3. Развитие растений в геологической истории Земли

По данным современной науки, первоначально жизнь возникла в водной среде – в Мировом океане. Это были примитивные формы жизни – доклеточные, предъядерные, а также ядерные-одноклеточные, затем появились более совершенные – многоклеточные. Эволюционный процесс в водной среде проходил медленно, т.к. условия жизни в Мировом океане однообразны и постоянны. С тех пор в водной среде «законсервировались» сине-зеленые и зеленые водоросли.

Историю развития Земли принято изображать в виде следовавших друг за другом геологических эр. Таких эр насчитывают 6: катархейская (древнейшая), архейская (древняя), протерозойская (первичная жизнь), палеозойская (древняя жизнь), мезозойская (средняя жизнь), кайнозойская (новая жизнь). В пределах каждой эры выделяют геологические периоды. Каждая эра характеризуется своими осадочными породами, окаменелыми остатками и отпечатками животных и растений, населявших нашу планету в отдаленные времена.

В точности не известно, когда появились первые растительные организмы на Земле, их остатки бесследно исчезли. Жизнь на нашей планете возникла в архейской эре, т.е. около 3,3 млрд. лет назад.

Существование бактерий в этот период установлено на основании нахождения особых трубочек с вкраплениями оксида железа, это слизистые чехлы колониальных бактерий, они принадлежат к роду, представители которого живут и сейчас под названием железобактерий. Тогда же существовали и сине-зеленые водоросли – первые автотрофные растения, содержащие хлорофилл. Продолжительность эры – 2500 – 3500 млн. лет

Палеозойская эра длилась 360 млн. лет. Рассмотрим периоды палеозойской эры.

В Кембрийский период бактерии, сине-зеленые, красные водоросли.

В Силурийский период существовали многоядерные зеленые, бурые, красные водоросли. Появились первые растения суши – псилофиты. Они образовывали первые береговые ковры зеленого цвета. Возможно существовали и грибы, но их остатки не дошли до нас.

Девонский период – эпоха массового эволюционного выдвижения наземных растений. С середины этого периода начали развиваться плауновые, папоротники, хвощи, произошедшие от псилофитов. Появились новые тенистые леса. Их остатки дали первые угленосные породы, значительные накопления торфа. Доказано появление грибов.

В каменноугольный период огромные пространства богато увлажненной почвы были покрыты зарослями папоротников, хвощей, плаунов. Верхний ярус этих лесов достигал высоты 40м. Эти леса дали человечеству ценный источник энергии – каменный уголь. В Брянской области, на севере Жуковского района найдены отложения каменноугольного периода. Появились насекомые.

Пермский период характеризуется появлением и развитием хвойных деревьев, развитием семенных папоротников. Южное полушарие в этот период подверглось оледенению.

Мезозойская эра разделяется на три периода, она длилась 140млн. лет.

В Триасовый период климат стал более засушливым и солнечным, каменноугольная флора стала вымирать, саговниковые и другие голосеменные растения завоевали все части света.

В Юрский период широко распространены голосеменные. Гинкговые были представлены крупными деревьями. Сейчас сохранился один вид – гинкго двулопастный. Одно дерево есть в Брянске в Ботаническом саду, куда мы пойдем на полевой практике. Существовали родоначальники цветковых растений – баннетиты, кейтонии. Вымерли семенные папоротники. Появились диатомовые водоросли.

В меловом периоде существовали обширные хвойные леса. Беннетитовые вымерли. На границе Юры и Мела появляются цветковые растения. Широко распространились магнолии, тюльпановые деревья, какины, лавры, пластаны, эвкалипты, фикусы, боярышники, виноград, тополи, ивы, буки и др., - древовидные однодольные, особенно пальмы. Из травянистых сначала появились водные растения (кувшинки, частуховые), а затем сухопутные.

Кайнозойская эра продолжается и в настоящее время. Она разделяется на два периода.

Третичный период отличается теплым климатом и пышным развитием растительности. Тогда определились две обширные ботанико-географические области северного полушария – Голарктическая и Пантропическая. Голарктическая флора сформировалась в условиях умеренного климата. Кроме указанных для мелового периода видов в лесах преобладали гигантские секвойи, таксодиумы, гинкго, вечнозеленые дубы, некоторые пальмы. Хвойные деревья образовали пласты ископаемых смол (янтаря). Европа, Азиатская часть России и СНГ были покрыты лесами. Пантропическую флору представляли крупные древесные породы: фикус, хлебное дерево, лавры, гвоздичное дерево, авокадо, множество лиан. Лес как природный ландшафт нашел свое отражение в третичном периоде. В конце третичного периода произошло похолодание, возникли лесостепи и степи.

Четвертичный период характеризуется резким увеличением количества осадков и понижением температуры. Это привело к оледенению. Остатки этих великих оледенений сейчас известны как Арктика и Антарктида. Четвертичный период разделяют на две эпохи: плейстоцен (ледниковая) и голоцен (послеледниковая). В Северной Америке и в крайней части Восточной Азии тропическая теплолюбивая растительность имела возможность отступить на юг, и потом вернуться назад при отступлении ледника. Оледенения не было на Аляске и в Северо-восточной Азии, где шло формирование новых северных видов. В Европе и Западной Азии отступление растений на юг было ограничено расположенными вдоль широт горными массивами Пиренеев, Альп, Кавказа, Гималаев и эта растительность погибла. Эпоха оледенения способствовала возникновению холодоустойчивой флоры, в составе которой главной место занимали травянистые и кустарниковые виды, холодостойкие хвойные и лиственные деревья. После отступления ледников в южной части Европы и Западной Азии лес сменился степью, полупустыней и пустыней.

Четвертичный период связан с появлением человека, с развитием культурной растительности, которая по воле человека постепенно вытесняет естественную, дикорастущую. Кроме того, многие районы в результате действия антропогенного фактора стали более засушливыми, растительность в них обеднела. Экологические проблемы человечество рождало уже на заре своего появления. И от вашей педагогической деятельности в большой мере зависит их благополучное разрешение.

Значение растений в природе и жизни человека. Растения — ос­новные продуценты органического вещества и кислорода на пла­нете.

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 также имеют немаловажное зна­чение. Во-первых, многие растения идут в пищу. Это хлебные зла­ки, зернобобовые, овощи, плодовые растения, масличные, пря­ные и многие другие. В растениях содержится большое количество питательных веществ, витаминов, необходимых человеку. Кроме пищи некоторые растения служат сырьем для изготовления одеж­ды (прядильные или волокнистые). 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.

Лекция 2. Растительные клетки и ткани.

1. Строение растительных клеток.

2. Образовательные и основные ткани.

3. Покровные и механические ткани.

4. Проводящие ткани.

Растения, как и животные, имеют клеточное строение. Впервые клетка была открыта английским ученым Робертом Гуком в 1665 г.

Строение клетки. При рассматривании клеток под микроскопом можно заметить, что все клетки характеризуются общностью в своем строении. Все компоненты клетки можно разделить на две группы: а) протопласт; б) клеточная оболочка. Протопласт включает в себя все живые компоненты клетки—органеллы (органоиды). Протопласт является основой клетки, ее живым содержимым, которое определяет жизнь клетки.

В растительной клетке хорошо заметны следующие структурные элементы: 1) кле­точная стенка (клеточная оболочка), одевающая клетку снаружи; 2) одна крупная вакуоль, заполненная жидким клеточным соком, или несколько мелких вакуолей, расположенных в центральной части клетки; 3) слизистая цитоплазма; 4) ядро, погруженное в цитоплазму; 5) пластиды; митохондрии; сферосомы, плазмолемма, тонопласт, аппарат Гольджи, эндоплазматиче­ская сеть с рибосомами, лизосомы, микро­трубочки. В клетке, кроме того, могут накапливаться запасные вещества и продукты ее жизнедеятельности.

Оболочка. Главные ее функции — защитная и опорная. Оболочка состоит из сложных углеводов, клетчатки, (или целлюлозы), пектиновых веществ. Молекулы клетчатки собраны в сложные пучки, образующие скелет или оболочку клетки. Оболочка – первичная (покрыты все молодые растения, тонкая), вторичная (когда клетка заканчивает свой рост). Растет она путем наложения новых фибрилл (пучков) слоями. В оболочке имеются поры. Между отверстиями на­ходится поровый канал.

Цито­плазма клетки состоит из гиалоплазмы вместе с органеллами, кроме ядра и пластид. Цитоплазма имеет плазматические обо­лочки: 1) плазмалемму — наружную мембрану, отграничиваю­щую цитоплазму от клеточной стенки; 2) тонопласт— внут­реннюю мембрану, соприкасающуюся с вакуолью.

Цитоплазма. Она представляет собой бесцветный слизистый раствор, находящийся в постоянном движении. Движение цит-мы способствует активизации процессов обмена веществ в клетке. Это система организованных микроскопических структур, находящаяся в состоянии постоянного взаимодействия, в которой осуществляются обменные реакции ассимиляции и диссимиляции.

Эндоплазматическая сеть — система субмикроскопических канальцев, имеющих расширения в виде цистерн и пузырьков. Через канальцы происходит связь цитоплазмы с ядром. По канальцам сети циркулирует «плазменный сок» — энхилема. Основные функции: транспортная, синтетическая (участвует в синтезе белков, жиров, углеводов), секреторная.

Рибосомы — субмикроскопические рибонуклеопротеидные частицы. Рибосомы обя­зательны для всех живых клеток растений и животных. Функция рибосом - синтез белка.

Комплекс Гольджи — органеллы клетки. Он представляет собой систему уплощенных цистерн, ограниченных двойными мембранами. Основным структурным эле­ментом аппарата является гладкая липоидно-белковая мембрана Функции : в них происходит синтез сложных белков –глюкопротеидов, синтезируются угле­воды, секреторная функция, в цистернах происходит накопление веществ, подлежащих удалению.

Микротрубочки — трубчатые образования, стенки которых со­стоят из белковых глобул; расположенных по спирали. Функция - обеспечивают распределение и ориентацию органелл внутри цитоплазмы .

Митохондрии — округлые или вытянутые органеллы клетки, состоящие из двух мембран: наружной (гладкой), и внутренней, образующей многочисленные складки, тру- бочки. Митохондрии являются энергетическими станциями клетки, в которых энергия запасных веществ превращается в другие виды химической энергии. Дыхание является их важной функцией.

Лизосомы представляют собой окруженные мембраной пузырьки, содержащие большой набор ферментов, вызывающих расщепление сложных соединений клетки.

Пероксисомы— органеллы сферической формы, окружены мембраной и имеют плотную гранулярную структуру. Играют роль в осуществлении процесса дыха­ния (окисление гликолевой кислоты).

Плазмалемма — белково-липоидная мембрана, осуществляет связь между оболочкой клетки и, внутренними частями цитоплазмы. Она контролирует поступление веществ в клет­ку, избирательное их поглощение, выполняет син­тетическую и секреторную (выделительную)функции.

Пластиды — органеллы клетки. Они свойственны только растительным клеткам. Три типа пластид по их окраске: зеленые — хлоропласты, желтые, оранжевые или красные — хромопласты, бес­цветные — лейкопласты.

Хлоропласты имеют дисковидную округлую или эллипсовидную форму, двойную мембранную оболочку, сложную внутреннюю мембранную систему. В зеленых пластидах осуществляется, процесс фотосинтеза, синтез первичного и ассимиляционного крахмала, который откладывается здесь же в хлоропластах.

Лейкопласты представляют собой бесцветные пластиды, которые не содержат пигментов, состоят из белкового вещества. Способны удлиняться, растягиваться, становиться запасающими пластидами. В них откладывается вторичный крахмал. Функция – запасающая.

Хромопласты в клетках образуются, как правило, из хлоропластов и реже из лейко­пластов. К концу формирования хромопластов наблюдается кристаллизация желтых пигментов. Образующиеся кристаллы определяют специфическую для разных видов растений окрашенную форму пластид.

Центральной и наиболее крупной органеллой протопласта и всей клетки является ядро. Ядро состоит из: I) ядерной оболочки; 2) нуклеоплазмы; 3) ядрышка; 4) хроматина. Нуклеоплазма состоит из ядерного сока. Ядро — обязательный компонент живой клетки. Ядра нет в клетках зеленых водорослей и бактерий. Основная роль ядра состоит в хранении и передаче наследственных свойств. Ядро определяет специфичность синтезируемых в организме белков. В клетке одно ядро, но может быть и больше. Ядро имеет округлую форму. У ядра различают ядерную оболочку, ядерную плазму (нуклеоплазму) и ядрышко. Ядерная оболочка состоит из двух липидно-белковых мембран. В оболочке имеются поры. Нуклеоплазма представлена плотной частью - хроматином, и жидкой — нуклеолимфой и ядерным соком. Хроматин — это сильно спирализованные хро­мосомы, являющиеся носителями наследственных свойств организма. Ядра содержат ферменты, благодаря которым обеспечивается питание клеток, происходят биохимические процессы.

Ядрышко-органоид ядра, богаты РНК, место синтеза рибосомных частиц.

Вакуоль - это место скопления воды, которая вовлекается цитоплазмой в обмен веществ. 3десь находятся запасные вещества: сахара, растворимые бел­ки, органические кислоты и другие соединения, а также вещества, играющие защитную, антисептическую роль (глюкозиды, алкалоиды, дубильные вещества и др.). Вакуоль – это место отложения конечных продуктов обмена веществ.

Основные химические компоненты клетки: белки, которые проявляют большую активность и способность к образованию комплексов с другими веществами. Белки в виде комплексных соединений участвуют в построении всех компонентов клетки, обладающих свой­ствами живого. Как запасные вещества, они накапливаются в виде аморфных образований и кристаллидов, а также в форме протеиновых (белко­вых) зерен. Белки вовлекаются в об­мен веществ, вступают во взаимодействие с другими веществами и, образовав сложные комплексные соединения, участвуют в построе­нии элементов протопласта.

Важными компонентами клетки являются нуклеиновые кислоты ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (рибонуклеиновые кислоты), а также жироподобные ве­щества, или липоиды, входящие в состав липоидно-белковых мембран цитоплазмы. Запасные жиры являются энергетическим материа­лом клетки. В запас они откладываются в жидком или твердом виде.

Углеводы являются составными компонентами ряда жизненно важ­ных соединений клетки. Они участвуют в построении оболочки клет­ки (клетчатка, полуклетчатка, пектины). Запасные углеводы — это наиболее подвижные соединения, постоянно вовлекаемые в обмен веществ и дающие начало другим компонентам. Их называют плас­тическим материалом клетки. Запасные углеводы выполняют также важнейшую энергетическую функцию. Углеводы откладываются в клетке в виде сложных сахаров, или полисахаридов (крахмал, полуклетчатка), дисахаридов (сахароза) и моносахаридов (глюкоза, фруктоза). Важным соединением, занимающим ключевые позиции в энергети­ческом обмене клетки, является АТФ (аденозинтрифосфат), где накапливается энергия, которая потом используется для биохимических реакций.

Кроме указанных веществ, в клетке имеется целый ряд органи­ческих и неорганических соединений, а также физиологически актив­ных веществ типа витаминов, ростовых веществ, необходимых для осуществления нормальной жизнедеятельности клетки и организма в целом. Обязательным компонентом клетки является вода, на кото­рую в среднем приходится 80—85% от общей массы клетки.

2. Тканями называют устойчивые комплексы клеток, сходных по происхождению, строению и приспособленные к выполнению одной или нескольких функций. Ткани могут быть: простыми (состоящие из одного вида клеток) и сложными (состоящие их разных клеток).

Образовательные ткани, или меристемы (от греческого - делящийся), состоят из одинаковых клеток, способных многократно делиться. Клетки меристемы тонкостенные, с густой цитоплазмой без вакуолей, ядро их расположено в центре. Они многогранные (до 14 граней) плотно прилегают друг к другу. По положению в теле растения меристема может быть верхушечной, вставочной, боковой. По времени появления в процессе развития органа их делят на первичные и вторичные. Вторичные меристемы – камбий и феллоген, они занимают в корне и стебле боковое положение, состоят из одного слоя клеток. Ткани, возникшие из меристематических, называются постоянными, т.к. они выполняют определенную функцию и, как правило, не превращаются в другие ткани.

3. Основные ткани. Основная ткань, или паренхима – это ткань, которая составляет основную и большую часть тела растения. Клетки паренхимы изодиаметричны (длина равна ширине) или имеют таблитчатую форму (длина не более, чем в два раза превышает ширину). В связи с выполнением определенных функций различают ассимиляционную, или хлорофиллоносную, паренхиму (в листьях и стеблях); запасающую паренхиму (в корнеплодах, клубнях и т.д.); поглощающую паренхиму (в корне); аэренхиму – ткань с крупными межклетниками, заполненными воздухом.

Хлоренхима у многих цветковых растений разделена на два слоя. Один их них, лежащий под кожицей верхней стороны листа и состоящий из вытянутых в длину призматических клеток, носит название столбчатой, или палисадной, паренхимы. Другой слой, лежащий с нижней стороны листа, рыхлый, имеет большие межклеточные пространства, называется губчатой паренхимой. В игловидных листах голосемянных развивается складчатая паренхима.

Стенки запасающей паренхимы часто бывают, утолщены (в древесине, семенах). В запасающей ткани семян хлебных злаков откладываются крахмал и белки, в семенах бобовых – белки и крахмал (у гороха) или масло (у арахиса). При ранениях запасающая паренхима превращается в ткань с делящимися клетками.

Аэренхима облегчает дыхание погруженных в воду нижних частей растения. Такая ткань является резервуаром воздуха. Она же способствует всплыванию весной на поверхность воды перезимовавших на дне почек водных растений. Таким образом, аэренхима – ткань проветривания.