Введение в ботанику

Лекция 1. Введение. Ботаника как наука. Организация растительной клетки.

В настоящее время ботаника – это комплекс наук о растениях.

Разделы ботаники изучают особенности растений на разных уровнях их организации

Морфология  растений – наука о закономерностях строения и процессах формообразования у растений (структурная ботаника).

Анатомия растений – раздел ботаники, изучающий внутреннее строение растений на тканевом и клеточном уровне организации.

Цитология растений – раздел ботаники, изучающий строение и жизнедеятельность растительных клеток.

Гистология  растений - раздел ботаники, изучающий растительные ткани.

Возникает закономерный вопрос, какие живые организмы мы должны относить к растениям? И какое они занимают место среди живых организмов?

Есть много классификаций  живого, но по одной из самых простых  всё живое подразделается на 2 империи: 1 Империя Неклеточные формы жизни (Царство Вирусы) и 2 Империя Клеточные формы жизни - все остальные организмы, которые в зависимости от организации подразделяются на 2 надцарства 1 Надцарство Прокариоты (доядерные организмы) и 2 Надцарство Эукариоты (ядерные организмы).

К прокариотам относится 1 Царство Дробянки (бактерии и цианеи), к эукариотам 3 Царства: 2 Царство Животные, 3 Царство Грибы, 4 Царство Растения, отличающиеся друг от друга типом и способом питания, цитологическими, морфологическими и биохимическими особенностями.

Для царства Растения характерны следующие особенности:

1. Автотрофы – фотосинтетики (очень редко вторичные гетеротрофы-паразиты или сапрофиты)
2. Есть особые органоиды для фотосинтеза – пластиды, из которых наиболее значимы хлоропласты
3. Клетки с плотной клеточной оболочкой, состоящей в основном из целлюлозы.
4. Основное запасное вещество – крахмал.
5. Поглощают только жидкие и газообразные вещества (СО₂, Н₂О, растворы мин. солей).
6. В типичном случае ведут прикрепленный образ жизни.
7. Как правило обладают неограниченным ростом.

 

Особенности автотрофного питания растений, усвоение ими энергии Солнца делают эту группу организмов определяющей для всей биосферы Земли.

Растения и растительные сообщества, образующие экосистемы и  ландшафты составляют весомую часть  природного и культурного наследия человечества и играют ведущую роль в биосфере Земли и в развитии человеческих цивилизаций и этносов.

 

Значение растений в природе:

1. Растения автотрофы-фотосинтетики, они первичные продуценты биомассы Земли, основа и первое звено большинства цепей питания, а следовательно, основной источник жизни на Земле. Космическая роль растений заключается в том, что они могут восполнять и создавать новые запасы органических веществ, а следовательно, и энергии.
2. Растения поглощают СО₂ , растворы соминеральных солей, выделяют О₂ , а следовательно участвуют в круговороте веществ и биогенной миграции атомов. Доказано, что появление растений-автотрофов резко ускорило процессы эволюции на Земле, поэтому растения необходимы для эволюции мира.
3. При фотосинтезе освобождается О₂ , который необходим для дыхания всех аэробных организмов Земли. Появление аэробов произошло только после становления процесса фотосинтеза и накопления в атмосфере Земли свободного О₂.
4. В верхних слоях атмосферы О₂ выделяемый растениями превращается в О₃ – озон. Следовательно растения необходимы для поддержания озонового экрана Земли, не пропускающего жесткое ультрафиолетовое излучение губительное для большинства живых организмов.
5. Растения влияют и на климатические условия Земли. Например, леса делают микроклимат более влажным, ровным, постоянным с менее резкими перепадами температур. Над лесными массивами чаще идут дожди.
6. растения играют большую роль в образовании почв и её плодородной части гумуса. Например, под степями слой гумуса м.б. мощностью до 1,5 – 3 м, что обеспечивает очень высокое плодородие степных чернозёмов.
7. Растения улучшают гидрологический режим регионов, леса способствуют полноводности рек (пример с Сурой). Мхи и травянистые растения очень постепенно переводят поверхностный сток воды в подземный и предотвращают эрозию почвы.
8. Растения участвуют в образовании многих осадочных горных пород – диатомитов, каменных углей, торфа.

 

Значение растений в жизни человека:

Растения играют громадную  роль в жизни человека. Например, без культурных растений – злаков было бы невозможно появление древних цивилизаций. Называя основной культурный злак мы невольно ассоциируем его с какой-либо цивилизацией древности.

 Поэтому развитие  человечества и его культурного  наследия связано и с накоплением  знаний о растениях.

1. Пища (культура питания)
2. Строительные материалы (культура строительства жилья)
3. Бумага (развитие письменности)
4. Мебель (культура жилого пространства)
5. Корм для с/х животных (особенности культуры животноводства)
6. Медицина (культура и традиции медицинских зананий)
7. Технические культуры (развитие культуры ремесёл, техника извлечения технич. Масел)
8. Одежда (Культура одежды и быта; у нас лён и позже хлопок).
9. Парфюмерия (Культура и искусство)
10. Рекреация (восстановление сил, здоровья и творческого потенциалав природных сообществах и экосистемах) У нас сосновые леса («В сосняке богу молиться, а в ельнике – удавиться»).

11. Создание культурной  и природной среды формирующей  определённое мировосприятие и  мировоззрение (Большие просторы  России – русское «авось» и  размашистость и т.п.). Малые пространства Японии – особые отношения с природой (бонсай, икебана и т.п. – возможность рекреации на малом пространстве).

   
Поэтому для нормального существования и самовыражения человек вынужден охранять природные сообщества, экосистемы, ландшафты и отдельные виды растений и животных. 
Кроме того, “охранять культурные и археологические памятники” – это означает охранять от разрушения тончайшую верхнюю оболочку Земли, охранять ее от чрезмерной антропогенной нагрузки (чтобы сохранить культурный слой). Это означает охранять ландшафт и все то, что мы называем средой обитания. 

Общая организация растительной клетки (ее строение).

 

     Растительная клетка

     ┌─────────┬────────┐

  оболочка     │      вакуоль

               │

          протопласт

          ┌────────┐

    цитоплазма    ядро

    ┌─────────┐

основное   органоиды (мембранные структуры)

вещество   ┌───────────────────────────────┐

(матрикс)  универсальные               специфические

           (во  всех эукариотических    (характерны  только для

            клетках: митохондрии,       растений: пластиды

            рибосомы, ЭПС, комплекс    (лейкопласты,  хлоропласты,

            Гольджи и др.)              хромопласты).

 

Общая организация растительной клетки

 

Растительная клетка

 

Клеточная         Протопласт    Вакуоль

оболочка

 

Цитоплазма                         Ядро

 

Цитоплазматические                  Гиалоплазма (матрикс, основное вещество

органоиды (органеллы)               цитоплазмы

 

Универсальные                            Специфические

Двумембранные                           Пластиды

Одномембранные

Немембранные

 

Протопласт – всё живое содержимое клетки.

Клеточная оболочка – твёрдый наружный каркас клетки, состоящий из углеводов – целлюлозы и пектинов, прочная, жёсткая и пластичная, обеспечивает механическую прочность клетки.

Вакуоль – пространство в центральной части клетки, заполненное водянистым содержимым – клеточным соком, и отграниченное от протопласта вакуолярной мембраной – тонопластом.

Вакуоль и клеточная  оболочка – производные протопласта. Они образуются благодаря его  жизнедеятельности. От работы протопласта  зависят их размер и состав.

Протопласт состоит  из цитоплазмы и ядра.

Цитоплазма – часть протопласта, в котором протекают процессы жизнедеятельности клетки.

Ядро – это основной органоид клетки.

Все основные биохимические  процессы происходят в цитоплазме и  регулируются, координируются ядром.

В цитоплазме находятся  мембранные структуры – органоиды (или органеллы у одноклеточных), внутреннюю структуру которых можно рассмотреть только в электронный микроскоп.

Органоиды – структурно и функционально обособленные участки цитоплазмы.

Они погружены в гиалоплазму, или по-другому, в матрикс, основное вещество, которое обеспечивает их взаимодействие и нормальную жизнедеятельность.

Органоиды бывают универсальные (характерны для всех эукариот: митохондрии, ЭПС, АГ, лизосомы, рибосомы) и специфические (характерны только для растений: пластиды).

Протопласт постоянно  образует молекулы целлюлозы и пектинов из которых строится клеточная оболочка.

Другой продукт жизнедеятельности  протопласта – клеточный сок скапливается в цитоплазме и образует вакуоль, постоянно увеличивающуюся при развитии клетки и обеспечивающую рост клетки путём растяжения.

В вакуолях накапливаются и запасаются важные органические вещества, протекают необходимые для клетки обменные процессы.

Практически всегда вакуоли развитых растительных клеток содержат эргастические или неактивные вещества, - включения (кристаллы солей, пигменты и т.п.). Они не принимают участия в построении органоидов клетки и условно подразделяются на запасные вещества, которые в дальнейшем могут вновь использоваться клеткой и шлаки или продукты обмена, отбросы, от которых клетка избавляется, переводя их неактивное состояние. 

Так как растения –  это организмы-автотрофы, ведущие  прикрепленный образ жизни, со слабо  развитой системой выделения отбросов, играющие в экосистемах роль продуцентов, следовательно эти отличительные  особенности проявляются и на клеточном уровне и чётко отличают растительную клетку от клеток животных.

 

Отличия растительной клетки от животной.

Структурные отличия (проявляются в строении)

1. У растений у клеток есть твердая целлюлозная оболочка, расположенная над мембраной, у животных ее  нет  (т.к. у растений большая наружная поверхность клеток нужна для фотосинтеза и поглощения газообразных и жидких веществ). Клеточная оболочка определяет форму клетки и играет защитную роль, предохраняя клетку от инфекций и других внешних воздействий.

2. Для клеток  растений характерны крупные  вакуоли  (т.к. слабо развита

выделительная система).

3. В клетках  растений есть пластиды (т.к. растения  автотрофы-

фотосинтетики).

4. В  клетках   растений  (за  исключением некоторых  водорослей) нет 

оформленного клеточного центра, у животных - есть.

Функциональные  отличия (т.е. в обмене веществ)

1. Способ питания:  растительная клетка – автотрофный фотосинтетический, животная – гетеротрофный.

2. У растений  основное запасное вещество – углевод крахмал (у животных – углевод гликоген).

3. Клетки растений  как правило более обводнены  (содержат

до 90% воды), чем  клетки животных.

4. Синтез веществ резко преобладает над их распадом, поэтому растения 

могут накапливать  громадную биомассу и способны к  неограниченному росту.

 

Основная  форма, размеры и способы связи  растительных клеток

 

Клетки очень  разнообразны по форме, свободные клетки чаще имеют округлую, овальную форму, так как не сдавливаются другими  клетками, реже – звёздчатую, цилиндрическую и т.п. формы.

Если клетки соединены в ткань, то они взаимно сдавливают друг друга и имеют форму многогранников из 14 граней.

 

Форма клеток.

По размерам и соотношениям длин сторон все клетки делятся на две группы:

1. Паренхимные – клетки, у которых все размеры приблизительно равны, или наибольшее измерение превосходит другие не более чем в 3 раза (клетки плодов и листьев).
2. Прозенхимные – клетки длинные, вытянутые в одном направлении, обычно с заостренными концами. Это специализированные клетки, выполняющие одну основную функцию (лубяные, древесинные волокна).

 

Размеры клеток

от 10 до 100 мкм (микрон).

В среднем 15 – 60 мкм.

В листе среднего размера находится от 20 до 100 миллионов  клеток.

Иногда ряд  специализированных клеток может измеряться в см:

клетки-волоски  хлопчатника от 1 до 5 см длины, лубяные волокна льна до 4 см в длину. В то же время их диаметр составляет десятки микрон.

Млечная трубка молочая, являющаяся одной клеткой  может иметь длину до 1 м и  более.

Но это исключения из правил и объясняется их функциями  и крайнкй степенью специализации.

Почему большинство  клеток имеют микроскопические размеры?