Цветковое растение: клетка, семя и побег

Среди растений наиболее высоко организованы цветковые, или покрытосеменные. Эти растения изучают на разных уровнях их биологической организации: клетки, ткани, органа. Орган — это часть тела организма, выполняющая определенную функцию (функции). У растения есть вегетативные органы (от лат. «веге-тативус» — растительный) — побег и корень и генеративные (от лат. «генераре» — производить, рождать) — цветок, плод, семя.

КЛЕТКА — СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Клетка — это мельчайшая единица любого организма, в том числе и растительного. Как функциональная единица, она обладает всеми свойствами живого: дышит, питается, ей свойствен обмен веществ; клетка выделяет конечные продукты обмена, обладает раздражимостью и отвечает на внешние раздражения, способна к делению и самовоспроизведению себе подобных.

Строение клетки. Живой частью клетки, активно участвующей в обмене веществ, является протопласт (цитоплазма, ядро, пластиды). Протопласт окружен оболочкой.

Цитоплазма — бесцветное вязкое образование, которое находится в постоянном движении. Ток цитоплазмы тем энергичнее, чем активнее функционирует клетка.

Важная роль в жизненных отправлениях клетки принадлежит ее форменным элементам. Форменные элементы цитоплазмы обладают специфическими (определенными для каждого элемента) функциями: одни из них ответственны за дыхание, другие — за синтез органических веществ, третьи — за выделение веществ (конечных продуктов обмена) и т. д. Форменные элементы цитоплазмы называют органеллами.

Существенной составной частью многих органелл является мембрана.

Мембрана — это тончайшая пленка, в построении которой участвуют белки и жироподобные вещества. Большинство мембранных белков — ферменты, физиологически активные вещества, которые влияют на ход биохимических процессов, протекающих в клетке. При непосредственном участии ферментов в цитоплазме всегда что-то образуется, что-то разрушается, так как для цитоплазмы характерно постоянное самообновление, которое осуществляется в процессе обмена веществ.

Значительное место в цитоплазме занимает вакуоль (или вакуоли). На них приходится 70— 90% общего объема взрослой клетки. Вакуоль окружена мембраной — тонопластом и заполнена клеточным соком — раствором различных органических веществ (глюкоза, сахароза, ферменты, пигменты и др.) и неорганических (вода, минеральные соли).

Поверхностную цитоплазматическую мембрану, прилегающую к оболочке, называют плазмалеммой.

Важную роль в клетке играет ядро — носитель признаков и свойств клетки и всего организма. Через эту органеллу осуществляется передача наследственной информации от клетки к клетке, от материнского организма к дочернему. Кроме того, ядро — центр управления жизненными процессами, протекающими в клетке.

Ядро погружено в цитоплазму и на поверхности имеет оболочку из двух мембран: наружной и внутренней. Ядерная оболочка пронизана отверстиями — порами. Наружная мембрана непосредственно переходит в систему мембран цитоплазмы. В ядре находятся хромосомы (от греч. «хромое» — цвет и «сома» — тело) и более плотные образования — ядрышки. Число хромосом для вида постоянно (например, 20 — у кукурузы, 108 — у хвоща полевого). В них записаны наследственные качества организма. Хромосомы и ядрышки погружены в ядерный сок.

Двумембранными органеллами клетки кроме ядра являются пластиды. Они разные по цвету и функциям. Зеленые пластиды называют хлоропластами (от греч. «хлорос» — зеленый и «пластос» — вылепленный), желто-оранжевые или красные — хромопластами (от греч. «хрома» — краска), бесцветные — лейкопластами (от греч. «лейкос» — белый). Окраска хлоропла-стов обусловлена наличием зеленого пигмента хлорофилла. Кроме него в хлоропластах есть каротин и ксантофилл — пигменты желто-оранжевого цвета. Каротин и ксантофилл присутствуют и в хромопластах, определяя свойственный им цвет. Лейкопласты лишены красящих веществ.

В состав растительной клетки входят органические и неорганические вещества. Среди органических веществ наиболее важны белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» — ядро; дословно ядерные кислоты). Из неорганических веществ в живой активно функционирующей клетке содержится много воды (70—95%) и обязательно присутствуют минеральные соли.

ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ

В отдельных частях тела растительного организма находятся группы клеток, которые способны делиться. Благодаря этому увеличивается число клеток, они растут, вследствие чего растет весь организм. Рост в течение всей жизни — отличительная особенность растения.

Перед делением клетки в ядре количество наследственного материала удваивается. В результате этого процесса каждая хромосома оказывается состоящей из двух одинаковых частей (их называют хроматидами). Деление клетки сопровождается делением ядра. При этом ядерная оболочка распадается на мельчайшие пузырьки, «исчезают» ядрышки, уплотняются и становятся компактными хромосомы. В последующем в каждой из них нарушается связь между двумя хроматидами, и они отходят друг от друга как самостоятельные дочерние хромосомы. Последние перемещаются к полюсам делящейся клетки.

Две новые клетки получают по одинаковому набору хромосом. Такой же набор хромосом был и у материнской клетки. Таким образом, при делении клетки обеспечивается не только равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками, но и сохранение у последних тех же качеств, которые были и у материнской клетки.

Деление клетки завершается восстановлением ядра во вновь образовавшихся клетках (хромосомы вытягиваются в длинные нити, восстанавливается ядерная оболочка, образуются ядрышки) и возникновением на месте раздела оболочек.

Новая дочерняя клетка переходит к делению, после того как достигнет размера материнской, а в ядре произойдет самоудвоение каждой отдельной хромосомы, и тогда она будет состоять из двух хроматид.

РАСТИТЕЛЬНЫЕ ТКАНИ

Тело высшего растения образовано клетками, которые отличаются друг от друга строением и функцией. Клетки, имеющие общее происхождение и выполняющие свойственную им функцию (или функции), образуют ткань. Растительные ткани делят на образовательные, или меристемы (клетки способны делиться, благодаря этому органы растут), и постоянные (клетки утратили способность к делению и выполняют иные функции).

Рост побега в длину, заложение и разрастание листьев, заложение пазушных почек осуществляются благодаря делению клеток верхушечной образовательной ткани (находится на верхушке побега) и вставочной (заключена между клетками постоянных тканей).

Рост корня в длину обеспечивается делением клеток на его верхушке (верхушечная меристема корня).

Верхушечную и вставочную меристемы называют первичными (по происхождению), так как они первыми появляются при заложении нового вегетативного органа. Благодаря делению их клеток идет первичный рост побега и корня. Клетки, утратившие способность к делению, превращаются в клетки постоянных первичных тканей: покровные, проводящие, основные (среди последних запасающие, механические, ассимиляционные, или хлорофиллоносные, и др.).

Рост стебля и корня в толщину (вторичный рост) совершается на основе деления клеток вторичных образовательных тканей — камбия и пробкового камбия (в органах они обособляются несколько позднее первичных). Постоянные ткани, которые формируются из клеток, образовавшихся при делении камбия и пробкового камбия, называют вторичными (по происхождению). Камбий дает начало вторичным проводящим тканям, а пробковый камбий — вторичной покровной ткани — пробке (перидерме). Классификация тканей показана на схеме.

ОРГАНЫ И ОРГАНИЗМ СЕМЯ — ГЕНЕРАТИВНЫЙ ОРГАН

Функции семени. Семя — высокоспециализированный орган размножения и расселения растений по земной поверхности. Кроме того, проявляя повышенную устойчивость к неблагоприятным внешним условиям, семя обеспечивает сохранение растений на занятой ими территории в экстремальных условиях. При наступлении благоприятных условий (тепло, влага, воздух) семя прорастает и дает начало новому растению.

Строение семени. Семя — орган сложный; условно можно выделить следующие его части: зародыш, запасающая ткань (ткани), кожура. Возможно отсутствие в созревшем семени специальной запасающей ткани. В этом случае запасные вещества накапливаются в клетках зародыша и чаще в его семядолях, первых зародышевых листьях.

Зародыш — миниатюрное растение с вегетативными органами: зародышевым побегом (зародышевый стебель, семядоли, зародышевая почка) и зародышевым корнем.

Запасные вещества в клетках эндосперма (запасающая ткань) или в клетках семядолей представлены жирами, белками, углеводами, органическими кислотами, минеральными соединениями. Воды в созревшем семени очень мало (до 12% общей массы), что при замедленном обмене веществ повышает его устойчивость к неблагоприятным климатическим воздействиям.

Кожура семени (она обычно состоит из нескольких слоев клеток) защищает зародыш от механических повреждений, от проникновения микроорганизмов и других неблагоприятных воздействий внешней среды.

Значение кожуры в распространении семян. Повышенная стойкость кожуры к пищеварительным ферментам обеспечивает сохранность семян в пищеварительной системе животных, поедающих сочные плоды. Выбрасывая непереваренные остатки пищи, животные распространяют таким образом семена.

Благодаря клейкой и слизистой поверхности кожуры семена прилипают к шерсти животных, обуви, платью человека, что становится условием распространения таких растений. Волоски на кожице кожуры способствуют распространению семян ветром (семена ивы, иван-чая). Сочные клетки с запасными веществами на поверхности семени привлекают птиц (семена граната, магнолии) и насекомых (семена копытня, хохлатки), которые становятся их распространителями.

Условия прорастания семян и формирования проростка. Прорастание семян возможно при наличии воды, воздуха (кислорода) и благоприятных для роста температурных условий. Принято различать семена с надземным и подземным прорастанием. Выражение «надземное и подземное прорастание семян» не следует понимать в буквальном смысле слова. Надземным называют такое прорастание семян, когда в воздушную среду выносятся семядоли. Они зеленеют и принимают участие в воздушном питании: поглощает из воздуха углекислый газ и образуют в хлорофиллоносных клетках органическое вещество на основе энергии солнечного света. Таково прорастание семян у огурцов, капусты, липы, клена. При подземном прорастании семян семядоли остаются в почве (например, у пшеницы, дуба, гороха, настурции).

ПОБЕГ — ВЕГЕТАТИВНЫЙ ОРГАН. ПОБЕГОВЫЕ СИСТЕМЫ

Части побега. Побег — сложный орган, состоящий из стебля, листьев, почек. У стебля есть узлы и междоузлия. Узел — участок стебля, на котором находится лист (листья) и почка (почки). Участок стебля между соседними узлами представляет собой междоузлие. Угол, образованный листом и стеблем выше узла, называют листовой пазухой. Почки, занимающие боковое положение на узле, в пазухе листа, называют боковыми или пазушными. На верхушке стебля находится верхушечная почка.

Ветвление побега. Разнообразие побегов по происхождению. Способность побега к образованию новых дочерних побегов из пазушных почек называют боковым ветвлением. В результате формируется система побегов.

Различают главный, боковой, придаточный побеги. Начало главному побегу дает почка зародыша; это первый побег, который появляется при прорастании семени. Боковой побег формируется из боковой, или пазушной, почки. Придаточному побегу дает начало придаточная почка, которая закладывается на листе, междоузлии, корне. Положение побега в пространстве. По положению в пространстве побеги могут быть прямостоячими (например, у щавеля конского), ползучими (клевер ползучий), меняющими направление роста, например от горизонтального к вертикальному (живучка ползучая), вьющиеся вокруг опоры (вьюнок полевой), цепляющиеся за опору (горох посевной).

Функции стебля. Стебель — осевая часть побега — выполняет ряд функций. Опорная функция — это опора для листьев, почек, генеративных органов; проводящая — поступление растворов питательных веществ по проводящим тканям стебля от листьев ко всем органам и из корней к надземным органам; синтетическая — участие зеленых стеблей в образовании органических веществ из неорганических при использовании энергии солнечного света; запасающая — накопление запасных веществ в тканях стебля; функция газообмена осуществляется через специальные образования в покровной ткани — устьица в кожице и чечевички — в пробке.

Строение стебля. На поперечном срезе стебель может быть округлым (облепиха), ребристым (морковь), четырехгранным (крапива), трехгранным (осока) и т. д.

При рассмотрении под микроскопом тонких поперечных срезов стебля можно изучить его строение на клеточном уровне.

На поверхности трехлетнего стебля липы еще сохраняется кожица — первичная покровная ткань. Но уже в первый год жизни побега под кожицей закладывается пробковый камбий (боковая меристема), который, делясь, порождает пробку (вторичную покровную ткань). Пробка более надежно защищает внутренние ткани стебля от высыхания, механических повреждений, проникновения болезнетворных микроорганизмов и т. д.

Под вторичной покровной тканью находятся основные ткани — слои колленхимы (механическая ткань), которые граничат с тонкостенными клетками паренхимы. Внутренний слой основной ткани — это крахмалоносное влагалище (в его клетках долго сохраняются крахмальные зерна). Перечисленные основные ткани образуют первичную кору стебля. Первичная кора прилегает к лубу — проводящей ткани, которая состоит из ситовидных трубок с клетками-спутницами, паренхимы и волокон. Ситовидная трубка образована живыми клетками (члениками трубки), на поперечных стенках которых имеются многочисленные отверстия; они делают оболочку похожей на сито. Отсюда и название трубки. Одна из особенностей клеток трубки — отсутствие в них ядра, которое исчезает по мере превращения меристематических клеток в членики трубки. По ситовидным трубкам идет ток растворов органических веществ от листьев ко всем частям растения.

Вовнутрь от луба, ближе к центру стебля, находится древесина — проводящая ткань, у которой собственно проводящими элементами являются сосуды (серия мертвых клеток, члеников сосуда, расположенных друг под другом; на поперечных стенках клеток — отверстия) и тра-хеиды (удлиненные мертвые клетки). Кроме них в древесине есть паренхима и волокна.

Между лубом и древесиной находится камбий — один слой клеток боковой образовательной ткани. Деление клеток обусловливает рост стебля в толщину. При этом древесины прирастает больше, чем луба. Прирост древесины по толщине стебля за год называют годичным кольцом. По годичным кольцам можно подсчитать возраст спиленного дерева (или отдельной его ветви).

В центре стебля — сердцевина, выполненная клетками основной ткани (паренхимы).

Лист, его строение и функции. Лист занимает боковое положение на стебле и расчленен на пластинку, черешок, основание, прилистники. Лист называют простым, если у него одна пластинка, при этом отсутствует сочленение между нею и черешком, или сложным, если пластинка одна или несколько, но каждая из них имеет сочленение с черешком. Сложный од-нолисточковый лист, например, у мандарина, трехлисточковый — у клевера, пальчатый — у люпина, непарноперистый — у рябины, парноперистый — у гороха. Пластинку простого или пластиночку (листочек) сложного листа характеризуют, учитывая ее очертание (округлая, линейная, яйцевидная и т. д.), форму края (ровный, зубчатый, пильчатый и т. д.), форму жилкования (перистосетчатое, пальчатосетчатое, параллельное, дуговидное). Жилки — это проводящие пучки, пересекающие «мякоть» листа в разных направлениях.

Пластинка листа (как и весь лист) сверху и снизу покрыта кожицей, или эпидермой. Клетки эпидермы плотно прилегают друг к другу. Наружные их стенки (особенно у клеток верхней стороны листа) утолщены и пропитаны жироподобными веществами (кутином, воском), которые, выступая на поверхность, образуют кутикулу. Защитная функция кожицы усиливается и в результате развития волосков: кроющих, секретирующих, жгучих. Связь внутренних тканей органа с внешней средой осуществляется через устьичные щели кожицы, окаймленные замыкающими клетками устьиц. При недостатке воды днем устьица закрываются, что предохраняет растение от потери воды при испарении ее клетками внутри листа. Закрыты устьица обычно и ночью.

Под верхней кожицей находится палисадная (или столбчатая) хлорофиллоносная ткань. В клетках этой ткани осуществляется синтез органического вещества (сахара) из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии солнечного света. Энергия солнечных лучей улавливается пигментами хлоропластов (хлорофилл, каротин, ксантофилл). Хлорофилл направляет ее на осуществление сложных процессов, которые приводят к образованию в хлоропластах органического вещества. При этом из воды, участвующей в этом процессе, выделяется кислород. Часть его используется растением на дыхание, а значительная часть выделяется во внешнюю среду. Процесс образования в хлоропластах органического вещества из неорганических веществ при участии энергии солнечных лучей получил название фотосинтеза. Энергия солнечного света уже в иной форме (форме химических связей) оказывается заключенной в органическое вещество, которое образовалось при фотосинтезе.

Углекислый газ к фотосинтезирующим клеткам поступает в составе воздуха через устьичные щели. Для фотосинтеза растение использует и тот углекислый газ, который выделяется при дыхании клеток. Воду из почвы поглощают корни, и по проводящим тканям она поступает к хлорофиллоносным клеткам листа.

Под столбчатой тканью в пластинке листа находятся рыхло расположенные клетки губчатой ткани. Они тоже содержат зеленые пластиды, но в меньшем числе, поэтому их вклад в создание органического вещества в процессе фотосинтеза менее значительный, чем клеток палисадной ткани.

С поверхности зеленых клеток, особенно клеток губчатой ткани, происходит испарение воды. По системе межклетников водяной пар достигает устьичные щели и через них выходит наружу. Так осуществляется процесс испарения воды листьями. Возможна потеря воды непосредственно с поверхности листа, хотя она и незначительна. Больше воды с поверхности листа теряют теневые растения, у них обычно тонкий слой кутикулы.

Во всех направлениях пластинку листа пронизывают жилки — пучки проводящих тканей. По лубу проводящих пучков идет отток растворов органических веществ, образовавшихся в листьях, ко всем клеткам растения. По древесине в лист поступает вода и растворенные в ней питательные вещества. Кроме того, жилки выполняют опорную (механическую) функцию, и этому способствуют входящие в их состав волокна (вытянутые клетки с заостренными концами, с утолщенной и одревесневшей оболочкой).

Почка, ее строение. Почка — это побег в зачаточном состоянии, так как она состоит из зачаточного стебля, от которого отходят зачаточные листья, а в их пазухах находятся зачаточные почки. На верхушке стебель заканчивается конусом нарастания. Такую почку называют вегетативной. Если помимо перечисленного она имеет зачатки цветка (цветков), почку называют генеративной (зачатки зеленых листьев в генеративной почке могут быть, а могут и отсутствовать). Нижние листья зачаточного побега часто видоизменяются, превращаясь в почечную чешую. Она защищает почку от механических повреждений, высыхания, проникновения бактерий и т. д.

Почка, тронувшаяся в рост, дает начало взрослому побегу. Рост побега идет благодаря делению клеток в области верхушечной и вставочной образовательных тканей. Взрослый побег с хорошо выраженными междоузлиями (их удлинение обусловлено делением клеток вставочной меристемы) называют удлиненным. Если узлы на взрослом побеге остаются сближенными, побег называют укороченным. Удлиненные и укороченные побеги свойственны, например, березе, осине, яблоне.