Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО Тульский государственный педагогический университет
Имени Л.Н. Толстого
Л.В. Хорун, М.А. Чепурнова
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
(живая природа - растения)
Учебно-методическое пособие
Тула
Издательство ТГПУ им. Л.Н. Толстого
2007 г.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Каждая тема состоит из следующих разделов:
1. План изучаемой темы.
2. Рекомендуемая литература.
3. Теоретическая часть, включающая в себя определения ведущих понятий и основное содержание указанной темы.
4. Практическая часть, включающая в себя:
- семинарские занятия (цель и план занятия, вопросы для обсуждения и тестовые задания);
- лабораторно-практические занятия (описание оборудования и хода работы, а также возможности фиксации результатов и выводов по проделанной работе);
- вопросы и задания для самостоятельной работы (контрольные вопросы, задания).
2. СОДЕРЖАНИЕ
| № п/п | Название темы | Стр. |
| 1. | Введение Возникновение растительных организмов на Земле. Ботаника как наука. Разделы ботаники | |
| 2. | Строение растительной клетки Типы растительных тканей | |
| 3. | Надцарство Прокариоты Царство Дробянки: бактерии и цианеи | |
| 4. | Грибы - особое царство организмов | |
| 5. | Лишайники | |
| 6. | Царство растений Подцарство Настоящие водоросли. Подцарство Багрянки | |
| 7. | Подцарство Высшие растения Отдел Мохообразные | |
| 8. | Отделы: Плауновые, Хвощовые, Папоротникообразные | |
| 9. | Отдел Голосеменные | |
| 10. | Отдел Покрытосеменные | |
| 11. | Жизнь растительных сообществ |
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ВВЕДЕНИЕ.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ НА ЗЕМЛЕ.
БОТАНИКА КАК НАУКА. РАЗДЕЛЫ БОТАНИКИ
План:
1. Условия возникновения растительных организмов на Земле.
2. Влияние фотосинтеза на эволюцию атмосферного кислорода.
3. Выход первых организмов на сушу.
4. Появление человека и взаимодействие его с растительными организмами. Зарождение науки ботаники.
5. Основные направления изучения растений.
6. Система органического мира.
Рекомендуемая литература:
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Подобно всем другим организмам, растение имеет долгую эволюционную историю. Возраст Земли (считая от газопылевого скопления) - 4.5 млрд. лет. Древнейшие из известных ископаемых организмов - четкообразные бактерии из австралийских отложений имеют возраст 3.5 млрд. лет. Более сложные эукариотические организмы появились не ранее 1.5 млрд. лет назад. Следовательно, около 2 млрд. лет бактерии были единственной формой жизни на Земле.
Считается, что первые клетки образовались в ходе последовательных случайных событий, когда в атмосфере Земли взаимодействовали между собой газообразные азот, вода и углекислыйгаз. Кислород, который сейчас составляет 21% земной атмосферы, практически отсутствовал, пока его в большом количестве не начали производить фотосинтезирующие организмы. Следовательно, первые этапы эволюции живого связаны с анаэробной средой. Согласно современным гипотезам вещества, возникавшие в первичной атмосфере, в основном вымывались из нее ливнями и накапливались в океанах, размеры которых увеличивались по мере остывания Земли. Органические молекулы, попав в океан, служили источником энергии для клеткоподобных структур. Поэтому первые организмы по способу питания относятся к гетеротрофам (heteros - другой, trophos - питающийся). Гетероторофом считается организм, зависящий от внешнего источника органических молекул. К этой группе сейчас относятся все животные и грибы, большинство бактерий.
По мере увеличения численности примитивных гетеротрофов запас сложных молекул, от которых зависело их существование, начал истощаться. Началась конкуренция. В результате элиминации (вымирания) наименее приспособленных возникли организмы, способные создавать богатые энергией молекулы из простых неорганических веществ - автотрофы (самостоятельно питающиеся).
Доказательства существования фотосинтетических организмов были найдены в породах возрастом 3.4 млрд. лет, т.е. на 100 млн. лет более молодых, чем те, в которых обнаружены первые свидетельства жизни.
Появление фотосинтеза повлияло на увеличение количества газообразного кислорода в атмосфере. Это имело 2 последствия:
1. Часть кислорода во внешнем слое атмосферы стала превращаться в озон, который является защитным экраном для живых организмов Земли. Около 450 млн. лет назад организмы, защищенные озоновым слоем, уже могли выживать у поверхности воды и на суше.
2. Это дало возможность более эффективно использовать богатые энергией углеродсодержащие молекулы, образованные в ходе фотосинтеза, позволив организмам
расщеплять и окислять их в процессе дыхания. Дыхание дает значительно больше энергии, чем
любое бескислородное разложение.
До того, как атмосфера стала аэробной, существовали только лишенные ядерных оболочек прокариоты, генетический материал которых не организован в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии и цианеи. Увеличение концентрации свободного кислорода сопровождалось появлением первых эукариот, имеющих ядерные оболочки, хромосомы и ограниченные мембранами органеллы.
Логику строения тела растения легче всего объяснить на основе длительной эволюционной истории, и особенно с учетом факторов, действовавших при выходе организмов на сушу. Автотрофам для существования нужны следующие факторы: свет, вода, углекислый газ, кислород (для дыхания) и некоторое количество минеральных веществ. На суше почти все эти факторы есть, но существуют определенные проблемы с использованием воды. Растения используют следующую стратегию. Корни закрепляют их в грунте и поглощают воду из почвы, а стебли служат опорой основным фотосинтетическим органам - листьям. Вода поступает в корневые волоски, а в конечном итоге выводится наружу листьями. Все надземные части растения покрыты кутикулой, снижающей потери воды, но одновременно затрудняющей необходимый газообмен между растением и окружающейсредой. Эта дилемма решается с помощью устьиц, которые открываются и закрываются в ответ на внешние и внутренние сигналы. Стебель растения служит для транспорта веществ через сосудистую систему, связывающую фотосинтезирующие и нефотосинтезирующие органы растения. Эта системасостоит из двух основных компонентов - ксилемы (транспортирует воду) и флоэмы (транспортирует органические вещества). Поэтому основная группа растений носит название сосудистые. В отличие от животных, растения всю жизнь растут. Их рост обеспечивается меристемами - ограниченными участками тканей, постоянно сохраняющих эмбриональное состояние. Кроме того, растения преодолели трудности, связанные с размножением на суше. Сначала у них возникли устойчивые к сухости споры, а затем развились сложные многоклеточные структуры с гаметами (половыми клетками) внутри. У семенных растений зародыш защищен от иссушения и врагов специальными покровами, которые образует родительский организм.
Люди появились в ходе органической эволюции сравнительно недавно. Однако они успели сильнее, чем любое другое животное, перестроить биосферу. Развитие сельского хозяйства, начавшееся 11 000 лет назад, со временем позволило людям специально заниматься наукой.
Ботаника (по Рейену, Эверту и Айкхорну) - это раздел биологии, связанный с изучением, растений, а также (no традиции) бактерий и грибов.
Современная ботаника (по Петрову, Абрамовой, Баландину, МГУ) представляет собой совокупность различных дисциплин, объектом изучения которых является растительный мир (отдельные растения, их сообщества, растительный покров в целом).
Изучение растений продолжалось в течение тысячелетий, однако это изучение разделилось на специализированные направления только за последние 300 лет. Около 150 лет назад ботаника еще относилась к медицине, а в настоящее время это важная научная дисциплина со многими разделами.
Разделы ботаники.
Цитология изучает строение клеток. В ее задачу входит исследование клетки в целом и ее отдельных составных частей.
Анатомия растений изучает внутреннее клеточное строение растений. Строение изучается в связи с функциями отдельных тканей и органов.
Предметом морфологии растений является изучение внешних особенностей строения растений и их отдельных органов (листа, стебля, цветка и т.д.). Морфология классифицирует растения и их органы по особенностям внешнего строения, выделяет определенные типы строения.
В задачу систематики входит классификация растительных организмов. Она приводит в систему огромное разнообразие растительного мира, выделяет определенные единицы классификации -таксоны разного ранга (вид, род, семейство и т.д.). Эти таксоны находятся в строгом соподчинении друг с другом.
Все вышеперечисленные разделы называют общей ботаникой.
Другая группа ботанических дисциплин называется геоботаника. Ее составляют следующие разделы.
География растений изучает закономерности распределения растений и их сообществ по поверхности Земли.
Экология растений изучает разнообразные влияния окружающей среды на растения. Экологические факторы, которые влияют на растения, могут быть абиотическими и биотическими. Среди абиотических факторов выделяют свет, тепло, воду, воздух, почву, определенный климат ирельеф местности. К биотическим факторам относят взаимоотношения растений между собой, взаимодействие их с животными и с человеком.
В задачу фитоценологии входит изучение растительных сообществ (фитоценозов). Понятие фитоценоз проф. А.Г. Еленееский, зав. каф. Ботаники МПГУ, определяет следующим образом: «фитоценоз - это устойчивая совокупность растений, совместно существующих на относительно однородномучастке земной поверхности». Фитоценологией изучается флористический состав фитоценозов, состав жизненных форм, экологические группы растений.
Ботаническая география рассматривает зональность растительного покрова. В растительном покрове России выделяют зону тундр, лесную зону, степную зону, зону пустынь.
Система органического мира включает в себя Надцарства:
1). Надцарство Прокариоты (Царство Дробянки - бактерии и цианеи);
2). Надцарство Эукариоты (Царство Грибы, Царство Растения, Царство Животные).
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Какие условия способствовали появлению на Земле первых прокариотических и эукариотических организмов?_____________________________________
2. Каким образом, согласно современным гипотезам, возникли гетеро- и автотрофы?_______________________________________________________________________________________
3. Каковы последствия увеличения количества газообразного кислорода в атмосфере Земли для автотрофных организмов? ___________________________________________________________________________________
4. Дайте сравнительную характеристику условий существования разных групп организмов на Земле, в том числе растений. Объясните, с точки зрения структурной организации, приспособительные возможности растительных организмов, вышедших на сушу. _________________________________________________________________________________________________________
5. Каким образом растения в ходе эволюции преодолели трудности, связанные с размножением на суше? ________________________________________________________________________
6. Как зарождалась ботаника как наука? Что послужило предпосылками обособления этой области знания в отдельную дисциплину? _________________________________________________________________________________________________
7. Какие разделы изучает ботаника? ___________________________________________________________________________
8. Что такое общая ботаника? Какие дисциплины она включает и чем занимается каждая дисциплина? _________________________________________________________________________________________________
9. Что такое геоботаника? Какие разделы она включает, какие направления эти разделы включают? ________________________________________________________________________
10. Как организована система органического мира? _____________________________________________________________
Тестовые задания
Найдите и подчеркните правильные ответы на следующие вопросы:
1. Какой возраст, согласно современным гипотезам, имеют самые древние на Земле чёткообразные бактерии?
1) 1 млрд. лет; 2) 3,5 млрд. лет; 3) 40 млн. лет.
2. В результате взаимодействия каких химических элементов образовались первые на Земле клеткоподобные структуры:
1) азот и кислород; 2) азот, кислород и углерод; 3) азот, кислород, водород и углерод.
3. К какому периоду относятся доказательства появления первых фотосинтетических организмов на Земле?
1) 4 млрд. лет; 2) 2 млрд. лет; 3) 3,4 млрд. лет.
4. Следствием какого явления стало появление дыхания у клеточных организмов?
1) следствием появления фотосинтеза;
2) следствием увеличения количества газообразного кислорода в атмосфере;
3) следствием появления озонового слоя в атмосфере.
5. Какой абиотический фактор оказал наибольшее влияние на структурные изменения у растительных организмов при выходе их на сушу?
1) свет; 2) температура; 3) наличие воды.
6. Какое определение на ваш взгляд наилучшим образом отражает сущность ботаники как науки?
1) Ботаника – это раздел биологии, связанный с изучением растений, а так же бактерий и грибов.
2) Ботаника – это совокупность различных дисциплин, объектом изучения которых является растительный мир; отдельные растения и их сообщества, растительный покров.
7. Какие разделы включает общая ботаника?
1) цитология, анатомия растений, морфология растений, систематика растений;
2) экология растений, анатомия растений, систематика растений, фитоценология;
3) фитоценология, цитология, экология растений, систематика растений.
8. Какие разделы включает геоботаника?
1) экология растений, ботаническая география, систематика растений, фитоценология;
2) экология растений, фитоценология, география растений, ботаническая география;
3) цитология, анатомия растений, морфология растений, систематика растений.
9. Что изучает фитоценология?
1) ткани растений; 2) растительные сообщества; 3) отдельные таксоны.
10. Что изучает морфология растений?
1) внутреннее строение растений;
2) внешнее строение растений;
3) строение клеток растений.
СТРОЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
ТИПЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТКАНЕЙ
План:
1. Определение клетки. Характеристика основных клеточных структур.
2. Определение ткани. Типы тканей по форме клеток.
3. Типы тканей по основной выполняемой ими функции:
• образовательные ткани (меристемы);
• ассимиляционные ткани;
• запасающие ткани;
• воздухоносные ткани (аэренхима);
• всасывающие ткани;
• покровные ткани;
• выделительные ткани;
• механические ткани;
• проводящие ткани.
Рекомендуемая литература:
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Растительная клетка
Клетка – наименьшая структурная и биологическая единица живой материи. Ей присущи все жизненноважные процессы: питание, дыхание, рост, раздражимость, размножение, наследственность. Она появилась на определенном этапе эволюции как результат совершенствования живого вещества. Количество клеток в организм варьирует от одной до нескольких миллиардов. Если клетка одна, то она выступает в роли целостного организма и выполняет функции целого организма.
Впервые термин «клетка» предложил Роберт Гук в 1665 году. Значительный вклад в изучение растительной клетки внесли ученые М. Мальпиги (итал.), Н. Грю (англ.), М. Шлейден и Т. Шванн (немец.). Именно Шлейден и Шванн, опираясь на собственные исследования и исследования других ученых, показали, что клеточное строение присуще всем живым организмам (клеточная теория, 1839 г.).
Рассмотрим обобщенное строение растительной клетки.
Снаружи растительная клетка покрыта клеточной оболочкой (стенкой), неодинаковой по толщине и строению. Она образуется из веществ, вырабатываемых цитоплазмой, которые откладываются снаружи от нее, создавая оболочку (пектин, гемицеллюлоза и целлюлоза). Так образуется первичная оболочка. Она эластична, росту клетки не препятствует, создает прочность и определенную форму, защищает содержимое от механических повреждений. У многих клеток образуется и вторичная оболочка. Она формируется под первичной оболочкой и состоит из целлюлозы. Клетки со вторичной оболочкой более прочные и могут выполнять механическую функцию. В оболочке имеются неутолщенные места – поры. Через них проходят тонкие тяжи цитоплазмы, по которым осуществляется обмен веществ между соседними клетками.
Видоизменения клеточной стенки:
- одревеснение – оболочка пропитывается лигнином, который выполняет роль цемента, придает твердость и прочность (характерно для клеток деревьев и кустарников);
- опробковение – оболочка пропитывается суберином (жироподобным веществом), прекращается доступ воды и газов. Содержимое клетки отмирает, она заполняется воздухом и выполняет функцию термоизоляции (пробковый дуб);
- кутинизация – клетки эпидермиса пропитываются кутином и воском. Функции: уменьшение транспирации, отражение света, защита от УФ лучей и инфицирования;
- минерализация – пропитывание оболочки минеральными солями (например, кальция). Это придает клеткам жесткость, твердость, растения не поедаются животными (хвощи, осоки);
- ослизнение – набухание пектиновых веществ в оболочке (клетки кожицы семян при прорастании, оболочки клеток при ранении).
Все содержимое клетки делят на 2 части:
- протопласт (живое содержимое);
- производные протопласта (неживое содержимое).
Протопласт представляет собой цитоплазму с заключенными в нее органоидами (ядро, пластиды, митохондрии, аппарат Гольджи, сферосомы, рибосомы, эндоплазматический ретикулум, лизосомы). Количество органоидов и их состав зависят от таксономического положения растения, специфики жизнедеятельности клетки и от ее возраста.
Под клеточной стенкой находится цитоплазма. Ее наружный слой – плазмалемма – представляет собой мембрану, которая обеспечивает избирательное проникновение веществ в клетку и из нее.
Продолжением мембраны плазмалеммы является эндоплазматическая сеть (ретикулум), которая представляет собой сеть каналов и полостей. ЭПС является конвейером для синтеза и перемещения веществ по клетке. Начинаясь от плазмалеммы, она подходит к различным органоидам и наружной оболочке ядра. С каналами ЭПС соединен аппарат Гольджи. Он выполняет функцию накопления и постепенного выведения из клетки синтезированных веществ.
Силовыми станциями клеток являются митохондрии. В них осуществляется дыхание клетки, в результате чего выделяется энергия. Она связывается, переходя в энергию фосфатной связи АТФ. Количество митохондрий зависит от активности клетки, ее возраста и физиологического состояния.
Лизосомы – мелкие округлые тельца, имеющие очень прочную мембрану. В матриксе лизосомы находятся сильные по активности ферменты, переваривающие пищевые вещества и разрушающие отмершие части клетки.
Сферосомы – по форме, размерам сходны с лизосомами, внутри находится белковый матрикс. Основная функция – накопление масел.
В цитоплазме клеток присутствуют микротрубочки, участвующие в образовании клеточной оболочки делящихся клеток.
Рибосомы – небольшие тельца шаровидной или слегка уплощенной формы, в строении отсутствует мембранная система. Основная функция – синтез белка.
Пластиды – органоиды, присущие только растительным клеткам. Это крупные тельца, хорошо видимые в световой микроскоп. По цвету и выполняемым функциям различают три типа:
1). Хлоропласты: имеют форму двояковыпуклой линзы. Снаружи они покрыты оболочкой, состоящей из двух мембран. Внешняя мембрана гладкая, внутренняя имеет выросты в виде пластинок. Эти пластинки называются ламеллы. Они лежат друг на друге правильными стопками, напоминающими столбики монет, и называются гранами. Во внутренних мембранах локализованы фотосинтетические пигменты (у высших растений – хлорофилл а и b, у водорослей возможно появление хлорофилла c, d, e). Хлорофилл придает зеленую окраску хлоропластам. В хлоропластах есть и другие пигменты: красно-оранжевый – каротин и желтый – ксантофилл, но они не видны под преобладающей массой хлорофилла.
2). Хромопласты: крупнее хлоропластов. Это пластиды красно-оранжевого и желтого цветов. Красящие пигменты группы каратиноидов (их более 50, но наиболее распространены каротин и ксантофилл). Они придают окраску лепесткам цветов, плодам, корнеплодам.
3). Лейкопласты: не имеют пигмента, бесцветны. Образуются в органах, скрытых от солнечного света. Их функция – синтез и накопление запасных питательных веществ.
Важнейшим органоидом любой эукариотической клетки является ядро. Оно содержит генетическую информацию клетки, контролирует ее жизнедеятельность, влияя на синтез белков. Ядро отделено от цитоплазмы двумембранной оболочкой. Оболочка пронизана порами, через которые осуществляется связь с каналами ЭПС и, тем самым, обеспечивается контакт ядра с цитоплазмой. Ядро состоит из ядерного сока, представляющего смесь белков-ферментов, нуклеотидов и аминокислот, хромосом, построенных из молекул ДНК и содержащих генный материал, и ядрышка, осуществляющего синтез РНК и сборку рибосом.
Для растительной клетки характерно наличие вакуолей. Часто они занимают весь объем клетки. У молодых клеток их несколько. По мере развития клетки они разрастаются и сливаются в одну. Содержимое – клеточный сок – водный раствор многих веществ: сахаров, аминокислот, пигментов, витаминов и др. Все эти вещества продукты жизнедеятельности клетки.
Таким образом, растительной клетке свойственны все признаки обычной эукариотической клетки.
Различия в строении растительной и животной клеток:
- в растительной клетке хорошо развита клеточная оболочка;
- растительная клетка содержит пластиды (на этом основании большинство растений относят к автотрофам);
- в растительной клетке имеется несколько маленьких (у молодых), или одна большая (у взрослых) вакуоль.
Растительные ткани
Ткани - это группы клеток, имеющих сходное строение, форму, выполняющих одинаковые функции и связанных общим происхождением и расположением в растении.
Наука, изучающая ткани, называется гистологией. Основатель гистологии Н. Грю, именно он ввел термин «ткань».
По форме клеток различаю ткани:
• паренхимные, состоящие из изодиаметрических клеток;
• прозенхимные, состоящие из удлиненных клеток.
По основной выполняемой функции ткани классифицируются:
• образовательные ткани (меристемы);
• ассимиляционные ткани;
• запасающие ткани;
• воздухоносные ткани (аэренхима);
• всасывающие ткани;
• покровные ткани;
• выделительные ткани;
• механические ткани;
• проводящие ткани.
По наличию или отсутствию живого содержимого:
• живые;
• мертвые.
По происхождению:
• первичные;
• вторичные.
