Лекции по "Биологии"

Предмет и задачи физиологии растений.

Физиология растений – это наука  о функциях растительных организмов.

 К основным функциям растительных  организмов относятся его энергетика (процессы фотосинтеза и дыхание); водный режим и минеральное  питание; мембранный и дальний транспорт веществ; процессы роста, развития и размножения; раздражимость и проведение сигналов в клетке и тканях; механизмы устойчивости и адаптации к неблагоприятным факторам. В задачи физиологии растений входит раскрытие сущности процессов, протекающих в растительном организме, установление их взаимной связи, изменения под влиянием среды, механизмов их регуляции, создать теоретическую основу для повышения продуктивности растений, урожайности, питательной ценности и качества сельскохозяйственных растений. Таким образом, физиология растений является фундаментом современного растениеводства, обеспечивая теоретическую базу для всей системы мероприятий, лежащих в его основе.

 К.А.Тимирязев писал: «Физиолог  не может довольствоваться пассивной  ролью наблюдателя, как экспериментатор, он является деятелем, управляющим природой».

Физиология растений изучает: превращение  веществ, превращение энергии и  превращение информации – составляющие основу деятельности любой саморегулирующийся системы, в том числе и растения. Обмен веществ – это превращение одних соединений в другие, их перемещение между различными клетками,, тканями и органами, а также между организмом и внешней средой. Превращение формы, т.е. процессы морфогенеза происходит в течение роста, дифференцировки и развития растительного организма. Превращение энергии включает процессы трансформации одних форм энергии в другие. Например, при фотосинтезе происходит превращение энергии света в электрическую энергию, которая затем трансформируется в энергию химических связей органических соединений. Процесс дыхания включает превращение химической формы энергии в электрическую, а затем  в механическую и в химическую. Превращение информации имеет место в процессах рецепции и передачи сигналов и стимулов, исходящих из внешней и внутренней среды организма. Процессы рецепции в растительном организме обеспечивается фитогормонами, системой рецепторов,  каскадом вторичных посредников и факторами  транскрипции. Превращение информации имеет решающее значение в процессах регуляции определенных функций, их координации и обеспечении целостности растительного организма.

Предмет физиологии растений определяется специфическими особенностями зеленых  растений, являющихся объектом ее изучения. Специфическим особенностям относятся: фотосинтез, неограниченный рост, автотрофное питание и т.д.

История развития физиологии растений.

Физиология растений зародиась  в XVII – XVIII вв. В трудах итальянского биолога и врача М. Мальпиги «Анатомия растений» (1675-1679) и английского ботаника и врача С. Гейлса «Статика растений» (1727) наряду с описанием структуры растительных тканей и органов излагаются результаты ряда физиологических опытов, доказывающих существование восходящего и нисходящего токов воды и питательных веществ у растений, и вызывается идея о воздушном питании растений.

В 1772-1782 гг. Дж. Пристли, И. Ингенгауз  и Ж. Сенебье открыли явление  фотосинтеза. В 1800 г. Ж. Сенебье издал  трактат «Physiologie vegetale» в пяти томах. Впервые физиология растений рассматривалась  как самостоятельная область знания.  Заслуга Ж.Сенебье состоит в том, что он впервые обработал и осмыслил все данные по этой дисциплине; сформулировал основные задачи физиологии растений; определил ее предмет и используемые методы.

В 19 в. окончательно дифференцировались основные разделы физиологии растений: фотосинтез, дыхание, водный режим, минеральное питание, транспорт веществ, рост и развитие, движение, раздражимость, устойчивость растений. Благодаря трудам Ч.Дарвина возникла эволюционная физиология растений, главным направлением которого было установление приспособительного характера функциональных особенностей растения и единства органического мира.

Первая половина 20 в. отмечена бурным развитием фитофизиологии. Главным  направлением становится изучение биохимических механизмов дыхания и фотосинтеза. Большим достижением 20 века явилось открытие фитогормонов.

Развитие получают фитоэнзимология, физиология растительной клетки, экспериментальная  морфология и экологическая физиология растений.

В начале 20 века И.В. Мичуриным было разработано учение о разнокачественнности растений на разных этапах онтогенеза и на основе этого им разработаны методы управления наследственностью растений.  В.Гарнером и Х.Аллардом было открыто явление фотопериодизма. В.Вент и Н.Г. Холодный разработали учение о ростовых веществах – гормонах. Д.Н. Прянишников изучил вопросы минерального питания растений. Было выяснено необходимость микроэлементов для нормального роста растений. А.Н. Бах, В.И. Палладин, С.П. Костычев изучали химизм дыхания и брожения. Фотосинтез и хемосинтез исследовали А.П. Виноградов, М.Кальвин и другие ученые. Большую роль в понимании фотосинтеза сыграла исследования с применением изотопов, квантовая теория света.

 Методологические  основы физиологии растений.

Основной метод познания процессов, явлений в физиологии – эксперимент, опыт,т.е.физиология растений – наука экспериментальная.

Для изучения физико-химической сути функций, процессов в физиологии растений применяют методы: лабораторно-аналитический, полевой, вегетационный, меченых атомов, электронной микроскопии, электрофореза, хромотографического анализа, ультрафиолетовой и люменесцентной микроскопии, спектрофотометрии и др.  Также используют фитотроны и лаборатории искусственного климата, в которых выращивают растения  и проводят опыты в условиях определенного состава воздуха, температуры и освещения. Применяя эти методы, растения исследуют на молекулярном, клеточном и организменном уровнях. Растровые электронные микроскопы применяется для изучения поверхности пыльцы, эпидермиального слоя клеток, формы клеток и другие.

Для исследования в растениях процессов  фотосинтеза, корневого питания, водного  режима, синтеза органических веществ, обмена веществ и т. д. применяют  радиоактивные и стабильные изотопы. Для этого используют метод меченых атомов. В растение через листья, корни вводят вещества, содержащие изотопы элементов, а потом определяют наличие их в тканях организмов растений или в отдельных веществах, выделенных из растений.В последнее десятилетие получение нового знания о процессах, происходящих в растении, идет с постоянным ускорением и невозможно без использования методов смежных с физиологией растений наук – биохимии и анатомии.

Развитие физиологии растений, как  и любой другой науки, зависит  не только от новых идей, но и от новой методологии. В физиологии растений применяются методы  молекулярной биологии, генной и клеточной инженерии. Такой подход позволяет по-новому увидеть проблемы, стоящие перед физиологией растений. Это касается процессов роста и развития, взаимоотношения с окружающей средой, адаптации к стрессовым воздействиям и т.д.  Для расшифровки механизма изучаемых процессов  применяются методы, с помощью которых удается регистрировать пространственно-временные параметры происходящих событий. Такие возможности дает ряд современных методов клеточной биологии.

 Отличительные признаки  растений и животных на клеточном  и организменном уровнях.

Высшие растения являются многоклеточными  организмами, состоящими из миллионов  клеток, выполняющих специализированные функции. Несмотря на это, все они, как клетки эукаритического организма содержат ядро, цитоплазму, ряд клеточных органелл и систему мембран. Все же между растениями и животными есть определенные различия. Прежде всего, эти особенности проявляются на клеточном уровне. Специфическими особенностями строения растительных клеток, является наличие системы пластид, крупной центральной вакуоли, прочной полисахаридной клеточной стенки. Для растительных клеток характерен особый тип роста – рост растяжением. В отличие от животных у растительных клеток нет центриоли. Клетки растений, в отличие от клеток животных, окружены плотной, механически прочной полисахаридной оболочкой, называемой клеточной стенкой. Клеточные стенки различных клеток непосредственно контактируют друг с другом, формируя единую систему клеточных стенок в ткани, которая называется апопластом. Наличие апопласта облегчает передвижение воды и растворенных в ней веществ по растительным тканям.

 Растительные клетки связаны  между собой плазмодесмами, которые  соединяют их в единое цитоплазматическое целое – симпласт. Плазмодесма представляет собой мембранную пору (канал), плазмалеммой. Центральную часть плазмодесмы занимает десмотрубка, связывающая эндоплазматический ретикулум соседних клеток. Такую непрерывную систему мембран эндоплазматического ретикулума, переходящую из клетки в клетку, называют эндопластом. Вокруг десмотрубки в поре находится цитоплазма. Таким образом, у растительных организмов имеется три типа протяженных компартментов – апопласт (клеточная стенка с межклетниками), симпласт и эндопласт (соответственно цитоплазма и эндоплазматический ретикулум соседних клеток, соединенные плазмодесмами). По плазмодесмам (симпласту или эндопласту) из клетки в клетку могут диффундировать ионы и небольшие органические молекулы.

Есть существенные различия и на организменном уровне. В отличие  от животных растения в большинстве  случаев фиксированы, способность  к движению у них ограничена. Рост  растений  отличен от роста животного  организма. Растения растут в течение  всей жизни, тогда как большинство животных прекращают рост после того, как достигнет определенных размеров уже имеющихся органов, а рост растений сопровождается появлением новых органов, т.е. включает в себя формообразовательные процессы. Животные во время роста выделяют веществ во внешнюю среду значительно больше, чем растения. Очень важное значение имеет то, что растения обладают способностью строить органическое вещество из простых неорганических соединений, тогда как животные питаются за счет готовых органических веществ.

Космическая роль зеленых  растений.

Человек в своем обиходе постоянно  пользуется тем, что дает ему мир  растений. Это кислород, необходимый  для процессов дыхания и горения, основная масса пищи и лекарств, одежда и топливо, строительные материалы. Растения ежегодно поставляют в атмосферу Земли около 100 млрд. т кислорода. На высоте около 25 км от поверхности Земли из кислорода формируется слой озона, который задерживает большую часть ультрафиолетового излучения, действующего губительно на все живые организмы.

Растения защищают почву от ветровой эрозии, оказывают влияние на климат, участвуют в очистке природной  среды от возрастающего количества загрязнителей. Остатки растительных организмов сформировали грандиозные  запасы горючего сырья, которое является основой современной энергетики и химической промышленности. Растениями создаются десятки тысяч различных веществ, которые служат пищей для большинства живых организмов. Растения преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей органических соединений в процессе фотосинтеза.К настоящему времени в составе древесины уже запасено около 2402 млрд. т биомассы. На долю животных и микроорганизмов при этом приходится 23 млрд. т.

Клетка как структурная  и функциональная единица.

Структурной и функциональной единицей любого живого организма является клетка. Клетка представляет собой наименьшую часть организма, обладающую свойствами живого.

Для всех живых организмов характерны те функции, которыми можно характеризовать  и жизнь в целом. Они способны к самовоспроизведению, к использованию и превращению энергии, к синтезу больших и сложных молекул. Клетка, как и все живое, является результатом длительной эволюции и характеризуется высокой упорядоченностью своей структуры.

Являясь открытой системой, живая клетка обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Функции зеленого растения – рост, дыхание, фотосинтез, поглощение и выделение веществ, размножение – обусловливаются процессами, происходящими в клетках. Органы растений состоят из клеток, форма, величина и функции которых очень разнообразны и зависят от взаимосвязей с другими клетками  организма, стадии их развития, а также от вида организма. В клетке происходят непрерывный обмен веществ, процессы возобновления, без которых жизнь невозможна. Рост отдельных органов и целых растений обусловливаются ростом клеток, из которых они состоят. Все клетки организма соединены в одну систему с помощью плазмодесм. (Плазмодесмы – это цитоплазматические нити, соединяющие соседние растительные клетки, располагаются в канальцах через первичную клеточную оболочку по первичным порам).Таким образом, клетка является мельчайшей единицей жизни, которая характеризуется определенным типом обмена веществ, самостоятельным энергетическим циклом и способностью к саморегуляции, саморазвитию. Изучение проходящих в ней процессов, их взаимосвязи и регуляции необходимо для понимания жизнедеятельности целостности растительного организма.

 Структурная система  цитоплазмы.

Химический состав цитоплазмы очень  разнообразен и изменчив. Цитоплазма на 80-85 % состоит из воды; 75 % белков, 15-20 % липидов.

Свойства цитоплазмы:

1. .Цитоплазма обладает высокой вязкостью. Вязкость цитоплазмы зависит от содержания воды в ней, от сил сцепления между отдельными молекулами белка, от конфигурации белковых молекул. В зависимости от условий эти компоненты меняются и, следовательно, меняется вязкость.
2. Цитоплазма содержит много воды и обладает подвижностью. Ее движение зависит от  температуры, от доступа кислорода. При  торможении процесса дыхания, движение цитоплазмы приостанавливается, прибавление АТФ ускоряет движение. Таким образом, движение цитоплазмы  идет с использованием энергии.
3. Важным свойством цитоплазмы является эластичность. Эластичность цитоплазмы показывает, что она обладает структурой. Благодаря структуре и наличию мембран осуществляется разделение веществ по разным участкам клетки (компартментализация). Отдельные химические соединения, легко реагирующие друг с другом, могут находиться в цитоплазме одной и той же клетки и не соприкасаться, т.е. не взаимодействовать.