Введение. Цели и задачи изучения ботаники

Лекция №1

1) Что изучает ботаника?

2) Какова роль растений в природе и в жизни человека?

3) Какие мероприятия по охране природы проводятся в России?

4) Какими нормативными актами в Российской Федерации регламентируется охрана природы?

5) Какое применение находят растения в медицине?

6) На какие дисциплины разделяется ботаника?

7) Какие основные положения клеточной теории?

8) Кто и когда проводил микроскопическое изучение растений?

9) Какие основные структурные единицы растительной клетки? Перечислите органеллы растительной клетки.

10) В чём отличие растительной клетки от животной?

11) Что такое протоплазма? Кто впервые предложил этот термин?

12) Что такое цитоплазма?

13) Какие есть виды пластид?

14) В чём особенности строения пластид?

15) Каковы функции пластид?

16) Митохондрии, какова их роль в клетке?

17) Каковы собенности строения митохондрий?

18) В чём отличие пластид и митохондрий от других органелл клетки?

19) Какие есть теории их происхождения?

20) Клеточное ядро, какова его структура и функции?

21) Что такое нуклеоплазма, хромосома, ген?

22) Каково строение и состав клеточной стенки?

23) Что такое матрикс клеточной стенки?

24) Какие функции выполняет клеточная стенка?

25) Каким изменениям в процессе жизнедеятельности может подвергнуться клеточная стенка?

26) Как в связи с этим изменяются функции клеточной стенки?

27) Что из себя представляют целлюлоза, лигнин, суберин, кутин?

28) Какими реактивами можно обнаружить в клеточной стенке целлюлозу, лигнин, суберин, кутин? Какие при этом наблюдаются эффекты?

Ботаника – наука о растениях, изучающая их строение, жизненные функции, распространение, происхождение, эволюцию.

Фотосинтезирующие растения являются источником жизни на Земле. В год при фотосинтезе преобразуется огромное количество солнечной энергии (3∙10²¹ ккал). Образуется 5,8∙10¹⁰ т органического вещества, в атмосферу выделяется 11,5∙10¹⁰ т кислорода. Растения широко используются человеком как пища и как корм для животных, как источник сырья для хозяйственных нужд, как источник лекарственных средств.

Ботаника разделяется на ряд дисциплин. Морфология – наука, описывающая внешнее и внутреннее строение растений. Макроскопическая морфология (невооружённым глазом) или органография – учение об органах растений. Микроскопическая морфология – цитология (учение о клетке), гистология (учение о тканях), анатомия (учение о внутреннем строении растений), и эмбриология (учение об образовании и развитии зародыша растений). Систематика – классификация растительных организмов. География растений – изучает распределение растений на земном шаре. Геоботаника – наука о растительных сообществах. Экология растений – изучает взаимоотношения растений с окружающей средой. Палеоботаника – воссоздает облик растительности Земли в предшествующие геологические эпохи.

Понятие о клетке и её строении возникло благодаря изобретению микроскопа в 1590 г. голландскими мастерами – братьями Янсен. Впервые увидел и описал клетку английский естествоиспытатель Роберт Гук в 1665 г. Рассматривая в микроскоп тонкий срез бутылочной пробки, Р. Гук обнаружил, что она состоит из многочисленных камер, которые он назвал клетками. В 1671 г. М. Мальпиги, а затем в 1682 г. Н. Грю впервые описали микроскопическое строение органов растений, подтвердив их клеточное строение. В 1676 г. А. Левенгук открыл мир микроскопических растений и описал окрашенные включения в клетках высших растений и водорослей. До XIX в. существовало представление, что основные функции клетки связаны с её стенкой, а содержимому клетки отводилась второстепенная роль. С усовершенствованием микротехники расширялись и познания о внутреннем содержимом клетки. Так, в 1831 г. Р. Браун обнаружил клеточное ядро и описал его как важнейшее образование. В 1839 г. Ян Пуркинье ввёл новый термин «протоплазма», т.е. живое содержимое клетки. Обобщив все накопленные знания о клетке, ботаник М. Шлейден (1838 г.) и зоолог Т. Шванн (1839 г.) сформулировали клеточную теорию, утверждавшую, что клетка есть единая элементарная и функциональная структура всех живых организмов. В 1858 г. Р. Вирхов добавил новое положение к клеточной теории, обосновав принцип преемственности клеток путём деления (каждая клетка происходит из клетки). В течение 350 лет для изучения клетки применялся световой, или оптический, микроскоп. С 1946 г. стали применять электронный микроскоп, разрешающая способность которого почти в 400 раз больше, чем у светового. Это позволило установить тонкую структуру – ультраструктуру – клетки и сделать множество крупнейщих открытий.

Клетка – основная форма организации живой материи, элементарная единица живого организма. Она представляет собой самовоспроизводящуюся систему, которая обособлена от окружающей среды и сохраняет определенную концентрацию химических веществ и одновременно осуществляет постоянный обмен с ней. Клетка как химическая система сохраняет стабильность (гомеостаз) в процессе обмена с окружающей средой. Роль барьера, отделяющего клетку от окружающей среды, играет плазматическая мембрана. Современная клеточная теория включает такие основные положения: все живые организмы имеют клеточное строение; клетка – наименьшая единица живого; все клетки принципиально сходны по химическому составу, строению и набору органелл, используют генетический код для синтеза белков, одинаково регулируют метаболизм, запасают и расходуют энергию; каждая новая клетка образуется в результате деления исходной клетки.

Многообразие форм клеток сводится к двум основным типам. Паренхимные (изодиаметрические многогранники – диаметр их примерно одинаков во всех направлениях, длина превышает ширину не более чем в 2 – 3 раза), например, клетки плодов арбуза, лимона, томата (видны невооруженным глазом). Прозенхимные (вытянутые, длина превышает ширину и толщину в 5 – 100 и более раз), например, волоски хлопчатника, волокна льна.

Растительные клетки характеризуются общностью строения – это эукариотические (имеющие оформленное ядро) клетки. От клеток других эукариотов – животных и грибов, их отличают следующие особенности: наличие пластид (особых внутриклеточных образований), целлюлозопектиновая жесткая клеточная стенка кнаружи от цитоплазматической мембраны, хорошо развитая система вакуолей.

Цитоплазма – обязательная часть клетки, где происходят все процессы клеточного обмена, кроме синтеза нуклеиновых кислот. Основу цитоплазмы составляет матрикс (гиалоплазма). Многообразные функции цитоплазмы выполняют специализированные обособленные образования – органеллы: пластиды, митохондрии, диктиосомы (аппарат Гольджи), микротельца, глиоксисомы, пероксисомы, рибосомы,.

Пластиды – это органеллы, характерные исключительно для растительных клеток. В них происходит первичный и вторичный синтез углеводов. Форма, размер, строение и функции пластид различны. По окраске различают три типа пластид: зеленые – хлоропласты, желто-оранжевые и красные хромопласты, бесцветные – лейкопласты (амилопласты, протеопласты, олеопласты). Возможно взаимопревращение хлоропластов и лейкопластов, и необратимое превращение хлоропластов и лейкопластов в хромопласты. Пластиды окружены двойной мембраной и заполнены матриксом.

Хлоропласты – органеллы фотосинтеза. Хлоропласты большинства высших растений имеют одинаковую форму – двояковыпуклой линзы. Матрикс – бесцветная мелкозернистая строма – пронизан параллельно расположенными дисками – ламеллами. Ламеллы собраны в стопки – граны. Основная масса пигментов хлоропласта (хлорофиллы a,b,g и другие) расположены в мембранах гран.

Лейкопласты – бесцветные округлые пластиды, в которых накапливаются запасные питательные вещества: крахмал – амилопласты, белки – протеопласты, масла – олеопласты. В одном лейкопласте могут (очень редко) накапливаться разные вещества. Лейкопласты могут и не накапливать запасные питательные вещества, например, в секреторных клетках они участвуют в синтезе терпеноидов (эфирных масел).

Хромопласты – пластиды оранжево-красного и желтого цвета, образуются из хлоропластов и лейкопластов в результате накопления в их строме пигментов – каротиноидов. Хромопласты – конечный этап в развитии пластид.

Пластиды и митохондрии принципиально отличаются от других органелл. Они отделены двухмембранной оболочкой и обладают относительной генетической автономностью, связанной с собственным белоксинтезирующим аппаратом ДНК и собственными рибосомами. Предполагается симбиотическое происхождение пластид и митохондрий. Предшественниками хлоропластов могли быть фотосинтезирующие цианобактерии, митохондрий – аэробные бактерии.

Ядро – важнейшая клеточная структура, регулирует всю жизнедеятельность клетки. Структура ядра – ядерная двухмембранная оболочка пронизанная ядерными порами, нуклеоплазма (кариолимфа), хромосомно-ядрыш-ковый комплекс. Хромосомы содержат нуклеиновую кислоту ДНК, отвечающую за наследственность. ДНК эукариот образует комплекс с гистоновыми белками и содержит информационно-функциональные участки – гены. Деление ядра лежит в основе размножения клеток. Внутри ядра находится хорошо заметная округлая структура – ядрышко, в нём происходит синтез рибосомальной РНК (рРНК). В ядре может быть одно или несколько ядрышек.

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА

Клетки растений имеют твердые клеточные стенки, которые придают клетке определенную форму, защищают протопласт, противостоят внутриклеточному тургорному давлению и препятствуют разрыву клетки.

Клеточные стенки, как правило, бесцветные и легко пропускают свет. Через них могут проникать воздух и растворенные в нем низкомолекулярные вещества. В состав стенки входит целлюлоза (клетчатка), гемицеллюлоза (полуклетчатка) и пектиновые вещества. Целлюлоза составляет до 90% вещества клеточной стенки. Она представляет собой полисахарид с эмпирической формулой (С₆Н₁₀О₅)_n – молекулы целлюлозы имеют линейную (нитчатую) структуру и расположенными группировками в пучки – мицеллы. Мицеллы в свою очередь образуют фибриллы, промежуток между ними заполнены основным веществом оболочки (матриксом), состоящим из пектиновых веществ и гемицеллюлозой.

Часто в процессе жизнедеятельности протопласта, клеточная стенка подвергается различным изменениям и приобретает новые химические и физические свойства.

Одревеснение (лигнификация) – отложение в межмицеллярном пространстве лигнина (С₅₇Н₆₀О₁₀). При этом возрастает твердость и прочность, но уменьшается пластичность. Одревесневшая клеточная стенка не теряет способность пропускать воздух и воду с растворенные в ней низкомолекулярными веществами. Протопласт может оставаться живым, хотя обычно отмирает.

Опробковение (суберинизация) – отложение в клеточную стенку очень стойкого жироподобного аморфного вещества – суберина. Опробковевшая клеточная стенка становится непроницаемая для воды и газов. К моменту завершения опробковения, протопласт отмирает.

Кутинизация – отложение кутин – вещества, близкого к суберину, но откладывающийся в поверхностных слоях наружных клеточных стенках и на их поверхностях, образуя при этом пленку (кутикулу), препятствующей испарению воды.

Минерализация – отложение в клеточную стенку солей кальция и кремнезема.

Ослизнение – превращение части целлюлозы и пектина в слизь и камедь (полисахариды, отличающиеся сильным набуханием в воде).

Изменение	Вещество, вызвавшее изменение	Реактив	Наблюдаемый эффект
Утолщение без видоизменения	Целлюлоза	Хлор цинк - йод	Фиолетовая окраска
Одревеснение	Лигнин	Флороглюцин с концентрированной хлорной кислотой Сульфат анилина	Малиновая окраска Желтая окраска
Опробковение	Суберин	Судан – III	Оранжевая окраска
Кутинизация	Кутин	Судан – III	Оранжевая окраска
Минерализация	Кремнезем	Соли кальция, магния и др. - сжигание	Минеральный скелет
Ослизнение	Слизь, камедь	Вода	Набухание