Ботаника — наука о растениях

Предмет ботаники. Ботаника (от греч. botane – растение, трава) – наука о растениях, их развитии, строении, географическом распространении и пр. Она изучает особенности жизнедеятельности растительных организмов, связь растений с условиями их обитания, эволюцию растительного мира, закономерности формирования растительного покрова Земли и многие другие вопросы, так или иначе связанные с царством растений.

Краткая история ботаники. Жизнь человека со времени его появления на Земле связана с миром растений. Растения удовлетворяли его потребности в пище, одежде, строительстве жилищ, врачевании. Первые письменные упоминания об используемых человеком растениях были обнаружены в египетских гробницах в III тыс. до н. э.

Основы ботаники как науки зародились в Древней Греции. Аристотель (384 – 322 до н. э.) признавал существование в окружающем мире неодушевленной и живой природы, которую впоследствии он разделил на царство растений и царство животных. Но «отцом» ботаники стал ученик Аристотеля Теофраст (370 – 286 до н. э.). В своих трудах «Естественная история растений» и «О причинах растений», сохранившихся лишь в виде нескольких фрагментов, он осветил вопросы общей и практической ботаники, физиологии растений, составил первую классификацию растений, разделив их на деревья, кустарники, кустарнички и травы. Он обобщил наблюдения практиков сельского хозяйства и медицины.

Впоследствии в связи с началом мрачного периода Средневековья Греция утратила ведущую роль в развитии культуры и науки. Производство, торговля, наука и культура пришли в упадок. Лишь в конце этого периода очень медленно начал возвращаться интерес к работам древнегреческих мыслителей. Однако только в XV в. началось истинное возрождение естественных наук, чему немало способствовало открытие в Европе первых академий наук, создание ботанических садов, коллекции которых пополнялись за счет торговли с другими странами. В России первый ботанический сад был основан в 1714 г. по указу Петра I в Петербурге. В историю науки он вошел под названием «Аптекарский огород».

В XVI в. появились работы о внутреннем строении растений. Честь открытия клетки принадлежит англичанину Роберту Гуку (1635 – 1703). В 1671 г. почти одновременно в Лондонское Королевское общество поступили работы по анатомии растений итальянского ученого Марчелло Мальпиги (1628 – 1694) и английского исследователя Неемии Грю (1628 – 1671), которых считают основателями этого раздела ботаники.

Большое значение для развития ботаники имели работы шведского ученого Карла Линнея (1707 – 1778), заслуга которого состоит в разработке терминологии, заменившей пространные описания растений, и бинарной номенклатуры, согласно которой название растений состоит из двух слов: названия рода и видового эпитета. Линнею принадлежит и классификация растений, основанная на строении цветка.

В XIX в. успешно развивалась наука о клетке. Русский ученый И. Д. Чистяков (1849 – 1877) впервые описал деление ядра в клетках прорастающих спор плаунов и хвощей.
Важнейшим событием в истории ботаники конца XVIII – начала XIX в. было появление работ по физиологии растений. Работами Дж. Пристли (1733 – 1804), Ж. Ингенхаура (1730 – 1799) было показано, что растение может «очищать» воздух в присутствии света, а в темноте оно дышит, выделяя углекислый газ. Вопросам дыхания растений посвящены работы Ж. Сенебье (1742 – 1809) и Н. Т. Соссюра (1767 – 1845). Наибольшее значение в раскрытии механизма фотосинтеза, роли хлорофилла в этом процессе и наличия двух фаз – световой и темновой – имеют работы Х А. Тимирязева (1843 – 1920). Крупнейшим ученым в области физиологии и агрохимии был Д. Н. Прянишников (1865 – 1948). Широко известны работы по минеральному питанию растений Д. А. Сабинина (1889 – 1951).

Величайшим открытием было описание С. Г. Навашиным (1857 – 1930) двойного оплодотворения у покрытосеменных растений. И. Н. Горожанкин (1848 – 1904) разработал сравнительное онто-, филогенетическое направление в морфологии растений. Яркими представителями созданной им школы были Л. И. Курсанов (1877 – 1954), Л. М. Кречетович (1878 – 1956), К. И. Мейер (1881 – 1965).

Огромный авторитет приобрел академик, человек трагической судьбы Н. И. Вавилов (1887 – 1943), усилиями которого в Ленинграде (ныне Санкт-Петербурге) был создан Всероссийский НИИ растениеводства (ВИР), обладающий богатейшей коллекцией семян. Мировую известность как морфолог, систематик, филогенетик растений имеет наш современник, академик А. Л. Тахтаджян (р. 1910).

Разделы ботаники. На протяжении длительной истории ботаники были накоплены знания не только о строении и особенностях жизнедеятельности растений, но и об их взаимоотношениях с другими организмами и их экологической роли, были разработаны новые технологии и методы исследований. В настоящее время ботаническая наука разделилась на ряд самостоятельных, но одновременно взаимосвязанных дисциплин.

Морфология в широком смысле слова – это наука о строении растений, в узком смысле – наука о внешнем их строении. Анатомия исследует внутреннее строение растений. Из анатомии растений выделилась цитология, изучающая строение клетки. С изобретением электронного микроскопа возможности цитологических исследований значительно расширились. Особое значение приобрела эмбриология растений, изучающая ранние стадии развития растительных организмов. Физиология растений исследует процессы, происходящие внутри растительного организма. Основная задача экологии растений – изучение взаимоотношений организма и среды, приспособлений растения к условиям обитания. Палеоботаника изучает ископаемые остатки растений, что позволяет восстановить историю растительного мира. Геоботаника – наука о растительном покрове Земли, распространении и закономерностях размещения растительных сообществ. Часто в состав геоботаники включают географию растений.

Мы перечислили далеко не все ботанические дисциплины, однако и этого достаточно, чтобы понять, насколько разнообразна и широка современная ботаника. Появление отдельных направлений и дисциплин не привело к их полному обособлению. Напротив, все большую значимость приобретают совместные исследования, многие работы выполняются на стыке нескольких дисциплин. С этой точки зрения ботаника остается единой наукой, отдельные направления которой дополняют друг друга. В настоящее время на развитие ботаники влияют успехи генетики и молекулярной биологии, широко применяются математические, физические и химические методы исследований. Одновременно с развитием фундаментальных ботанических дисциплин развиваются ее прикладные отрасли: растениеводство, лесное хозяйство, фармакология и парфюмерная промышленность. Велика роль ботаники в увеличении продуктивности культурных растений, в решении мировой продовольственной проблемы. Возрастает экологизация ботаники: на первый план выходят такие проблемы, как рациональное использование растительного мира и сохранение его генофонда, защита растений от техногенных и других неблагоприятных факторов.

Значение ботаники в современном мире чрезвычайно велико, что в первую очередь определяется значением ее объекта – растений – в природе и жизни человека.

Значение растений в природе и жизни человека. Зеленые растения играют ведущую роль в современной биосфере. Для того чтобы согласиться с этим утверждением, достаточно вспомнить, что на долю зеленых растений приходится около 99% всей живой биомассы земного шара. Будучи автотрофами, растения выполняют роль продуцентов, создавая практически всю первичную продукцию биосферы. Именно их деятельность определяет возможность существования всего остального живого мира. Насыщение атмосферы кислородом, необходимым для дыхания большинству живых организмов, формирование за счет кислорода озонового слоя, защищающего Землю от избыточного ультрафиолетового излучения, – все это возможно благодаря деятельности растительных организмов. При непосредственном участии зеленых растений сформировалась почва, они же и охраняют почву от разрушения.

В процессе жизнедеятельности растения поглощают из почвы и испаряют в атмосферу огромное количество воды. Так, участок поля, который за сезон дает урожай массой в 2 т, потребляет около 200 т воды. При вырубании лесов вода, попадающая в почву, стекает по ее поверхности, смывая плодородный слой и усиливая эрозию. В экваториальных районах земного шара леса, задерживая и испаряя воду, значительно смягчают климат. Сокращение площади этих лесов может привести к изменению климата и засухам в прилегающих районах.

В зависимости от использования человеком растения раздела от на определенные группы. Растительный рацион человечества обеспечивают хлебные злаки, зернобобовые, овощи и плодовые растения. Широко используются человеком растения, дающие пряности, и масличные растения. Сахар получают из сахарной свеклы и сахарного тростника. Огромное значение в жизни человека имеет древесина, не только и качестве строительного материала, но и как сырье для целлюлозно-бумажной и химической промышленности. Из растений получают дубильные вещества и красители. Широко культивируются эфиромасличные и декоративные растения.

Принципы ботанической классификации. Богатство растительного мира требовало создания строгой классификации, которая должна была помочь разобраться в существующем многообразии растений. Необходимо было создать систему соподчиненных таксонов, отражающую эволюционные взаимоотношения между организмами. Основная систематическая категория, используемая в биологической систематике, – вид. Объединение близких видов составляет род, близких родов – семейство, семейства составляют порядок (в зоологии – отряд), порядки – класс, классы – отдел, которые объединяются в царство. В соответствии с бинарной номенклатурой, предложенной К. Линнеем, название растения состоит из двух латинских слов, первое из которых является названием рода, а второе – видовым эпитетом, например ландыш майский (Convallaria majalis L.). (Буква после видового эпитета обозначает фамилию ученого впервые описавшего вид. В данном примере L. - это первая буква фамилии Линнея.)

В недавнем прошлом существовало условное деление растений на две группы: высшие и низшие. К низшим относили растительные организмы, чье тело не расчленено на вегетативные органы, а органы размножения, как правило, имеют очень простое строение. Этим условиям отвечают разные группы водорослей. В эволюции водоросли появились раньше высших растений, и в настоящее время они очень широко распространены в природе. В ряде экосистем по численности водоросли даже превосходят высшие растения, например в большинстве водных сообществ именно водоросли являются основными продуцентами. Огромная биомасса и высокая репродуктивная способность обусловливают их экологическую значимость.

На протяжении долгого времени к низшим растениям наряду с водорослями относили и грибы. Однако в дальнейшем, после изучения особенностей их строения и размножения, стало ясно, что объединение водорослей и грибов нецелесообразно. В настоящее время термин «низшие растения» не употребляется, а водоросли и грибы представляют собой две разные морфолого-систематические группы. Водоросли – предмет изучения науки альгологии (от лат. alga – водоросль), а грибы – микологии (от греч. mykes – гриб).

Термин «высшие растения» сохраняет свое значение. К высшим растениям относят организмы, у которых тело дифференцированно на отдельные органы, существуют специализированные многоклеточные органы размножения, в жизненном цикле закономерно чередуются половое и бесполое поколения и происходит смена ядерных фаз. Эти признаки характерны для всех споровых и семенных растений, встречаются они также и у некоторых высокоорганизованных водорослей.

Отличительные признаки растений. Существует целый ряд признаков, отличающих растения от представителей животного царства.

Автотрофность. Основное отличие растений – автотрофный тип питания. Растения способны в процессе фотосинтеза самостоятельно синтезировать необходимые органические соединения, используя в качестве источника углерода неорганическое вещество – углекислый газ (CO2), а в качестве источника энергии – свет. Для осуществления фотосинтеза необходим пигмент – хлорофилл, который содержится у высших растений в хлоропластах, у водорослей – в хроматофорах.

Наличие клеточной оболочки. (Оболочку растительной клетки часто называют клеточной стенкой, однако в современной ботанике термин «клеточная стенка» используют только для обозначения той части оболочки, которая ориентирована в пространстве определенным образом, образуя плоские поверхности – «стенки».) Оболочка растительной клетки является продуктом жизнедеятельности протопласта и состоит преимущественно из целлюлозы. Оболочка сохраняет форму клетки, защищает протопласт от внешних воздействий, участвует в поглощении и выведении веществ. Ее наличие – обязательное условие нормального существования клетки. Если клеточную оболочку искусственно удалить с помощью ферментов, то уже через несколько часов клетка начинает образовывать новую.

Осмотический тип питания. В отличие от животных, которые активно заглатывают пищу, растения получают вещества в виде водных растворов, поступающих через клеточную оболочку. Поэтому растению выгодно иметь большую поверхность. Увеличение площади поглощения достигается за счет сильного расчленения тела растения.

Особенности роста. Растения обладают способностью к неограниченному или очень продолжительному верхушечному росту, в отличие от животных, чей диффузный рост прекращается в определенном возрасте (исключение составляют рыбы и некоторые пресмыкающиеся). (Диффузный рост – рост за счет пропорционального увеличения размера всех частей тела.)

Прикрепленный образ жизни. Питание путем всасывания – это причина еще одного свойства растения – их малой подвижности. Безусловно, растения не обладают абсолютной неподвижностью. Лианы, обвиваясь вокруг опоры, перемещаются с одного дерева на другое; подземное корневище, нарастая под землей, дает возможность новым надземным побегам развиваться вдали от исходного материнского растения; листья поворачиваются пластинкой к свету, а многие цветки закрываются на ночь. Среди водорослей много свободно плавающих форм, есть они и среди высших растений (например, водные растения: уруть, ряска, рдест). Однако все эти перемещения не сравнимы по скорости и эффекту с движениями животных.

Особенности расселения. В связи с прикрепленным образом жизни растения приспособились расселяться при помощи семян, спор или специализированных частей их вегетативного тела (луковицы, клубни, выводковые почки и др.).

Вопросы для повторения и задания

  1. Расскажите об истории становления ботаники как науки.
  2. Какие разделы ботаники вам известны? Что они изучают? Каковы современные тенденции развития ботанической науки?
  3. Каково значение растений в жизни человека?
  4. Какие организмы относят к высшим растениям?
  5. Назовите и охарактеризуйте основные отличительные признаки растений.