Развитие ботаники и дендрологии

Лекция № 1

Введение. Развитие ботаники и дендрологии.

1. Понятие о ботанике и дендрологии. Разделы ботаники.

2. Значение растений в природе и жизни человека.

3. Развитие ботаники и дендрологии.

1. Ботаника – сложная система научных дисциплин, изучающих растительный мир во всем его богатстве форм и жизненных проявлений. Ботаника входит в состав биологии – науки о живых существах, о жизни во всех ее проявлениях.

Ботаника – наука о растениях. Слово «ботаника» произошло от греч. Слова «ботанэ», что в переводе означает растение, трава.

Все живые существа обнаруживают между собой фундаментальное сходство. В них найдены только те химические элементы, и только те формы энергии, которые имеются в окружающей их неживой среде, т.е. все живые существа возникли естественным путем из неживой природы. Фундаментальное сходство всех живых организмов проявляется и в том, что основу живого тела составляют белки и нуклеиновые кислоты, определяющие важнейшие свойства жизни – обмен веществ и самовоспроизведение.

Общая характерная особенность всех живых существ – постоянный обмен веществ с внешней средой. Он складывается из двух противоположных, но неразрывных процессов: 1. Организм поглощает вещества извне и строит (синтезирует) из них вещества, подобные тем, которые входят в состав его тела (процесс ассимиляции, уподобления); 2. В организме постоянно идет распад и отчуждение веществ (процесс диссимиляции).

Рекомендуемые материалы

Наряду с потоком веществ через организм проходит поток энергии. Для синтеза различных органических соединений организм затрачивает энергию. Источник этой энергии может быть двояким: или энергия освобождается в процессе распада других органических веществ при диссимиляции (например, при дыхании), или энергия добывается извне (например, лучистая энергия солнца при фотосинтезе).

Важное отличие растений от животных и грибов – наличие у большинства видов пигментов зеленого цвета – хлорофилла (греч. хлорос – зеленый, филлон - лист) и способность к фотосинтезу.

В процессе фотосинтеза, во-первых, лучистая энергия солнца поглощается и преобразуется в скрытую энергию химических связей. Во-вторых, за счет этой энергии зеленые растения, воспринимая из окружающей среды воду с растворенными в ней неорганическими соединениями и углекислый газ, производят первичный синтез органических веществ. Эта особенность позволяет назвать зеленые растения автотрофными (греч. автос – сам; трофе - пища) организмами. Их также можно назвать фототрофными организмами, поскольку они используют энергию солнечных лучей.

Органические вещества, возникшие в процессе фотосинтеза, используются растением в двух направлениях: как исходный материал для построения более сложных веществ, входящих в состав живого тела, и как источник энергии, которая освобождается в процессе дыхания.

Животные не способны к синтезу органических веществ непосредственно из неорганических (они получают их с органической пищей). Они питаются уже готовыми органическими веществами, перерабатывая их в вещества своего тела (т.е. ассимилируя их) и используя связанную в них энергию. Поэтому их называют гетеротрофными (греч. гетерос - другой) организмами. Кроме животных к гетеротрофным организмам относятся также грибы, бактерии и некоторые другие бесхлорофилльные организмы. Некоторые бактерии способны к автотрофному питанию, но при этом они чаще всего используют энергию химических процессов (хемосинтез) и лишь очень немногие способны к фотосинтезу.

Таким образом, только зеленые (фототрофные) растения накапливают на нашей планете запасы связанной («консервированной») энергии и органических веществ и обеспечивают существование остальных живых существ.

Взаимодействие живых организмов на Земле выражается не только в том, что растения связывают солнечную энергию, и создают органические вещества, а животные их потребляют. Между растениями, животными и микроорганизмами существуют глубокие, взаимные связи, выражающиеся в круговороте веществ на Земле. В процессе фотосинтеза растения выделяют свободный кислород, используемый при дыхании животными и самими растениями. С другой стороны углекислый газ, выделяемый в процессе дыхания, делает возможным фотосинтез. Постоянство содержания в атмосфере О₂ и СО₂ объясняется непрерывностью и взаимосвязанностью процессов созидания органических веществ и их разрушения (при процессах дыхания, брожения и гниения).

Элементы минерального питания находятся в природе также в состоянии непрерывного круговорота. Они всасываются корнями растений из почвы и включаются в состав живых растений. Растениями питаются животные. Трупы растений и животных разрушаются гетеротрофными гнилостными организмами (бактериями, грибами) и минерализуются. Таким образом, бактерии и грибы играют важную роль в общем круговороте веществ.

Живые организмы, связанные между собой и с окружающей средой в процессе круговорота веществ, сосредоточены в поверхностных слоях Земли (суши и водных пространств) и в нижних слоях атмосферы. Они образуют почти непрерывную «пленку жизни».

Разделы ботаники. В настоящее время существует обширный комплекс биологических наук, исследующих растения. Старейшие ботанические разделы – морфология, систематика и анатомия растений.

Морфология (греч. морфа – форма; логос – слово, учение) изучает внешнее строение растений. Этот раздел можно также назвать структурной ботаникой.

Анатомия (греч. анатомео - разрезаю) растений – внутреннее строение растений.

Систематика растений изучает классификацию и филогению. Систематика растений ставит перед собой несколько целей. Прежде всего необходимо описать все существующие виды. Эти виды должны быть классифицированы, т.е. распределены по более крупным таксономическим (греч. таксис – расположение по порядку; номос - закон) группам (таксонам) – родам, семействам, порядкам, классам и отделам. Главная задача систематики – восстановление путей эволюционного развития растительного мира.

Восстановлению хода эволюционного развития растений помогает палеоботаника (греч. палайос - древний), которая изучает виды растений, существовавшие в далекие геологические времена и вымершие, но дошедшие до нас в виде окаменелостей и отпечатков в горных породах.

Эмбриология (греч. эмбрион - зародыш) растений изучает закономерности образования и развития их зародыша.

Физиология растений исследует жизненные процессы, присущие растениям (фотосинтез, дыхание, рост, развитие и пр.). Она широко использует методы физики и химии. От физиологии обособились биохимия и биофизика растений.

Фитоценология изучает растительные сообщества – фитоценозы (греч. фитон – растение; койнос - общий). Под фитоценозом понимают совокупность растений, исторически приспособившихся к совместному существованию на определенной территории.

С фитоценологией тесно связана флористика, главная задача которой заключается в составлении флор. Под флорой понимают список всех видов, обитающих на определенной территории.

География растений изучает закономерности распространения растений на Земле.

Геоботаника изучает особенности распространения растительных сообществ в связи с теми или иными местообитаниями.

Экология (греч. ойкос - дом) растений изучает их взаимоотношения со средой обитания и другими организмами. Все разделы ботаники должны носить экологический характер. В соответствии с этим выделяют экологическую морфологию, экологическую анатомию, экологическую физиологию и т.д. Экология использует методы наблюдения, описания и эксперимента.

К прикладным ботаническим наукам можно отнести ботаническое ресурсоведение, рассматривающее рациональное использование растений человеком, фитоэргономику – науку на стыке ботаники и медицины, изучающую использование растений для повышения работоспособности человека.

В пределах каждого из разделов ботаники в зависимости от объектов и методов их изучения, лекарственного, пищевого или какого-либо другого практического потребления выделяют ряд ботанических дисциплин. Например, в пределах анатомии растений – гистологию (греч. гистос - ткань) растений, исследующую растительные ткани и их распределение в органах растений, цитологию (греч. китос, цитос – сосуд, клетка), изучающую строение и жизнедеятельность клеток, гистохимию, которая с помощью микроскопа и химических реакций устанавливает распределение веществ в клетках и тканях, палинологию (изучение пыльцы) и др.; в пределах морфологии растений – карпологию (изучение плодов); в пределах экологии растений – популяционную экологию (изучение популяций какого-либо вида растений) и т.д.

Существуют разделы ботаники, где изучаются отдельные группы растений: альгология исследует водоросли, бриология – мхи, птеридология – папоротники, лихенология – лишайники и др.

Есть и другие разделы прикладной ботаники. Например, объектом фитопатологии служат болезни растений и их возбудители, фитотерапии – способы лечения различными растениями, дендрологии – деревья и кустарники и т.д.

Дендрология – это общие сведения о древесных растениях, лесоводственных свойствах древесных пород и их народнохозяйственном значении.

На Земле насчитывается около 500 тыс. видов растений. На основе вегетативного строения растения подразделяются на две группы: низшие и высшие. Низшие растения не дифференцированы на органы и ткани. Высшие – расчленены на отдельные части – органы. Каждый орган растения выполняет определенные жизненные функции. В зависимости от их функций органы растений объединяются в две группы: вегетативные (корень, стебель, лист и все их видоизменения - метаморфозы) и генеративные (цветок, плод и семя) органы. При помощи вегетативных органов у растений осуществляется процесс питания, индивидуального развития и вегетативного размножения. С помощью генеративных органов происходит половое размножение растений.

Древесные растения (высшие) относятся к двум отделам растительного мира: голосеменные и покрытосеменные.

Голосеменные растения имеют открытые, незащищенные семяпочки, из которых образуются семена. Наиболее распространенными голосеменными растениями являются хвойные. Ветвление у них в основном моноподиальное. Древесина почти целиком состоит из трахеид. Листья у большинства игольчатые.

Покрытосеменные растения характеризуются цветками, составной частью которыхявляется пестик, нижняя часть его – завязь, в которой развиваются семяпочки (зародыши семян). Семяпочки у покрытосеменных располагаются не открыто, как у голосеменных, а в нижней, расширенной части пестика – завязи. Семена развиваются под защитой околоплодника, поэтому они и получили название покрытосеменные.

Почти на 1/3 суши земного шара произрастают древесные и кустарниковые породы. Распределены они по отдельным районам мира неравномерно. Эта неравномерность объясняется климатическими условиями. В некоторых районах лесообеспеченность достигает 200 га и более на 1 чел. В Монголии на 1 чел. Приходится 10,5 га лесов, в Канаде – 22,2 га. Имеются страны (Ближний Восток, Северная Африка, Китай, Южная Азия), где лесов очень мало. В их распределении отмечается закономерность – в странах с умеренным климатом, а также в экваториальных районах мира лесистость обычно высокая; в северных холодных или сухих и жарких южных районах она низкая.

Из общего запаса древесины в лесах мира 41 % приходится на хвойные насаждения, сосредоточенные преимущественно в умеренной зоне северного полушария. Около 7 % хвойных насаждений размещено в Европе и Тихоокеанском бассейне (Австралия и Океания) и более 10 % во всех других районах. Лиственные леса занимают около 2,5 млрд.га, или 2/3 площади лесов земного шара. На Южную Америку приходится более ¾ лиственных лесов, а остальная часть их располагается в Европе и Юго-Восточной Азии.

Тропические леса составляют около 1 млрд.га с общим запасом древесины в них около 125 млрд.м³. Их особенностью является то, что почти в течение круглого года большинство деревьев и кустарников поглощают углекислоту и пополняют атмосферу кислородом. Однако эти леса стали интенсивно вырубать в целях удовлетворения спроса на древесину.

2. Растения – основные продуценты органического вещества и кислорода на планете. В результате фотосинтеза они ежегодно создают 4*10¹¹ т биомассы.

В океане (в основном в составе фитопланктона) 40*10¹² кг углерода в год фиксируется в виде СО₂. Большая часть его затем высвобождается при дыхании. На суше в результате фотосинтеза фиксируется 35*10¹² кг СО₂ в год; при дыхании растений и животных выделяется 10*10¹² кг углерода в год; при дыхании редуцентов - 25*10¹² кг углерода; при сжигании ископаемого топлива высвобождается 5*10¹² кг углерода в год.

Растения – основной компонент всех фитоценозов и соответственно – биогеоценозов. Они участвуют в геохимических круговоротах веществ в природе, круговоротах углерода, кислорода, азота, серы, фосфора, воды и играют существенную климатообразующую роль. Растительность благотворно влияет на состав и структуру почвы, противостоит ее эрозии.

Для жизни человека растения имеют немаловажное значение. Во-первых, многие растения идут в пищу. В растениях содержится большое количество питательных веществ, витаминов, необходимых человеку. Кроме пищи некоторые растения служат сырьем для изготовления одежды. Древесина используется как строительный материал, а также идет на изготовление мебели, крепежного материала для шахт и др. Некоторые растения содержат дубильные, красильные, лекарственные и другие ценные для человека вещества.

Лес влияет на окружающую среду, изменяет микроклимат, участвует в почвообразовании, регулирует водный режим почвы и воздуха, ослабляет радиацию, охраняет фауну и микромир, участвует в круговороте веществ.

Лесные насаждения предохраняют жителей городов и сел от пыли и вредных газов, дыма и копоти, от шума транспорта и других неблагоприятных факторов.

Слово рекреация означает отдых или восстановление сил человека, израсходованных им в течение рабочего дня или другого периода времени. Общепризнано, что для большинства людей лучшими условиями отдыха являются леса.

3. Хотя много разнообразных и полезных сведений о растениях было накоплено первобытными народами, а затем в древних государствах Индии, Египта, Передней Азии и Китая, обладавших уже письменностью, но все же первое письменное обобщение знаний о растениях и, следовательно, возникновение ботаники как науки связывают с трудами греческого ученого Теофраста (372-287 гг. до н.э.), который оставил несколько книг, специально посвященных растениям.

Дальнейшее развитие ботаники в античной Греции и в Риме шло под влиянием потребностей земледелия и медицины. В связи с этим важно было научиться различать полезные и вредные растения по внешним признакам, и это определило начало морфологии.

В XVII в. зарождаются физиология и анатомия растений. Ван Гельмонт (1577-1644), пытаясь выяснить, откуда растение берет вещества для построения своего тела, провел опыт с выращиванием ветки ивы. Не имея представления о воздушном питании (фотосинтезе), Ван Гельмонт пришел к неправильному выводу, что растение строит тело из воды.

Английский физик Роберт Гук (1635-1703) усовершенствовал микроскоп и применил его к изучению различных мелких предметов, в том числе и частей растений. В 1665 г. он впервые опубликовал описание клеточного строения растений и ввел термин «cellula» - клетка. Почти вслед за ним (с 1671 по 1682 гг.) итальянец Марчелло Мальпиги (1628-1694) и англичанин Неемия Грю (1641-1712) одновременно и независимо друг от друга опубликовали сочинения, положившие начало анатомии растений. Они не только описали клетки и ткани различных органов, но и пытались выяснить значение этих структур. Мальпиги поставил ряд опытов с кольцеванием стеблей и пришел к ясному представлению о передвижении веществ в двух направлениях. Еще более точное описание того, как передвигаются вещества в растении, дал в 1727 г. англичанин Гельс (1677-1761). Свои выводы он обосновал рядом проведенных экспериментов, и поэтому его можно назвать основателем экспериментальной физиологии растений. Как наука физиология растений оформляется окончательно лишь в конце XVIII в., после выяснения сущности фотосинтеза. Вплоть до XIX в. господствующим направлением в ботанике оставалась систематика. Мышление ученых было метафизическим, т.е. вещи и явления они рассматривали неизменными и независимыми друг от друга, созданными богом в законченном виде, отрицали какое-либо поступательное развитие.

Систематика и описательная морфология XVIII в. достигли высшего выражения в трудах шведского ботаника Карла Линнея (1707-1778). Линней значительно улучшил морфологическую терминологию. Он разработал и последовательно применил в своих трудах двойную (бинарную) номенклатуру, согласно которой каждый вид обозначается двумя словами (первое слово – название рода, второе – видовой эпитет).

Морфология XVIII в. пытается выяснить и общие законы образования растительных форм. В 1759 г. К.Ф.Вольф (1733-1794) описал возникновение органов в кончике побега. Немецкий поэт и естествоиспытатель И.В.Гете (1749-1832) в 1790 г. заложил основы новой дисциплины – теоретической морфологии растений.

В XIX в. оформились или возникли новые разделы ботаники – физиология и анатомия растений, эмбриология, география, экология и геоботаника, учение о водорослях, грибах и других низших организмах, палеоботаника и т.д. Именно в XIX в. ботаника приняла современный вид. Во всех ее разделах был накоплен громадный фактический материал.

В XIX в. были созданы обобщающие теории – теория клеточного строения организмов и теория эволюционного развития.

Сущность теории клеточного строения организмов заключается в том, что все растения и животные состоят из клеток, представляющих собой структурные элементы жизни, и каждый организм начинает развитие из одной клетки.

М. Шлейден (1804-1881) в 1838 г. установил, что клетка является универсальной структурной единицей в теле растений, а в следующем году Т.Шванн (1810-1882), проведя колоссальную работу по изучению животных тканей, распространил эту теорию на все живые существа.

"52. Характеры героев трагедии" - тут тоже много полезного для Вас.

Клеточная теория направила внимание биологов на тщательное изучение клетки, его содержимого. До XIX в. оболочку считали важнейшей частью растительной клетки, но в 30-40-х гг. XIX в. выяснили, что носителями жизни являются ядро и протоплазма. В 1859 г. Р.Вирхов сформулировал принцип преемственности в возникновении клеток. В 70-х годах была показана преемственность в возникновении ядерных структур (хромосом). Оформилась биологическая наука – цитология.

Работы Э.Страсбургера, Ф.ван Тигема, Э.Джеффри легли в фундамент эволюционной анатомии и эволюционной морфологии.

В 1849-1851 гг. В.Гофмейстер (1824-1877) подробно описал циклы развития споровых и семенных растений и доказал их принципиальное сходство. Были исследованы процессы оплодотворения у растений и образования зародышей. В самом конце XIX в. С.Г.Навашин (1857-1930) описал явление двойного оплодотворения у цветковых растений.

Ботаническая география, экология и фитоценология зародились и оформились в XIX в. В самом начале века А.Гумбольд (1769-1859) заложил основы географии растений, а в конце В.В.Докучаев (1846-1903) и его ученики разработали учение о природных зонах. Также к концу XIX в. были определены положения фитоценологии и экологии.

В XX в. крупных успехов достигли экспериментальные разделы биологии (физиология, биохимия, микробиология, генетика). Было расшифровано молекулярное строение хлорофилла, белков, нуклеиновых кислот.

Электронная микроскопия, биохимия и биофизика породили новую науку – молекулярную биологию.