Строение и процессы жизнедеятельности растений - Организменный уровень организации жизни

Растения доят на одно-, многоклеточные и колониальные. В первых метка выполняет все функции целого организма, в колониальных все метки имеют сходное строение и функции. У многоклеточных растений проходит дифференциация меток для выполнения ими определенных функций. Так образуются ткани.

Характеристики растительных тканей представлены в таблице.

Ткань	Особенности строения, функции	Разновидность ткани	Характеристика
Покровная	Располагается на поверхности всех органов растения; выполняет защитную функцию	эпидермис	Первичная покровная ткань расположена на поверхности листьев и молодых зеленых побегах. Состоит из одного слоя живых, плотно соединенных клеток, не имеющих хлоропластов. Наружная поверхность клеток часто покрыта кутикулой или восковым налетом, что является дополнительным защитным приспособлением. В эпидермисе листьев и зеленых стеблей есть устьица, которые регулируют транспирацию и газообмен растения
		пробка	Клетки мертвые, их клеточная стенка пропитана суберином и не пропускает воду и воздух. Образует своеобразный чехол стебля или корня, надежно предохраняет растение от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Для газообмена и транспирации живых тканей, лежащих под пробкой, имеет чечевички — бугорки, внутри которых располагаются крупные клетки с большими межклетниками, заполненными воздухом
Образовательная или мерисистема	Эмбриональные ткани, участвующие в создании всех постоянных тканей и определяющие длительный рост растений. Клетки тонкостенные, многогранные, плотно сомкнуты, с густой цитоплазмой, крупным ядром и очень мелкими вакуолями. Они способны делиться в разных направлениях	первична	Находится в зародыше семени, у взрослых растений сохраняется на кончиках корней и верхушках побегов, что делает возможным их рост в длину
		вторичная	Вторичный рост (разрастание корня и стебля в ширину) обеспечивается вторичной меристемой - камбием
Механическая	Обеспечивает прочность органов растений, составляя каркас, поддерживающий все органы растения. Клетки характеризуются утолщенными и одревесневшими оболочками, отсутствием отверстий в них, плотным соединением	коленхима	Представлена живыми клетками с неравномерно утолщенными оболочками, хорошо приспособленными для укрепления молодых растущих органов. Обычно располагается отдельными тяжами или непрерывным цилиндром под эпидермой молодого стебля и черешков листьев, а также окружает жилки в листьях двудольных
		склеренхима	Состоит из вытянутых клеток с равномерно утолщенными, часто одревесневшими оболочками, содержимое которых отмирает на ранних стадиях. Широко представлена в вегетативных органах наземных растений и является их осевой опорой. Различают два типа склеренхимных клеток: волокна (длинные нити: лубяные или древесные волокна) и склереиды (округлые мертвые клетки с очень толстыми одревесневшими оболочками семенной кожуры: косточки вишни и т. п.)
Основная, или паренхима	Состоит из живых, тонкостенных клеток, которые составляют основу органов. В ней размещены механические, проводящие и другие постоянные ткани	ассимиляционная, или хлоренхима	Клетки содержат хлоропласты и выполняют функцию фотосинтеза. Основная масса этой ткани сосредоточена в листьях, меньшая часть — в молодых зеленых стеблях
		запасающая	В клетках откладываются белки, углеводы и другие вещества. Ткань хорошо развита в стеблях древесных растений, в корнеплодах, клубнях, луковицах, плодах и семенах
		водоносная	Служит для накопления воды, располагается в стеблях и листьях
		аэренхима	Имеет развитую систему крупных межклетников, осуществляет вентиляцию и газообмен
Проводящая	Обеспечивает транспорт воды и растворенных питательных веществ по paстению. Различные типы ткани находятся в тесном взаимодействии, образуя проводящие пучки	ксилема	Водоносная ткань высших сосудистых растений, обеспечивает транспорт воды с минеральными веществами от корней к листьям и другим частям растения (восходящий поток). Также выполняет опорную функцию. Состоит из трахей и сосудов, представляющих собой вытянутые мертвые клетки, стенки которыхпропитаны лигнином (одревесневшие)
		флоэма	Проводит органические вещества, синтезированные в листьях, ко всем органам растения (нисходящий поток). Основой являются живые удлиненные трубки, в которых исчезают ядро и большинство органелл, а жизнедеятельность поддерживается клетками-спутницами

Органы — части высших растений, приспособленные доя выполнения определенных функций. Состоят из нескольких типов тканей. Различают вегетативные (выполнят основные функции питания и обмена веществ с внешней средой) и генеративные (полового размножения) органы. К вегетативным органам относятся: корень, лист и стебель, а к генеративным (у цветковых) — цветок. семя и мод.

Вегетативные органы

Корень — осевой орган высших растений (сосудистых растений). имеющий положительный геотропизм. Служит для закрепления растения в почве и обеспечивает поглощение и проведение воды с растворенными минеральными веществами к стеблю и листьям.

Корни делят на главный (развивается из зачаточного), боковые (развиваются на корнях других типов, служат для разветвления) и дополнительные (развиваются на побегах).

Корни всех типов имеет одинаковое строение. В них выделяют четыре зоны:

• зона деления покрыта корневым чехликом, здесь находится образовательная ткань, деление клеток которой обеспечивает рост корня. Корневой чехлик защищает делящиеся клетки и выделяет вещества, облегчающие продвижение корня в почве;

• в зоне роста клетки растут и приобретают функции, образуя различные ткани;

• поверхностный слой зоны всасывания богат выростами клеток — корневыми волосками. Здесь происходит всасывание воды с минеральными солями;

• наиболее развита зона проведения, через которую происходит транспорт веществ и разветвления корня (развиваются боковые корни).

Строение корня:

1 — корневой чехлик; 2 — зона роста; З — всасывающая зона; 4 — зона проведения

Корни могут выполнять и другие функции: накопление питательных веществ (корнеплоды. корневые клубни), закрепление на опоре (прицепки, присоски), всасывание малодоступных веществ (воздушные, дыхательные корни), поддержание растения в пространстве (ходульные корни) и др. В связи с этим изменяются их форма и строение.

Корневая система — это совокупность всех корней растения, которые формируются в течение всей жизни растения. По степени развития различают стержневую (имеет хорошо развитый главный корень) и мочковатую (главный корень или не выражен, или отмирает, хорошо развиваются придаточные корни) системы.

Побег — надземная часть растения. Его составляющие выполняют свои специфические функции: стебель поддерживает другие части побега, листья образуют органические вещества в процессе фотосинтеза, почки отвечают за рост и размножение растения. Места на стебле, где крепятся листья, называются узлами, расстояние между ними — междоузлиями.

Стебли могут быть травянистыми или древесными. В зависимости от этого они имеют различное внутреннее строение и выполняют разные функции.

Лист состоит из черенка и листовой пластинки. В основании черенка иногда находятся дополнительные листочки — прилистники. Форма листа, его основания, кончика, края имеют систематическое значение.

По наличию или отсутствию черешка листья делятся соответственно на черешковые и сидячие. По количеству листовых пластинок, которые соединяются с черенком, листья делят на простые и сложные. Первые имеют лишь одну, сложные — несколько листовых пластинок. По расположению листочков на черенке сложные листья делят на перистые и пальчатые.

Листья в узлах могут располагаться в разном порядке и разном количестве. Листорасположение служит для более эффективного поглощения падающего на растение солнечного света, уменьшая перекрывание одних листьев другими. Различают поочередное (в каждом узле 1 листок), супротивное (2 листа располагаются напротив друг друга) и кольцеобразное (3 и более листьев).

Лист покрыт эпидермисом, защищающим внутренние ткани, имеет устьица, способен открываться и закрываться, регулируя газообмен и транспирацию. Сверху может находиться кутикула или восковой слой. В толще листа находится ассимиляционная ткань (столбчатая и губчатая). Главная ее функция — фотосинтез. Для снабжения и отвода веществ в листе развиваются жилки, состоящие из проводящих тканей. Выделяют параллельный, дуговой и сетчатый типы жилкования. Жесткость и упругость листьям придают волокна механической ткани.

Почки могут располагаться на верхушках стеблей — верхушечные почки (обеспечивают рост стеблей в длину), в пазухах листьев — пазушные почки (обеспечивают ветвление побегов). Также их делят на вегетативные (из них развиваются новые побеги) и генеративные (органы размножения — цветки).

В связи с выполнением различных функций изменяется строение и форма побегов. Так, запасающие побеги меняются в зависимости от места накопления питательных веществ (клубень-стебель, луковица-листья). Также видоизмененные побеги могут поддерживать растение в определенном положении (усики). защищать от поедания (колючки), участвовать в вегетативном размножении (клубни, луковицы, усы) и т. д.

Внутреннее строение листа:

1 — кожура; 2 — столбчатая паренхима; 3 — губчатая паренхима; 4 — жилка

Питание растений

Для нормального роста и развития растениям нужны вода и минеральные вещества, которые они получают преимущественно из почвы, углекислый газ и кислород — в основном из атмосферы.

Основную часть неорганических веществ растения получают при грунтовом питании. Почва — поверхностный слой суши, характеризующийся естественным плодородием. Почвы образуются при выветривании горных пород и непосредственном участии живых организмов. Состоят из органических и неорганических веществ. Неорганические вещества почвы — это разные по размеру обломки материнской горной породы, содержащие минеральные вещества, воду, газы (N₂, О₂, СО₂, водяные пары и др.). Органические вещества представлены остатками разлагающихся организмов и гумусом (составляет 85-90%). Важной составляющей почвы являются многочисленные организмы (бактерии, грибы и животные).

Плодородие почвы зависит от содержания в ней питательных веществ. Для повышения плодородия вносят минеральные (азотные, фосфорные, калийные, комбинированные) или органические удобрения (навоз. торф, перегной). Кислород в почве необходим для дыхания корней, поэтому нормальное развитие растений возможно лишь при условии достаточного доступа воздуха. Вода с растворенными в ней минеральными веществами поступает из почвы в клетки корневого волоска. Далее по живым паренхимным клеткам она транспортируется в ксилему.

Движение от корня вверх по сосудам обеспечивается корневым давлением и транспирацией.

Фотосинтез — образование из углекислого газа и воды органических веществ с использованием солнечной энергии в основном проходит в хлоропластах ассимиляционной паренхимы листа. Образующиеся органические вещества поступают в флоэму сосудисто-волокнистых пучков и далее направляются к местам использования или запасания. Кроме фотосинтеза, в листьях происходит дыхание — образование энергии при разложении с использованием кислорода органических веществ до углекислого газа и воды. Основные субстраты (СО₂, О₂) лист получает из атмосферы через устьица. Они обеспечивают также удаление остатков воды — транспирацию. Этот процесс (вместе с корневым давлением) обеспечивает постоянный поток воды через растение (от корней к листьям), регулирует водный и температурный режим растений, предотвращает их перегрев. Скорость транспирации зависит от факторов окружающей среды (освещения, температуры, влажности, ветра и др.).

Жизненные циклы растений

В жизненном цикле растений имеет место чередование поколений:

• гаметофит — половое гаплоидное поколение. На гаметофитах развиваются органы полового размножения — гаметангии. У споровых растений они многоклеточные и называются архегониями (женские) и антеридиями (мужские). Гаметы образуются путем митоза. Сливаясь, спермии с яйцеклетками формируют диплоидную зиготу, из которой прорастает спорофит;

• спорофит — бесполое поколение, состоит из клеток, имеющих диплоидный набор хромосом. В специальных многоклеточных органах — спорангиях образуются путем мейоза гаплоидные споры, из которых прорастает гаметофит. У споровых они имеют запас питательных веществ (масла) для прорастания и защитные оболочки со сложной поверхностью (приспособления для распространения ветром, животными и др.). Спорангии имеют приспособления для защиты недозрелых и распространения зрелых спор.

Спорофит и гаметофит совершенно не похожи друг на друга. Как правило, одно из этих поколений существенно превосходит другое — растения этого поколения больше, сложнее устроены, дольше живут и т. п. У мхов преобладает гаметофит, а в других группах высших растений — спорофит.

Генеративные органы цветковых растений

Цветок — это орган полового размножения цветковых растений, является видоизмененным побегом и развивается из генеративной почки. Обеспечивает формирование семян (из которых прорастают новые растения) и плода (обеспечивает защиту и распространение семян).

Цветок сидит на цветоножке, которая расширяется в цветоложе. К нему крепятся чашелистики, образующие чашечку и венчик из лепестков. В центре цветка находятся органы размножения растения — пестик и тычинки, у некоторых растений у основания цветоножки крепятся листочки — прицветники, у других цветки сидят непосредственно на стебле и называются сидячими.

Строение цветка:

1 — цветоножка; 2 — цветоложе; 3 — чашелистики; 4 — лепестки; 5 — тычинки; 6 — пестик

Важным признаком для определения растений является количество различных частей цветка. Их число записывают в формулу цветка. Заглавными буквами обозначают различные части цветка (Ч — чашелистики, Л — лепестки и т. д.), индексами рядом обозначают количество, если количество превышает 10-12, то обозначают знаком ∞. Если части цветка срослись, то индекс берут в скобки. Так, формула цветка вишни будет выглядеть так: Ч₅Л₅Т₅П₁.

Пестик — это женский орган размножения растений. Совокупность пестиков называется гииецей. Состоит из завязи, столбика и рыльца. Рыльце служит для улавливания пыльцы, а столбик соединяет его с завязью, в которой содержатся семязачатки с зародышевыми мешками. Покровы семенных зачатков на верхушке не срастаются, образуя пыльцевход. Из семенного зачатка формируются семена, а из завязи — околоплодник.

Тычинки состоят из тычиночной нити и пыльника. Каждый пыльник состоит из двух половинок, в каждой из которых 2 пыльцевых гнезда. Здесь формируются пыльцевые зерна. Они могут быть разной формы (округлые, удлиненные). с различной поверхностью (шероховатой, морщинистой и др.). Совокупность всех тычинок цветка называется андроцей.

Если в цветке находится только пестик (один или несколько), его называют женским, если только тычинки — мужским. Растения делятся на однодомные (разнополые цветки располагаются на одном растении) и двудомные (на разных). Цветки могут располагаться одиночно или собираться в соцветия. Типы соцветий представлены на рисунке.

Плод — орган размножения покрытосеменных растений. Он состоит из семян и околоплодника, который защищает семена от повреждений, высыхания и способствует их распространению. Околоплодник имеет три слоя: наружный — кожица, средний, который может быть сочным или сухим, и внутренний, чаще имеет вид пленки, но иногда древеснеет, формируя косточку. По строению околоплодника плоды делятся на сухие и сочные, односеменные и многосеменные.

Типы соцветий:

1 — кисть; 2 — простой колос; 3 — початок; 4 — зонтик; 5 — головка; б — корзинка; 7 — щиток; 8 — сложный зонтик; 9 — сложный колос

Типы плодов:

1 — сборная костянка; 2 — ягода; 3 — костянка; 4 — яблоко; 5-7 — семянки; 8-10 — коробочки; 11 — листовка; 12 — боб; 13 — желудь; 14 — крылатка; 15 — стручочек; 16 — стручок

Семя — генеративный орган семенных растений, состоящий из зародыша и запаса питательных веществ. Развивается из семенного зачатка. Зародыш состоит из зародышевого корешка, дает начало главному корню, и зачаточного стебля с почкой.

Покрытосеменные подразделяются по количеству семядолей на однодольные (единственная семядоля — щиток транспортирует питательные вещества эндосперма к зародышу при прорастании) и двудольные (питательные вещества находятся в самом зародыше, в зародышевых листках, которые и являются семядолями). Сверху семя покрыто защитной кожицей, которая может срастаться с внутренним слоем околоплодника (зерновка).

Строение семян однодольных (А) и двудольных (Б):

1 — кожура; 2 — эндосперм; 3 — щиток (семядоля); 4 — зародыш; 5 — семядоля двудольных (вторая удалена)

Размножение семенных растений

Семенные растения размножаются половым и бесполым путями. Бесполое размножение у большинства происходит вегетативно — это образование новой особи из части родительской. В eraоснове лежит способность растений к регенерации — восстановлению организма из части. Вегетативное размножение способствует значительному увеличению числа особей и расселению их в природе.

В таблице представлены некоторые структуры, используемые для вегетативного размножения, и их краткое описание.

Отводки	На низко расположенных ветвях дерева (кустарника) при контакте с почвой в узлах формируются корни и побеги	виноград, смородина
Усы	В узлах ползучих побегов развиваются вертикальные побеги и придаточные корни	клубника
Корневища	Горизонтальные побеги, при разделении которых на части из каждой развивается новый организм	ландыш, пырей
Выводковые почки	Формируются в пазухах листьев, на их краях или жилках. Это небольшие растеньица с корнями и побегами на материнском организме	лилия, бриофилюм
Клубни	Подземные органы вегетативного размножения» которые формируются на столонах, имеют почки и запас питательных веществ для прорастания	картофель
Черенкование	Использование вегетативных органов — черенков, на которых из раневых меристем формируются придаточные корни. Различают стеблевые, листовые и корневые	виноград (стеблевое), бегония (листовое), малина (корневое)
Прививки	Сращение растения с корнем — подвоя, и части другого растения (почки, глазки и т. д.) — привоя	позволяет сочетать качества обоих растений (культурные сорта прививаются на более выносливые дикорастущие растения)
Клональное микроразмножение	Воспроизведение целого организма из клеток верхушечной меристемы или иных тканей	позволяет получать из небольшого участка растения большого количества клонов

Способность растений к вегетативному размножению издавна применяется в садоводстве, овощеводстве, лесоводстве. При вегетативном размножении наследуются признаки материнского организма, в селекционной работе и в сельском хозяйстве его используют для сохранения ценных сортов культурных растений и для быстрого повышения их урожайности.

Половому размножению предшествует опыление - перенос пыльцы с пыльников на рыльце пестика. Такой перенос может осуществляться в пределах одного цветка — самоопыление, или между разными цветками — перекрестное опыление. Перекрестное опыление осуществляется с помощью ветра (анемофилия), воды (гидрофилия) или животных (зоофилия). Опыление насекомыми привело к формированию ярких цветков с нектарниками. Ветроопыляемые растения цветут до появления листьев, что облегчает опыление (осина, лещина и др.), характеризуются плохо развитым околоцветником и формированием большого количества пыльцы.

Оплодотворение — слияние мужской и женской половых гамет, дает начало новому организму. После попадания пыльцы на рыльце пестика происходит ее прорастание с образованием из вегетативной клетки пыльцевой трубки. 2 спермия продвигаются по пыльцевой трубке и через пыльцевход (микропиле) попадают в зародышевый мешок. Один спермий сливается с яйцеклеткой, образуя диплоидную зиготу, из которой позже развивается зародыш семени. Второй спермий сливается с центральным диплоидным ядром, образованная триплоидная клетка дает начало эндосперму. Этот процесс называется двойным оплодотворением. Открыт он был С. Г. Навашиным в 1898 г.

Раздражимость и рефляция жизнедеятельности растений

Растение — целостная система, ее отдельные составляющие (ткани и органы) взаимосвязаны и влияют друг на друга. Повреждения и нарушения структуры и функций одной части растения влияет на все остальные. Незначительные повреждения могут вызвать изменения всего организма растения (при повреждении конуса нарастания активизируются боковые меристемы). 8 единое целое объединяют организм растения системы рефляции.

Электрофизиологическая регуляция связана с передачей электрического импульса. Медленные изменения разности потенциалов между частями растений могут влиять на физиологические процессы, рост, некоторые движения растений. Так, освещение верхушки побега вызывает импульс, ускоряющий поглощение минеральных веществ в корнях.

Гуморальная регуляция у растений осуществляется с помощью фитогормонов, которые подразделяют на 5 классов: 3 класса, стимулирующие определенные процессы (ауксины, цитокинины и гиббереллины) и 2 класса с тормозными свойствами (абсцизины, этилен).

Растениям присуща раздражимость. Она проявляется в виде двигательных и ростовых реакций. Тропизмы — ростовые реакции, вызывающие сгибание растения вследствие ускоренного роста клеток на одной стороне побега или корня. Таксисы — активное движение, характерное для одноклеточных организмов, в том числе для растений, которые имеют органы движения (реснички, жгутики). Тропизмы и таксисы разделяют на позитивные (в сторону стимула) и отрицательные (от него). Настии — более быстрые движения растений, которые не зависят от направления воздействия вследствие изменения внутриклеточного давления и изменения формы клеток. Могут вызываться электрическими импульсами или фитогормонами.