Лекція № 1.   

Вступ до ботаніки. Будова рослинної клітини

 

Ботаніка - це наука про рослини, їх будову, життєдіяльність, поширення і походження. Цей термін походить від грецького слова "botane", що означає "трава", "рослина", "овоч", "зелень".

Ботаніка досліджує біологічну різноманітність світу рослин, систематизує і класифікує рослини, досліджує їх будову, географічне поширення, еволюцію, історичний розвиток, біосферну роль, корисні властивості, вишукує раціональні шляхи збереження та охорони флори. Та основна мета ботаніки як науки - одержання та узагальнення нових знань про світ рослин у всіх проявах його існування.

Ботаніка як наука сформувалася близько 2300 років тому. Перше письмове узагальнення знань про рослини, яке дійшло до нас, відоме лише з античної Греції (ІУ-Ш ст. до н.е.), а отже і виникнення ботаніки як науки датується саме цим часом. Теофраст (372-287 до н.е.), учень великого Арістотеля, вважається батьком ботаніки завдяки його письмовим працям "Природна історія рослин" в 10-и томах і письмовій роботі "Про причини рослин" в 8-и томах. У "Природній історії рослин" Теофраст згадує про 450 рослин і робить першу спробу їхньої наукової класифікації.

Нині ботаніка - багатогалузева наука, яка вивчає як окремі рослини, так і їх сукупності - рослинні угруповання, з яких формуються луки, степи, ліси.

У процесі розвитку ботаніка диференціювалася на ряд окремих наук, з яких найважливіші: морфологія рослин - наука про будову і розвиток основних органів рослин; з неї виділилися: анатомія (гістологія) рослин, що вивчає внутрішню будову рослинного організму; клітинна біологія рослин, що вивчає особливості будови рослинної клітини; ембріологія рослин, яка досліджує процеси запліднення і розвитку зародка у рослин; фізіологія рослин - наука про життєдіяльність рослинного організму, близько пов'язана з біохімією рослин - наукою про хімічні процеси в них; генетика рослин вивчає питання мінливості і спадковості рослин; палеоботаніка (фітопалеонтологія) вивчає викопні рослини і близько пов' язана з філогенією рослин, завданням якої є відтворення історичного розвитку рослинного світу; географія рослин (фітогеографія) - наука про закономірності поширення рослин на земній кулі; з неї виділились екологія рослин - наука про взаємовідношення рослинного організму і середовища - та фітоценологія (геоботаніка) - наука про рослинні угруповання.

 

 

Усім рослинам притаманні спільні риси:

1. Рослинні організми складаються з клітин. Клітина (від грецьк. kytos - клітина) - основна структурна і функціональна одиниця всіх живих організмів, елементарна біологічна система, яка має всі ознаки живого, здатна до саморегуляції, самовідтворення і розвитку.

2. Рослини є еукаріотами (евкаріотами). Еукаріоти (евкаріоти) - організми, клітини яких мають ядро, принаймні на певних етапах їх клітинного циклу. Серед еукаріотів є одноклітинні, колоніальні та багатоклітинні організми.

3. Більшість рослинних організмів - автотрофи. Автотрофи (від грецьк. autos - сам, trophe - живлення) - організми, які самостійно виробляють органічні речовини з неорганічних сполук з використанням енергії сонячного світла або енергії хімічних процесів.

4. Клітини рослин містять пластиди (від грецьк. plastos - виліплений): хлоропласти (від грецьк. chloros - зелений і plastos - виліплений), хромопласти (від грецьк. chroma - фарба і plastos - виліплений), лейкопласти (від грецьк. leukos - безбарвний і plastos - виліплений).

5. Запасні речовини - крохмаль, білок, жири.

6. Рослинам характерні процеси життєдіяльності (обміну речовин): а) живлення - процес поглинання і засвоєння рослинами з навколишнього середовища речовин, необхідних для підтримання їх життєдіяльності; за способом живлення рослинні організми поділяють на автотрофи і гетеротрофи (організми, які для свого живлення використовують готові органічні речовини);

б) дихання - сукупність фізіологічних процесів, що забезпечують надходження в рослину кисню і виділення вуглекислого газу й води; основу дихання становить окиснення (син. окислення) органічних речовин (білків, жирів і вуглеводів), внаслідок чого звільняється енергія у вигляді АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти), яка необхідна для життя рослин; рослини є аеробами (від грецьк. aer - повітря) - організмами, для життєдіяльності яких потрібен вільний кисень повітря;

в) завдяки хлоропластам рослини здатні до фотосинтезу (від грецьк. photos - світло, synthesis - з'єднування) - процес утворення органічних молекул з неорганічних за рахунок енергії сонця; сонячна енергія перетворюється при цьому в енергію хімічних зв' язків.

Значення рослин в природі та діяльності людини складно переоцінити. У практичному застосуванні всі рослини поділяють на групи.

 

 

1. Рослини, що використовуються в їжу та на корм худобі:

а) хлібні злаки - пшениця, рис, жито, ячмінь, овес, кукурудза, просо;

б) овочі - картопля, капуста, морква, буряк, огірки, баклажани, тощо;

в) плодові рослини - смородина, аґрус, малина, яблуні, груші, сливи, абрикоси, лимони, мандарини, апельсини;

г) зернобобові - горох, квасоля, соя, боби, ці рослини багаті на білки і мають особливе значення в живленні людини та тварин;

д) олійні - соняшник, льон, коноплі, рицина, соя;

е) цукристі рослини - цукровий буряк та тростина.

2. Лікарські рослини - група рослин, що безпосередньо використовується для лікування хвороб людини чи тварини або є сировиною для хіміко-фармацевтичної промисловості. Зараз медицина використовує понад 300 видів лікарських рослин.

3. Технічні рослини, що використовуються в промисловості:

а) волокнисті рослини - група рослин, що дає сировину, придатну для виготовлення текстильних виробів, шпагату, канатів тощо;

б) дубильні рослини - група рослин, що містять у підземних та надземних органах дубильні речовини. Найбільш відомі з них дуб, верба, ялина, сумах, бадан;

в) ефіроолійні рослини - група рослин, у різних органах яких утворюються цінні ефірні олії. В Україні промислове значення мають близько 30 видів рослин: коріандр посівний, кмин, аніс, троянда олійна, лаванда справжня, шавлія лікарська. За хімічним складом ефірні олії різних видів рослин неоднакові. Використовуються ефірні олії у парфумерній, миловарній, лікарській, кондитерській промисловості;

д) каучукові рослини - група рослин, у тканинах яких утворюється каучук. Каучуконосних рослин небагато, серед них є дерева, кущі, трави. Найбільш поширеними є гевея, гваюла, ваточник.

4.Рослини, в яких утворюється деревина. Деревина використовується не тільки як будівельний матеріал, але і в целюлозно-паперовій, лісохімічній промисловості, як паливо. Головні породи: дуб, бук, граб, ялина, береза.

5. Декоративні рослини: троянди, жоржини, хризантеми, чорнобривці, петунія, матіола, левкой та ін. Це одно- і дворічники, багаторічники, чагарники, ліани закритого ґрунту.

 

Розділи ботаніки

Морфологія – вивчає зовнішні форми і внутрішні структури. Поділяється на цитологію, гістологію, анатомію, гістохімію, ембріологію.

Фізіологія – життєві процеси, притаманні рослинам (обмін, ріст, розвиток тощо), відокремилися біохімія біофізика рослин.

Систематика рослин – опис всіх існуючих видів, класифікація по таксономічних групах; встановлення шляхів еволюційного розвитку рослинного світу.

Палеоботаніка – відновлення ходу еволюційного розвитку рослинного світу.

Фітоценологія – рослинні угруповання, які мають певну структуру, стійкість.

Екологія – взаємозв’язки рослин з навколишнім середовищем, вплив на їх структуру і життєдіяльність.

Географія рослин – розподіл видів рослин і фітоценозів на поверхні Землі залежно від клімату, ґрунтів і геологічної історії.

 

Історія ботаніки

Термін «ботаніка» походить від грецького «botane» – трава, рослини.

1 етап – Етап накопичення інтуїтивних знань про рослин. Знайомство первісних людей з корисними рослинами.

2 етап – Етап утилітарних знань про рослини. Початок штучного розведення корисних рослин (VI-V тис. р. до н.е.). За цей час накопичені знання про корисні властивості рослин, їх сумування призвела до зародження ботаніки.

Перші записи – ІІІ – ІV ст. до н.е. – Аристотель і Теофраст –перша спроба класифікації рослин, поділив на дерева, кущі, напівкущі та трави, а трави – багаторічники, дворічники та однорічники. Необхідність визначення корисних рослин – морфологія рослин.

Пліній Старший (23-79 рр. до н.е.) – «Натуральна історія» – дані про 1000 рослин з корисними властивостями, виділив серед них лікарські, декоративні, харчові, технічні тощо. До кінця 17 ст. – для ботаніків – настільна книга.

3 етап – Етап описових ботанічних знань. XV – XVIII ст.. – період первісної інвентарізації рослин, формуються основні поняття ботанічної морфології, розроблені принципи і методи класифікації рослин, створені перші штучні системи рослинного світу. Андреа Чезальпіно – XVII – в основі систематики – будова плоду.

4 етап – Етап аналітичних ботанічних знань. Роберт Гук – удосконалив мікроскоп, ввів термін «клітина» для клітинних стінок, а потім і для вмісту клітини. В 1862 році з’явився термін «цитоплазма».

Голандський вчений Левенгук відкрив хлоропласти, Броун в 1833 році відкрив ядро, Е. Руссов і І.М. Горожанків в 1879 р. – пори в клітинній оболонці і описали тяжі плазмодесм. І.Д. Чистяков в 1874 р. описав поділ ядра. Основоположником вчення про ядро був С.Г. Навашин (1989).

Мальпігі і Грю заклали початок анатомії рослин. К. Лінней (1707-1778) – вершина штучної систематики. Уточнив техніку опису рослин, ввів термін «вид» як основної одиниці систематики, для назв ввів бінарну номенклатуру (перше слово – рід, друге – вид). 1833 Роберт Броун описав ядро. Ян Пуркіне і Хуго Моль – цитоплазма. В.І. Бєляєв описав механізм мітозу і мейозу в рослин. І.М. Горожанкін виявив між клітинами є плазмодесми, відкрив просте запліднення у голонасінних.

В. Гете і К.Ф. Вольф – вегетативні органи рослин зазнали метаморфози в процесі еволюції – морфологія рослин.

О.П. Декандоль – обґрунтував анатомо-морфологічна схожість рослим за функціями та за планом будови і походження – гомологічні і аналогічні органи. Навашин С.Г. 1898 р.– подвійне запліднення рослин. В.В. Докучаєв (1846-1903) – вчення про географічні зони.

5 етап – Епоха системних знань із ботаніки.

Е. Вармінг – екологічна географія та життєві форми. А. Гумбольдт (1769-1859) географічне поширення рослин та їх залежність від кліматичних, геоморфологічних та інших факторів – географія рослин. Геоботаніка – рослинний покрив та фітоценози (Гризебах 1814-1879), В.М. Сукачов, Й.К. Пачоський, Х. Гамс.

 

 

Цитологія (від грецьк. kytos - клітина, logos - учення) - наука про будову, функціонування та еволюцію клітин різних організмів.

На клітинному рівні організації живих систем у кожній клітині відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії, забезпечуються процеси розмноження і передачі нащадкам спадкової інформації.

Історія вивчення клітин тісно пов'язана з розвитком мікроскопічної техніки, адже неозброєним оком вивчати їх неможливо. Саме тому клітини були описані лише в XVH ст.

Клітини відкрив у 1665 році англійський фізик Роберт Гук (16351703), розглядаючи під мікроскопом тонкий зріз корка. Корок - це покривна тканина рослин з непроникними для води та повітря клітинними стінками та відмерлим клітинним вмістом. Комірки (клітинні стінки), які побачив на зрізі корка Гук, нагадали йому голі монастирські келії, і він назвав їх англійським словом cell - камера, клітка, клітина. Отже, 1665 року Роберт Гук запропонував термін "клітина".

Роберт Гук відкрив клітинну будову рослинних тканин. Однак, у даному випадку він мав справу не з живими клітинами, а лише з їхніми стінками.

Пізніше голландець Антоній Левенгук (1632-1723), удосконаливши мікроскоп, уперше побачив живіодноклітинні істоти (інфузорії, бактерії), спостерігав клітини коренеплоду моркви та клітини деяких інших рослин.

Поступово з удосконаленням мікроскопа, не тільки поглиблювалися і розширювалися знання про будову клітини, але й формувалися уявлення про будову багатоклітинних організмів. До середини ХІХ ст. нагромадилось багато знань про клітину та клітинну будову рослин і тварин. Так, 1831 року англійський ботанік Роберт Броун (1773-1858) описав ядро рослинних клітин.

Німецький ботанік Матіас Шлейден (1804-1881), узагальнивши спостереження своїх попередників, довів, що всі рослини складаються з клітин. Учений вважав, що нові клітини утворюються зі "слизу" всередині старих, причому головну роль у цьому процесі відіграє ядро. Так було доведено, що ядро є обов'язковим компонентом клітин рослин і тварин. Теодор Шванн, порівнявши клітини рослин і тварин, побачив їхню схожість. Ці знання стали основою для створення клітинної теорії (1839 р.) будови живих організмів.

Основні положення клітинної теорії, сформульовані Теодором Шванном:

-                     всі організми складаються з клітин;

-                     клітини рослин і тварин подібні за головними рисами;

-                     ріст і розвиток організмів пов' язані з утворенням клітин.

Деякі положення клітинної теорії були, із сучасної точки зору, зовсім неправильними. Вважалося, наприклад, що головне в клітині - її оболонка; організм багатоклітинних організмів розглядався як проста сума клітин; до того ж не був з' ясований механізм утворення клітин. Один із цих "недоліків" виправив у 1859 році німецький учений Рудольф Вірхов (1821-1902), який довів, що клітини виникають тільки з клітин-попередників внаслідок їхнього поділу.

На сучасному етапі розвитку цитології клітинна теорія включає такі положення:

-                     клітина - елементарна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів;

-                     клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за походженням, будовою, хімічним складом, основними процесами життєдіяльності;

-                     кожна нова клітина утворюється тільки в результаті поділу материнської клітини;

-                     у багатоклітинних організмів, які розвиваються з однієї клітини (спори, зиготи тощо), різні типи клітин формуються завдяки виконанню різних функцій, або їхній спеціалізації протягом індивідуального розвитку особини і утворюють тканини;

-                     у багатоклітинному організмі функціонування клітин підпорядковано інтересам цілісного організму.

 

 

Розвиток ботаніки в Україні

Бессер В.Г. – вивчав флору Правобережжя, опублікував «Флору Галіції»;

Ф.К. Біберштейн – флору Криму і Кавказу;

В.М. Черняєв – «Конспект растений дикорастущих и разводимых в окрестностях Харькова и в Украине», описав 1759 видів, з них 112 культивованих і 17 нових;

Й.К. Пачоський – «Флора Полісся і прилеглих територій», описав 1291 вид;

І.Ф. Шмальгаузен – «Флора юго-западной России, т.е. губерній: Киевской, Волынской, Подольской, Полтавской, Черниговской и смежных мест», описав 20714 видів рослин.

Синантропну флору вивчають Г.О. Кузнецова, В.В. Протопопова, В.А. Соломаха.

В.І. Вернадський – біосфера; М.Г. Холодний – вчення про фітогормони, вивчав біологію ауксинів; В.М. Любименко – природа хлорофілів, зв’язок із каротиноїдами; М.М. Гришко – генетика і селекція конопель і декоративних рослин.

Яната О.А. – народився в м. Миколаїв в 1888 році, є організатор Інституту Ботаніки ім.. Холодного, Українське ботанічне товариство, Української номенклатурної комісії, журналів «Український ботанічний журнал», «Агрономічний журнал», відстоював існування заповідників Асканія-Нова, Український степовий заповідник, Кам’яні Могили, Ботанічний сад ім. Фоміна (м. Київ). Був репресований «за буржуазний націоналізм у боротьбі з бур’янами»і помер в засланні в Сибіру 1938 року. Похоронений в братській могилі. Реабілітований в 1964 році.