БОТАНІКА 3 ОСНОВАМИ ГІДРОБОТАНІКИ - 2010

ВСТУП

Ботаніка як наука про рослини, її мета і завдання. Ботаніка — це наука про рослини, їх походження, розвиток, будову, класифікацію, географічне поширення, екологічні та фітоценотичні взаємозалежності. Ботаніка тісно пов'язана з аграрною і медичною науками, ґрунтознавством і лісівництвом, хімією, фізикою, геологією, зоологією й математикою. Особливо велика увага приділяється вивченню та охороні рідкісних і зникаючих рослин, занесених до Червоної книги, оскільки втрата кожного виду — це не лише зменшення різноманіття рослин, а й порушення екологічного балансу, який формувався впродовж багатьох тисячоліть.

Ґрунтовні знання з ботаніки необхідні майбутнім фахівцям з водних біоресурсів, оскільки основою усіх пасовищних трофічних ланцюгів водних екосистем є рослини і знання особливостей їх розмноження та вирощування потрібні для формування стійких трофічних систем у природних і штучних водоймах.

Метою ботаніки є виявлення і розкриття основних закономірностей будови й розвитку рослин і рослинних угруповань, їх залежності від екологічних факторів; географічного поширення; нагромадження, розподілу органічних речовин і енергії. Пізнання цих закономірностей дає можливість правильно розуміти складні біологічні процеси в природі, захищати і використовувати рослинні ресурси.

Інтенсивний розвиток науки і високе технічне оснащення виробництва ставлять перед ботанікою нові завдання:

- з урахуванням сучасних досягнень, із залученням методів електронної мікроскопії розкрити особливості структурної і функціональної організації клітини та її органоїдів;

- висвітлити питання походження, будови і розвитку рослинних тканин і вегетативних органів;

- вивчити нові розділи і напрями у систематиці, екології, географії рослин на основі досягнень суміжних природничих наук;

- створити нові перспективні сорти корисних рослин, вивчати особливості будови і життя рослинних угруповань;

- охороняти рідкісні та зникаючі види рослин;

- захищати і примножувати рослинні ресурси.

На досягненнях ботаніки значною мірою базуються успіхи в багатьох галузях наук і практичної діяльності людини (зокрема, в сільському і лісовому господарстві, медицині, геології, хімії, ґрунтознавстві, біоніці, зеленому будівництві). Дані ботанічних наук тією чи іншою мірою використовують деревообробна, мікробіологічна, целюлозно-паперова, харчова, текстильна, будівельна, фармацевтична, а також вугільна й хімічна промисловість. Проте найважливішим завданням ботаніки є вивчення складової частини біосфери — рослинного покриву планети (фітосфери), шляхів і методів його раціонального використання й охорони. Зокрема, дедалі гострішими стають такі проблеми, як продуктивність фітоценозів, їх вплив на газовий і водний режим Землі та роль у кругообігу речовин і енергії, рослинне ресурсознавство, світова продовольча проблема.

Водні рослини (вищі і нижчі) є об'єктами досліджень гідробота-ніки. Однойменна дисципліна для спеціальності «Водні біоресурси» передбачає всебічне вивчення окремих видів водних прибережних, лучних та інших рослин, їх систематичних груп, природних рослинних угруповань (фітоценозів), ставків, акваріумів у різних наукових та практичних аспектах, особливостей географічного поширення, обгрунтування екологічної пристосованості та впливу різних факторів на розвиток як окремих індивідуумів, так і їх популяцій.

Методи ботаніки за останні десятиріччя докорінно удосконалились і ускладнились. Крім спостережень, застосування морфологічних, порівняльно-географічних та інших описових методів, сучасна ботаніка широко використовує методи культури тканин і клітин, імунохімії, хроматографії, електронної мікроскопії тощо.

Розділи ботаніки. Ботаніку, яка є частиною біології, у свою чергу, поділяють на ряд окремих наук, завданням яких є вивчення тих чи інших закономірностей будови і життя рослин або рослинного покриву.

Морфологія рослин — розділ ботаніки, який вивчає закономірності виникнення і розвитку зовнішніх ознак рослини та їх органів.

Анатомія рослин — розділ ботаніки, що вивчає внутрішню будову, закономірності формування і розвитку тканин та органів у процесі онтогенезу і філогенезу.

Внаслідок поглибленого вивчення анатомії рослин виділилися окремі її підрозділи: фізіологічна анатомія, що вивчає зв'язок між будовою рослин і процесами, які проходять в них; екологічна анатомія — вплив умов середовища на будову рослин; патологічна анатомія — вплив хвороботворних організмів на будову рослин; цитологія — закономірності будови і розвитку клітини та її органоїдів; ембріологія — закономірності утворення і розвитку зародків, спорогенезу, гаметогенезу, морфологію та еволюцію квітки і суцвіття, формування та ультраструктуру спородерми, зародження і розвиток окремої особини від проростання насіння або спори до формування усіх генетично визначених структур.

Фітопатологія вивчає природу захворювання рослин і розробляє заходи боротьби з ними. Вона грунтується на біології розвитку рослин, внутрішньовидовій таксономії сільськогосподарських культур, знаннях реакції рослин на застосування препаратів.

Екологія рослин вивчає закономірності взаємозв'язку між рослиною і навколишнім середовищем.

Фізіологія рослин — наука про закономірності життєдіяльності рослин (обмін речовин, ріст, ритми розвитку, розмноження тощо).

Біохімія рослин вивчає хімічні процеси в рослинному організмі.

Географія рослин (фітогеографія) — це розділ ботаніки, що вивчає географічне поширення і розподіл рослин та їх угруповань по окремих регіонах, зонах, континентах, океанах і морях.

Фітоценологія (геоботаніка) — це наука, що вивчає фітоценози (рослинні угруповання) та їх компоненти, досліджує продуктивність фітоценозів та їх зміни під впливом природних і антропогенних факторів, а також районування і картування рослинності, для чого використовує різноманітні методи, наземного дослідження та аерофотозйомки, в тому числі і з космічного простору.

Палеоботаніка — це розділ ботаніки, який вивчає викопні рослини минулих геологічних епох.

Систематика рослин — розділ ботаніки, завданням якого є вивчення різноманітності рослин, класифікація сучасних і вимерлих рослин, встановлення зв'язків спорідненості між окремими групами рослин, розробка таксономічних одиниць та філогенетичних систем. Виявлення і опис рослин мають винятково важливе наукове і практичне значення.

Етноботаніка — наука про використання рослин різними етнічними групами населення Землі.

За об’єктами дослідження виділяють такі ботанічні науки:

альгологія - наука про водорості;

бріологія - всебічно вивчає мохоподібні (мохи і печіночники);

дендрологія - вивчає деревні рослини;

палінологія - вивчає пилкові зерна і спори рослин;

карпологія - вивчає плоди і насіння,

тератологія - вивчає причини виникнення гігантизму, карликовості, порушень розвитку рослин, тощо.

До складу ботаніки як окремі розділи відносяться лісознавство, лукознавство, болотознавство, тундрознаство і ін.

Гідроботаніка вивчає рослини водних екосистем (вищі і нижчі).

На основі ботаніки розвинулися такі галузі науки, як мікробіологія, фітопатологія, фармакологія та ін. Для сучасної ботаніки характерні прискорений розвиток усіх її розділів, широка міжнаукова взаємодія, проникнення в ботаніку методів та ідей інших наук, зростання ролі ботаніки у розв'язанні теоретичних і практичних проблем, що стоять перед людством.

Історія ботаніки. Ботаніка - одна із найстаріших класичних наук. її «батьком» вважається учень Арістотеля Теофраст Ерезоський (371-286 до н.е.), який описав понад 500 видів рослин, їх поширення, розмноження та властивості. Теофраст описував не лише можливості практичного використання рослин, але і їх будову, фізіологію, географічне розповсюдження. Він помітив, що дерева у горах мають низький стовбур, а при пересаджуванні у долини вони стають більшими і гарнішими на вигляд. Він вперше поділив водні рослини на групи. За зовнішнім виглядом виділив рослини власне водні (ейуйга), прибережні (каШуйга), болотні (йеіеіа) і амфібійні.

Найповніші знання про рослини давньої Греції та Римської імперії подано в працях давньоримського вченого Плінія Старшого (1 ст.), який написав 37 книг «Природничої історії», 16 з яких присвячено рослинам.

У епоху середньовіччя ботаніка в Європі майже не розвивалась. Певні дані про рослини накопичувалися лише у монастирях, де вирощувалися лікарські трави для лікування населення. Вчений-схоласт Альберт Великий (1193-1280) досліджував причини «зимового сну» рослин, вплив ґрунтів на рослини. Проте, відповідно до рівня знань і тенденцій у середньовічному суспільстві, цей учений вважав, що рослини мають душу і здатні перетворюватися одна на одну. В Індії, Єгипті, Середній Азії в цю епоху було нагромаджено багато нових даних, зокрема щодо лікарських рослин.

В епоху великих географічних відкриттів (XV-XVI ст.) у ботанічних садах, окрім місцевих лікарських і харчових рослин, почали вирощувати завезені з інших континентів, у сільському господарстві теж почали культивувати нові види плодово-овочевих та зернових культур.

Широко розгорнулись ботанічні дослідження починаючи з епохи Відродження. Досліджувалися нові факти, які свідчили про відмінності рослинного покриву різних країн, відмінності у розвитку рослин, культивованих у різних умовах, вплив окремих екологічних факторів на життя рослини вцілому і на окремі її сторони (ріст і розвиток, урожай, смак і ін.).

Істотну роль у розвитку сучасної цитології рослин зіграв мікроскоп, який був винайдений у 1610 р. Г. Галілеєм. Голландський дослідник Антоні ван Левенгук (1632—1723) за допомогою мікроскопа розглядав різні об'єкти і замальовував їх. На його малюнках із відображенням рослинних препаратів видно ядра, хлоропласти, пори, потовщення стінок судин. Основна праця Левенгука — «Таємниці природи, відкриті за допомогою найсучасніших мікроскопів».

Англійський учений-фізик Роберт Гук (1635—1703) удосконалив мікроскоп і уперше побачив клітини та ввів термін «сеііиіа» — «клітина». Його малюнок, що зображує клітини корка, обійшов підручники цитології й анатомії рослин усіх країн світу.

Засновниками анатомії рослин вважають двох учених — англійського Неємія Грю (1641—1712) й італійського Марчелло Мальпігі (1628—1694). Саме їм належить термін «рослинні тканини». Грю і Мальпігі не тільки описували побачені під мікроскопом деталі будови, але і намагалися пояснити їх значення для рослин. Вони ввели в анатомію рослин уявлення про паренхімні і прозенхімні клітини, кільчасті і спіральні судини ксилеми назвали трахеями. Мальпігі відкриття щодо певних мікроструктур поєднував з їхніми функціями, що мало важливе значення для майбутньої фізіології рослин.

Шведський природознавець Карл Лінней (1707—1778) уперше визначив майже 1500 видів рослин, послідовно застосував бінарну номенклатуру і побудував найвдалішу штучну класифікацію.

Ботаніка остаточно сформувалася як наука у 17-18 ст. а бурхливого розвитку набула у 19-20 століттях.

Німецькі вчені Маттіас Шлейден і Теодор Шванн у 1838-1839 рр. уперше сформулювали клітинну теорію.

Екологію рослин як науку сформував датський ботанік Е. Вармінг, який у 1895 р. узагальнив і систематизував доступну йому екологічну інформацію. Вармінг вперше дав огляд і класифікацію життєвих форм, описав основні типи рослинних угруповань. Рослини він розділив на чотири основних екологічних типи: гідрофіти, пристосовані до життя у воді; ксерофіти, які живуть на сухих грунтах; мезофіти - рослини більш вологих ґрунтів і вологого клімату; галофіти - рослини засолених ґрунтів.

У 1910 р. екологія рослин була офіційно визнана самостійним розділом ботаніки на Всесвітньому ботанічному конгресі у Брюсселі. її зміст було визначено як «вивчення сукупності відносин рослин і рослинних угруповань до середовища існування». Проте, на відміну від екології тварин, об’єктом якої є як організми, так і їх популяції і угруповання, екологія рослин зосередила основну увагу лише на аутекологічному рівні - дослідження організму (виду), оскільки екологія рослинних угруповань стала предметом фітоценології (геоботаніки), яка відмежувалася вкінці 19 ст. Виключенням стали лише американська та англійська школи, які включають до свого складу і фітоценологію.

У 40-х роках XX ст. для докладного вивчення анатомічних структур і насамперед рослинної клітини почали використовувати електронні мікроскопи різних типів.

Наприкінці XIX — початку XX ст. продовжувалися дослідження анатомічних структур. Отримано відомості щодо деталей будови протопласту, відкрито мітохондрії, апарат Гольджі, інші органоїди. Винаходи другої половини XX ст. розширили уявлення про рослинну клітину, будову її органоїдів, їх ультраструктуру, хімічний склад та функції.

В Україні інтерес до рослин виник за давніх часів у зв'язку з використанням їх насамперед як лікарської сировини, але ботаніка як наука тут почала розвиватись у 18 ст. Українські вчені-ботаніки М.О. Максимович, В. Г. Бессер, А. М. Бекетов, В. І. Палладій, М. І. Вавилов, С. Г. Навашин, М. Г. Холодний, Є. П. Вотчал, В. М. Лю-бименко, І. Ф. Шмальгаузен, О. В. Фомін, В. І. Липський, А. О. Сапєгін, Д. К. Зеров, А. М. Окснер та багато ін. своїми працями зробили вагомий внесок у розвиток вітчизняної ботаніки.

Провідними ботанічними установами на Україні є установи системи АН України: Інститут ботаніки, Інститут фізіології рослин, Інститут гідробіології, Інститут мікробіології і вірусології, Національний ботанічнй сад, Нікітський ботанічний сад.

Особливості рослин. Рослини мають спільні риси, характерні для всіх живих організмів (живлення, дихання, ріст і розвиток, подразливість, розмноження), так і властивості, притаманні лише рослинам.

Основною ознакою рослин є їх автотрофність — здатність використовувати енергію світла, за рахунок якої зелені рослини синтезують органічні речовини з неорганічних — С0₂ і Н₂0, тобто здійснюють процес фотосинтезу. Фотосинтез відбувається в особливих органоїдах рослинної клітини — зелених пластидах — хлоропластах, яких нема в клітинах інших організмів.

З автотрофним способом живлення пов'язаний ряд особливостей рослин, що відбиваються на їх будові. Розглянемо деякі з них.

Для рослин характерне високе відношення площі поверхні тіла до його об'єму, що є необхідним для поглинання світла і вуглекислого газу надземною частиною рослин, а також води та мінеральних речовин — підземною. Це відбивається на внутрішній будові: великій поверхні тіла потрібна опора і транспорт речовин на значні відстані. Для цього в рослинах існує розвинена система механічних і провідних тканин.

Особливістю рослин є необмежений ріст, що дає їм можливість увесь час збільшувати поверхню тіла і займати все нові й нові площі повітряного і кореневого живлення. Це означає, що в рослинах постійно присутні та функціонують різні види твірних тканин.

Рослини не здатні до активного пересування у зв'язку з великою поверхнею тіла і його розчленованістю. Винятком є лише деякі водорості та зооспори, що мають джгутики. При нерухомості рослин їм потрібний захист від несприятливих умов довкілля. До захисних пристосувань належать клітинна оболонка, міцні покривні тканини (наприклад, кора у мамонтового дерева 60-70 см завтовшки), речовини, що відлякують шкідників. Останні накопичуються у вмістищах видільних тканин.

Завдяки процесу фотосинтезу в рослин, на відміну від тварин, асиміляція (засвоєння речовин) переважає над дисиміляцією (розклад органічних речовин на простіші речовини). Унаслідок цього відбувається накопичення ними запасних речовин (вуглеводів, білків, ліпідів).

Рослини дуже ощадливо витрачають речовини й енергію і не виділяють продуктів розкладу, за винятком вуглекислого газу, який знову використовується в процесі фотосинтезу. У рослин немає видільної системи, а наявні видільні тканини, більш схожі на секреторні або запасаючі. Якщо вони і виділяють назовні будь-які речовини, то це пов'язано переважно із залученням комах-запилювачів або захистом від шкідників.

Автотрофність рослин виявляється не лише у фотосинтезі, але й у мінеральному живленні. Рослини поглинають з грунту за допомогою коренів воду та мінеральні речовини і транспортують їх по рослині у листки, а з них униз відтікають асиміляти — продукти фотосинтезу.

Значення рослин у біосфері та житті людини. Рослини відіграють надзвичайно важливу роль в природі. У процесі фотосинтезу на земній кулі щорічно синтезується понад 450 млрд. т органічної речовини, з неї 88% у водоймах. Зв'язувана сонячна енергія в десятки разів перевищує ту, що використовується в промисловості, побуті та для задоволення біологічних потреб людини.

Асимільований з атмосфери вуглець входить до складу сполук рослинного організму. У довкілля він знову потрапляє внаслідок мінералізації рослинних решток. Таким чином, у повітрі кількість вуглекислоти залишається сталою. Процеси асиміляції та синтезу відбуваються паралельно з процесами дисиміляції та розкладу синтезованої органічної речовини. Розклад та мінералізацію рослинних решток здійснюють бактерії та гриби. Завдяки життєдіяльності рослин в атмосферу виділяється величезна кількість кисню, який є необхідною умовою життя тварин і людини.

Важливе значення рослин і в житті людини, оскільки вони забезпечують всі її біологічні потреби. Рослини є джерелом продуктів харчування. Рослинну сировину використовують також для виробництва тканин, фарб, лаків. Рослини є цінним джерелом для одержання ліків, вітамінів, прянощів, ефірної олії тощо.

Крім того, рослини є прикрасою міст і сіл, дають людині естетичну насолоду. Навколо великих міст та індустріальних районів рослини очищують повітря і збагачують його киснем.