Естествознание и основы экологии



Схема 1

По наличию оформленного ядра все клеточные организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты.

Прокариоты (безъядерные организмы) - примитивные организмы, не имеющие четко оформленного ядра. В таких клетках выделяется лишь ядерная зона, содержащая молекулу ДНК. Кроме того, в клетках прокариот отсутствуют многие органеллы. У них имеются только наружная клеточная мембрана и рибосомы. К прокариотам относятся бактерии.

Эукариоты - истинно ядерные организмы, имеют четко оформленное ядро и все основные структурные компоненты клетки. К ним относятся растения, животные, грибы.

Таблица 4

Кроме организмов, имеющих клеточное строение, существуют и неклеточные формы жизни - вирусы и бактериофаги. Эти формы жизни представляют собой как бы переходную группу между живой и неживой природой.



Рис. 57. Современная биологическая система

* В столбце представлены только некоторые, но не все существующие систематические категории (типы, классы, отряды, семейства, роды, виды).

Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д. И. Ивановским. В переводе слово «вирус» означает «яд».

Вирусы состоят из молекул ДНК или РНК, покрытой белковой оболочкой, а иногда дополнительно липидной мембраной (рис. 58).



Рис. 58. Вирус ВИЧ (А) и бактериофаг (Б)

Вирусы могут существовать в виде кристаллов. В таком состоянии они не размножаются, не проявляют никаких признаков живого и могут сохраняться длительное время. Но при внедрении в живую клетку вирус начинает размножаться, подавляя и разрушая все структуры клетки-хозяина.

Проникая в клетку, вирус встраивает свой генетический аппарат (ДНК или РНК) в генетический аппарат клетки-хозяина, и начинается синтез вирусных белков и нуклеиновых кислот. В клетке-хозяине идет сборка вирусных частиц. Вне живой клетки вирусы не способны к размножению и синтезу белка.

Вирусы вызывают различные заболевания растений, животных, человека. К ним относятся вирусы табачной мозаики, гриппа, кори, оспы, полиомиелита, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий заболевание СПИД.

Генетический материал вируса ВИЧ представлен в виде двух молекул РНК и специфического фермента обратной транскриптазы, который катализирует реакцию синтеза вирусной ДНК на матрице вирусной РНК в клетках лимфоцитов человека. Далее вирусная ДНК встраивается в ДНК клеток человека. В таком состоянии она может сохраняться долго, не проявляя себя. Поэтому антитела в крови у инфицированного человека образуются не сразу и обнаружить заболевание на этой стадии сложно. В процессе деления клеток крови ДНК вируса передается соответственно в дочерние клетки.

При каких-либо условиях вирус активизируется и начинается синтез вирусных белков, а в крови появляются антитела. В первую очередь вирус поражает Т-лимфоциты, ответственные за выработку иммунитета. Лимфоциты перестают узнавать чужеродные бактерии, белки и вырабатывать против них антитела. В результате организм перестает бороться с любой инфекцией, и человек может погибнуть от любого инфекционного заболевания.

Бактериофаги - это вирусы, поражающие клетки бактерий (пожиратели бактерий). Тело бактериофага (см. рис. 58) состоит из белковой головки, в центре которой находится вирусная ДНК, и хвостика. На конце хвоста располагаются хвостовые отростки, служащие для закрепления на поверхности клетки бактерии, и фермент, разрушающий бактериальную стенку.

По каналу в хвостике ДНК вируса вспрыскивается в клетку бактерии и подавляет синтез бактериальных белков, вместо которых синтезируются ДНК и белки вируса. В клетке происходит сборка новых вирусов, которые покидают погибшую бактерию и внедряются в новые клетки. Бактериофаги могут использоваться как лекарства против возбудителей инфекционных заболеваний (холеры, брюшного тифа).

§51. Бактерии. Грибы. Лишайники

Бактерии. Это одноклеточные прокариотические организмы. Величина их колеблется от 0,5 до 10-13 мкм. Впервые бактерии наблюдал в микроскоп Антони ван Левенгук в XVII в.

Клетка бактерии имеет оболочку (клеточную стенку) подобно клетке растения. Но у бактерии она упругая, нецеллюлозная. Под оболочкой находится клеточная мембрана, обеспечивающая избирательное поступление веществ в клетку. Она впячивается внутрь цитоплазмы, увеличивая поверхность мембранных образований, на которых идут многие реакции обмена веществ. Существенным отличием бактериальной клетки от клеток других организмов является отсутствие оформленного ядра. В ядерной зоне располагается кольцевая молекула ДНК, которая является носителем генетической информации и регулирует все процессы жизнедеятельности клетки. Из других органелл в клетках бактерий присутствуют только рибосомы, на которых протекает синтез белка. Все остальные органеллы у прокариот отсутствуют.

Рис. 59. Различные формы бактерий

Форма бактерий весьма разнообразна и лежит в основе их классификации (рис. 59). Это шарообразные - кокки, палочкообразные - бациллы, изогнутые - вибрионы, закрученные - спириллы и спирохеты. Некоторые бактерии имеют жгутики, с помощью которых они движутся. Размножаются бактерии путем простого деления клетки на две. При благоприятных условиях клетка бактерии делится каждые 20 мин. Если условия неблагоприятны, дальнейшее размножение колонии бактерий приостанавливается или замедляется. Бактерии плохо переносят низкие и высокие температуры: при нагревании до 80 °C многие погибают, а некоторые при неблагоприятных условиях образуют споры - покоящиеся стадии, покрытые плотной оболочкой. В таком состоянии они сохраняют жизнеспособность довольно долго, иногда несколько лет. Споры некоторых бактерий выдерживают замораживание и повышение температуры до 129 °C. Спорообразование свойственно бациллам, например возбудителям сибирской язвы, туберкулеза.

Бактерии живут повсеместно - в почве, воде, воздухе, в организмах растений, животных и человека. Многие бактерии по способу питания являются гетеротрофными организмами, т. е. используют готовые органические вещества. Часть из них, являясь сапрофитами, разрушает остатки мертвых растений и животных, участвует в разложении навоза, способствует минерализации почвы. Бактериальные процессы спиртового, молочнокислого брожения используются человеком. Есть виды, которые могут жить в организме человека, не принося вреда. Так, например, в кишечнике человека обитает кишечная палочка. Отдельные виды бактерий, поселяясь на продуктах питания, вызывают их порчу. К сапрофитам относятся бактерии гниения и брожения.

Многие бактерии - паразиты внутри организма человека и животных, вызывающие различные заболевания. Это патогенные, болезнетворные бактерии. Особенно опасны бациллы туберкулеза, дифтерита, брюшного тифа, сибирской язвы, столбняка. В состоянии споры они много лет сохраняют свою жизнеспособность. Например, бациллы столбняка десятилетиями живут в жирной, унавоженной почве. Заражение человека происходит при попадании их в кровь через царапины или порезы во время сельскохозяйственных работ. Стрептококки и стафилококки вызывают у человека ангину, воспаление различных органов. Холерный вибрион является причиной эпидемий холеры.

Кроме гетеротрофов существуют и автотрофные бактерии, способные окислять неорганические вещества, а выделяющуюся энергию использовать для синтеза органических веществ. Так, например, почвенные азотобактерии обогащают ее азотом, повышая плодородие. На корнях бобовых растений - клевера, люпина, гороха - можно увидеть клубеньки, содержащие такие бактерии. К автотрофам относятся серобактерии и железобактерии.

К прокариотам относится еще одна группа микроорганизмов - цианобактерии. Цианобактерии - автотрофы, имеют фотосинтезирующую систему и соответствующие пигменты. Поэтому они зеленого или сине-зеленого цвета. Цианобактерии могут быть одиночными, колониальными, нитчатыми (многоклеточными).

Они внешне сходны с водорослями. Цианобактерии распространены в воде, почве, горячих источниках, входят в состав лишайников.

Грибы. Это группа гетеротрофных организмов, которая имеет признаки сходства с растениями и животными.

Как и растения, грибы имеют клеточную оболочку, неограниченный рост, они неподвижны, размножаются спорами, питаются путем всасывания растворенных в воде питательных веществ.

Как и животные, грибы не способны синтезировать органические вещества из неорганических, не имеют пластид и фотосинтезирующих пигментов, в качестве запасного питательного вещества накапливают гликоген, а не крахмал, клеточную оболочку строят из хитина, а не из целлюлозы.

Именно поэтому грибы выделяют в отдельное царство. Царство грибов объединяет около 100 тыс. видов, широко распространенных на Земле.

Рис. 60. Строение грибов: 1 - мукор; 2 - дрожжи; 3 - пеницилл

Тело гриба (рис. 60) - таллом состоит из тонких нитей - гифов. Совокупность гифов называется мицелием или грибницей. Гифы могут иметь перегородки, образуя отдельные клетки. Но в некоторых случаях перегородки отсутствуют (у мукора). Поэтому клетки грибов могут содержать одно или множество ядер.

Мицелий развивается на субстрате, при этом гифы проникают внутрь субстрата и разрастаются, многократно ветвясь. Размножаются грибы вегетативно - частями мицелия и спорами, которые созревают в специализированных клетках - спорангиях.

Грибы делятся на два класса: низшие и высшие грибы.

1. Низшие грибы часто имеют многоядерный мицелий или состоят из одной клетки. Представителями низших грибов являются плесневые грибы: мукор, пеницилл, аспергилл. У пеницилла, в отличие от мукора, мицелий многоклеточный, разделен на перегородки. Плесневые грибы развиваются в почве, на влажных продуктах питания, в плодах, овощах, вызывая их порчу. Одна часть гифов гриба проникает внутрь субстрата, а другая часть поднимается вверх над поверхностью. На концах вертикальных гифов созревают споры.

Дрожжи - это низшие одноклеточные грибы. Дрожжи не образуют мицелия, размножаются почкованием. Они вызывают спиртовое брожение, разлагая сахар в процессе своей жизнедеятельности. Их используют в пивоварении, хлебопечении, виноделии.

2. К высшим грибам относятся шляпочные грибы. Для них характерен многоклеточный мицелий, который развивается в почве, а на поверхности образуются плодовые тела, состоящие из плотно переплетенных гифов, в которых созревают споры. Плодовые тела состоят из ножки и шляпки. У одних грибов нижний слой шляпки образован радиально расположенными пластинками - это пластинчатые грибы. К ним относятся сыроежки, лисички, шампиньоны, бледная поганка и т. д. У других грибов на нижней стороне шляпки имеются многочисленные трубочки - это трубчатые грибы. К ним относятся белый гриб, подберезовик, подосиновик, мухоморы и т. д. В трубочках и на пластинках созревают споры гриба. Часто мицелий гриба образует микоризу, прорастая гифами в корни растений. Растение снабжает гриб органическими питательными веществами, а гриб обеспечивает минеральное питание растения. Такое взаимовыгодное сожительство называется симбиозом. Многие шляпочные грибы съедобны, но среди них есть и ядовитые.

По способу питания грибы делят на сапрофитов и паразитов.

1. Грибы-сапрофиты питаются отмершими организмами, органическими остатками, пищевыми продуктами, созревшими плодами, вызывая их гниение и распад. К сапрофитам относятся мукор, пеницилл, аспергилл, большинство шляпочных грибов.

2. Грибы-паразиты поселяются на живых организмах (растениях и животных), разрушая их, вызывая заболевания и иногда приводя к гибели. Фитофтора - опасный вредитель картофеля и томатов. Она поражает ботву и клубни картофеля, плоды томата, отчего они чернеют и отмирают. Головня и спорынья - паразиты хлебных злаков. Сферотека вызывает мучнистую росу у крыжовника, смородины. Многие низшие грибы являются возбудителями заболеваний человека и животных (стригущий лишай, парша, микозы). Трутовики поражают деревья, повреждают древесину, чем наносят большой вред лесному хозяйству.

Грибы, наряду с бактериями, играют важную роль в круговороте веществ в биосфере. Они разлагают органические вещества, минерализуют их, участвуют в образовании плодородного слоя почвы - гумуса. Велико значение грибов и в жизни человека. Кроме использования в пищу, из грибов получают лекарственные препараты - антибиотики (пенициллин), витамины, ростовые вещества растений (гиббереллин), ферменты.

Лишайники. Это своеобразная группа организмов, представляющая собой симбиоз гриба и одноклеточных водорослей или цианобактерий. Гриб обеспечивает защиту водоросли от высыхания и снабжает водой. А водоросли и цианобактерии в процессе фотосинтеза образуют органические вещества, которыми питается гриб.

Тело лишайника - слоевище (таллом) состоит из гифов гриба, среди которых находятся одноклеточные водоросли. Поверхностный слой лишайника образован плотно сплетенными гифами, а нижние - более редкими. Среди редкой сетки гифов и располагаются зеленые водоросли.

Такие особенности строения лишайника позволяют не только получать питание из почвы, но и улавливать влагу и частички пыли, которые оседают на слоевище из воздуха. Поэтому лишайники обладают уникальной особенностью - они могут существовать в самых неблагоприятных условиях, поселяться на голых скалах и камнях, коре деревьев, крышах домов. Их называют «пионерами» почвообразования, так как, «обживая» горные породы, они создают условия для последующего поселения растений. Единственным необходимым условием для жизни лишайников является чистота воздуха. Поэтому они служат индикаторами степени загрязнения атмосферы.

Размножаются лишайники вегетативно - частями слоевища и клетками водорослей. Растут очень медленно.

По внешнему виду лишайники делят на три группы: корковые (накипные), листоватые и кустистые (рис. 61).

Корковые лишайники плотно прилегают слоевищем к субстрату, от которого их невозможно отделить. Им вполне хватает небольшого количества воды, которое выпадает в виде осадков или находится в атмосфере в виде паров. Они поселяются на стволах деревьев, камнях.

Рис. 61. Лишайники: А - строение (1 - клетки зеленой водоросли; 2- гифы гриба); Б - разнообразие: 2 - корковый, 3 - листоватый, 4 - кустистый

Ксантория - стенная золотнянка часто встречается на коре осины, на дощатых заборах и крышах. Пармелия - лишайник с крупными лопастями серо-голубого цвета, обитает на коре сосен и мертвых ветках ели.

Листоватые лишайники можно встретить на коре деревьев, почве, где нет травы. Они прикрепляются к субстрату с помощью тонких выростов слоевища.

Пельтигера - лишайник серо-зеленого цвета с черными прожилками снизу, растет на почве в сырых местах.

Кустистые лишайники имеют сильно разветвленное слоевище. Растут они преимущественно на почве, пнях, стволах деревьев. Крепятся к субстрату лишь основанием.

Исландский мох- лишайник серо-желтого цвета с сильно изогнутыми узкими выростами слоевища. Содержит много витамина С, используется от цинги на Севере. Олений мох, или ягель, занимает большие пространства в тундре и служит основным кормом для северных оленей. Это изящные кустики, состоящие из тонких сильно ветвящихся стебельков. Высыхая, становится хрупким и хрустит под ногами. Растет также в сухих сосновых борах. Красноголовка - серо-зеленые небольшие, в 3 см, трубочки, имеют по краю красную оторочку или шарики (головки). Растет на старых пнях. Бородач образует длинные свисающие космы, поселяясь на деревьях во влажных лесах, чаще на елях.

Будучи автогетеротрофами, лишайники в процессе фотосинтеза создают органические вещества в местах, недоступных другим организмам. Одновременно они минерализуют органические вещества, тем самым участвуя в круговороте веществ в природе и играя важную роль в почвообразовании.

§52. Растения, их строение. Вегетативные органы

Растениями называют фотосинтезирующие живые организмы, относящиеся к эукариотам. Они имеют клеточную целлюлозную оболочку, запасное питательное вещество в виде крахмала, малоподвижны или неподвижны и растут в течение всей жизни.

Содержащийся в них пигмент хлорофилл придает растениям зеленую окраску. На свету из углекислого газа и воды они создают органические вещества и выделяют кислород, обеспечивая тем самым питание и дыхание всех остальных живых организмов. Растения также обладают регенерирующей способностью, могут восстанавливать вегетативные органы.

Наука, изучающая строение и жизнедеятельность растений, их систематику, экологию и распространение, называется ботаникой (от греч. ботанэ - трава, зелень и логос - учение).

Растения составляют основную часть биосферы, образуя зеленый покров Земли. Они обитают в различных условиях - воде, почве, наземно-воздушной среде, занимают всю сушу нашей планеты, за исключением ледяных пустынь Арктики и Антарктиды.

Жизненные формы растений. Деревья характеризуются наличием одревесневшего стебля - ствола, сохраняющегося на протяжении всей жизни. Кустарники имеют несколько небольших стволиков. Для трав характерны сочные, зеленые, неодревесневшие побеги.

Продолжительность жизни. Различают однолетние, двулетние, многолетние растения. Деревья и кустарники относятся к многолетним растениям, а травы могут быть как многолетними, так и однолетними и двулетними.

Строение растений. Тело растений обычно расчленено на корень и побег. Из высших растений наиболее высокоорганизованными, многочисленными и распространенными являются цветковые растения. Кроме корня и побега, они имеют цветки и плоды - органы, отсутствующие у других групп растений. Строение растений удобно рассмотреть на примере цветковых растений. Вегетативные органы растений, корень и побег, обеспечивают их питание, рост и бесполое размножение.



Рис. 62. Типы корневых систем: 1 - стержневая; 2 - мочковатая; 3 - конусовидный корнеплод петрушки; 4 - репчатый корнеплод свеклы; 5 - корневые шишки георгины

С помощью (рис. 62) корня растение закрепляется в почве. Он также обеспечивает поступление воды и минеральных веществ и нередко служит местом синтеза и запасания питательных веществ.

Корни начинают формироваться уже в зародыше растения. При прорастании семени из зародышевого корешка образуется главный корень. Через некоторое время от него отрастают многочисленные боковые корни. У ряда растений от стеблей и листьев образуются придаточные корни.

Совокупность всех корней называют корневой системой. Корневая система может быть стержневой, с хорошо развитым главным корнем (одуванчик, редис, яблоня) или мочковатой, образованной боковыми и придаточными корнями (ячмень, пшеница, лук). Главный корень в таких системах слабо развит или совсем отсутствует.

У ряда растений в корнях запасаются питательные вещества (крахмал, сахар), например у моркови, репы, свеклы. Такие видоизменения главного корня называют корнеплодами. У георгины питательные вещества откладываются в утолщенных придаточных корнях, их называют корнеклубнями. Встречаются в природе и другие видоизменения корней: корни-прицепки (у лиан, плюща), воздушные корни (у монстеры, орхидеи), ходульные корни (у мангровых растений - баньяна), дыхательные корни (у болотных растений).

Растет корень верхушкой, где находятся клетки образовательной ткани - точка роста. Она защищена корневым чехликом. Корневые волоски всасывают воду с растворенными в ней минеральными веществами в зоне всасывания. По проводящей системе корня вода и минеральные вещества поступают вверх к стеблям и листьям, а вниз передвигаются органические вещества.

Побег - это сложный вегетативный орган, состоящий из почек, стебля и листьев. Наряду с вегетативными у цветковых растений имеются генеративные побеги, на которых развиваются цветки.

Побег образуется из зародышевой почки семени. Развитие побегов многолетних растений из почек хорошо заметно весной.

По расположению почки на стебле различают верхушечную и боковые почки. Верхушечная почка обеспечивает рост побега в длину, а боковые - его ветвление. Почка снаружи покрыта плотными чешуями, часто пропитанными смолистыми веществами, внутри находятся зачаточный побег с конусом нарастания и листочки. В пазухах зачаточных листьев располагаются едва заметные зачаточные почки. В генеративной почке находятся зачатки цветков.

Стебель - это осевая часть побега, на которой располагаются листья и почки. Он выполняет опорную функцию в растении, обеспечивает передвижение воды и минеральных веществ от корня вверх к листьям, органических веществ - вниз, от листьев к корню.

Внешне стебли весьма разнообразны: у кукурузы, подсолнечника, березы - прямостоячие; у пырея, лапчатки - ползучие; у вьюнка, хмеля - вьющиеся; у гороха, лианы, винограда - лазящие.

Внутреннее строение стебля различно у однодольных и двудольных растений (рис. 63).



Рис. 63. Внутреннее строение стебля. Поперечный разрез: 1 - стебля кукурузы (сосудистые пучки располагаются по всему стеблю); 2 - ветки липы

1. У двудольного растения стебель снаружи покрыт кожицей - эпидермой, у многолетних одревесневших стеблей кожица заменяется пробкой. Под пробкой располагается луб, образованный ситовидными трубками, обеспечивающими перемещение органических веществ по стеблю. Лубяные механические волокна придают стеблю прочность. Пробка и луб образуют кору.

К центру от луба находится камбий - одинарный слой клеток образовательной ткани, обеспечивающий рост стебля в толщину. Под ним располагается древесина с сосудами и механическими волокнами. По сосудам перемещаются вода и минеральные соли, а волокна придают древесине прочность. При нарастании древесины образуются годичные кольца, по которым определяется возраст дерева.

В центре стебля расположена сердцевина. Она выполняет запасающую функцию, в ней откладываются органические вещества.

2. У однодольных растений стебель не разделен на кору, древесину и сердцевину, камбиальное кольцо у них отсутствует. Проводящие пучки, состоящие из сосудов и ситовидных трубок, равномерно располагаются по всему стеблю. Например, у злаков стебель - соломина, внутри полый, а проводящие пучки располагаются по периферии.

У ряда растений встречаются видоизмененные стебли: колючки у боярышника, служащие для защиты; усики у винограда- для прикрепления к опоре.

Лист - это важный вегетативный орган растения, выполняющий основные функции: фотосинтез, испарение воды и газообмен.

У растений различают несколько типов листорасположения: очередное, когда листья расположены поочередно друг за другом, супротивное - листья располагаются друг напротив друга и мутовчатое - три и более листа отходят от одного узла (рис. 64).

Рис. 64. Листорасположение: 1 - очередное; 2 - супротивное; 3 - мутовчатое

Лист состоит из листовой пластинки и черешка, иногда имеются прилистники. Листья без черешка называют сидячими. У некоторых растений (злаки) бесчерешковые листья образуют трубку - влагалище, обхватывающую стебель. Такие листья называют влагалищными (рис. 65).

Рис. 65. Виды листьев (А): 1- черешковый; 2 - сидячий; 3 - влагалищный; жилкование листьев (Б): 1 - параллельное; 2 - дуговое; 3 - сетчатое

Листья могут быть простыми и сложными. Простой лист имеет одну листовую пластинку, а сложный - несколько листовых пластинок, расположенных на одном черешке (рис. 66).

Разнообразны формы листовых пластинок. У простых листьев листовые пластинки могут быть цельными и рассеченными с различными краями: зубчатыми, пильчатыми, городчатыми, волнистыми. Сложные листья могут быть парно- и непарноперистосложными, пальчатосложными, тройчатыми.

Рис. 66. Листья простые: 1 - линейный; 2 - ланцетный; 3 - эллиптический; 4 - яйцевидный; 5 - сердцевидный; 6 - округлый; 7 - стреловидный; сложные: 8 - парноперистый; 9 - непарноперистый; 10 - тройчатый; 11 - пальчатосложный

В листовой пластине находится система жилок, выполняющих опорную и транспортную функции. Различают сетчатое жилкование (у большинства двудольных растений), параллельное (злаки, осоки) и дуговое (ландыш) (см. рис. 65).

Внутреннее строение листа (рис. 67). Снаружи лист покрыт эпидермой - кожицей, которая защищает внутренние части листа, регулирует газообмен и испарение воды. Клетки кожицы бесцветны. На поверхности листа могут быть выросты клеток кожицы в виде волосков. Их функции различны. Одни защищают растение от поедания животными, другие - от перегрева. Листья некоторых растений покрыты восковым налетом, плохо пропускающим влагу. Это способствует уменьшению потери воды с поверхности листьев.

Рис. 67. Внутреннее строение листа: 1 - кожица; 2 - устьице; 3 - столбчатая ткань; 4 - губчатая ткань; 5 - жилка листа

На нижней стороне листа у большинства растений в эпидерме находятся многочисленные устьица - отверстия, образованные двумя замыкающими клетками. Через них осуществляются газообмен, испарение воды. Днем устьичная щель открыта, а на ночь закрывается.

Внутренняя часть листа образована основной ассимилирующей тканью, обеспечивающей процесс фотосинтеза. Она состоит из двух типов зеленых клеток - столбчатых, расположенных вертикально, и округлых, рыхло расположенных губчатых. Они содержат большое количество хлоропластов, которые и придают зеленый цвет листу. Мякоть листа пронизана жилками, образованными проводящими сосудами и ситовидными трубками, а также волокнами, придающими прочность. По жилкам синтезированные в листе органические вещества передвигаются к стеблю и корням, а обратно идет приток воды и минеральных веществ.

В наших широтах ежегодно наблюдается массовое сбрасывание листвы - листопад. Это явление имеет важное приспособительное значение, оно предохраняет растение от иссушения, замерзания, предотвращает поломку ветвей деревьев. Кроме того, с мертвыми листьями растение освобождается от ненужных и вредных для него веществ.

Многие растения имеют видоизмененные листья, выполняющие специфические функции. Усики гороха, цепляясь за опору, поддерживают стебель, в чешуйчатых листьях лука запасаются питательные вещества, колючки барбариса предохраняют его от поедания, ловушки росянки заманивают и ловят насекомых.

У большинства многолетних травянистых растений происходит видоизменение побегов, которые приспособились к выполнению разнообразных функций (рис. 68).

Рис. 68. Видоизменения побегов: 1 - корневище купены; 2 - луковица лука; 3 - клубень картофеля

Корневище - это видоизмененный подземный побег, выполняющий функции корня, а также служащий для запасания питательных веществ и вегетативного размножения растений. В отличие от корня корневище имеет чешуйки - видоизмененные листья и почки, оно растет горизонтально в земле. От него отрастают придаточные корни. Корневище имеется у ландыша, осоки, купены, пырея ползучего.

У земляники образуются надземные видоизмененные столоны - усы, обеспечивающие вегетативное размножение. При соприкосновении с землей они укореняются с помощью придаточных корней и образуют розетку листьев.

Подземные столоны - клубни у картофеля - это также видоизмененные побеги. В хорошо развитой сердцевине их сильно утолщенного стебля запасаются питательные вещества. На клубнях можно видеть глазки - почки, расположенные по спирали, из которых развиваются надземные побеги.

Луковица - это укороченный побег с сочными листьями. Нижняя часть - донце является укороченным стеблем, от которого отрастают придаточные корни. Луковица образуется у многих лилейных (тюльпана, лилий, нарциссов).

Видоизмененные побеги служат для вегетативного размножения растений.

§53. Генеративные органы растений

Генеративные органы - цветок, плод и семя - обеспечивают половое размножение растений.

1. Строение цветка (рис. 69).

Рис. 69. Строение цветка: 1 - завязь; 2 - столбик; 3 - рыльце пестика с прорастающей пыльцой; 4 - тычинки; 5 - чашелистики; 6 - лепестки; 7 - цветоножка

Цветок - это укороченный видоизмененный генеративный побег, орган размножения покрытосеменных растений.

Цветок располагается на цветоножке. Расширенная часть цветоножки называется цветоложем, на котором расположены все части цветка. В центре цветка находятся его главные части: пестик и тычинки. Пестик - женский орган цветка, тычинки - мужской орган. Пестик обычно состоит из рыльца, столбика и завязи. В завязи находятся семязачатки, в которых развивается и созревает яйцеклетка. Тычинки состоят из тычиночной нити и пыльников. В пыльниках развивается пыльцевое зерно, в котором образуются спермии.

Внутренние части цветка защищены листочками околоцветника. Наружные зеленые листочки - чашелистики образуют чашечку, внутренние лепестки образуют венчик. Двойным называют околоцветник, состоящий из чашечки и венчика, а простым - из одинаковых листочков. У вишни, гороха, розы околоцветник двойной, у тюльпана, ландыша - простой. Околоцветник служит для защиты внутренних частей цветка и привлечения опылителей, поэтому он часто имеет яркую окраску. У ветроопыляемых растений околоцветник нередко редуцирован или представлен чешуйками и пленками (злаки, береза, ива, осина, тополь).

У некоторых растений в цветках имеются особые желёзки - нектарники, которые выделяют сахаристую пахучую жидкость - нектар, служащую для привлечения опылителей.

По наличию тычинок и пестиков различают два типа цветков. Цветки, имеющие пестик и тычинки (яблоня, вишня), называются обоеполыми, только тычинки или пестики - однополыми (огурец, тополь).

Если тычиночные и пестичные цветки располагаются на одной особи, то растения называются однодомными (кукуруза, дуб, лещина, огурец), а если на разных - то двудомными (тополь, ива, верба, облепиха).

Соцветия. Растения могут обладать крупными одиночными или многочисленными мелкими цветками. Мелкие цветки, собранные вместе, называют соцветиями. Соцветия лучше заметны для опылителей, более эффективно опыляются ветром. Различают несколько типов соцветий (рис. 70).

Колос характеризуется наличием сидячих (без цветоножек) цветков на главной оси (подорожник). Сложный колос образован несколькими простыми колосками (пшеница, рожь).



Рис. 70. Типы соцветий: 1 - кисть; 2 - колос; 3 - початок; 4 - зонтик; 5 - головка; 6 - корзинка; 7 - щиток; 8 - сложный зонтик; 9 - метелка; 10 - сложный колос

Початок имеет толстую центральную ось, на которой располагаются сидячие цветки (белокрыльник). В соцветии кисть (ландыш, черемуха) цветки на цветоножках располагаются на общей оси один за другим. В соцветии корзинка (ромашка, одуванчик) множество сидячих цветков расположено на широкой утолщенной блюдцевидной оси. У соцветия головка (клевер) мелкие сидячие цветки располагаются на укороченной шаровидной оси. В простом зонтике (вишня, примула) на главной укороченной оси цветки находятся на одинаковых длинных цветоножках. У моркови, петрушки соцветия состоят из группы простых зонтиков и образуют сложный зонтик.

У щитка, в отличие от кисти, цветки располагаются в одной плоскости, поэтому отходящие от центральной оси цветоножки имеют разную длину (тысячелистник, груша).

Метелка - это сложное соцветие, имеющее несколько боковых ответвлений, состоящих из кистей, щитков (овес, сирень, мужские цветки кукурузы).

В некоторых соцветиях часть цветков состоит только из венчика, а пестик и тычинки отсутствуют: например, белые лепестки ромашки, крупные желтые - подсолнечника. Они служат для привлечения насекомых и располагаются по краям соцветия, а настоящие обоеполые цветки располагаются в центре.

Половое размножение цветковых растений. Для образования семени необходимо, чтобы пыльца с тычинок попала на рыльце пестика, т. е. произошло опыление. Если пыльца попадает на рыльце того же цветка, то происходит самоопыление (фасоль, горох, пшеница). При перекрестном опылении пыльца с тычинок одного цветка попадает на рыльце пестика другого.

Мелкую сухую пыльцу может переносить ветер (ольха, орешник, береза). У ветроопыляемых растений цветки обычно мелкие, собранные в соцветия, околоцветник отсутствует или слабо развит. Могут переносить пыльцу насекомые (насекомоопыляемые растения), а также птицы и некоторые млекопитающие. Цветки таких растений обычно яркие, ароматные, содержат нектар. Пыльца в большинстве случаев клейкая, имеет выросты - крючки.

Человек может в своих целях переносить пыльцу с тычинок на рыльце пестиков, такое опыление называется искусственным. Искусственное опыление используют для получения более высоких урожаев, выведения новых сортов растений.

В тычинках формируется мужской гаметофит - пыльцевые зерна (пыльца), состоящие из двух клеток - вегетативной и генеративной. В генеративной клетке образуются мужские половые клетки - спермии.

В завязи пестика в семяпочке образуется женский гаметофит - восьмиядерный зародышевый мешок. Это фактически одна клетка, содержащая 8 гаплоидных ядер, где одно наиболее крупное, расположенное у пыльцевхода, называется яйцеклеткой, а два ядра поменьше, располагающиеся в центре, - центральными ядрами. При попадании пыльцы на рыльце пестика вегетативная клетка прорастает в пыльцевую трубочку, перемещая генеративную клетку к пыльцевходу - микропиле. Через пыльцевход два спермия проникают в зародышевый мешок - и происходит оплодотворение. Один спермий сливается с яйцеклеткой и образует зиготу, из которой развивается зародыш семени. Второй спермий сливается с двумя центральными ядрами, образуя триплоидный эндосперм семени, в котором могут запасаться питательные вещества. Из покрова семязачатка образуется семенная кожура. Такой процесс оплодотворения называется двойным. Он открыт русским ботаником С. Г. Навашиным в 1898 г. Разросшаяся стенка завязи или другие части цветка образуют плод.

Рис. 71. Строение семян двудольного (А - фасоль) и однодольного (Б - пшеница) растений: 1 - семенная кожура; 2 - семядоли; 3 - зародышевый корешок; 4 - зародышевый стебелек с почечкой; 5 - эндосперм

2. Семя. Семя состоит из семенной кожуры, зародыша и эндосперма (рис. 71). Снаружи оно покрыто плотной защитной семенной кожурой. В зародыше различают корешок, стебелек, почечку и семядоли. Семядоли - это первые зародышевые листья растения. В зависимости от количества семядолей в зародыше различают однодольные растения (одна семядоля) и двудольные растения (две семядоли).

Питательные вещества могут находиться в семядолях или особой запасающей ткани - эндосперме, в этом случае семядоли почти не развиты.

3. Плод. Плод - это сложное образование, в его формировании могут принимать участие не только пестик, но и другие части цветка: основания лепестков, чашелистиков и цветоложе. Плод, образованный из нескольких пестиков, называется сборным (малина, ежевика).

Форма плодов очень разнообразна. В зависимости от количества семян различают односемянные и многосемянные плоды, что связано с количеством семяпочек в завязи. Различают также сочные и сухие плоды (рис. 72).

Рис. 72. Плоды сочные: 1 - ягода (помидор); 2 - костянка (вишня); 3 - яблоко (груша); 4 - многоорешек (малина); 5 - тыквина (огурец); сухие: 6 - семянка (подсолнечник); 7 - зерновка (пшеница); 8 - боб (горох); 9 - орех (лещина); 10 - стручок (редька); 11 - коробочка (мак)

Костянка- сочный односемянный плод (вишня, слива, абрикос).

Ягода - сочный многосемянный плод (томаты, смородина, крыжовник).

Яблоко - сочный многосемянный плод, образованный не из завязи, а из других частей цветка (груша, слива, яблоко).

Тыквина - сочный многосемянный плод, семена располагаются в центральной части (тыква, дыня, огурец).

Померанец - сочный многосемянный плод у цитрусовых (лимон, апельсин).

Зерновка - сухой односемянный нераскрывающийся плод (кукуруза, рис, пшеница), в котором околоплодник срастается с семенной кожурой.

Семянка- сухой односемянный нераскрывающийся плод (подсолнечник, одуванчик), в котором околоплодник не срастается с кожурой.

Орех - сухой односемянный плод с одревесневшим околоплодником (орешник-лещина, грецкий орех).

Боб - сухой многосемянный вскрывающийся плод (горох, фасоль).

Коробочка - сухой многосемянный плод (лен, мак), в котором семена высыпаются из многочисленных отверстий или трещин.

Стручок - сухой многосемянный вскрывающийся плод, семена располагаются на внутренней перегородке (капуста, пастушья сумка, редис).

§54. Систематика растений. Низшие растения

Растительный мир очень разнообразен. Наряду с многоклеточными существуют и одноклеточные организмы. Они относятся к наиболее примитивным, эволюционно более древним формам. Царство растений делят на два подцарства - низшие и высшие растения.

К низшим растениям относятся разнообразные водоросли, к высшим - споровые (мхи, плауны, хвощи, папоротники) и семенные растения (голосемянные и покрытосемянные).

Низшие растения включают большую группу одноклеточных и многоклеточных растений, объединенных общим названием «водоросли».

Водоросли - древнейшие представители растительного мира, общее их количество составляет около 40 тыс. видов. Среди них встречаются как одноклеточные, микроскопических размеров растения, так и многоклеточные гиганты (рис. 73). Среда их обитания преимущественно водная, но встречаются они в почве, на коре деревьев и даже в снегу - снежная хламидомонада. Скопления этой водоросли придают таящему снегу различные оттенки - от красного до зеленого.

Рис. 73. Одноклеточные водоросли: 1 - хламидомонада; 2 - хлорелла; 3 - нитчатая водоросль спирогира; 4 - колониальная водоросль вольвокс; многоклеточные водоросли: 5 - ламинария; 6 - порфира

Отличительной особенностью водорослей является отсутствие дифференциации на ткани и органы. Тело простейших водорослей состоит из одной клетки. Группы клеток могут объединяться и образовывать колонии - колониальные формы. Многоклеточные водоросли могут иметь нитчатую форму или пластинчатое строение.

Тело многоклеточных водорослей называется талломом или слоевищем. Воду и минеральные соли они всасывают всей поверхностью.

Во всех клетках водорослей имеются хроматофоры - органоиды, в которых протекает процесс фотосинтеза. Окраска хроматофоров, а следовательно и водорослей, зависит от содержания красящего пигмента и может быть зеленой, желтой, бурой, красной. Но зеленый пигмент - хлорофилл имеется у всех водорослей. В основу классификации водорослей на различные типы положены строение тела и состав красящих пигментов.

Размножаются водоросли чаще бесполым путем: одноклеточные - делением клетки на две или четыре, а многоклеточные - вегетативно: частями слоевища или спорами. При половом размножении гаметы сливаются попарно и образуют зиготу. Из зиготы после периода покоя путем деления возникают споры, дающие начало новым организмам. У некоторых водорослей половой процесс более сложный.

В пробе воды из пресного водоема легко найти представителей зеленых водорослей. Например, подвижную одноклеточную водоросль - хламидомонаду. Размножаясь в больших количествах, она придает воде зеленоватый оттенок, вызывает ее цветение. Под микроскопом хорошо видно, что клетка имеет округлую форму, покрыта прочной оболочкой с двумя или четырьмя жгутиками, с помощью которых она активно передвигается. В клетке хорошо заметны ядро, цитоплазма, стигма - светочувствительный «глазок» красного цвета, вакуоль с клеточным соком, две пульсирующие вакуоли и зеленый чашевидный хроматофор.

Некоторые зеленые водоросли не имеют жгутиков и плавают в воде пассивно, например хлорелла. Ее округлые клетки достигают размеров до 15 мкм. Она очень активно размножается бесполым путем, синтезируя большое количество органического вещества (до 40 г сухой массы с 1 м² за сутки). Эту особенность используют для получения кормов. Кроме того, хлореллу разводят на водоочистительных станциях для биологической очистки сточных вод, на космических кораблях и подводных лодках для поддержания нормальной концентрации кислорода в воздухе.

На дне водоемов можно найти зеленые «подушки», образованные скоплением нитчатой водоросли - спирогиры. Это многоклеточная водоросль, каждая нить которой состоит из вытянутых цилиндрических клеток со спирально закрученным хроматофором. Другим представителем нитчатых многоклеточных водорослей является улотрикс. Его строение схоже со спирогирой, но хроматофор имеет форму полукольца.

Бурые водоросли широко распространены в морях и океанах, некоторые из них могут достичь огромных размеров - до 50 м. Крепятся эти гиганты ко дну с помощью особых выростов - ризоидов. Заросли водорослей - прибежище для многих морских обитателей, место нереста морских рыб, например дальневосточной сельди.

Морскую водоросль - ламинарию (морскую капусту) человек использует в пищу, в качестве корма для животных, как удобрение. Водоросль саргассум образует большие скопления в Атлантическом океане.

Из бурых водорослей получают вещества, необходимые в производстве кондитерских изделий.

Красные водоросли обычно обитают на большой глубине (до 200 м). Это наиболее высокоорганизованная группа водорослей. Некоторые из них обладают способностью поглощать из морской воды и накапливать в своих слоевищах соли кальция. Поэтому они иногда напоминают кораллы. Ученые полагают, что многие рифы в южной части Тихого океана образованы отмершими частями красных водорослей.

Население прибрежных районов Китая, Кореи, Японии использует красные водоросли в пищу. В промышленности из них получают агар. Агар необходим для производства пастилы, мармелада, нечерствеющего хлеба, специальных сред для выращивания на них микроорганизмов.

§55. Высшие споровые растения

Подцарство высших растений объединяет многоклеточные растительные организмы, тело которых расчленено на органы - корень, стебель, листья. Их клетки дифференцированы на ткани, специализированы и выполняют определенные функции.

По способу размножения высшие растения разделяют на споровые и семенные. К споровым растениям относят мхи, плауны, хвощи, папоротники.

Мхи - это одна из самых древних групп высших растений. Представители этой группы наиболее просто устроены, их тело расчленено на стебель и листья. Они не имеют корней, а у наиболее простых - печеночных мхов даже отсутствует деление на стебель и листья, тело имеет вид слоевища. Прикрепляются мхи к субстрату и всасывают воду с растворенными в ней минеральными веществами с помощью ризоидов - выростов наружного слоя клеток. Это в основном многолетние растения небольших размеров: от нескольких миллиметров до десятка сантиметров (рис. 74).

Рис. 74. Мхи: 1 - маршанция; 2 - кукушкин лен; 3 - сфагнум



Для всех мхов характерно чередование поколений полового (гаметофита) и бесполого (спорофита), причем гаплоидный гаметофит преобладает над диплоидным спорофитом. Эта черта резко отличает их от остальных высших растений.

На листостебельном растении или слоевище в половых органах развиваются половые клетки: сперматозоиды и яйцеклетки. Оплодотворение происходит только в присутствии воды (после дождя или в половодье), по которой передвигаются сперматозоиды. Из образовавшейся зиготы развивается спорофит - спорогон с коробочкой на ножке, в которой образуются споры. После созревания коробочка вскрывается, и споры распространяются ветром. При попадании во влажную почву спора прорастает и дает начало новому растению.

Мхи - довольно распространенные растения. В настоящее время их насчитывается около 30 тыс. видов. Они неприхотливы, выдерживают сильные морозы и длительную жару, но растут только во влажных тенистых местах.

Тело печеночных мхов редко ветвится и обычно представлено листовидным слоевищем, с тыльной стороны которого отходят ризоиды. Селятся они на скалах, камнях, стволах деревьев.

В хвойных лесах и на болотах можно встретить мох - кукушкин лен. Его стебельки, усаженные узкими листьями, растут очень густо, образуя на почве сплошные зеленые ковры. К почве кукушкин лен прикрепляется ризоидами. Кукушкин лен - растение раздельнополое, т. е. у одних особей развиваются мужские, а у других - женские половые клетки. На женских растениях после оплодотворения образуются коробочки со спорами.

Очень широко распространены белые, или сфагновые, мхи. Накапливая в своем теле большое количество воды, они способствуют заболачиванию почвы. Это связано с тем, что листья и стебель сфагнума, наряду с зелеными клетками, содержащими хлоропласты, имеют мертвые бесцветные клетки с порами. Именно они и поглощают воду в 20 раз больше своей массы. Ризоиды у сфагнума отсутствуют. К почве он прикрепляется нижними частями стебля, которые, постепенно отмирая, превращаются в сфагновый торф. Доступ кислорода в толщу торфа ограничен, кроме того, сфагнум выделяет специальные вещества, предотвращающие размножение бактерий. Поэтому попавшие в торфяное болото различные предметы, погибшие животные, растения часто не сгнивают, а хорошо сохраняются в торфе.

В отличие от мхов остальные споровые имеют хорошо развитую корневую систему, стебли и листья. Более 400 млн лет назад они доминировали среди древесных организмов на Земле и образовывали густые леса. В настоящее время это немногочисленные группы в основном травянистых растений. В жизненном цикле преобладающим поколением является диплоидный спорофит, на котором образуются споры. Споры разносятся ветром и при благоприятных условиях прорастают, образуя небольшой заросток - гаметофит. Это зеленая пластинка величиной от 2 мм до 1 см. На заростке образуются мужские и женские гаметы - сперматозоиды и яйцеклетка. После оплодотворения из зиготы развивается новое взрослое растение - спорофит.

Плауны - очень древние растения. Ученые полагают, что они появились около 350-400 млн лет назад и образовывали густые леса из деревьев высотой до 30 м. В настоящее время их осталось очень мало, и это многолетние травянистые растения. В наших широтах наиболее известен плаун булавовидный (рис. 75). Его можно встретить в хвойных и смешанных лесах. Стелющийся по земле стебель плауна крепится к почве придаточными корнями. Мелкие шиловидной формы листья густо покрывают стебель. Размножаются плауны вегетативно - участками побегов и корневищ.



Рис. 75. Папоротниковидные: 1 - хвощ; 2 - плаун; 3 - папоротник

Спорангии развиваются на прямостоячих побегах, собранных в виде колосков. Созревшие мелкие споры разносятся ветром и обеспечивают размножение и распространение растения.

Хвощи - небольшие многолетние травянистые растения. Они имеют хорошо развитое корневище, от которого отходят многочисленные придаточные корни. Членистые стебли, в отличие от стеблей плаунов, растут вертикально вверх, от главного стебля отходят боковые побеги. На стебле расположены мутовки очень мелких чешуйчатых листочков. Весной на зимующих корневищах вырастают бурые весенние побеги со спороносными колосками, которые после созревания спор отмирают. Летние побеги зеленые, ветвящиеся, фотосинтезируют и запасают питательные вещества в корневищах, которые перезимовывают, а весной образуют новые побеги (см. рис. 74).

Стебли и листья хвощей жесткие, пропитаны кремнеземом, поэтому животные их не едят. Хвощи растут в основном на полях, лугах, болотах, по берегам водоемов, реже в сосновых лесах. Хвощ полевой, трудноискоренимый сорняк полевых культур, используется как лекарственное растение. Стебли разных видов хвощей за счет наличия кремнезема используют как полировочный материал. Хвощ болотный ядовит для животных.

Папоротники, как хвощи и плауны, в каменноугольном периоде были процветающей группой растений. Сейчас их насчитывается около 10 тыс. видов, большинство которых распространено во влажных тропических лесах. Размеры современных папоротников колеблются от нескольких сантиметров (травы) до десятков метров (деревья влажных тропиков). Папоротники наших широт - травянистые растения с укороченным стеблем и перистыми листьями. Под землей находится корневище - подземный побег. Из его почек над поверхностью развиваются длинные, сложные перистые листья - вайи. Они обладают верхушечным ростом. От корневища отходят многочисленные придаточные корни. Вайи тропических папоротников достигают в длину 10 м.

В наших краях наиболее распространены папоротники орляк, щитовник мужской и др. Весной, как только оттает почва, от корневища отрастает укороченный стебель с розеткой красивых листьев. Летом на нижней стороне листьев появляются бурые бугорки - сорусы, представляющие собой скопления спорангиев. В них образуются споры.

Молодые листья мужского папоротника используются человеком в пищу, как лекарственное растение. Вайи орляка используют для оформления букетов. В тропических странах некоторые виды папоротников разводят на рисовых полях для обогащения почвы азотом. Некоторые из них стали декоративными, оранжерейными и комнатными растениями, например нефролепис.

§56. Семенные растения

Голосеменные растения. Современные голосеменные растения представлены около 700 видами деревьев и кустарников.

Главное отличие голосеменных от ранее изученных растений - наличие семян и редукция гаметофита. Образование половых клеток, оплодотворение и созревание семян происходят на взрослом растении - спорофите. Семя лучше переносит неблагоприятные условия, способствует распространению растения.

Рассмотрим особенности размножения голосеменных растений на примере сосны (рис. 76). Весной, в конце мая, у сосны в светло-зеленых мужских шишках образуется пыльца - мужской гаметофит, содержащий половые клетки - два спермия. Сосна начинает «пылить», облака пыльцы разносятся ветром. На верхушках побегов развиваются женские красноватые шишечки, состоящие из чешуек. На них располагаются открыто (голо) по две семяпочки, отсюда и название - голосеменные. В семяпочках созревает по две яйцеклетки. Пыльца попадает непосредственно на семяпочки и прорастает внутрь. После этого чешуйки плотно смыкаются и склеиваются между собой смолой. После оплодотворения формируется семя. Семена сосны созревают через 1,5 года после опыления. Они становятся бурыми, чешуйки раздвигаются, зрелые семена с крылышками высыпаются и разносятся ветром.