Физиология растений кратко и понятно самое важное

Обновлено: 04.07.2024

ФИЗИОЛО́ГИЯ РАСТЕ́НИЙ, наука, изучающая процессы жизнедеятельности растительного организма. Объектом Ф. р. являются фототрофы, находящиеся на разных уровнях организации: цианобактерии, водоросли, высшие споровые и семенные растения. В основе Ф. р. лежит изучение их функций, установление взаимной связи функций и их зависимости от внешних и внутр. факторов. В Ф. р. выделяют разделы: физиология клетки, фотосинтез, дыхание, водный обмен, минеральное (корневое) питание, транспорт веществ, рост и движение растений, развитие, устойчивость и адаптация растений к условиям среды.

Физиология растений – это наука о процессах жизнедеятельности, которые протекают в растительном организме.

История физиологии растений

Главная задача физиологии растений как науки заключается в раскрытии сущности процессов жизнедеятельности растений для того, чтобы рационально использовать их и предотвращать численное снижение тех или иных видов.

Натуралистический материал для данной области биологических знаний собирался длительное время. Уже с древних времен люди осваивали пласты знаний о развитии лекарственных растений и методике их применения для лечения различных недугов. Также растительные организмы использовались ими в качестве пищи и корма животных.

Задачи физиологии растений

В рамках глобальной задачи физиологии растений можно выделить несколько побочных задач:

раскрытие сущности процессов, протекающих в растительном организме;
установление взаимосвязи данных процессов;
исследование системы изменения физиологических процессов в растении под влиянием окружающей среды;
формирование физиологического обоснования приемов повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

Физиология растений исследует процессы в растительном организме на клеточном и субклеточном уровне, а также организменном, клеточном, молекулярном и т.д. При изучении физиологии растений целесообразно понимать, что изменение любого процесса неизбежно ведет к изменению других процессов.

Готовые работы на аналогичную тему

При этом целесообразно понимать, что любой физиологический процесс формируется как результат длительной эволюции. Многие из них послужили адаптивными признаками и позволили растениям приспособиться к изменениям окружающей среды.

Современные достижения физиологии растений

Путь исследования, который широко применяется в физиологии растений привел к развитию молекулярной биологии: раскрытию наследственного кода, механизма синтеза белковой молекулы, закономерностей поглощения и использования квантов света.

Сегодня все чаще в физиологии растений применяется переход от изучения простых явлений к более сложному уровню организации. Последние 10 лет оказали весьма большое влияние на физиологию растений оказали достижения молекулярной биологии, генетики. Благодаря этому новое понимание получили процессы поступления воды и питательных веществ в растительный организм. Также был раскрыт механизм действия фитогормонов, а также их роль в росте и развитии. На основе изучения механизмов действия гормонов растений были разработаны приемы синтетических регуляторов роста в растениеводстве.

Отечественная школа физиологии растений во все времена обращала внимание на управление растительными организмами с целью повышения продуктивности роста различных сельскохозяйственных культур. Эта проблема стоит достаточно остро в рамках междисциплинарного знания. Особенно важно решить проблему повышения коэффициента использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза.

Изучение физиологии растений имеет большое значение для преподавания биологии. Полученные сведения помогают дать правильное представление о жизни растительного организма, о его роли в формировании биосферы. Именно физиология растений способствует привитию будущему поколению стремления к проведению экспериментальной опытнической работы. Достижения молекулярной биологии и генетики позволили осуществить инновационный подход к пониманию физиологических процессов и были весьма быстро осуществлены исследования всех физиологических процессов на модифицированных растениях (различных мутантных и трансгенных культурах).

Фитогормоны – это биологически активные вещества растительных клеток белковой природы, которые регулируют их жизнедеятельность.

Кроме того, развитие физиологии растений позволило достичь следующих результатов:

дало возможность уточнить структуру и функцию белков и ферментов;
позволило выявить особенности биосинтеза гормонов и роль транспортных белков и процессе поступления белков, воды и ионов в растительную клетку.

Если проследить этапы развития физиологии растений, то можно увидеть, что многие физиологические функции изучены весьма досконально и выявлены их особенности на биохимическом и молекулярном уровнях.

Например, исследовано значение органоидов растительной клетки, энергетические процессы внутри нее, система ассимиляции углекислого газа, многие участки обмена веществ, механизмы регуляции жизнедеятельности и наследственности в растительном организме. Такие процессы в целом базируются на взаимодействии клеток между собой.

За последние годы существенно изменился климат, а также усилилось загрязнение природной среды, поэтому физиология растений все чаще обращает внимание на анализ механизмов адаптации растений к неблагоприятным условиям обитания.

Не так давно произошла переработка вопросов устойчивости растительных организмов к изменениям среды обитания. Сегодня физиология растений весьма подробно объясняет, что такое стресс в организме растений, как происходят специфические и неспецифические изменения внутри растительного организма в ходе его адаптации к различным стрессорным факторам.

Физиология растений показывает значение образования стрессовых белков, приводит примеры идентификации генов, определяющих устойчивость. Также физиология растений ввела в научный обиход понятие о физиологическом влиянии активных форм кислорода на развитие системы антиоксидантов растительного организма.

биологическая наука, изучающая общие закономерности жизнедеятельности растительных организмов. Ф. р. изучает процессы поглощения растительными организмами минеральных веществ и воды, процессы роста и развития, цветения и плодоношения, корневого (минерального) и воздушного (фотосинтез) питания, дыхания, биосинтеза и накопления различных веществ, совокупность которых обеспечивает способность растения строить своё тело и воспроизводить себя в потомстве. Раскрывая зависимость жизненных процессов от внешних условий, Ф. р. создаёт теоретическую основу приёмов и методов повышения общей продуктивности растительных организмов, питательной ценности, технологического качества их тканей и органов. Физиологические исследования служат научной основой рационального размещения растений в почвенно-климатических условиях, наиболее полно соответствующих их потребностям.

Исторический очерк. Ф. р. возникла и развивалась первоначально как составная часть ботаники (См. Ботаника), занимающаяся преимущественно проблемой почвенного питания растений. Первые попытки экспериментально решить вопрос о том, за счёт чего строят свои ткани растения, сделал голландский естествоиспытатель Ян ван Гельмонт (1629). Выращивая в течение 5 лет ивовую ветвь в горшке со взвешенной почвой, он установил, что за время опыта вес ветви увеличился в 30 раз, тогда как вес почвы почти не изменился. Гельмонт пришёл к заключению, что основной источник питания растения не почва, а вода. Несмотря на ошибочность такого вывода, этот опыт имел большое значение, т.к. при изучении растений впервые был применен количественный метод – взвешивание. В конце 17 в. было установлено наличие у растений пола. В 1727 англичанин С. Гейлс обнаружил передвижение веществ и воды по тканям растения. Важнейшую роль в последующем развитии Ф. р. и всего естествознания в целом сыграло открытие англ. химика Джозефа Пристли, который установил, что зелёные растения в ходе своей жизнедеятельности изменяют состав воздуха, возвращают ему способность поддерживать горение и сохранять жизнь животных (1771). Это явление получило в дальнейшем название фотосинтеза. Впервые идею о воздушном питании растений высказал в 1753 М. В. Ломоносов, который отметил, что тучные деревья, растущие на бедном питательном веществами песке, не могут получить через корни необходимого количества питательных веществ, и сделал вывод, что растения получают питание через листья из воздуха. Работы голл. естествоиспытателя Я. Ингенхауза (1779) и особенно швейц. учёных Ж. Сенебье и Н. Т. Соссюра (конца 18 – начала 19 вв.), а позднее нем. учёного Ю. Р. Майера, французского агрохимика Ж. Б. Буссенго (1868) и др. позволили расшифровать отдельные стороны фотосинтеза как процесса усвоения углекислого газа и воды, происходящего с выделением кислорода при обязательном участии света. Большое влияние на развитие Ф. р. оказали работы французского. учёного А. Лавуазье по химии горения и окисления (1774–84). В начале 19 в. были отмечены ростовые движения у растений – тропизмы, которые позднее детально исследовал Ч. Дарвин. Особенно бурно развивались работы в области почвенного питания растения. Нем. учёный А. Тэер сформулировал гумусовую теорию (1810–19), в которой решающую роль в питании растений отводил органическому веществу почвы. В 40-х гг. 19 в. на смену гумусовой теории питания растений пришла минеральная теория нем. химика Ю. Либиха, в которой подчёркивалась роль минеральных элементов почвы в корневом питании растений. Работы Либиха содействовали развитию физиологических исследований и внедрению минеральных удобрений в с.-х. практику. Ж. Буссенго использовал разработанный им вегетационный метод для изучения закономерностей поступления азота и др. минеральных элементов в растение. Буссенго и немецкийучёный Г. Гельригель выявили специфические особенности бобовых растений как азотфиксаторов, а рус. ботаник М. С. Воронин в 1866 доказал, что клубеньки, образующиеся на корнях этих растений, имеют бактериальную природу. Большую роль в развитии Ф. р. в 19 в. сыграли нем. учёные Ю. Сакс, В. Пфеффер, австрийские ботаники Ю. Визнер, Х. Молиш, чешские учёные Б. Немец и Ю. Стокласа, исследователи ряда др. стран, 2-я половина 19 в. ознаменовалась важными исследованиями К. А. Тимирязева о роли хлорофилла в процессе фотосинтеза. Доказав приложимость к фотосинтезу растений закона сохранения энергии, Тимирязев обосновал и развил представления о космической роли зелёных растений, которые, осуществляя уникальную функцию фотосинтеза, связывают жизнь на Земле с энергией Солнца.

Большой вклад в развитие Ф. р. и, в частности, учения о фотосинтезе внесли сов. ботаники – А. А. Рихтер, открывший явление адаптивных изменений качественного состава пигментов фотосинтеза, Е. Ф. Вотчал, детально изучивший взаимосвязь фотосинтеза с водообменом растений, Ф. Н. Крашенинников, который, используя методы калориметрии, первый доказал, что наряду с углеводами при фотосинтезе образуются соединения др. химической природы. Е. Ф. Вотчал был одним из основоположников украинской школы физиологов растений, к которой принадлежали В. Р. Заленский, раскрывший роль сосущей силы как решающего регулятора водного баланса растения, В. В. Колкунов, установивший взаимосвязь между анатомическим строением свекловичного корня и его сахаристостью, В. Н. Любименко, доказавший, что хлорофилл в хлоропластах находится не в свободном состоянии, а связан с белками.

Детальным изучением процессов обмена азотистых веществ в растении, результаты которого привели к коренным изменениям в практике применения азотсодержащих удобрений, наука обязана сов. агрохимику Д. Н. Прянишникову. Большое значение имели работы Прянишникова и его школы в области фосфорного и калийного питания растений, известкования почв и во многих др. областях физиологии минерального питания. Важную роль сыграли работы его учеников. Г. Г. Петров детально изучил процессы метаболизма азота в растении в зависимости от условий освещения, И. С. Шулов создал ряд вариантов вегетационного метода (метод текучих растворов, стирильных культур и др.), с помощью которых он доказал способность корней растений ассимилировать органические соединения, в том числе и некоторые белковые соединения, Ф. В. Чириков исследовал физиологические особенности с.-х. растений, различающихся по способности усваивать труднорастворимые формы фосфатов почвы. В области водообмена и засухоустойчивости растений фундаментальные работы принадлежат Н. А. Максимову. На основе работ в области физиологии микроорганизмов, среди которых особое место принадлежит открытию С. Н. Виноградским хемосинтеза (1887), стали всё более четко вырисовываться закономерности круговорота отдельных элементов в природе, выявляться роль в этом процессе растений и их симбиотических взаимоотношений с микрофлорой почвы.

Изучение индивидуального развития растительного организма (его онтогенеза) и природы регулирующих его факторов показало, что наряду с условиями внешней среды мощное влияние на развитие растения оказывают содержащиеся в его тканях фитогормоны – ауксины, гиббереллины, цитокинины. Открытие этих веществ дало толчок изучению с новых позиций ростовых процессов, перехода растения от вегетативной к генеративной фазе развития. Выявлена важнейшая роль в регуляции общего хода развития растений, выполняемая корневыми системами, в тканях которых осуществляется синтез гиббереллинов и цитокининов. Наряду со стимуляторами в растениях обнаружены соединения, тормозящие рост и развитие. Так, процессы прорастания семян, покой зимующих почек и т.п. регулирует ингибитор абсцизовая кислота.

Выявлено также, что ряд физиологических процессов регулируется Фитохромом (например, прорастание семян, удлинение и разгибание гипокотиля, образование листовых зачатков, дифференцировка первичных листьев, элементов ксилемы, устьиц и т.д.). Доказана индукция фитохромом биосинтеза ферментов, участвующих в образовании хлорофилла, формировании хлоропласта и фотосинтетического аппарата в целом. Обнаружены также др. вещества – компоненты группы фитохромов, по-видимому регулирующие реакции Фототропизма, Фотопериодизма и некоторые др. Работы в этой области Ф. р. открывают принципиально новые стороны, характеризующие общерегуляторную роль света в жизнедеятельности растения.

Принципиально важные факты получены в исследованиях по проблемам корневого питания растений. Изучение поглотительной деятельности корней и превращений, которым подвергаются в их тканях минеральные вещества, воспринятые ими из почвы, позволило открыть способность корневых систем осуществлять синтезы важных в физиологическом отношении соединений (аминокислот, нуклеиновых кислот, витаминов, ауксинов и др.). Установлена способность корней самостоятельно, без связи с деятельностью листьев, синтезировать хлорофилл. Т. о., выяснена роль корневой системы как одного из регуляторов деятельности листьев и формирования аппарата фотосинтеза. В области минерального питания растений выявлены механизмы, регулирующие поглотительную деятельность корневых систем, взаимосвязи минерального питания и водообмена растений. Получены ценные факты о роли отдельных минеральных элементов в обмене веществ растения и, в частности, ряда микроэлементов, физиологическое действие которых обусловлено прежде всего их участием в построении многих ферментных систем. Успешно развиваются исследования в области физиологии клетки – о функциях органоидов протоплазмы, строении клеточных мембран и их роли в процессах поглощения, транспорта и выделения ионов. Большое практическое значение имеют исследования физиологической природы устойчивости растений к различного рода неблагоприятным абиотическим (высокие и низкие температуры, засуха, избыточное увлажнение, засоление и др.) и биологическим (иммунитет к болезням и вредителям-насекомым) факторам. Результаты этих исследований всё более широко используются в селекции, в разработке приёмов повышения устойчивости растений, служат основой закаливания растений. Наряду с успешным решением проблем общей Ф. р. всё большее внимание уделяется развитию исследований по физиологии отдельных видов и сортов с.-х. растений. Связано это с тем, что урожайность растений, их способность продуктивно использовать питательные вещества, влагу, свет и прочее зависят от взаимоотношения всех функций растений на разных этапах и в различных условиях развития. Этим определяется не только теоретическая, но и практическая ценность исследования по частной Ф. р.

Методы и задачи Ф. р. Начав своё развитие как наука о почвенном питании растений, Ф. р. после открытия фотосинтеза, а также законов сохранения материи и энергии всё больше включала в поле своего зрения воздушную среду и свет как основные материальные и энергетические источники существования растений.

Вплоть до начала 20 столетия исследования физиологических процессов осуществлялись главным образом аналитическими, количественными методами. Так, критериями при изучении процессов фотосинтеза служили количество ассимилированной CO₂, выделенного O₂. В работах по дыханию внимание концентрировалось на определении поглощённого O₂ и выделившейся CO₂. В работах по корневому питанию изучалось количество поглощённых минеральных элементов, влияние на эти процессы содержания в почве неорганических и органических соединений и т.д.

В первой половине 20 в. Ф. р. всё более укрепляет свои связи с биохимией и биофизикой, всё более широко использует физико-химические методы – различные виды спектрального анализа и масс-спектрометрию, электронную и ультрафиолетовую микроскопию, дифференциальное центрифугирование, хроматографию, метод изотопных индикаторов и др. С помощью этих методов, позволяющих вести исследования на клеточном и субклеточном уровнях, включая молекулярный, Ф. р. обогатилась принципиально новыми данными о природе механизмов, регулирующих всю сложную совокупность процессов жизнедеятельности растений, их функционирование как единых, целостных систем. Прогрессу Ф. р. способствовало создание (начиная с середины 20 в.) специальных помещений искусственного климата – фитотронов.

При исследовании сложных биологических явлений современной Ф. р. широко использует модели более простых, составляющих их звеньев. Такие модели позволяют открывать новые закономерности поглощения и ассимиляции неорганических веществ и воды, поглощения, преобразования и запасания солнечной энергии, последующего использования энергии в процессах биосинтеза, роста, развития, движения растений и т.д. Отправляясь от изучения систем и процессов на молекулярном и субклеточном уровнях, Ф. р. включает в поле зрения клетку, органы, организм и, наконец, различные виды сообществ – фитоценозы, биоценозы, биогеоценозы. Используя эти методы и подходы, данные др. наук, современная Ф. р. в широком смысле решает 2 основные задачи: изучение растительного организма как системы взаимодействующих элементов (морфологических и физиологически активных компонентов) протоплазмы и изучение взаимодействия растительного организма с биологическими и физико-химическими условиями внешней среды (диапазон изменчивости функций организма, его способность поддерживать ненарушенным свойственный ему обмен веществ, природа систем, определяющих характер реагирования организма на воздействие внешних факторов, и др.).

Результаты исследований в указанных направлениях имеют значение для решения таких важных практических с.-х. задач, как акклиматизация, интродукция, селекция, гибридизация, получение гетерозисных форм, районирование сортов, размещение с.-х. растений, а также при проведении мероприятий по агротехнике, удобрению, искусственному орошению и др.

Лит.: Ивановский Д. И., Физиология растений, Харьков – Ростов н/Д., 1917; Костычев С. П., Физиология растений, ч, 1–2, М. – Л., 1924–33; Прянишников Д. Н., Избр. соч., т. 3, М., 1965, с. 283–448; Максимов Н. А., Краткий курс физиологии растений, 8 изд., М., 1948; его же, Избранные работы по засухоустойчивости и зимостойкости растений, т. 1–2, М., 1952; Сабинин Д. А., Физиологические основы питания растений, М., 1955; Холодный Н. Г., Избр. труды, т. 1–3, К., 1956–58; Сабинин Д. А., Физиология развития растений, М., 1963; Бутенко Р. Г., Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений, М., 1964; Чайлахян М. Х., Факторы генеративного развития растений, М., 1964; История и современное состояние физиологии растений в Академии наук, М., 1967; Курсанов А. Л., Взаимосвязь физиологических процессов в растении, М., 1960; Самуилов Ф. Д,, Водный обмени состояние воды в растениях, Каз., 1972; Гродзинский Д. М., Биофизика растения, К., 1972; Современные проблемы фотосинтеза. (К 200-летию открытия фотосинтеза), М., 1973; Школьник М. Я., Микроэлементы в жизни растений, Л., 1974; Генкель П. А., Физиология растений, 4 изд., М., 1975; Рубин Б, А., Арциховская Е. В., Аксенова В. А., Биохимия и физиология иммунитета растений, 3 изд., М., 1975; Курсанов А. Л., Передвижение веществ в растении, М., 1976; Рубин Б. А., Курс физиологии растений, 4 изд., М., 1976; Lundegardh Н., Pflanzenphysiologie, Jena, 1960; Goodman R., Kiraly Z., Zaitlin M., The biochemistry and physiology of plant disease, Princeton, 1967; The introduction of flowering; some case histories, ed. L. T. Evans, lthaca, 1969; Mohr Н., Lectures of Photomorphogenesis, B. – Hdib. – N. Y., 1972.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Физиология растений – это наука о процессах, происходящих в растительном организме: почвенное, воздушное и гетеротрофное питание, синтез, транспорт и распад веществ, рост и развитие, движения растений, взаимодействие с патогенами, реакции на неблагоприятные факторы внешней среды.

Физиология растений занимается процессами, происходящими на разных уровнях организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном, организменном и биоценотическом. Однако надо всегда иметь в виду, что в растении все процессы на любом уровне организации взаимосвязаны. Изменение какого-либо процесса сказывается на всей жизнедеятельности организма.

Наука может считаться самостоятельной, если у нее есть свой объект, предмет и свои методы исследования. Объектом физиологии растений являются фототрофные организмы, т. е. организмы, синтезирующие органические вещества из минеральных (СО₂ и Н₂0) с помощью энергии света. Этот процесс назвали фотосинтезом.

Чем еще отличаются зеленые растения от незеленых организмов? Для растений характерна очень большая поверхность тела по отношению к его массе. Это объясняется тем, что чем больше побегов сформируется у растения, тем из большего объема воздуха листья смогут поглощать углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, а хорошо разветвленные корни имеют много зон активного поглощения веществ. Поглощать большие количества С0₂ и солей помогает и другая особенность зеленого растения — неограниченный рост корней и стеблей. В отличие от большинства других организмов растения прикреплены к определенному месту. Все эти особенности влияют на функционирование органов растения.

Фототрофные организмы, изучаемые физиологией растений, находятся на разных уровнях эволюции: водоросли, высшие споровые и семенные растения.

Что значит изучить жизнь растения? Это значит изучить его свойства и функции: воздушное питание — фотосинтез, корневое питание — поглощение минеральных веществ из почвы, транспорт веществ, водный обмен, рост и развитие растений, движение его органов, приспособление к окружающим условиям.

Таким образом, предмет физиологии растений — это изучение всех функций растительного организма; определение значения каждой из них для организма в целом; установление взаимной связи функций и их зависимости от внешних и внутренних факторов; изучение взаимодействия органов растения. Следовательно, физиология не только описывает разные свойства и процессы, идущие в растительном организме, а представляет собой систему законов и закономерностей о жизни растения.

Живая материя построена по принципу иерархии: организм состоит из органов, орган — из тканей, ткань — из клеток, клетка — из органелл. Организмы одного вида, сорта образуют популяцию; несколько растительных и животных популяций, обитающих на одной территории, — сложную экологическую систему, или биогеоценоз (от греч. bios — жизнь, geo — Земля, koino's — общий).

Итак, существует несколько уровней организации живой материи, которые можно расположить в следующей последовательности: молекулярный, клеточный и субклеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, биогеоценологический и биосферный.

Физиологи изучают процессы, происходящие в растении, на всех уровнях организации. При изучении процесса на любом уровне нужно всегда помнить, что как в клетке, так и в целом организме или биогеоценозе все процессы взаимосвязаны. Изменение любого процесса отражается на жизнедеятельности всего организма. Сложность физиологических исследований состоит в том, что организм нельзя отделить от среды, в которой он живет, все физиологические процессы связаны с внешними условиями. В популяции, биогеоценозе один организм может влиять на другой, конкурируя с ним или способствуя его росту. Условия в посеве, на плантации отличаются от тех, с которыми встречается одиночное растение. Например, на проникновение света в глубь плантации сахарного тростника, ее температуру и влажность влияют количество растений на плантации, их сомкнутость, число и расположение листьев на побеге. Поэтому процессы в биогео- и агрофитоценозах происходят несколько иначе, чем у одиночного растения.

При изучении физиологии растительного организма на разных уровнях организации живой материи возможны два подхода. Первый — переход от более высокого уровня к более низкому, т. е. разложение сложных биологических явлений на все более простые физические и химические процессы. Этот путь исследования привел к познанию основных закономерностей поглощения и использования квантов света, механизмов поглощения веществ и т. д. Однако для понимания механизмов физиологических процессов, происходящих в целом организме, а тем более в экологической системе, нужно использовать и другой путь — от изучения более простого к все более сложному уровню организации. Этот, второй, подход называется интегральным (от лат. integer— целый, восстановленный). Со второй половины XX в. изучение интеграции и особенно регуляции физиологических процессов в течение жизни растения и его приспособления (адаптации) к окружающим условиям стало основным предметом физиологии растений.

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИОЛОГИЯ КАК НАУКА

План лекции:

1. Физиология растений и её задачи.

2. История развития физиологии растений и её методы.

3. Задачи физиологии растений.

4. Место физиологии растений среди других наук.

Физиология растений и её задачи.

Читайте также: