Ботаніка - Неведомська Є.О. - ЛЕКЦІЯ 2. Ботаніка як наука

План

1. Ботаніка - наука про рослини.

2. Загальна характеристика рослин.

3. Поширення рослин та їх значення у біосфері.

Основні поняття: ботаніка, автотрофи, живлення, дихання, фотосинтез, ріст, розвиток, фітогормони, ростові рухи, значення рослин.

1. Ботаніка - наука про рослини

Ботаніка - це наука про рослини, їх будову, життєдіяльність, поширення і походження. Цей термін походить від грецького слова "botane", що означає "трава", "рослина", "овоч", "зелень".

Ботаніка досліджує біологічну різноманітність світу рослин, систематизує і класифікує рослини, досліджує їх будову, географічне поширення, еволюцію, історичний розвиток, біосферну роль, корисні властивості, вишукує раціональні шляхи збереження та охорони флори. Та основна мета ботаніки як науки - одержання та узагальнення нових знань про світ рослин у всіх проявах його існування.

Ботаніка як наука сформувалася близько 2300 років тому. Перше письмове узагальнення знань про рослини, яке дійшло до нас, відоме лише з античної Греції (ІУ-Ш ст. до н.е.), а отже і виникнення ботаніки як науки датується саме цим часом. Теофраст (372-287 до н.е.), учень великого Арістотеля, вважається батьком ботаніки завдяки його письмовим працям "Природна історія рослин" в 10-и томах і письмовій роботі "Про причини рослин" в 8-и томах. У "Природній історії рослин" Теофраст згадує про 450 рослин і робить першу спробу їхньої наукової класифікації.

В першому столітті н.е. римські природодослідники Діоскорід і Пліній Старший доповнили ці відомості. Середньовічні вчені продовжили накопичення інформації, розпочате античними вченими. В епоху Відродження в зв' язку із збагаченням відомостей про рослини виникла потреба в систематизації рослинного світу. Великі заслуги в справі упорядкування ботанічних знань належать Карлу Ліннею, який в середині 18 століття запровадив бінарну номенклатуру рослин, першим зробив спробу класифікації рослинного світу та розробив штучну систему, розподіливши рослинний світ на 24 класи.

Нині ботаніка - багатогалузева наука, яка вивчає як окремі рослини, так і їх сукупності - рослинні угруповання, з яких формуються луки, степи, ліси.

У процесі розвитку ботаніка диференціювалася на ряд окремих наук, з яких найважливіші: морфологія рослин - наука про будову і розвиток основних органів рослин; з неї виділилися: анатомія (гістологія) рослин, що вивчає внутрішню будову рослинного організму; клітинна біологія рослин, що вивчає особливості будови рослинної клітини; ембріологія рослин, яка досліджує процеси запліднення і розвитку зародка у рослин; фізіологія рослин - наука про життєдіяльність рослинного організму, близько пов'язана з біохімією рослин - наукою про хімічні процеси в них; генетика рослин вивчає питання мінливості і спадковості рослин; палеоботаніка (фітопалеонтологія) вивчає викопні рослини і близько пов' язана з філогенією рослин, завданням якої є відтворення історичного розвитку рослинного світу; географія рослин (фітогеографія) - наука про закономірності поширення рослин на земній кулі; з неї виділились екологія рослин - наука про взаємовідношення рослинного організму і середовища - та фітоценологія (геоботаніка) - наука про рослинні угруповання.

Виділяють ще ряд спеціалізованих дисциплін, які вивчають окремі групи рослинного світу, наприклад альгологію - науку про водорості, ліхенологію - про лишайники, бріологію - про мохоподібні, дендрологію - науку про деревні породи, палінологію - про будову спор і пилку.

2. Загальна характеристика рослин

Усім рослинам притаманні спільні риси:

1. Рослинні організми складаються з клітин. Клітина (від грецьк. kytos - клітина) - основна структурна і функціональна одиниця всіх живих організмів, елементарна біологічна система, яка має всі ознаки живого, здатна до саморегуляції, самовідтворення і розвитку.

2. Рослини є еукаріотами (евкаріотами). Еукаріоти (евкаріоти) - організми, клітини яких мають ядро, принаймні на певних етапах їх клітинного циклу. Серед еукаріотів є одноклітинні, колоніальні та багатоклітинні організми.

3. Більшість рослинних організмів - автотрофи. Автотрофи (від грецьк. autos - сам, trophe - живлення) - організми, які самостійно виробляють органічні речовини з неорганічних сполук з використанням енергії сонячного світла або енергії хімічних процесів.

4. Клітини рослин містять пластиди (від грецьк. plastos - виліплений): хлоропласти (від грецьк. chloros - зелений і plastos - виліплений), хромопласти (від грецьк. chroma - фарба і plastos - виліплений), лейкопласти (від грецьк. leukos - безбарвний і plastos - виліплений).

5. Запасні речовини - крохмаль, білок, жири.

6. Рослинам характерні процеси життєдіяльності (обміну речовин): а) живлення - процес поглинання і засвоєння рослинами з навколишнього середовища речовин, необхідних для підтримання їх життєдіяльності; за способом живлення рослинні організми поділяють на автотрофи і гетеротрофи (організми, які для свого живлення використовують готові органічні речовини);

б) дихання - сукупність фізіологічних процесів, що забезпечують надходження в рослину кисню і виділення вуглекислого газу й води; основу дихання становить окиснення (син. окислення) органічних речовин (білків, жирів і вуглеводів), внаслідок чого звільняється енергія у вигляді АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти), яка необхідна для життя рослин; рослини є аеробами (від грецьк. aer - повітря) - організмами, для життєдіяльності яких потрібен вільний кисень повітря;

в) завдяки хлоропластам рослини здатні до фотосинтезу (від грецьк. photos - світло, synthesis - з'єднування) - процес утворення органічних молекул з неорганічних за рахунок енергії сонця; сонячна енергія перетворюється при цьому в енергію хімічних зв' язків.

Процес фотосинтезу складається з двох фаз:

1. Світлова фаза здійснюється у тилакоїдах хлоропластів. Енергія квантів світла вловлюється молекулами хлорофілу, що спричинює перехід електронів на вищий енергетичний рівень і відрив їх від молекули хлорофілу. Електрони захоплюються молекулами-переносниками, котрі також знаходяться в мембрані тилакоїдів. Втрачені молекулами хлорофілу електрони компенсуються шляхом відокремлення їх від молекул води у процесі фотолізу - розкладу води під дією світла на протони (Н ) і атоми оксигену (О). Атоми оксигену утворюють молекулярний кисень, що виділяється в атмосферу:

Вивільнені протони накопичуються в порожнині тилакоїдів. Електрони рухаються мембраною тилакоїду. Енергія перенесення електронів по мембрані витрачається на відкриття каналу для протонів у АТФ-синтетазному комплексі. Внаслідок виходу протонів із порожнини тилакоїдів синтезується АТФ. Нарешті, протони зв'язуються зі специфічними молекулами-переносниками (НАДФ-нікотинамідаденіндинуклео-тидфосфат). НАДФ здатний відновлюватися, зв' язуючись із протонами, або окислюватися, вивільняючи їх. Завдяки цьому комплекс НАДФ Н₂ є акумулятором хімічної енергії, що використовується для відновлення інших сполук.

Таким чином, у світловій фазі фотосинтезу відбуваються такі реакції:

2. Темнова фаза не залежить від світла (реакції відбуваються як в темряві, так і на світлі). Вона проходить у матриксі хлоропласта. В цій фазі з вуглекислого газу (СО₂), який потрапляє з атмосфери, утворюється глюкоза. При цьому використовується енергія АТФ та Н+, що входить до складу НАДФ o Н₂. Молекула СО₂ при синтезі вуглеводів не розщеплюється, а фіксується (зв' язується) за допомогою особливого ферменту. Фіксація СО_{2 -} багатоступеневий процес. Особливий фермент зв' язує СО2 з молекулою, яка містить п' ять атомів вуглецю (С) (рибуло-зо-1,5-біфосфатом). При цьому утворюються дві трикарбонові молекули 3-фосфогліцератів. Ці трикарбонові сполуки змінюються ферментами, відновлюються з допомогою НАДФ o Н₂ і енергії АТФ та перетворюються на речовини, з яких може синтезуватися глюкоза (та деякі інші вуглеводи). Частина таких молекул використовується на синтез глюкози, а з інших утворюються п' ятикарбонові сполуки, потрібні для фіксації СО₂. Таким чином, енергія світла, перетворена протягом світлової фази в енергію АТФ та інших молекул - носіїв енергії, використовується для синтезу глюкози.

Темнову фазу фотосинтезу можна описати таким рівнянням:

Частина молекул синтезованої глюкози розщеплюється для забезпечення потреб рослинної клітини в енергії, інша частина використовується для синтезу необхідних клітині речовин. Так, із глюкози синтезуються полісахариди та інші вуглеводи. Надлишок глюкози відкладається про запас у вигляді крохмалю.

Значення фотосинтезу:

1) утворення органічної речовини, яка є основою живлення гетеротрофних організмів;

2) утворення кисню атмосфери, який забезпечує дихання аеробних організмів та створює озоновий екран нашої планети;

3) забезпечує сталість співвідношення між СО₂ і О₂ в атмосфері. Академік К.А.Тімірязєв сформулював поняття про космічну роль

зелених рослин. Сприймаючи сонячні промені і перетворюючи їх енергію в енергію зв'язків органічних сполук, зелені рослини забезпечують збереження і розвиток життя на Землі. Вони утворюють майже всю органічну речовину і є основою живлення гетеротрофних організмів. Весь кисень атмосфери теж має фотосинтетичне походження. Таким чином, зелені рослини є ніби посередником між Сонцем і життям на планеті Земля;

г) транспірація (від лат. trans - через, spiro - дихаю, видихаю) - фізіологічний процес виділення живими рослинами води у газоподібному стані;

д) ріст - збільшення розмірів рослинного організму або окремих його частин і органів внаслідок збільшення кількості клітин шляхом поділу, їх лінійного розтягування та внутрішньої диференціації; триває протягом усього життєвого циклу;

е) розвиток - сукупність якісних морфологічних та фізіологічних змін рослини на окремих етапах її життєвого циклу; розрізняють індивідуальний розвиток (онтогенез) та історичний розвиток (філогенез); нормальний індивідуальний розвиток рослинного організму залежить не тільки від зовнішніх факторів (світло, температура, волога, кисень, довжина світлового періоду доби), а й від внутрішніх факторів та від їх взаємодії; основними внутрішніми факторами є фітогормони (табл. 5).

Таблиця 5

ФІТОГОРМОНИ РОСЛИН

Фітогормони (від грецьк. phyton - рослина, hormao - збуджую) - це фізіологічно активні речовини, що виробляються протопластом (живий вміст) рослинних клітин і впливають на ростові та формотворні процеси; фітогормони активні в дуже малих кількостях і можуть як збуджувати, так і гальмувати певні процеси (діють як регулятори); на розвиток рослинного організму впливають й штучні регулятори росту і розвитку (табл.6);

Таблиця 6

ШТУЧНІ РЕГУЛЯТОРИ РОСТУ І РОЗВИТКУ РОСЛИННОГО ОРГАНІЗМУ

є) ростові рухи - зміни положення органів рослин у просторі внаслідок нерівномірних ростових процесів (табл. 7); у вищих рослин немає спеціалізованих органів для активного переміщення, але вони здатні реагувати на різноманітні зміни зовнішнього середовища й пристосовуватися до них.

Таблиця 7

РОСТОВІ РУХИ РОСЛИН