Физиология растений теория

1. Предмет и объект физиологии растений. Разнообразие объектов, характеризующихся фототропным образом жизни. Проблемы и задачи современной физиологии растений.

Ответ. Курс физиологии растений справедливо считают одним из самых сложных и трудных среди биологических дисциплин. Растения отличаются от других организмов автотрофным питанием, которое основано на использовании энергии света, наличием у клеток плотных состоящих в основном из целлюлозы оболочек. Физиология растений изучает общие закономерности жизнедеятельности растительных организмов и является частью биологической науки. Цель дисциплины «Физиология растений» – раскрыть сущность этих процессов, показать пути их регуляции и управления. Исследователю в области физиологии растений приходится решать задачи количественного определения показателей роста и развития растений, энергетического и пластического обмена (фотосинтеза и дыхания), водного и минерального обмена и др. на разных уровнях организации живой материи. Основные направления современной физиологии растений сформировались в конце XIX – начале XX вв. Среди них: фотосинтез; дыхание; водный режим; минеральное питание; транспорт веществ; рост и развитие; движение растений; раздражимость; устойчивость растений; эволюционная физиология растений. В ХХ веке возникли новые направления: биохимия, биотехнология, молекулярная биология растений, генная инженерия, биофизика растений, эволюционная и экологическая физиология растений. Наблюдается определенная дифференциация науки на молекулярное и экологическое направления. Начиная с 50–60-х годов все более приоритетными для физиологии становятся проблемы локальной, региональной и глобальной экологии. Предстоит на физико-химической основе расшифровать последовательность всех этапов адаптационного синдрома растений применительно к множеству природных и техногенных стрессоров. Потребуется поиск методов и технологий решения различных проблем промышленной экологии, включая зоны экологических катастроф. Автотрофные растения Мирового океана за год способны превращать в органическое вещество 20–155 109 т углерода. Наземные растения фиксируют 16–24 10⁹ т углерода. Для сравнения в угольном эквиваленте ежегодно на Земле освобождается 3–4 10⁹ т углерода. Ежегодная продукция кислорода составляет 10¹¹ тонн. На протяжении миллиардов лет в атмосфере Земли сформировалось равновесие кислорода (20 %) и углекислого газа (0,033 %). Ежегодно регистрируется увеличение концентрации углекислого газа на 1,5 % от исходного значения. Объем производимой растениями биомассы распределяется между водорослями и наземными растениями. Только наземные растения накапливают ежегодно в форме углеводов 5-1017 ккал. Даже 1 % этой энергии достаточно для питания 5 млрд. человек. Тем не менее, рост населения Земли и рост энергопотребления может нарушить исторически сложившийся баланс вещества и энергии в биосфере.

2. Этапы развития физиологии растений, ее связь с общим развитием биологии и практикой.

Ответ. Трудно выделить какую-либо из работ прошлого в области биологии, которая легла бы в основу физиологии растений. В.В. Полевой, автор базового учебника по физиологии растений, в качестве таковой рассматривает работу Я.Б. Ван Гельмонта (1634), в которой ученый сделан вывод о том, что вода используется для построения органической массы растения. В большинстве учебников становление физиологии растений как самостоятельной науки относят к 18 веку. В 1727 г. С. Гейлс установил, что движение воды по растению вызывают корневое давление и транспирация. В 1771 г. Дж. Пристли открыл способность зеленых растений выделять на свету кислород. В 1782 г. Ж. Сенебье назвал поглощение СО2 на свету «углекислотным дыханием». В 1797–1804 гг. Н. Т. Соссюр открыл дыхание у растений и рассчитал баланс газов при фотосинтезе. В 1800 г. Ж. Сенебье опубликовал пятитомный трактат «Physiologie vegetale», в котором впервые определил физиологию растений как самостоятельную науку, собрал, обработал и осмыслил известные к тому времени данные, сформулировал основные задачи физиологии растений, определил ее предмет и используемые методы. В России основателем физиологии и биохимии растений справедливо считается Андрей Сергеевич Фаминцын (1835–1918) – автор первого учебника (1887), создатель первой университетской кафедры и академической лаборатории физиологии растений (1889), которая в последующем была преобразована в Институт физиологии растений. А.С. Фаминцын основал ряд направлений в области эволюционной физиологии и биохимии растений. Наиболее известны его взгляды на симбиотическую эволюцию, единство принципов жизнедеятельности растительных и животных организмов. В ХХ веке возникли новые направления: биохимия, биотехнология, молекулярная биология растений, генная инженерия, биофизика растений, эволюционная и экологическая физиология растений. Наблюдается определенная дифференциация науки на молекулярное и экологическое направления. Начиная с 50-х гг. ХХ века на первое место вышли исследования обмена веществ и тонкой электрон-микроскопической организации клеток. Сделан вклад в выяснение фотохимической стадии фотосинтеза, обнаружение разнокачественности его продуктов, выяснение путей биосинтеза фотосинтетических пигментов, а также в создание теории, связывающей фотосинтетическую деятельность растений с их продуктивностью (А. А. Рихтер, А. А. Ничипорович, Т. Н. Годнев, А. А. Красновский, А. А. Шлык, В. Б. Евстигнеев и др.). Ведутся работы по выяснению физиологических и биохимических основ дыхания, азотистого обмена, транспорта метаболитов, биосинтеза веществ вторичного происхождения (А. Л. Курсанов, М. Н. Запрометов, О. В. Заленский, Б. А. Рубин). Есть успехи в изучении факторов, определяющих рост и развитие растений, фотопериодизма, гормональных систем (М. X. Чайлахян, О. Н. Кулаева и др.). В 70-х гг. в результате использования культуры растительных тканей были получены новые гибридные формы растений табака (Р. Г. Бутенко). Метод, основанный на слиянии протопластов двух клеток, открыл новые возможности преодоления несовместимости растительных тканей и получения отдалённых гибридов. Неоценимый вклад в развитие физиологии растений и подготовку нового поколения физиологов растений сделал Всеволод Владимирович Полевой (1931–2001) – крупнейший ученый, ведущий физиолог, биохимик и биофизик растений. Начиная с 50–60-х годов все более приоритетными для физиологии становятся проблемы локальной, региональной и глобальной экологии. На шестом съезде Общества физиологов растений России (Сыктывкар, 2007) были представлены следующие направления: энергетика и метаболизм растительной клетки; геном растений и регуляция его экспрессии; гормоны и онтогенез; стресс, адаптации и выживание растений; физиология фотосинтеза и глобальная экология; клеточная биология и биотехнология, биология трансгенных растений; продукционный процесс; преподавание физиологии и биохимии растений. Их можно сгруппировать в три модуля: изучение закономерностей жизнедеятельности растений (механизмы питания, роста, движения, размножения и др.); разработка теоретических основ получения максимальных урожаев сельскохозяйственных культур; разработка установок для осуществления процессов фотосинтеза в искусственных условиях. Первый модуль заложен в определении самой физиологии растений. Второй модуль по-прежнему остается наиболее актуальным, так как рост населения нашей планеты и сокращение посевных площадей оставляют лишь один путь – путь интенсификации сельскохозяйственного производства не только пищевых, технических, лекарственных и декоративных культур, но и растений для получения топлива. Третий в настоящее время кажется фантастическим. Однако вряд ли люди, овладев тайнами, не попытаются осуществить эти процессы в лабораторных, а затем в промышленных установках.