Биология растений с основами экологии

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Московский государственный агроинженерный университет
имени В.П.Горячкина
В.А. Шевченко, А.М. Соловьев
БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
С ОСНОВАМИ ЭКОЛОГИИ
Допущено Министерством сельского хозяйства Российской
Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по агроинженерным специальностям
Товарищество научных изданий КМК
Москва 2006

Шевченко В.А., Соловьев А.М. Биология растений с основами экологии. М.: Т-во научных изданий КМК. 2006. 342 с.
Рассмотрено строение и функционирование клетки как основной единицы развития всех живых организмов. Освещены вопросы анатомии и
физиологии растений, описаны симптомы и типы болезней растений, изложены наиболее распространенные болезни и представлены эффективные меры борьбы с ними. Рассмотрено строение и биология развития
основных вредителей полевых культур, биологические основы применения пестицидов без ущерба для среды обитания растений и микроорганизмов. Изложены основные положения современной генетики, даны теоретические основы экологии и экологические проблемы сельскохозяйственного производства.
Для студентов инженерных специальностей сельскохозяйственных вузов.
Рецензенты:
А.Н. Березкин, доктор с.-х. наук, профессор  (РГАУ – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева);
В.В. Козлов, кандидат с.-х. наук, профессор (Российский государственный аграрный заочный университет).
Редактор: Ж.Ф. Шведова
ISBN 5-87317-315-Х
© В.А. Шевченко, А.М. Соловьев, 2006.
© “КМК” издание, 2006.
2

Введение
В XXI веке человечество, как и прежде, зависит от продовольственного обеспечения. В этой связи одна из главных ролей отводится биологии –
науке о живой природе и присущих ей закономерностях. Название науки
происходит от двух греческих слов: биос – жизнь и логос – изучать.
Современная биология представляет собой систему наук, включающую ряд разделов. Ботаника и зоология изучают строение и жизнь растений и животных; цитология, гистология и анатомия изучают структуру и функции клеток, тканей и органов; физиология и биохимия – процессы жизнедеятельности клеток и организмов; генетика – закономерности наследственности и изменчивости; эмбриология – индивидуальное развитие организмов. Наука о классификации организмов называется систематикой, наука об отношениях организмов и среды – экологией.
В середине XX столетия больших успехов достигла молекулярная
биология, открывшая химические основы наследственности, оказавшиеся универсальными для всех организмов (строение ДНК, генетический
код, матричный принцип синтеза биополимеров).
Биология является теоретической основой сельского хозяйства и
охраны природы. Обеспечение сохранности природы, способности ее к
воспроизведению – главная задача, стоящая перед биологией.
 В последние годы особенно возросла роль экологии. Это связано с
тем, что изучаемые данной наукой закономерности непосредственно связаны с практической сферой деятельности человека.
Задача науки экология состоит не только в выявлении и устранении
отрицательного воздействия человека на природу (например, местного
загрязнения среды), но и в научном подходе по рациональному использованию резервов биосферы.
Биология возникла еще у древних греков и римлян, описавших известные им растения и животных. Аристотель (384-322 гг. до н.э.) впервые
попытался упорядочить знания о природе, разграничив ее на неорганический мир, растения, животные, человек.
Первое анатомо-физиологическое описание человека было представлено в трудах древнеримского врача Галена (131-200 гг. до н.э.).
С изобретением Г.Галилеем (1564-1642) микроскопа существенно увеличились возможности в изучении мира живых существ и их строения.
А.Левенгук (1632-1723) впервые увидел под микроскопом бактерии,
простейших и сперматозоиды, его исследования положили начало изучению клеток тканей.
3

К.Линней (1735 г.) предложил систему классификации животных и
растений, которая является одним из главных достижений ХYIII века.
Жан Батист Ламарк (1809 г.) в книге «Философия зоологии» впервые
сформулировал понятие об эволюции органического мира, ему принадлежит термин «биология».
Важнейшие достижения ХIХ века: создание клеточной теории
М.Шлейденом и Т.Шванном (1838-1839 гг.); Г.Мендель (1859 г.) открыл
закономерности наследственности; Ч.Дарвин (1859 г.) создал теорию эволюции организмов, основанную на признании естественного отбора в
качестве главного движущего и творческого фактора эволюции.
К.А.Тимирязев (1843-1920 гг.) в своих трудах показал зависимость
интенсивности фотосинтеза от напряженности инсоляции и качественного состава света.
В ХХ веке больших успехов достигла генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Н.И.Вавилов (1887-1943 гг.) открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и обосновал теорию центров происхождения культурных растений. Собранная им и его соратниками коллекция сельскохозяйственных растений – ценный источник исходного материала для
селекции и изучения эволюции культурных растений.
Для современной биологии, наряду с детальным изучением отдельных структур и организмов, характерна тенденция к целостному познанию живой природы, вскрытые закономерности взаимовлияния растений и среды рекомендуется использовать как теоретическую основу для
практики сельского и лесного хозяйства.
4

Глава 1.
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
КЛЕТКИ
1.1. Клеточная теория
 Наука о клетке называется цитологией (греч. «цитос» – клетка,
«логос» – наука). Предмет цитологии – клетки многоклеточных
животных и растений, а также одноклеточных организмов, к числу
которых относятся бактерии, простейшие и одноклеточные водоросли. Цитология изучает строение и химический состав клеток,
функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме
животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Впервые название
«клетка» в середине XVII века применил Роберт Гук. Рассматривая
тонкий срез стеблей растений с помощью сконструированного им
микроскопа, Гук увидел, что пробка состоит из ячеек – клеток.
После работ Роберта Гука микроскоп стал широко применяться для научных исследований в биологии. Были открыты одноклеточные организмы (Антон Левенгук, 1680); клетки были обнаружены в составе тканей многих животных и растений.
Клеточная теория. В середине XIX столетия на основе уже
многочисленных знаний о клетке М. Шлейден и Т.Шванн сформулировали клеточную теорию (1838). Они обобщили имевшиеся
знания о клетке и показали, что клетка представляет основную
единицу строения всех живых организмов, что клетки животных
и растений сходны по своему строению. Эти положения явились
важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единства всего органического мира. Т. Шванн и
М. Шлейден внесли в науку правильное понимание клетки как
самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого:
вне клетки нет жизни.
Клеточная теория – одно из выдающихся обобщений биологии позапрошлого столетия, давшее основу для материалистичес5

кого подхода к пониманию жизни, к раскрытию эволюционных
связей между организмами.
Клеточная теория получила дальнейшее развитие в трудах ученых второй половины XIX столетия. Было открыто деление клетки и сформулировано положение о том, что каждая новая клетка
происходит от такой же исходной клетки путем ее деления (Рудольф Вирхов, 1858). Академик Российской академии Карл Бэр
открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки и
этой клеткой является зигота. Открытие К. Бэра показало, что клетка – не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов.
Следовательно, сущность клеточной теории заключается в том,
что огромное большинство организмов имеет клеточное строение,
и что клетка – основная единица их жизнедеятельности, размножения и развития.
 Изучение химической организации клетки привело к выводу,
что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что
клетки всех организмов сходны по химическому составу, у них
однотипно протекают основные процессы обмена веществ. Данные о сходстве химического состава клетки еще раз подтвердили
единство всего органического мира.
Клеточная теория сохранила свое значение и в настоящее время. Она была неоднократно проверена и дополнена многочисленными материалами о строении, химическом составе, функциях,
размножении и развитии клеток разнообразных организмов.
Современная клеточная теория включает следующие положения: клетка – основная единица строения и развития всех живых
организмов, наименьшая единица живого; клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по
своему строению, химическому составу, основным проявлениям
жизнедеятельности и обмену веществ; размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в
результате деления исходной (материнской) клетки; в сложных
многоклеточных организмах клетки специализированы по выпол6

няемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы,
которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.
Особую, неклеточную форму жизни составляют вирусы, изучением которых занимается вирусология.
Методы изучения клеток. Современная цитология располагает многочисленными и сложными методами исследования, которые позволили установить тонкие детали строения и выявить функции самых разнообразных клеток и их структурных элементов.
Исключительно большую роль в цитологических исследованиях
продолжает играть световой микроскоп, пределом разрешающей
способности которого является половина длины волны света, равная 0,3-0,4 мкм, что соответствует увеличению в 3000 раз. Но и
столь большое увеличение ещё недостаточно для того, чтобы видеть тонкие детали строения клеток.
Совершенно новая эпоха в изучении строения клетки началась
после изобретения электронного микроскопа, который дает увеличение в десятки и сотни тысяч раз. Вместо света в электронном
микроскопе используют быстрый поток электронов, а стеклянные
линзы в светооптическом микроскопе заменены электромагнитными полями. Электроны, летящие с большой скоростью, сначала
концентрируются на исследуемом объекте, а затем попадают на
экран, подобный экрану телевизора, на нем можно наблюдать увеличенное изображение объекта, либо фотографировать его.
Для исследования под электронным микроскопом клетки подвергают очень сложной обработке. Приготовляют тончайшие срезы клеток, толщиной 10–50 нм. Только такие тонкие срезы проницаемы для электронов и пригодны для электронно-микроскопического исследования.
В настоящее время широко используют химические методы исследования клетки. Специальная отрасль химии – биохимия – располагает в наши дни многочисленными тонкими методами, позволяющими точно установить не только химический состав, но и роль
химических веществ в жизнедеятельности клетки и целого организма. Созданы сложные приборы, называемые центрифугами, ко7

торые развивают огромную скорость вращения (несколько десятков тысяч оборотов в минуту). С помощью таких центрифуг можно
отделить структурные компоненты клетки друг от друга, так как
они имеют разную плотность. Этот очень важный метод дает возможность отдельно изучать свойства каждой части клетки.
Изучение живой клетки, ее тончайших структур и функций –
задача очень нелегкая, и только сочетание усилий цитологов, биохимиков, физиологов, генетиков и биофизиков позволило детально изучить ее структурные элементы и определить их роль.
1.2. Строение клеток. Клеточная оболочка
Клетка растения состоит из протопласта – внутреннего содержимого клетки и клеточной оболочки – наружной части (рис.1).
Клеточная оболочка состоит из наружного слоя и расположенной
под ним плазматической мембраны. У растительных клеток наружный слой оболочки довольно толстый, прочный и состоит в
Рис.1. Схема строения растительной клетки. 1 – аппарат Гольджи; 2 –
свободно расположенные рибосомы; 3 – хлоропласты; 4 – межклеточные пространства; 5 – полирибосомы; 6 – митохондрии; 7 – лизосомы; 8 – гранулированная эндоплазматическая сеть; 9 – гладкая эндоплазматическая сеть; 10 –
микротрубочки; 11 – пластиды; 12 – плазмодесмы, проходящие сквозь оболочку;
13 – клеточная оболочка; 14 – ядрышко; 15,18 – ядерная оболочка; 16 – поры в
ядерной оболочке; 17 – плазмалемма; 19 – гиалоплазма; 20 – тонопласт; 21 –
вакуоли; 22 – ядро.
8

Рис.2. Схема строения цитоплазматической мембраны: 1 – два слоя липидов; 2 – головки липидов; 3 – белки-ферменты; 4 – белки, пронизывающие мембрану насквозь.
основном из клетчатки. Этот слой служит каркасом клеткам и тканям растений, защищает их от различных повреждений.
У животных наружный слой клеточной оболочки очень тонкий и эластичный, он состоит из полисахаридов и белков.
Внутренний слой клеточной оболочки у растений и животных
составляет плазматическая мембрана, расположенная непосредственно над цитоплазмой. Плазматическая мембрана (лат. «мембрана» – кожица, пленка) очень тонкая, толщиной всего 10нм, и не
видна в световой микроскоп.
Химический состав плазматической мембраны у всех растительных и животных организмов имеет много общего; она образована молекулами белков и липидов (рис.2). Наружный и внутренний слои элементарной мембраны образованы белковыми молекулами, а между ними находятся два слоя липидов. Большинство молекул белков располагается на поверхности липидного каркаса с обеих его сторон, а некоторые молекулы проходят через него
насквозь, образуя в мембране гидрофильные поры, через которые
проходят водорастворимые вещества (рис.3). Жирорастворимые
вещества проходят между молекулами белка через липидный слой.
 Плазматическая мембрана обеспечивает избирательную проницаемость, а также проникновение веществ в клетку и выход их
из клетки.
9

Рис.3. Жидкостно – мозаичная модель мембраны. Мембрана состоит из
двойного слоя (бислоя) липидных молекул с гидрофобными хвостами, обращенными внутрь, и крупных белковых молекул. Белки, погруженные в бислой, называют интегральными. С внутренней поверхности мембраны прикрепляются
периферические белки. Часть белковой молекулы, погруженная в липидный бислой, является гидрофобной, часть, выступающая из него,  –  гидрофильной. В
целом структура жидкая, и считается, что белки плавают в липидном слое.
Внутренняя среда клетки отличается от окружающей среды
вязкостью, химическим составом и многими другими физическими и химическими свойствами.
Плазматическая мембрана ограничивает внутреннюю среду
клетки от внешней и поддерживает эти различия на протяжении
всей жизни клетки.
Специальные ферменты плазматической мембраны регулируют проникновение многих ионов и молекул в клетку и выход их
из нее во внешнюю среду. Такой обмен молекулами и ионами между клеткой и внешней средой происходит постоянно.
Кроме ионов и мелких молекул, в клетку проникают крупные
молекулы разнообразных органических веществ, например белков. Такие вещества поступают в клетку путем фагоцитоза (греч.
«фагос» – пожирать).
10