Первоцветы фото

Ботаника как наука

Ботаника – это комплексный раздел биологии, изучающий автотрофные эукариоты. Как наука она появилась на базе практических запросов человека. Она получает и систематизирует знания о строении, жизнедеятельности, эволюции, экологии, распространении, уровнях организации растений и некоторых других организмов.

Происхождение названия ботаники

Название науки ботаники появилось в XVIII веке от немецкого Botanik, заимствованного в свою очередь от древнегреческого βοτανικός – «относящийся к растениям». Греческое слово было связано с термином βοτάνη, что означает «скот». Общность корней разных слов объясняется тем, что трава – это пища для скота.

Ботаника: предмет изучения науки

Как наука ботаника сформировалась около 2300 лет назад, но сведения о растениях накапливались ещё раньше, в древних цивилизациях. Первые письменные источники, в которых излагаются знания о свойствах представителей флоры, известны из Двуречья, Древнего Египта, Древнего Китая, Индии. Основоположником ботаники считается древнегреческий философ, ученик Аристотеля Теофраст, которого часто называют «отцом» ботаники. Начиная с Аристотеля (IV в. до н. э.), все живые существа люди делили на растения и животных. В XVII в. К. Линней, составляя систематику, присвоил им ранг царств и дал названия Vegetabilia и Animalia. Долгое время ботаника изучала всё, что не относится к царству животных: растения, грибы, бактерии.

Ботаника - наука о растениях фото
Рис. 1. То, что изучает ботаника

Начиная с XIX века курс ботаники разделяли на две части: высшие растения, имеющие листостебельное строение тела и низшие (талломные, слоевищные) растения, лишённые такового. Высшие растения более доступны для исследования, поэтому они были изучены раньше. В группе объединённой названием «низшие растения» долгое время не было известно даже общее число видов. К ним относили грибы, лишайники, водоросли, бактерии, миксомицеты, а затем и вирусы.
Только в XIX в., когда естественные науки достигли нужного уровня развития, система двух царств стала пересматриваться. Е. Фриз – шведский ботаник – заметил отличия грибов от растений и предложил выделить их в отдельное царство. С этим очень быстро согласилось большинство учёных.

Грибы и растения: отличия фото
Рис. 2. Отличия грибов от растений

В XX в. быстрое развитие генетики и электронной микроскопии позволили увидеть отличия в метаболизме бактерий от всех остальных групп живых организмов. Постепенно круг низших растений сузился. Бактериологию и вирусологию стали изучать отдельно. В 70-х годах бактерии были вынесены в надцарство Прокариот (доядерных), а все остальные (кроме вирусов) причислены к Эукариотам (настоящим ядерным). И хотя в школьной ботанике по-прежнему грибы, бактерий и растения рассматривают в одном учебнике, их давно разнесли для изучения по разным разделам биологии.


В 70-80 годах XX века в ботанике перестал употребляться термин «низшие растения». Отсутствие дифференциации тела и тканей не стало определяющим признаком для деления растений на группы. Теперь важнейшими считают различия в обмене веществ, строении клеток и некоторые другие признаки.

В настоящее время ботаника изучает растения, водоросли, лишайники и протисты, имеющие хлорофилл. Протисты также изучает и другая наука – протистология. Важнейшей группой организмов, исследуемой этой наукой являются растения.

Ботаника: предмет изучения науки фото
Рис. 3. Предмет изучения науки ботаники

Какие признаки растений выделяет ботаника?

В царство Растения входят автофототрофные организмы, т. е. синтезирующие органические вещества из неорганических за счёт энергии солнца. Они осуществляют фотосинтез с выделением кислорода (оксигенный). У их клеток есть ядро и плотная оболочка, главным образом состоящая из целлюлозы. Растения характеризуются чередованием поколений и преобладанием диплоидной стадии жизни.

Большая часть современных учёных предполагают, что для растений характерны 7 основных признаков. Но каждый из них можно обнаружить и у каких-либо других групп живых организмов. Поэтому судить о принадлежности к царству нужно учитывая все эти признаки. Однако встречаются и растения, у которых отсутствует та или иная характерная черта. Проследим какие признаки растений выделяет ботаника.

1. Наличие клеточной оболочки. В процессе фотосинтеза клетки растений в избытке накапливают растворимые сахара. Они начинают тормозить процесс фотосинтеза. Клетка избавляется от излишков, удаляя их за пределы протопласта. При помощи ферментов на внешней стороне плазмалеммы сахара полимеризуются, превращаясь в нерастворимые полисахариды: целлюлозу (клетчатку), гемицеллюлозу (поликлетчатку), пектин. Так появляется углеводная оболочка клеток, придающая им прочность и определяющая их форму.

Прочные оболочки есть также у прокариот и грибов, но они состоят из других полисахаридов: у грибов – из хитина (полиацетилглюкозамина), у прокариот – из муреина (мукопептида или гликопептида).

Строение клеточной стенки растений фото
Рис. 4. Клеточная оболочка растений

2. Способ питания. Один из важнейших признаков растений – автотрофное питание (греч. autos – сам, trophe – пища). Растения сами себе «готовят» еду из неорганических веществ в процессе фотосинтеза (образование растворимых сахаров из двуокиси углерода и воды с использованием солнечной энергии). Энергию солнца улавливают молекулы зелёного пигмента хлорофилла, находящиеся на мембранах гран хлоропластов. В процессе фотосинтеза растения выделяют кислород и запасают крахмал или похожие по свойствам и строению углеводы.

Автотрофно питаются и некоторые прокариоты. Но этот способ питания у них осуществляется чаще в форме хемосинтеза, при  котором углерод усваивается за счёт энергии окисления неорганических веществ (серы, азота, соединений железа и др.). У других автотрофных прокариот, например, пурпуровых бактерий есть фотосинтез, но он проходит без выделения кислорода – аноксигенно. Только цианобактерии и хлороксибактерии как и растения способны к оксигенному фотосинтезу.

Фотосинтез у растений фото
Рис. 5. Поступление и выделение веществ в растение при фотосинтезе

3. Поглощение пищи путём абсорбции (всасывания). Из-за прочных клеточных стенок питательные вещества внутрь клетки могут проникать только в виде растворов в жидком или газообразном состоянии. Такой способ поглощения питательных веществ называется осмотрофным. Он характерен также для грибов и прокариот. В противоположность им большинство животных поглощают твёрдую пищу путём заглатывания (фаготрофия, или голозойное питание).

4. Малоподвижный образ жизни. Прикреплённость и неспособность к быстрому реагированию – характерная черта многоклеточных растений. Они не имеют мускулов, нервной системы и органов чувств. Они не способны к локомоции (перемещению с места на место). Но у растений есть свои способы движения. В основе изменения положения частей их тела в пространстве  лежит миграция воды в клетках (тургорное давление) или рост тканей. К быстрым движениям способны хищные растения, виды, закрывающиеся в ответ на раздражение и растения, активно распространяющие свои семена. Самые быстрые движения среди растений замечены у шелковицы белой. Она перемещает лепестки своих цветов со скоростью в 25 мкс. Все виды движения растений делят на 3 группы:

  • ростовые, возникающие в ответ на изменения, вызванные внешними раздражениями: тропизмы и настии;
  • вызванные внутренними раздражениями – автономные (нутации и периодические суточные движения – открывание и закрывание лепестков цветов и листьев);
  • без раздражения живого содержимого клетки: механические движения (растрескивание сухих плодов, спорангиев и др.).
Ботаника: положительные тропизмы растений фото
Рис. 6. Положительные тропизмы у растений

Тропизмы (у животных сходные процессы называют таксисами) – рост или движение клетки относительно однонаправленного раздражителя, например, по отношению к свету (движение к нему или от него), к химическим веществам или под действием силы притяжения Земли. В основе тропизмов лежит движение цитоплазмы и неравномерное размещение фитогормонов (абсцизовой кислоты, ауксина и др.). Они связаны с изменением (ростом) тканей.

Настии – более быстрые ненаправленные ростовые движения некоторых органов растений в ответ на рассеянные внешние раздражения. Примером настий могут служить сжимание листьев у венериной мухоловки и росянки, у стыдливой мимозы.

Нутации – круговые движения чаще встречающиеся у вьющихся растений. Их стебли и усики нарастают верхушкой и обвивают опору.

Ботаника: движения растений - настии фото
Рис. 7. Примеры настий

Прикреплённый образ жизни растений привёл к особому способу их расселения по свету. Чаще они заселяют новые территории в виде зачатков (спор, зооспор или семян).

Исключения:у многих растений в жизненном цикле есть подвижная стадия. Активно двигаются сперматозоиды мхов, папоротников, некоторых голосеменных растений, зооспоры и гаметы бурых и зелёных водорослей. А среди бактерий и животных есть прикреплённые виды, относительно неподвижны и грибы.

Способы расселения растений при помощи семян фото
Рис. 8. Способы расселения семян

5. Полярность. Возникла в связи с прикреплённым образом жизни организмов. Выражается в различии между противоположными точками клеток и растения в целом. У наиболее развитых растений это заметно по расчленению тела на корни и побеги. Полярность проявляется в скорости синтеза, передвижения и накопления веществ внутри тканей и многое другое.

6. Способность расти в течение всей жизни. Даже полусгнившие старые деревья каждую весну образуют новые побеги. Если рост растения прекратился, значит оно погибло. Многоклеточные организмы нарастают в определённых местах (точках роста): в верхушке почки, побега, кончике корня, в узлах стебля злаков. Растут всю жизнь и грибы. Не зря же их так долго относили к царству Растений.

7. Метамерия и модульность. Рост в течение всей жизни приводит к постоянному появлению новых побегов, частей корня и отмиранию старых. У растений много однотипных органов, их количество непостоянно и зависит от условий среды. Части растения закономерно повторяются вдоль продольной оси – эти участки называются метамерами. Это хорошо заметно на побегах, состоящих из узлов с листьями и пазушными почками. Растения состоят из множества повторяющихся частей: стволиков, боковых и придаточных корней, побегов. Ботаники их называют модулями.

Ботаника: метамерия растений фото
Рис. 9. Метамерность растений

Ботаника как система наук

Раньше других из ботаники выделилась морфология – наука о внешнем и внутреннем строении органов растений, их происхождении и эволюции. Очень долго ботаника описывала только внешний вид растений. Но постепенно количество входящих в науку подразделов увеличилось. Основные наиболее ранние ботанические дисциплины:

  • анатомия и макроскопическая морфология – внутреннее и внешнее строение растительного организма, то, что можно увидеть невооружённым глазом;
  • микроскопическая морфология – изучает строение, которое нельзя увидеть без увеличительных приборов. В её состав входят: цитология, эмбриология, гистология;
  • эмбриология – исследует половые (генеративные) органы, развитие и строение зародыша;
  • физиология растений – познаёт их жизненные функции.

Позже выделились:

  • систематика – изучает историческое развитие и классификацию растений.  В её границах выделяют науку о водорослях – альгологию, о лишайниках – лихенологию, о мхах – бриологию и др.;
  • геоботаника, или фитоценология – наука о растительных сообществах, о распространении их на земле. В её составе выделяют географию растений;
  • биохимия растений – учение о химическом составе растений;
  • палеоботаника – изучает прежний облик растений Земли (ископаемые виды);
  • фитопатология – о болезнях растений;
  • карпология – раздел морфологии, изучающий семена растений;
  • флористика – совокупность растений, сосредоточенной в определённой территории;
  • селекция растений – наука о методах выведения новых сортов;
  • экология растений – взаимоотношение растений с окружающей средой.

Это далеко не полный перечень ботанических дисциплин. Эти науки не обособлены друг от друга. Они взаимосвязаны, ведь растение, изучаемое со всех сторон, представляет собой единую систему. На развитие ботаники, особенно в последние годы, большое влияние оказывают генетика и молекулярная биология. Одновременно с фундаментальными дисциплинами развиваются и прикладные отрасли ботаники: фармакология, селекция, растениеводство, биотехнология, лесное хозяйство, парфюмерная промышленность.

Ботаника изучает растений, как и другие живые организмы по уровням их организации.

  • Наименьший – молекулярный уровень. На нём выявляются отличия между неживой и живой материями.
  • Клеточный – уровень, на котором исследуют строение, деление и жизненные процессы.
  • Организменный – получает знания о жизни особи с момента её зарождения до прекращения.
  • Популяционно-видовой – изучает совокупность растений одного вида, населяющие определённую территорию.
  • Биогеоценотический, или биосферный – исследует сложные взаимодействия всех живых организмов с неживой природой.

Значение растений для природы и человека

Без растений была бы невозможной жизнь животных, грибов и человека. Они улавливают солнечную энергию, превращая её в энергию химических связей и передавая по цепи питания. Таким образом растения обеспечивают энергетическую связь между Солнцем и Землёй. На космическую роль растений впервые обратил внимание русский учёный К.А. Тимирязев, назвав их «консервом солнечных лучей». Животные, грибы, многие прокариоты и человек получают органические вещества непосредственно из растений или по цепи питания через другие организмы.

Круговорот питательных веществ и перемещение энергии в биосфере фото
Рис. 10. Космическая роль растений

Биосфера (область распространения жизни) вообще появилась на Земле благодаря фотосинтезу. Растения и некоторые другие организмы улавливают углекислый газ и разлагают воду с выделением кислорода. Из-за этого на планете постепенно накопился кислород. Он служит причиной разрушения (окисления) горных пород, что способствует образованию почв и накоплению минеральных веществ нужных для питания растений. Благодаря кислороду у земли появился озоновый экран.

Тайга фото
Рис. 11. Хвойный лес

Растения служат важнейшей составляющей почвы и главными её защитниками. В процессе жизни они поглощают из почвы и испаряют в атмосферу большое количество воды. При вырубании лесов и потраве полей вода, попадающая в почву, стекает и способствует её разрушению (эрозии). Леса экваториального пояса смягчают климат за счёт испарения воды. Растения – это укрытия и места обитания животных.

Человек использует растения с доисторических времён, ещё с тех пор, когда основой его существования было собирательство. Они давали людям продукты питания, материал для изготовления орудий труда и постройки жилищ, топливо и лекарства.

В неолите (VIII – III тыс. до н. э.) человек стал возделывать землю и выращивать растения. Земледелие появилось независимо в нескольких центрах: в Юго-Восточной и Передней Азии, в Средиземноморье, в долине Нила, в Центральной и Южной Америке. Человек научился выращивать и собирать урожаи наиболее ценных для себя культур. В результате отбора появлялись продуктивные сорта растений. В настоящее время существует около 1500 сортов культурных растений. Большие площади заняты зерновыми культурами, первое место в рационе населения Земли занимает рис, второе – кукуруза, третье – пшеница, меньшее значение имеют ячмень, овёс, рожь, просо. В культуре много овощных, плодовых, пряных, бобовых, кормовых, технических и декоративных растений.

Важное значение для человека имеют и естественные растительные сообщества: леса, луга, степи, тундры и др. Древесные породы дают человеку материал для изготовления бумаги, мебели, построек, деталей транспорта. Важны лесные ресурсы: ягоды, грибы, орехи, лекарственные растения.

В медицинских целях растения использовались издавна. Само развитие ботаники связано с развитием медицины. Учёные, внесшие вклад в развитие ботаники известны и созданием травников, где они описывают основные лечебные свойства представителей флоры. Первые ботанические сады назывались «аптекарскими». Сегодня официальная медицина использует в своей практике более 200 видов растений, а народная до 3000.

Сингапурский ботанический сад фото
Рис. 12. Ботанический сад Сингапура

 

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.