

деревья, кустарники, кустарнички и травы

4. по особенностям размножения:

ü спо­ровые — мохообразные, плауновидные, хвощевидные, папо­ротниковидные. Спора – специальная клетка, которая проявляет себя как зачаток организма растения (бесполое размножение)

ü семенные — голосеменные и покрытосе­менные.

5. по сложности строения: низшие (водоросли) и высшие (мхи, папоротники, хвощи, плауны, семенные)

6. по размерам тела

У низших растений (водорослей) тело (слоевище или таллом) не расчленено на ткани и органы. Они занимают одну среду обитания — водную.

Тело высших растений расчленено на

вегетативные (выполняющие функции питания, обмена веществ со средой и роста) и они имеют проводящие ткани и занима­ют две среды обитания (почвенную и воздушную).

ге­неративные (половые) органы.

v Жизнедеятельность – это совокупность процессов, про­текающих в организме и обеспечивающих возможность жизни. Работа и взаимодействие системы органов - это основа жизнедея­тельности.

Факторы среды:

• Абиотические - вода, свет, тепло - температура, воздух, ветер, снег, минеральные вещест­в
• Биотические – факторы живой природы: животные, грибы, сами растения, бактерии
• Антропогенный (прямые, косвенные) – порожденные человеком

Среды жизни на Земле

ü Водная среда. Водная среда жизни может быть с морской или реч­ной, с текучей или стоячей водой. В водах естественных водоемов (океа­ны, моря, реки, озера) содержатся различные минеральные соли, но ма­ло кислорода и солнечного света. В толще океана, на дне глубокого озера всегда полумрак или совсем темно. Растения в этой среде могут расти лишь на сравнительно небольшой глубине, только там, куда проникает свет. Температура в водной среде мало меняется в течение суток и сезо­нов, причем она всегда плюсовая (+4 ... +25 °С). В таких условиях приспособились жить водоросли и очень немногие высшие растения.

ü Наземно-воздушная среда. В этой среде жизни произрастают почти все высшие растения. Здесь находятся леса, луга, степи, тундры, сады и поля. Наземно-воздушная среда характеризуется обилием воздуха. В этой среде много света, но в разных местах отмечаются очень большие коле­бания температуры и влажности в зависимости от сезона, времени суток и географического положения территории. Большую роль играет ветер.

ü Почвенная среда. Почва — это поверхностный плодородный слой суши. Эта среда образовалась из смеси минеральных веществ при распа­де горных пород и органических веществ (перегноя) в результате разло­жения растительных и животных остатков. Здесь обитают многочисленные мельчайшие водоросли, находятся семена и споры разных растений, размещаются корни наземных расте­ний. В почве также живут многочисленные бактерии, мелкие животные и грибы.

ü Организменная среда. Эта среда представлена организмом-хозяи­ном, который питательными веществами своего тела обеспечивает существование живущих в нем других организмов (например, паразитов) Так, на корнях подсолнечника поселяется паразитическое растение заразиха, на стеблях хмеля и многих трав — повилика.

Растения способны жить лишь в той среде, к условиям которой они приспособлены.

Ткани высших растений

Ткани — это устойчивые комплексы клеток, сходные по своему строению, происхождению и функциям.

У прокариот и примитивных водорослей тканей нет. Клеточная диффе­ренциация начинается у бурых водорослей и достигает мак­симума у покрытосеменных растений.

ü Ткань называется простой, если все ее клетки одинаковы по форме и функциям (паренхима, склеренхима).

ü Сложные ткани (покровные, проводящие) состоят из клеток, неодинаковых по форме, внутреннему строению и функциям, но связанных об­щим происхождением (например: ксилема, образованная камбием).

Образовательные ткани, или меристемы/греч. меристос – «делимый»/, принимают участие в образо-вании всех постоянных тканей растения и фактически формируют его тело.

Меристемы классифицируют двояко:

· по местоположению в растении выделяют верхушечные, вставочные и боковые меристемы

· по происхождению подразделяют на:

первичные, закладывающиеся в зародыше семени, и

вторичные, которые либо образуются первичными меристемами, либо возникают в уже сформированных постоянных тканях.

В ряде случаев клеточные стенки пропитываются жироподобными веществами - лигнином и суберином, и тогда содержимое клеток отмирает.

Пропитывание лигнином приводит к одревеснению, а суберином- копробковению.

Основной особенностью клеток меристемы является способность к постоянному де­лению. Клетки меристемы тонкостенные, с густой цитоплазмой без вакуолей, с ядром, расположенным в центре. Они многогранные (до 14 граней), плотно прилега­ют друг к другу и могут делиться в разных направлениях. Клетки меристемы располага-ются в строго определенных частях растения: на верхушках корня и стебля, в основа­нии цветоносного побега (тюльпан), узлах побега (у бамбу­ка и других злаков), т.е. там, где энергично образуются новые клетки, за счет чего и происходит рост растения. Боковая меристема представлена клетками, которые де­лятся не постоянно, а перио-дически.

Клетки боковой ме­ристемы обусловливают разрастание органов в толщину и называются камбием.

Среди боковой или вторичной меристемы выделяют раневую, которая дает начало особой защит­ной ткани в местах повреждения растения.

Основная ткань,или паренхима,составляет основную и большую часть тела растения. Она заполняет промежут­ки между проводящими и механическими тканями и при­сутствует во всех вегетативных и генеративных органах. Эти ткани образуются за счет дифференцировки верхушеч­ных меристем и состоят из живых кле­ток, разнообразных по строению и функциям.

ü Ассимиляционная паренхима, или хлорофиллоносная — в ней осуществляется фотосинтез, встречается в на­земных органах растений, преимущественно в листьях.

ü Запасающая паренхима преобладает в стебле, корне, корневище. В клетках этой ткани откладываются запасаю­щие вещества: белки, жиры, углеводы.

ü Воздухоносная паренхима состоит из воздухоносных полостей (межклетников), представляющих собой резе­рвуары для запаса газообразных веществ. Эти полости ок­ружены клетками основной паренхимы (хлорофиллоносной или запасающей). Воздухоносная паренхима хорошо развита у водных растений в различных органах и может встречаться у сухопутных видов. Главное назначение воз­духоносной паренхимы — участие в газообмене, а также в обеспечении плавучести растений.

ü Водоносная ткань. Клетки водоносной паренхимы со­держат слизистые вещества в вакуолях, способствующие удержанию влаги. Преимущественно эти клетки бывают у суккулентов (кактусы, алоэ).

Покровные тканинаходятся на поверхности корней, стеблей, листьев, плодов и других частей растения. Они выполняют главным образом защитную функцию — защи­щают растения от перегрева и низких температур, излиш­них испарений воды и сухости воздуха, болезнетворных микроорганизмов и т.д. К покровным тканям относятся: кожица (эпидерма), пробка (перидерма), и корка.

Молодые корни, стебли травянистых растений, листья покрыты простой, однослойной покровной тканью - кожицей (эпидермой). Клетки кожицы тонкостенные, вытянутые, с более или менее извилисты­ми стенками, плотно прилегают одна к другой, не содержат хлоропластов. Очень часто они покрыты восковым налетом или волосками, что является дополнительным защитным приспособлением. В листьях и зеленых стеблях между клетками кожицы разбросаны устьица, которые регулиру­ют водный и воздушный режим растения.

К осени стебли кустарников и веточки деревьев начина­ют буреть. Это свидетельствует о том, что кожица заменя­ется вторичной, многослойной покровной тканью — пери­дермой.

Перидерма — это сложная покровная ткань стеблей, корней и корневищ многолетних растений (реже однолет­них). Она сменяет эпидерму осевых органов, которая посте­пенно отмирает и слущивается. Перидерма образуется из вторичной меристемы

Пробка состоит из мертвых клеток, у которых клеточ­ная стенка пропитана жироподобным веществом. Клетки располагаются ровными рядами, имеют прямоугольную форму (на поперечном срезе), плотно прилегают друг к другу, формируя многослойный футляр. Многослойная пробка охраняет внутренние живые ткани от потери влаги, от резких температурных колебаний и проникновения мик­роорганизмов. Живые ткани, лежащие под пробкой, нуж­даются в газообмене и удалении избытка влаги. Сообщение внутренних слоев стебля с наружной средой осуществляется через чечевички — отверстия, которые прикрыты рыхлой тканью, состоящей из живых, слабо опробковевших кле­ток. Чечевички, имеющие вид небольших бугорков, хорошо заметны на поверхности побегов деревьев и кустарников. На стволах березы их остатки заметны в виде характерных по­перечных черных полосок и «черточек».

На старых ветках и стволах деревьев со временем обра­зуется еще более сложная покровная ткань — корка. Она возникает благодаря тому, что вторичная покровная ткань у древесных растений каждый год образуется все дальше от поверхности среди живой паренхимной ткани. Как только участки паренхимы оказываются между двумя слоями пробки, они отмирают. Таким образом, корка — тоже мерт­вая покровная ткань, но более плотная и толстая. Так как ствол дерева ежегодно нарастает в толщину, а мертвые клетки растягиваться не могут, корка на поверхности ломается и отделяется кусками. Поверхность дерева стано­вится корявой, шероховатой.

На старых корнях образуются только вторичные покровные ткани, корки на них, как правило, не бывает.

Проводящие ткани служат для передвижения воды с растворенными в ней минеральными веществами от корней ко всем частям растения, а также для доставки к ним орга­нических веществ, которые синтезируются в листьях и других органах, содержащих хлорофиллоносную ткань.

В растениях различают два вида проводящей ткани — ксиле­му (древесину) и флоэму (луб).

Ксилема— это водопроводящая система растения; она состоит из трахеид и трахей (сосудов).

Ø Трахеиды входят в состав водопроводящей системы папоротников, плаунов, хвощей, голосеменных. Образуются они и у примитивных покрытосеменных (кувщинковые), но у большинства покрытосеменных растений передвижение воды происходит по трахеям.

Ø Трахеи — тоже мертвые элементы проводящей ткани. Они состоят из коротких широких клеток (члеников сосудов), которые расположены одна над другой. У этих клеток исчезли поперечные перегородки, а боковые стенки постепенно одревеснели. Они проходят через все тело расте­ния, длина их фактически равна длине растения. Трахеи значительно шире трахеид, поэтому вода, не встречая на своем пути поперечных перегородок, передвигается по ним очень быстро.

Флоэма. В состав флоэмы входят ситовидные трубки и клетки-спутницы, окруженные лубяными волокнами. Си­товидная трубка состоит из вертикального ряда живых клеток, поперечные перегородки между которыми проды­рявлены в виде сита, сквозь них проходят тяжи цитоплаз­мы. Ситовидные трубки у древесных растений функцио­нируют 1 - 3 года. Потом они могут выполнять запасающую функцию или разрушаются. Взамен их образуются новые элементы флоэмы.

Ксилема и флоэма обычно находятся во взаимодействии друг с другом и образуют пучки, которые можно видеть в листьях невооруженным глазом в виде жилок. Пучки расположены также в центральной части стебля и корня.

Термины «восходящий ток» и «нисходящий ток» являются синонимами понятий «транспорт воды» и «транспорт органических в-в» соответственно. В какую бы сторону в данном конкретном месте (например, в горизонтально расположенном побеге) ни был направлен ток воды, его называют восходящим, а поток орг в-в – нисходящим.

Механические тканипридают прочность различным частям растения и способствуют их ориентации в простран­стве. В стебле механические ткани находятся на перифе­рии, а также входят в состав проводящих пучков. В листьях они всегда присутствуют в черешке и окружают проводя­щие пучки. Форма, строение, физиологическое состояние клеток, образующих механические ткани, различны. В че­решках листьев и молодых стеблях возникает живая меха­ническая ткань (колленхима). Ее клетки имеют неравно­мерно утолщенные оболочки, утолщения образуются за счет отложения большого количества пектиновых веществ (полисахариды). Пектиновые вещества способны легко поглощать воду из окружающих клетки межклеточных пространств (превращаясь в коллоид) и отда­вать ее, благодаря чему поддерживается тургорное состоя­ние листа, черешка, ориентация в пространстве (лист может поворачиваться вслед за солнцем). Эта ткань не пре­пятствует растяжению клеток, а следовательно, и росту органа. В листе она сохраняется до конца его жизни. В стебле по мере его старения живая механическая ткань заменяется мертвой (склеренхимой). Ее клеточная стенка одревесневает, а ядро и цитоплазма клетки разрушается.

Механические клетки могут иметь округлую форму. При этом оболочка их настолько утолщена, что занимает почти весь объем клетки. Такие клетки называются каме­нистыми. Они располагаются группами в незрелых плодах груши или поодиночке в листьях фикуса, чайного куста.

Чем сильнее развита механическая ткань в стебле, тем более мощную надземную массу может формировать растение.

Выделительные тканипредставлены различными об­разованиями (чаще многоклеточными, реже одноклеточными), выделяющими из растения или изолирующими в его тканях продукты обмена веществ либо воду. Листья многих растений способны выделять воду в условиях избыточной влажности. По проводящим пучкам вода подается к эпидерме, в которой по краям листа находятся водяные устьица - гидотоды. Млечники образуют млечный сок (латекс). У насе­комоядных растений на листьях находятся железки, выделяющие пищеварительные соки. В цветках обычно содер­жатся нектарники, образующие сахаристую жидкость — нектар. Он служит средством привлечения животных, опы­ляющих растения. Смоляные ходы хвойных, эфиромасличные ходы цитрусовых выделяют вещества, имеющие защитное значение.