Основные понятия ботаники

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Что изучает ботаника? Разделы ботаники. Автотрофы и биосфера

Ответ:

Ботаника - наука о растениях, раздел биологии.

Ботаника охватывает широкий круг проблем: закономерности внешнего и внутреннего строения (морфология и анатомия) растений, их систематику, развитие в течение геологического времени (эволюция) и родственные связи (филогенез), особенности прошлого и современного распространения по земной поверхности (география растений), взаимоотношения со средой (экология растений), сложение растительного покрова (фитоценология, или геоботаника), возможности и пути хозяйственного использования растений (ботаническое ресурсоведение, или экономическая ботаника).

Морфология растений - один из наиболее рано сформировавшихся разделов ботаники. Она изучает особенности внешнего строения растений и их отдельных органов, выясняет закономерности их образования, как меняется морфологическое строение в ходе индивидуального и исторического развития организма.

Анатомия растений изучает внутреннее строение растений и их органов. Она включает в себя цитологию (науку о клетке) и гистологию (науку о растительных тканях).

Систематика - один из основных разделов ботаники. Она занимается классификацией растений и выясняет родственные (эволюционные) взаимоотношения между ними (филогения).

Физиология растений исследует процессы жизнедеятельности растений. Она тесно взаимодействует с биохимией и генетикой. Методы физиологии растений существенно отличаются от ботанических, поэтому часто этот раздел к ботанике не относят.

География растений выявляет закономерности распространения растений и их сообществ на поверхности Земли. Из нее в конце 19 века выделилась геоботаника, которая исследует фитоценозы - растительные сообщества, их состав, структуру и распространение. Экология, которая выясняет взаимоотношения растений с внешней средой и, в том числе, с другими организмами.

Палеоботаника - наука о вымерших ископаемых растениях. Она имеет первостепенное значение для восстановления истории развития растительного мира.

По объектам исследования в ботанике выделяют альгологию (наука о водорослях), микологию (наука о грибах), лихенологию (наука о лишайниках), бриологию (наука о мхах) и др.

Болезнями растений, вызываемыми вирусами, бактериями и грибами, занимается фитопатология.

Автотрофы (греч. autos -- сам и греч. trophe -- пища) -- живые организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических.

Автотрофы составляют первый ярус в пищевой пирамиде (первые звенья пищевых цепей). Именно они являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере, обеспечивая пищей гетеротрофов. Следует отметить, что иногда резкой границы между автотрофами и гетеротрофами провести не удается. Например, одноклеточная эвглена на свету является автотрофом, а в темноте -- гетеротрофом.

Автотрофных организмов классифицируют на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов.

Фототрофы

Организмы, для которых источником энергии служит солнечный свет (фотоны, благодаря которым появляются доноры, или источники электронов), называются фототрофами. Такой тип питания носит название фотосинтеза.

Хемотрофы

Остальные организмы в качестве внешнего источника энергии (доноров, или источников электронов) используют энергию химических связей пищи или восстановленных неорганических соединений -- таких, как сероводород, метан, сера, двухвалентное железо и др. Такие организмы называются хемотрофы. Все фототрофы-эукариоты одновременно являются автотрофами, а все хемотрофы-эукариоты -- гетеротрофами. Среди прокариот встречаются и другие комбинации. Так, существуют хемоавтотрофные бактерии, а некоторые фототрофные бактерии являются гетеротрофами.

2. Значение растений в природе и жизни человека

Ответ:

Растения являются первоисточником существования, процветания и развития жизни на Земле и в первую очередь благодаря их свойству осуществлять фотосинтез. Фотосинтез протекает практически повсеместно на нашей планете, в связи с чем суммарный эффект его колоссален. В процессе фотосинтеза зеленые растения из углекислого газа и воды создают органические вещества (рис. 16.1), служат источником ценных продуктов питания (зерна, овощей, плодов и т. д.), сырья для промышленности и строительства.

Растительный покров -- важная составная часть природного комплекса, один из главнейших элементов ландшафта. Он определяет общий облик местности, играет большую роль в жизни природы.

Как известно, только зеленые растения обладают способностью, используя энергию солнца, создавать органические вещества из углекислого газа и воды. Они являются удивительной естественной лабораторией, в которой происходит сложный процесс фотосинтеза. Этот процесс осуществляется в природе в огромных масштабах, в результате чего на нашей планете ежегодно создается много миллиардов тонн органического вещества.

Велико значение растительного покрова и как источника кислорода, без которого невозможна жизнь на Земле. Зеленые растения выделяют в атмосферу огромное количество кислорода. Чтобы получить некоторое представление о масштабах этого процесса, достаточно привести такой пример. Одно дерево средней величины выделяет за сутки столько кислорода, сколько нужно для дыхания трем человекам. А сколько выделяет один гектар леса, целый лесной массив, все леса земного шара!

Зеленые растения играют чрезвычайно важную роль и еще в одном отношении: они, и только они, способны в больших масштабах поглощать из атмосферы углекислый газ и, следовательно, препятствовать его накоплению в воздушной оболочке нашей планеты. Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере Земли имело бы самые пагубные последствия.

Можно привести много примеров, показывающих, насколько велика роль растительного покрова в жизни природы. Без участия растительности невозможен процесс почвообразования -- один из важнейших процессов, протекающих на Земле. Без растений невозможна жизнь диких животных -- не только растительноядных, но и хищных. Растительный покров препятствует размыванию берегов рек и горных склонов, развеванию песков и т.д. Растительность влияет на атмосферу и почву, грунтовые воды и животный мир, ручьи и реки, озера и болота. Иначе говоря, это мощный природный фактор, значение которого трудно переоценить.

Какова роль естественного растительного покрова в жизни человека? Растения, которые нас окружают в природе, дают нам очень многое: строительный материал самого разнообразного назначения, топливо, сырье для производства бумаги и целлюлозы, ценные лекарства, всевозможные пищевые продукты, корм для скота, дубильные вещества, необходимые для выделки кожи, материал для мебели и т. д. Всего перечислить просто невозможно. Растения природной флоры служат поставщиками множества разнообразных веществ, продуктов и материалов, с которыми человек постоянно сталкивается в повседневной жизни.

Растительный покров важен для человека еще и потому, что это -- могучий лечебный и оздоровительный фактор. Именно в природе, в окружении растений мы наилучшим образом отдыхаем, восстанавливаем свои силы, укрепляем здоровье. Многие работники умственного труда, писатели и художники, композиторы и поэты особенно продуктивно работают, находясь вне больших городов, в тесном общении с природой.

Естественный растительный покров для нас жизненно важен, без него невозможно само существование человека, его нормальная жизнь. Мы и будущие поколения должны беречь и приумножать растительные богатства природы, разумно, по-хозяйски их использовать.

Огромную роль в жизни современного человека играет, конечно, и культурная растительность -- все то, что растет на наших полях, в садах и огородах, на приусадебных участках и т. д. Именно отсюда, а не из дикой природы человек получает важнейшие продукты питания -- хлеб, картофель, разнообразные овощи и фрукты, сахар, растительное масло и т. д. Культурные растения, а не дикая природа дают нам теперь текстильное волокно для тканей самого разнообразного назначения,

10 значительную часть кормов для крупного рогатого скота и т. д. Мы получаем со своих плантаций чай, табак, сырье для виноделия и парфюмерной промышленности и многое другое. Словом, без культурных растений, как и без естественного растительного покрова, немыслима наша жизнь.

Культурные растения нашей Родины довольно многочисленны и разнообразны. В каждом районе страны набор культурных растений своеобразен, он определяется местными климатическими и почвенными условиями.

Среди культурных растений, распространенных на полях нашей Родины, главное место принадлежит зерновым злакам -- пшенице, ржи, кукурузе, овсу, ячменю, просу, рису. Многие из них используются исключительно на зерно. Лишь кукурузу и овес выращивают также для получения зеленой массы, которая идет на корм скоту.

Немалое значение имеют и бобовые культуры -- растения, особенно богатые белками. Одни из них используют на зерно (горох, сою, фасоль, бобы, арахис, чечевицу, нут), другие служат поставщиками зеленой кормовой массы для скота (клевер, люцерна, вика).

Особое место среди культурных растений, возделываемых на полях, занимает картофель. Клубни его -- один из основных наших продуктов питания. Однако картофель не только пищевое растение. Это также кормовая и техническая культура. Клубни картофеля идут на корм скоту, из них получают крахмал и спирт. Из текстильных растений у нас в стране возделывают хлопчатник, лен и коноплю, из бахчевых -- арбузы, дыни, тыквы. Поставщиком растительного масла служит в основном подсолнечник, сахара -- исключительно сахарная свекла.

Ассортимент овощных растений и корнеплодов у нас очень богат: свекла и морковь, редька и редиска, репа и турнепс, капуста и огурцы, томаты и баклажаны, лук и чеснок, перец и кабачки, петрушка и укроп. Разнообразны наши плодовые и ягодные культуры. Их тоже довольно много: яблоня, вишня, смородина, малина, земляника, крыжовник, груша, слива, виноград, абрикосы, персики, черешня, гранат, инжир, мандарины, апельсины, хурма.

3. Растения, растительные ресурсы, охрана

Ответ:

По некоторым оценкам на Земле в настоящее время существуют примерно 400 000 видов растений. Но часто их количество оценивают на 1-2 порядка выше. Основные их группы содержат соответственно следующее количество видов (табл. 1).

Таблица 1. Численность отдельных видов растений и грибов на Земле

Группа организмов	Число видов
Сине-зеленые водоросли	2000
Диатомовые водоросли	14 000-16 000
Бурые водоросли	1500
Пирофитовые водоросли	1200
Прочие водоросли	1000
Лишайники	20 000
Сосудистые споровые	11 000
Бактерии	1200
Золотистые водоросли	1000
Желто-зеленые водоросли	300
Красные водоросли	3800
Зеленые водоросли	8000
Грибы	40 000 - 50 000
Мохообразные	25 000
Голосеменные	600
Цветковые	260 000

Растения, произрастающие на территории России, обладают огромной ценностью. Они являются устойчивой базой разнообразных и возобновляемых ресурсов, в частности, для осуществления перехода страны и ее отдельных регионов к устойчивому, экологически обоснованному развитию.

Растительный покров распространен почти на всей территории России и, с учетом широкой зональной и высотной дифференциации, 1600 млн. га земельного фонда страны в той или иной степени покрыты растительностью.

Сосудистые растения. На территории Российской Федерации зарегистрировано около 11 400 видов, принадлежащих к 1488 родам и 197 семействам. это около 50% флоры б. СССР. Ежегодно описываются десятки новых видов, обнаруживается проникновение в Россию растений из сопредельных и отдаленных регионов. около 20% составляют эндемичные виды.

В Красную книгу РСФСР (1988 г.) включены 440 видов покрытосеменных, 11 голосеменных, 10 папоротникообразных растений. Реально той или иной степени опасности подвергаются не менее 2-3 тыс. видов. На особо охраняемых природных территориях (ООПТ), включающих государственные заповедники и национальные парки, представлены о около 75% видов сосудистых растений России. Из 440 видов покрытосеменных, включенных в Красную книгу России, 36% находятся в опасном состоянии и в любой момент могут быть утрачены, поскольку они плохо охраняются в природе или не сохраняются в искусственных условиях.

Среди сосудистых растений флоры России выявлены 1363 вида, обладающие различными полезными свойствами. Из них 1103 вида используются в научной и народной медицине (в частности, 200 из них официально разрешено использовать в медицинской практике), 350 - как пищевые растения. Из видов, практическая ценность которых установлена, 460 произрастают только на территории России. Многие таксоны, в том числе лекарственные растения, изучены в прикладном отношении недостаточно, хотя часть из них очень перспективна для практического использования.

Мохообразные. Во флоре России представлены все 3 класса мохообразных: антоцеровые, печеночники, листостебельные. Общее количество видов составляет 1370, из них 1000 видов относится к классу листостебельных. Из общего числа российских видов мохообразных лишь 0,1% эндемики. Около 40% видов имеют незначительные ареалы. 22 вида занесены в Красную книгу России. К районам недостаточной изученности флоры относятся Западная Сибирь, центральная Якутия, отдельные территории Арктики, Дальнего Востока, востока Европейской части России.

Водоросли. На территории и в акваториях России зафиксировано более 9000 видов морских, пресноводных и почвенных водорослей (макро- и микрофитов), что составляет примерно 1/4 часть мировой альгофлоры. Благодаря обширным ареалам число эндемичных видов невелико и колеблется от 2-3% во внутренних до 6-10% в морских водоемах. Наибольшей степенью эндемизма водорослей обладает оз. Байкал.

Более 160 видов водорослей имеют хозяйственное значение и широко используются для пищевых, лекарственных и других целей. Определение их природных запасов, режимов эксплуатации, возобновления ресурсов требуют дополнительного изучения.

Лишайники. Флора лишайников России насчитывает около 3000 видов. Виды лишайников, как правило, имеют широкие ареалы, что обуславливает сравнительно небольшое число эндемичных форм, которых в России насчитывается не более 50. В то же время некоторые группы отличаются повышенным эндемизмом. Значительное число видов лишайников относится к реликтовым и редким: в Красной книге СССР (1984 г) их было 36, в Красной книге России (1988 г) - 27.

Обладая высокой степенью реакции на неблагоприятные изменения среды, многие виды лишайников - хорошие экологические индикаторы.

Грибы. Грибы являются одним из важнейших компонентов живой природы, обладают высокой степенью разнообразия и входят в состав практически всех наземных экосистем. В то же время многие грибы весьма подвержены антропогенному воздействию, что требует неотложных мер по их охране и рациональному использованию. Стратегическое значение этих мер обусловлено способностью грибов к обитанию в различных типах субстратов (почва, древесина, листья и т.д.) и к образованию разнообразных сообществ с трофической специализацией (сапрофиты, симбионты, паразиты).

Первичная продуктивность - запасы растительной массы и ее ежегодная продукция - один из наиболее "чутких" интегральных показателей состояния экосистем. Изменение запаса живой фитомассы носит в значительной мере зональную закономерность. Максимальные запасы (более 200 т/га) свойственны в основном лесным регионам, для которых характерно в естественном состоянии господство климаксовых сообществ южной тайги, широколиственных и хвойно-широколиственных лесов Европейской части России, Кавказа и юга Дальнего Востока. Несколько более низкие запасы наблюдаются в южной тайге Приангарья. В то же время в регионах с сильной заболоченностью и близким залеганием вечной мерзлоты этот показатель снижается. Запасы живой фитомассы также снижаются до 7,8 т/га в Прикаспии и 1,6 т/га на арктических архипелагах.

Запасы живого органического вещества (фитомасса составляет его основную часть) - универсальный показатель общей устойчивости экосистемы. Чем значительней масса живого вещества, тем стабильней среда обитания не только растительности, но и животного мира, и в конечном счете, и человека. Продукция фитомассы достигает максимума в травянистых экосистемах с наибольшей сомкнутостью травостоя (луговые степи). Они формируются на черноземах с высоким количеством гумуса (в степной зоне Европейской части России - 22,1 т/га, в Западной Сибири - 19 т/га). На север и на юг этот показатель быстро снижается, так как в сухих степях продуктивность лимитируется запасами воды, а лесные, сукцессионно более зрелые и существующие в более стабильном климате экосистемы, стремятся к формированию большего запаса фитомассы, а не к максимальной продукции.

Доля лесопокрытой площади определяется в России следующими факторами: природной зональностью и вертикальной поясностью, заболоченностью ландшафта, пожарами, уровнем лесохозяйственной деятельности и плотностью населения. Наиболее лесодефицитными районами являются территории юга Европейской части России и Центрально-Черноземной области. Исходная лесистость имеет максимальные значения на юге таежной зоны Средней Сибири, в кедрово-широколиственных лесах юга Дальнего Востока и на севере Европейской части России (70-80%). В лесной зоне лесистость в 50% и ниже отмечается в хвойно-широколиственных и широколиственных лесах Европейской части России, где леса на значительных площадях сведены и заняты агроландшафтами, а также в тайге Западной Сибири, где большие площади занимают болота. На севере и северо-востоке Сибири, в холодных горах Якутии и Магаданской области господствуют редколесья.

Из выявленных в настоящее время редких и исчезающих видов зональных степей в региональные списки включены около 150 видов, из них 70 занесены в Красную книгу РСФСР (1988 г). Среди редких видов преобладают представители семейств сложноцветных, злаков, лилейных, крестоцветных, бобовых (многие из них - виды, имеющие важное хозяйственное значение). Среди степной флоры наблюдается исключительное разнообразие полезных растений (кормовых, лекарственных, медоносных, эфиромасличных, пряных, красильных, декоративных и др., издавна собираемых и заготавливаемых местным населением).

Степные сообщества являются естественными местами обитания разнообразных животных, среди них ставшие редкими сурки, дрофы и др., беспозвоночные, в том числе насекомые-опылители, играющие важную роль в повышении урожаев сельскохозяйственных культур.

Сохраняющаяся тенденция уменьшения размеров участков природной степной растительности, большая степень уязвимости уцелевших степных сообществ и возрастающие темпы антропогенных трансформаций растительного покрова делают степные сообщества и экосистемы в целом важнейшими природоохранными объектами. Поэтому чрезвычайно актуальна задача сохранения даже небольших участков природной степной растительности путем создания "микрозаповедников", организации заказников и оформления статуса памятников природы. Они могут служить не только естественным источником семян, но и своеобразными эталонами для восстановления нарушенных степных ландшафтов с целью сохранения биоразнообразия, увеличения запасов растительных ресурсов, повышения плодородия почв.

В последнее время чрезвычайно быстро сокращается площадь и деградирует естественная луговая растительность. Наиболее высокой продуктивностью, специфической структурой растительности отличаются луговые комплексы речных пойм.

Луговая растительность, как и степная, является не только источником кормов для домашних и диких животных, луга представляют собой ценные резерваты видового разнообразия, в том числе генофонда кормовых, лекарственных, медоносных, пищевых, декоративных и других растений, а также и животных и, в первую очередь, беспозвоночных (в частности, насекомых-опылителей).

Луговые сообщества нуждаются в регулярном уходе. Несоблюдение пастбище- и сенокосооборотов привело к резкому снижению продуктивности луговых фитоценозов, причем особенно деградировали луга в поймах малых рек.

Комплексы растительности ранних сукцессионных стадий характерны для тундр и болот, где из-за климатических особенностей или интенсивного погребения отмирающей органики сукцессия замедлена. На высокогорьях, на склонах, на развеваемых песках и отвалах также преобладают безлесные пионерные растительные группировки - луга, "ковры", пустоши и пр. Тундры, болота, горные склоны, отвалы, пески характеризуются невысоким уровнем проективного покрытия цветковых растений, продуктивности, динамичности поверхности, предрасположенностью к эрозионным процессам.

В последние годы резко увеличилась деградация тундровой растительности в связи с интенсивной эксплуатацией природных ресурсов Арктики. Большую тревогу вызывает современное состояние растительного покрова болот.

Болотные экосистемы стабилизируют гидрологический режим, служат аккумуляторами чистой пресной воды, служат естественными фильтрами загрязненных атмосферных осадков. Болотная растительность представляет большую ресурсную ценность, являясь естественной плантацией хозяйственно-полезных видов, в том числе плодово-ягодных, лекарственных, медоносных и др. Болота служат местообитаниями многих охотничье-промысловых видов животных. К болотам приурочены местонахождения многих редких видов растений и животных.

4. Строение растительной клетки. Основные химические компоненты

протопласта

Ответ:

Строение и жизнедеятельность растительной клетки.

1. Строение растительной клетки: целлюлозная оболочка, плазматическая мембрана, цитоплазма с органоидами, ядро, вакуоли с клеточным соком. Наличие пластид -- главная особенность растительной клетки.

2. Функции клеточной оболочки -- придает клетке форму, защищает от факторов внешней среды.

3. Плазматическая мембрана -- тонкая пленка, состоит из взаимодействующих молекул липидов и белков, отграничивает внутреннее содержимое от внешней среды, обеспечивает транспорт в клетку воды, минеральных и органических веществ путем осмоса и активного переноса, а также удаляет вредные продукты жизнедеятельности.

4. Цитоплазма -- внутренняя полужидкая среда клетки, в которой расположено ядро и органоиды, обеспечивает связи между ними, участвует в основных процессах жизнедеятельности.

5. Эндоплазматическая сеть -- сеть ветвящихся каналов в цитоплазме. Она участвует в синтезе белков, липидов и углеводов, в транспорте веществ. Рибосомы -- тельца, расположенные на ЭПС или в цитоплазме, состоят из РНК и белка, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы -- единый аппарат синтеза и транспорта белков.

6. Митохондрии -- органоиды, отграниченные от цитоплазмы двумя мембранами. В них с участием ферментов окисляются органические вещества и синтезируются молекулы АТФ. Увеличение поверхности внутренней мембраны, на которой расположены ферменты, за счет крист. АТФ -- богатое энергией органическое вещество.

7. Пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты), их содержание в клетке -- главная особенность растительного организма. Хлоропласты -- пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, который поглощает энергию света и использует ее на синтез органических веществ из углекислого газа и воды. Отграничение хлоропластов от цитоплазмы двумя мембранами, многочисленные выросты -- граны на внутренней мембране, в которых расположены молекулы хлорофилла и ферменты.

8. Комплекс Гольджи -- система полостей, отграниченных от цитоплазмы мембраной. Накапливание в них белков, жиров и углеводов. Осуществление на мембранах синтеза жиров и углеводов.

9. Лизосомы -- тельца, отграниченные от цитоплазмы одной мембраной. Содержащиеся в них ферменты ускоряют реакцию расщепления сложных молекул до простых: белков до аминокислот, сложных углеводов до простых, липидов до глицерина и жирных кислот, а также разрушают отмершие части клетки, целые клетки.

10. Вакуоли -- полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком, место накопления запасных питательных веществ, вредных веществ; они регулируют содержание воды в клетке.

11. Клеточные включения -- капли и зерна запасных питательных веществ (белки, жиры и углеводы).

12. Ядро -- главная часть клетки, покрытая снаружи двухмембранной, пронизанной порами ядерной оболочкой. Вещества поступают в ядро и удаляются из него через поры. Хромосомы -- носители наследственной информации о признаках организма, основные структуры ядра, каждая из которых состоит из одной молекулы ДНК в соединении с белками. Ядро -- место синтеза ДНК, иРНК, рРНК.

5. Прокариотическая и эукариотическая клетка. Состав протопласта

эукариотической клетки

Ответ:

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток -- прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки -- более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки -- более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки -- протопласт -- отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.

Прокариоты (от лат. pro -- перед, до и греч. кЬс?пн -- ядро, орех) -- организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов -- линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток -- митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка

Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ех -- хорошо, полностью и кЬс?пн -- ядро, орех) -- организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты -- митохондрии, а у водорослей и растений -- также и пластиды.

Поверхностный комплекс клетки cостоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы. Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию. На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира -- гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов. В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета -- упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличие микроворсинок).

Структура цитоплазмы

Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в котором «плавают» ядро и другие органоиды. На самом деле это не так. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей». Отдельные белковые молекулы также не диффундируют свободно по всему внутриклеточному пространству, а направляются в необходимые компартменты при помощи специальных сигналов на их поверхности, узнаваемых транспортными системами клетки.

Эндоплазматический ретикулум

В эукариотической клетке существует система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн), которая называется эндоплазматическим ретикулумом (или эндоплазматическая сеть, ЭПР или ЭПС). Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному (или шероховатому) эндоплазматическому ретикулуму, на его мембранах происходит синтез белков. Те компартменты, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому (или агранулярному) ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов. Внутренние пространства гладкого и гранулярного ЭПР не изолированы, а переходят друг в друга и сообщаются с просветом ядерной оболочки.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР и предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен -- цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки -- везикулы, отпочковывающиеся от эндоплазматического ретикулума. По-видимому, при помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Ядро

Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация -- удвоение молекул ДНК, а также транскрипция -- синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками. Компартмент для ядра -- кариотека -- образован за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов ядерной оболочки. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жесткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.

Лизосомы

Лизосома -- небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В ней находятся литические ферменты, способные расщепить все биополимеры. Основная функция -- автолиз -- то есть расщепление отдельных органоидов, участков цитоплазмы клетки.

Цитоскелет

К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, входят в состав жгутиков, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки. Белки цитоскелета составляют несколько десятков процентов от массы клеточного белка.

Центриоли

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Количество микротрубочек в наборе может колебаться для разных организмов от 1 до 3.

Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета, район в котором группируются минус концы микротрубочек клетки.

Перед делением клетка содержит две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу. В ходе митоза они расходятся к разным концам клетки, формируя полюса веретена деления. После цитокинеза каждая дочерняя клетка получает по одной центриоли, которая удваивается к следующему делению. Удвоение центриолей происходит не делением, а путём синтеза новой структуры, перпендикулярной существующей.

Центриоли, по-видимому, гомологичны базальным телам жгутиков и ресничек.

Митохондрии/ Митохондрии -- особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ -- универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий.

Внутренний просвет митохондрий, называемый матриксом отграничен от цитоплазмы двумя мембранами, наружной и внутренней, между которыми располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана митохондрии образует складки, так называемые кристы. В матриксе содержатся различные ферменты, принимающие участие в дыхании и синтезе АТФ. Центральное значение для синтеза АТФ имеет водородный потенциал внутренней мембраны митохондрии.

Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. В ДНК митохондрий закодированы совсем не все митохондриальные белки, большая часть генов митохондриальных белков находятся в ядерном геноме, а соответствующие им продукты синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются в митохондрии. Геномы митохондрий отличаются по размерам: например геном человеческих митохондрий содержит всего 13 генов. Самое большое число митохондриальных генов (97) из изученных организмов имеет простейшее Reclinomonas americana.

6. Отличия растительной, животной и грибной клетки

Ответ:

Отличия растительной клетки от клетки животных

1. Растительная клетка имеет в клеточной оболочке клеточную стенку, а животная клетка ее не имеет.

2. Животные клетки имеют гликокаликс.

3. Животные клетки имеют центриоли. Среди растений центриоли имеются только у водорослей.

4. Дочерние клетки после деления ядра отделяются у животных перетяжкой, у растений -- перегородкой.

5. Запасной углевод у растений -- крахмал, а у животных -- гликоген.

6. Растительные клетки способны к фотосинтезу, животные -- гетеротрофы.

7. Растительные клетки имеют пластиды.

8. Растительные клетки имеют в клеточной оболочке целлюлозу.

9. Растительные клетки имеют центральную вакуоль.

10. Животные клетки могут иметь органеллы (реснички и жгутики).

Признаки	Растительная клетка	Животная клетка
Пластиды	Хлоропласты, хромопласты, лейкопласты	Отсутствуют
Способ питания	Автотрофный (фототрофный, хемотрофный),	Гетеротрофный (сапротрофный, паразитический)
Синтез АТФ	В хлоропластах, митохондриях	В митохондриях
Расщепление АТФ	В хлоропластах и всех частях клетки, где необходимы затраты энергии	Во всех частях клетки, где необходимы затраты энергии
Клеточный центр	У низших растений	Во всех клетках
Целлюлозная клеточная стенка	Расположена снаружи от клеточной мембраны	Отсутствует
Включения	Запасные питательные вещества в виде зёрен крахмала, белка, капель масла; вакуоли с клеточным соком; кристаллы солей	Запасные питательные вещества в виде зёрен и капель (белки, жиры, углеводы, гликоген); конечные продукты обмена, кристаллы солей; пигменты
Вакуоли	Крупные полости, заполненные клеточным соком - водным раствором различных веществ (запасные или конечные продукты). Осмотические резервуары клетки.	Сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли. Обычно мелкие.

7. Продукты жизнедеятельности протопласта. Внутриклеточные

включения

Ответ:



8. Физическое состояние и химический состав протоплазмы

Ответ:

Протоплазма (от греч. -- «первый» и -- вылепленное, оформленное) (живое вещество), содержимое живой клетки -- её цитоплазма и ядро. Термин «протоплазма» (ввёл в 1839 Я. Пуркине), широко применявшийся в XIX -- нач. XX вв., почти не употребляется в современной научной литературе. Представление о П. возникло и утвердилось в связи с изучением строения и свойств клетки и развитием клеточной теории. В период становления этой теории основной структурой клетки считалась оболочка; содержимое клетки признавалось второстепенным веществом -- "камедью". Так, в 40-х гг. 19 в. ботаники не относили к обязательной части клеток их содержимое, как содержимое сосуда не есть самый сосуд. Однако к середине 19 в., главным образом благодаря работам ботаников, становилось всё яснее, что именно содержимое клетки -- основной субстрат жизни. Оформление подобных представлений связано прежде всего с именем нем. ботаника Х. Моля (1844, 1846), который широко пользовался термином "П." (впервые его применил в 1839 чешский учёный Я. Пуркине для обозначения подобного камбию у растений вещества, из которого развиваются клетки животных). Др. направление исследований связано с трудами зоологов (например, французского учёного Ф. Дюжардена), изучавших протистов (особенно корненожек) и то студенистое вещество -- саркоду, из которого они состоят. Мысль о том, что П. растительных клеток и саркода животных -- принципиально одна и та же субстанция, была сформулирована нем. ботаником Ф. Коном (1850). В дальнейшем изучении П. значительную роль сыграли нем. учёные А.Де Бари, Ф. Лейдиг, М. Шульц и рус. ботаник и микробиолог Л С. Ценковский. В 1925 американский учёный Э. Вильсон предложил коллоидную теорию П., согласно которой П. -- многофазный коллоид, где дисперсионной средой служит вода, а основными дисперсными фазами -- белки и липиды.

Начиная с 40--50-х гг. 20 в., с развитием и широким внедрением в биологию физико-химических методов анализа, получено много новых данных о составе и структуре П. Были открыты новые и детально изучено строение уже известных внутриклеточных органоидов -- ядра, митохондрий, рибосом, Гольджи комплекса, эндоплазматической сети и др. Стала ясной важная регуляторная и структурная роль биологических мембран. Оказалось, например, что многочисленные ферменты клетки не распределены беспорядочно в П., а закреплены на различных внутриклеточных структурах. Этот этап исследования П. характеризуется стремлением рассматривать различные структуры в связи с их функциями. Изучение этого единства на уровне ультраструктур П. и составляющих их биополимеров обусловило становление и развитие молекулярной биологии. Иногда термином "П." неправильно называют внеядерную часть клетки, т. е. цитоплазму.

Физико-химические свойства протоплазмы

Понятие о дисперсных системах

Протоплазма характеризуется рядом физико-химических свойств. Это обусловлено тем, что она представляет собой сложное соединение коллоидных растворов белка и других органических веществ с истинными растворами солей и ряда неорганических соединений.

Следует различать истинные растворы, коллоидные растворы и суспензии. Истинные растворы отличаются прозрачностью; благодаря малым размерам растворенных частиц (менее 1 тр.) они легко проходят через биологические мембраны.

Суспензии или взвеси - мутные жидкости, частицы которых более 0,2 р. При отстаивании взвешенные частицы оседают.

Если частицы имеют промежуточные размеры - от 0,1 до 0,001 м т. е. слишком велики, чтобы образовать истинный раствор, но и слишком малы, чтобы выпасть в осадок, возникает коллоидный раствор (от греч. colla - клей). Поскольку диаметр белковых молекул превышает 0,001 ц, белки образуют коллоидные растворы и вся протоплазма представляет собой коллоид.

В Коллоидных растворах на поверхностях частиц создаются огромные суммарные площади. Очень наглядно это можно показать на следующем примере. Общая площадь поверхности 1 см3 равна 6 см2. Если раздробить его на 8 кубиков величиной 0,5 см3, то поверхность каждого кубика будет равна 1,5 см2, а общая площадь поверхностей всех 8 кубиков возрастет до 12 см2. Если измельчение частиц будет доведено до размеров, встречающихся в коллоидных растворах, например с ребрами в 0,01 р, то общая площадь поверхности таких частиц достигнет б 000 000 см2 (т. е. 600 м2). Поскольку многие химические реакции происходят на по­верхностях частиц цитоплазматического матрикса клетки, коллоидные растворы оказываются наиболее удобным физико-химическим состоянием вещества для протекания таких реакций.

Коллоидное и кристаллическое состояние протоплазмы

В коллоидном растворе различают непрерывную фазу, или дисперсионную среду, и коллоидные частицы - дисперсионную фазу. Дисперсионная фаза протоплазмы состоит чаще всего из макромолекул белка. Коллоидные частицы протоплазмы как бы «взвешены» в дисперсионной (жидкой) среде, вследствие чего создается огромная поверхность, на которой происходит оседание, адсорбция веществ, поступающих в клетку, и осуществляются разнообразные биохимические реакции.

При известных обстоятельствах частицы дисперсной фазы могут склеиваться между собой - агглютинировать и выпадать в осадок. Протоплазма представляет собой устойчивый гидрофильный коллоид (от греч„ hydor - вода, phileo- люблю). Напомним, что вокруг каждой макромолекулы образуется водная или сольватная оболочка.

Коллоиды протоплазмы бывают в двух состояниях: в виде коллоидного раствора (золя) и студня (геля). При исследовании протоплазмы под электронным микроскопом обнаружено, что в состоянии геля (от лат. gelatinа - студень) вытянутые белковые молекулы, соприкасаясь частями поверхностей между собой, образуют остов из сетки, заполненный дисперсионной средой. Когда коллоидные частицы - белковые макромолекулы расходятся, коллоид переходит в золь (от лут. solutus - растворенный). Такой переход из одного состояния в другое можно наблюдать на растворе желатины, который при нагревании жидок (золь), а при остывании становится студнеобразным (гель). Эти процессы обратимый в клетке совершаются непрерывно. Они зависят от физиологического состояния живого вещества. При сокращении мышцы золь быстро переходит в гель и наоборот; при образовании псевдоподии у амебы наблюдается переход геля в золь и т. д.

Коллоидным состоянием протоплазмы обусловлена ее вязкость. У большинства клеток консистенция цитоплазматического матрикса превышает вязкость воды не более чем в 5-10 раз, но в ряде случаев может быть и значительно выше. Вязкость протоплазмы зависит от обменных процессов в клетках. Так, она повышается при повреждении клетки, а в яйцеклетках - после оплодотворения. Во время деления клетки обнаруживается ритмичное изменение вязкости протоплазмы. Вязкость крови меняется в зависимости от физиологического и патологического состояния организма.

Раньше единственным физическим состоянием протоплазмы считалось коллоидное. Но в последнее время обнаружено, что ряд клеточных структур представляют собой жидкие кристаллы. Большой способностью к образованию жидких кристаллов обладают липоиды, Жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между жидкостями и кристаллами. С одной стороны, они как жидкости обладают текучестью, могут сливаться друг с другом, с другой стороны, они, подобно кристаллам, отличаются анизотропией, т. е. их прочность, электропроводность и ряд Других свойств неодинаковы в разных направлениях. По-видимому, жидко­кристаллическое состояние ряда клеточных структур обеспечивает их. большую лабильность (подвижность, изменчивость).

Жидко-кристаллическая структура обнаружена в сперматозоидах, эритроцитах, в клетках нервной системы и нервных волокон, в палочках и колбочках сетчатки глаза.

Паранекроз и денатурация протоплазмы

Физико-химическое состояние протоплазмы очень лабильно. При действии на нее разнообразных термических, механических, химических и других повреждающих агентов в клетках происходят паранекротические изменения. Термин «паранекроз», предложенный Д.Н. Насоновым и В.Я. Александровым (1934), в дословном переводе значит «вблизи смерти». Паранекроз проявляется в повышении вязкости, укрупнении раздробленных коллоидных частиц, увеличении адсорбции, изменении реакции цитоплазмы в сторону большей кислотности и т. д. Если сила раздражителя незначительна, процесс обратим. При более сильном воздействии наступают необратимые изменения - денатурация протоплазмы, при которой клетки гибнут. Такие изменения сопровождаются внутримолекулярными изменениями белка. Денатурированная протоплазма теряет свои нативные, естественные свойства, нерастворима в воде, химически инертна. Она не может быть возвращена в прежнее, нативное состояние. Денатурация наступает в результате воздействия разно­образных физических и химических факторов. Ее можно вызвать, например, действием высокой температуры, крепкой кислотой или щелочью.

Для поддержания нормального состояния протоплазма нуждается в непрерывной затрате энергии, освобождающейся из веществ, поступающих в клетку.

Элементный состав протоплазмы

Изучение элементного химического состава протоплазмы подтверждает тесное единство всей природы. Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и тела неживой природы.

Химический состав протоплазмы

Из известных в настоящее время науке 104 химических элементов, составляющих периодическую систему Менделеева, свыше 70 входят в состав организмов. Это, разумеется, не предел наших знаний об элементном составе протоплазмы. По-видимому, дальнейшие исследования обнаружат в организмах еще ряд химических элементов. Допустимо предположить, что нет таких элементов в неживой природе, которые в каком-то количестве не входят в состав тех или иных организмов. Химические элементы, которые принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью (таких около 40), называются биогенными.

Элементный анализ протоплазмы растений и животных показывает, что она в среднем содержит: кислорода около 70% общего веса, углерода 18% и водорода 10%. В сумме эти три элемента составляют более 98% общего живого веса.

Затем следуют кальций, азот, калий и кремний, входящие в состав живых организмов в десятых долях процента, а также фосфор, магний, сера, хлор, натрий, алюминий и железо, составляющие сотые доли процента. Названные элементы вместе с кислородом, водородом и углеродом составляют 99,99% веса живых организмов; поскольку они находятся в них в сравнительно большом количестве, их называют макроэлементами.

В несколько меньшем количестве встречаются марганец, бор, медь, цинк, фтор, барий, никель, литий, йод, кобальт, хром. Они составляют тысячные, десятитысячные и стотысячные доли процента к весу тела н получили название микроэлементов. Наконец, в еще меньшем количестве обнаружены ультрамикроэлементы: ртуть, золото, радий и др., составляющие миллионные доли процента.

Важность того или иного элемента определяется не только его количеством. Многие микро- и ультрамикроэлементы оказались жизненно необходимыми.

Элементный состав протоплазмы из клеток организмов разных видов несколько варьирует, что стоит в связи с различным характером обмена веществ. Более того, акад. В.И. Вернадский (1863-1945) обнаружил, что некоторые из организмов являются интенсивными накопителями определенных элементов. Так, ряд морских водорослей накапливает йод, лютики - литий, ряска - радий, диатомовые водоросли и злаки-кремний, моллюски и ракообразные-медь, позвоночные - железо, некоторые бактерии - марганец. Но элементный химический состав организмов и химический состав окружающей среды всегда существенно отличаются. Так, кремния в почве около 33%, а в растениях лишь 0,15%; наоборот, кислорода в почве около 49%, а в растениях 70% и т. д. Это указывает на избирательную способность организмов извлекать определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности протоплазмы.

Химические связи

При взаимодействии отдельных молекул как органических, так и неорганических веществ возникают новые химические связи между реагирующими молекулами.

Основные химические связи - ионная и ковалентная. Кроме того, встречается еще ряд химических связей, из которых для органиче­ских соединений, особенно в живых организмах, большое значение имеет также в одородная связь.

Ионная связь образуется вследствие притяжения частиц с разноименными зарядами;

Na+ +Сl- --->NaCl.

Подобный тип связи в организмах присущ главным образом неорганическим соединениям.

9. Понятие о биологической мембране, её строение и функции.

Плазмалемма, тонопласт, система внутренних мембран

Ответ:

Биологические мембраны, их свойства и функции

Строение биологических мембран. Одной из основных особенностей всех эукариотических клеток является изобилие и сложность строения внутренних мембран. Мембраны отграничивают цитоплазму от окружающей среды, а также формируют оболочки ядер, митохондрий и пластид. Они образуют лабиринт эндоплазматического ретикулума и уплощенных пузырьков в виде стопки, составляющих комплекс Гольджи. Мембраны образуют лизосомы, крупные и мелкие вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли простейших. Все эти структуры представляют собой компартменты (отсеки), предназначенные для тех или иных специализированных процессов и циклов. Следовательно, без мембран существование клетки невозможно.

Плазматическая мембрана, или плазмалемма, -- наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток мембрана. Она представляет собой тончайшую (около 10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул белков и фосфолипидов (рис. 1.6).