Основы ботаники

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Ботаника - наука о растениях. Краткий очерк истории ботаники. Основные разделы и перспективы развития современной ботаники

Ботаника - наука, изучающая жизнь растений, их строение, жизнедеятельность, условия обитания, происхождение и эволюционное развитие. (Название этой науки происходит от греческого слова "ботанэ", что значит "зелень, трава, растение"). Как наука ботаника возникла и развилась в связи с практическими потребностями человека. С переходом человека к оседлому образу жизни дикие формы растений, будучи малопродуктивными, не могли удовлетворить его запросы. Это и послужило одной из причин зарождения земледелия. Древнейшими центрами возделывания культурных растений был Египет, Китай, Индия, Вавилония, Центральная Америка, где еще до нашей эры культивировали рис, сорго, просо, пшеницу, чай, хлопчатник, маис и другие некоторые из них использовали в лечебных целях. Все разнообразие современных культурных растений создано упорным трудом человека в результате последующего накопления сведений о форме и свойствах растительных организмов, об их жизнедеятельности, распространенности, изменчивости и т.д. В разработку отдельных разделов ботаники большой вклад внесли русские ученые: физиолог К.А. Тимирязев, изучавший процесс фотосинтеза в зеленом листе; цитолог и эмбриолог С.Г. Навашин, открывший двойное оплодотворение у цветковых растений; агрохимик Д.Н. Прянишников; генетик, ботаник и географ Н.И. Вавилов, который обосновал закон гомологических рядов наследственной изменчивости и собрал мировую коллекцию ценных растений. Современная Ботаника - многоотраслевая наука, подразделяющаяся отделы: Систематика, которая классифицирует растения на основе общности строения и происхождения (задача создать систему в растительном мире): а) Флористика - часть систематики, которая изучает флору - список видов какой-то территории (ед. флоры является вид). Со времен Линнея (шведский ученный) растения имеют ФИО и пишутся на мертвом латинском языке: Ф. - семейство, И.,О. -род, вид. б) Ботаническая география - изучает дикие, спонтанные виды и занимается распространением их по шару. Морфология-наука о внешнем строении органов растений и их видоизменениях (т.е. методы сравнения и описания, из потребностей человека). Делится на: а) Микроскопическая морфология. Сюда относится анатомия - изучает строение тканей и органов растений, эмбриология и гистология. б) Макроскопическая (органография). Основоположник морфологии считается И.Ф. Гете о метаморфозе растений. Фитоценология - изучает растительность, т.е. исследует растительный покров Земли, его видовой состав, структуру, динамику связей со средой, закономерности распределения и развития растительных сообществ. (Растительность - это группа видов сложившихся в процессе эволюции на какой-то территории и составляющий определенный ландшафт). Изучение функций растений: Физиология-наука о процессах, протекающих в растении: закономерностях роста, развития и жизненных отправлений в зависимости от внешних условий; Биохимия - изучает процессы химические, происходящие в растительном организме. Важнейшие задачи современной Ботаники изучение строения растений в единстве с условиями их жизни, изучения их последовательности для создания новых сортов, повышение их урожайности, устойчивости к заболеваниям, полеганием и т.п. Многие растения способны использовать такие сложные органические вещества, как алкалоиды, гликозиды, эфирные масла, витамины из которых готовят лекарственные препараты. Действие их на организм человека различно: одни успокаивают нервную систему, другие способствуют лучшему пищеварению, третьи снижают кровяное давление. Ответственная роль человека в сохранении зеленого покрова Земли в создании сортов культурных растений - источника пищевых продуктов и лекарственных веществ, широко используемых в медицине и ветеринарии.

Ботаника -- наука о растениях. Ботанические знания зародились и быстро накапливались с практической деятельностью человека. Первым этапом освоения растительных богатств был сбор плодов, семян, клубней, луковиц, корневищ.

Ботаника как наука сформировалась более 2000 лет назад. Основоположниками ее были выдающиеся деятели древнего мира Аристотель (384--322 гг. до н. э.) и Феофраст (371--286 гг. До н. э . ). Они обобщили накопленные сведения о разнообразии растений и их свойствах, приемах возделывания, размножения и использовании, географическом распространении. В наши дни ботаника представляет собой большую многоотраслевую науку. Общая задача ее состоит в изучении отдельно взятых растений и их совокупностей -- растительных сообществ, из которых формируются луга, леса, степи. Структура и закономерности роста растений, их отношения с окружающей средой, закономерности распространения и распределения отдельных видов и всего растительного покрова на земном шаре; происхождение и эволюция царства растений, причины его разнообразия и классификация; запасы в природе хозяйственно ценных растений и пути их рационального использования, разработка научных основ введения в культуру (интродукции) новых кормовых, лекарственных, плодовых, овощных, технических и других растений. Одна из первоочередных задач ботаники -- разработка научных основ охраны природных и растительных ресурсов. Особенно большое внимание отводят изучению и охране редких и исчезающих растений, занесенных в Красную книгу, так как потеря каждого вида не только уменьшает разнообразие растений, но и нарушает устойчивость растительного сообщества, сбалансированного в течение многих тысячелетий. Разделы ботаники. Растения изучают с различных сторон. Исторически возник ряд разделов, каждый из которых решает свои задачи и использует собственные методы исследования. Морфология (греч. морфа -- форма; логос -- слово, учение) изучает внешние формы и внутренние структуры, воспринимаемые непосредственно человеческим глазом или с помощью инструментов (лупы, светового или электронного микроскопов). Морфология, в свою очередь, включает ряд разделов, морфологических по своему существу. Цитология (греч. китос, цитос -- сосуд, клетка) изучает строение и жизнедеятельность клеток. Гистология (греч. гистос -- ткань) растений исследует растительные ткани и их распределение в органах растений. Обычно в качестве особого раздела выделяют анатомию (греч. анатомео -- разрезаю) растений, которая с помощью микроскопа изучает строение растений и, следовательно, включает цитологию и гистологию. Разделом анатомии является также гистохимия, которая с помощью микроскопа и химических реакций устанавливает распределение веществ в клетках и тканях. В качестве одного из разделов структурной ботаники исторически обособилась эмбриология (греч. эмбрион -- зародыш) растений, изучающая зарождение и ранние этапы развития растений. Физиология исследует жизненные процессы, присущие растениям (обмен веществ, рост, развитие и пр.). Она широко использует методы физики и химии, являясь наукой по преимуществу экспериментальной. От физиологии обособились биохимия и биофизика растений. Систематика растений ставит перед собой несколько целей. Прежде всего необходимо описать все существующие виды. Эти виды должны быть классифицированы, т. е. распределены по более крупным таксономическим (греч. таксис -- расположение по порядку; номос -- закон) группам (таксонам) -- родам, семействам, порядкам, классам и отделам. Такая инвентаризация видов и расположение их в легко обозримой и удобной системе совершенно необходимы, в каком бы направлении ни изучались растения дальше. Однако главная задача систематики -- восстановление путей эволюционного развития растительного мира. Восстановлению хода эволюционного развития растений помогает палеоботаника (греч. палайос -- древний), которая изучает виды растений, существовавшие в далекие геологические времена и вымершие, но дошедшие до нас в виде окаменелостей и отпечатков в горных породах. Фитоценология изучает растительные сообщества -- фитоценозы (греч. фитон -- растение; койнос -- общий). Под фитоценозом понимают совокупность растений, исторически приспособившихся к совместному существованию на определенной территории. Фитоценозы обладают своей устойчивой структурой. Они повторяются, образуя леса, луга, болота, пустыни. С фитоценологией тесно связана флористика, главная задача которой заключается в составлении флор. Под флорой понимают список всех видов, обитающих на определенной территории. Географиярастений изучает распределение видов растений и фитоценозов на поверхности Земли в зависимости от климата, почв и геологической истории. Экология (греч. ойкос -- дом) растений исследует взаимосвязи растений с окружающей средой, влияние последней на их строение и жизнедеятельность. Экология использует методы наблюдения, описания и эксперимента. Развитие ботаники. Решительный перелом в развитии ботаники произошел в XV веке, в эпоху Возрождения. В Европу из заморских стран начали привозить невиданные ранее растения. Перед ботаниками встала задача ?инвентаризации? всех известных видов растений, т. е. их описания и классификации. В связи с этим зарождаются и быстро совершенствуются все способы сохранения растительных форм для их сравнительного изучения: выращивание в ботанических садах, сохранение в засушенном виде, зарисовывание и словесное описание. Возникают ботанические сады (в Падуе в 1540 г., в Пизе в 1545 г., в Цюрихе в 1560 г., во Флоренции и Болонье в 1568 г., в Лейдене в 1577 г., в Лейпциге в 1579 г.). В середине XVI в. было изобретено засушивание растений и составление гербариев. В XVII в. зарождаются физиология и анатомия растений. Ван Гельмонт (1577-- 1644), пытаясь выяснить, откуда растение берет вещества для построения своего тела, провел опыт с выращиванием ветки ивы. Не имея представления о воздушном питании (фотосинтезе), Ван Гельмонт пришел к неправильному выводу, что растение строит тело из воды. Более доступным в XVII в. было изучение передвижения веществ в растениях.Для этого надо было исследовать внутреннее строение растений. Выдающийся английский физик Роберт Гук (1635-- 1703) усовершенствовал микроскоп и применил его к изучению различных мелких предметов, в том числе и частей растений. В 1665 г. он впервые опубликовал описание клеточного строения растений и ввел термин -- клетка. Почти вслед за ним (с 1671 по 1682 г.) итальянец Марчелло Мальпиги (1628--1694) и англичанин Неемия Грю (1641 -- 1712) одновременно и независимо друг от друга опубликовали сочинения, положившие начало анатомии растений. Как наука физиология растений оформляется окончательно лишь в конце XVIII в., после выяснения сущности фотосинтеза. И все же вплоть до XIX в. господствующим направлением в ботанике оставалась систематика. Систематика и описательная морфология XVIII в. достигли высшего выражения в трудах шведского ботаника Карла Линнея (1707-- 1778). Линней значительно улучшил морфологическую терминологию. Он разработал и последовательно применил в своих трудах двойную (бинарную) номенклатуру, согласно которой каждый вид обозначается двумя словами (первое слово,-- название рода, второе -- видовой эпитет). Пользуясь уточненной терминологией и бинарными словами, Линней дал описание всех известных ему видов растений и устранил многочисленные неясности в их обозначениях. Наконец, Линней разработал простую классификацию растений, которая очень облегчила работу ботаников.

Однако морфология XVIII в. пытается выяснить и общие законы образования растительных форм. В 1759 г. К- Ф. Вольф (1733-- 1794) описал возникновение органов в кончике побега. Немецкий поэт и естествоиспытатель И. В. Гёте (1749-- 1832) в 1790 г. заложил основы новой дисциплины -- теоретической морфологии растений. Колоссальными успехами ботаники был отмечен XIX век. Оформились или возникли новые разделы ботаники -- физиология и анатомия растений, эмбриология, география, экология и геоботаника, учение о водорослях, грибах и других низших организмах, палеоботаника и т. д. По существу, именно в XIX в. ботаника приняла современный вид. Во всех ее раздела был накоплен громадный фактический материал. Наибольшее значение имели труды М. Шлейдена (1804-- 1881) и Т. Шванна (1810-- 1882). Шлейден в 1838 г. установил, что клетка является универсальной структурной единицей в теле растений, а в следующем году Шванн, проведя колоссальную работу по изучению животных тканей, распространил эту теорию на все живые существа. До XIX в. оболочку считали важнейшей частью растительной клетки, но в 30--40-х годах XIX в. выяснили, что носителями жизни являются ядро и протоплазма. В 1859 г. Р. Вирхов в своем знаменитом афоризме (?всякая клетка от клетки?) сформулировал принцип преемственности в возникновении клеток. В 70-х годах была показана преемственность в возникновении ядерных структур (хромосом). Оформилась важнейшая биологическая наука -- цитология. Ее успехи стали возможными благодаря тому, что в эти же годы был значительно усовершенствован и принял современный вид световой микроскоп, а также разработана микроскопическая техника, т. е. приемы приготовления микроскопических препаратов. Эволюционное учение Чарльза Дарвина (1809-- 1882), книга которого ?Происхождение видов? была опубликована в 1859 г., нанесло жесточайший удар по метафизике и идеалистическому, религиозному взгляду на целесообразность в природе. В 1849-- 1851 гг. В. Гофмейстер (1824-- 1877) подробно описал циклы развития споровых и семенных растений и доказал их принципиальное сходство. Были исследованы процессы оплодотворения у растений и образования зародышей. В самом конце XIX в. С. Г. Навашин (1857-- 1930) описал явление двойного оплодотворения у цветковых растений. В XX в. наука претерпела глубокие организационные изменения. Л. С. Ценковский (1822-- 1887) и его ученик М. С. Воронин (1838-- 1903) заложили основы науки о водорослях и грибах. С. Н. Виноградский (1856--1953) открыл хемосинтез у бактерий. Д. И. Ивановскому (1864-- 1920) принадлежит честь открытия и изучения вирусов. К- А. Тимирязев (1843-- 1920) выполнил крупные работы по физиологии растений и много сделал для пропаганды, защиты и дальнейшей разработки учения Ч. Дарвина. Он создал большую школу отечественных физиологов. Советская ботаника гордится работами Н. И. Вавилова и его учеников по изучению мировых центров происхождения культурных растений. На основе этих работ в селекционную работу по выведению новых сортов удалось вовлечь большое число дикорастущих и культурных форм из многих стран земного шара.

2. Клетка - элементарная структурно-функциональная ячейка жизни. Форма и величина клеток. Основные черты организации клеток, отличия растительных клеток от животных. Клетки прокариот и эукариот. Типичная клетка зеленых растений

Клетка -- основная форма организации живой материи, элементарная единица организма. Она представляет собой самовоспроизводящуюся систему, которая обособлена от среды и сохраняет определенную концентрацию химических веществ, но одновременно осуществляет постоянный обмен с ней. Клетка как химическая система сохраняет стабильность (гомеостаз) в процессе обмена с окружающей средой. Роль барьера играет плазматическая мембрана. Каждая клетка имеет цитоплазму и генетический материал в форме ДНК, которая регулирует жизнь клетки и воспроизводит себя, благодаря чему образуются новые клетки. Единство клеточного строения организмов подтверждается не только сходством строения различных клеток, но и сходством химического состава и процессов обмена. Нуклеиновые кислоты и белки, процессы их синтеза и превращений универсальны и принципиально близки в клетках всех живых организмов. Общая характеристика. Клетка -- основная структурная единица одноклеточных, колониальных и многоклеточных растений. Единственная клетка одноклеточного организма универсальна, она выполняет все функции, необходимые для обеспечения жизни и размножения. Форма ее обычно близка к шаровидной или яйцевидной. У многоклеточных организмов клетки чрезвычайно разнообразны по размеру, форме и внутреннему строению. Это разнообразие связано с разделением функций, выполняемых клетками в организме. Клетки зародыша однородны, они имеют призматическую форму, создающуюся в процессе взаимного давления. По мере дифференциации клеток во взрослом растении их формы становятся многообразнее: кубическая, звездчатая и т. д. Часто форма клеток столь сложна, что не поддается геометрическому определению. Многообразие форм сводят к двум основным типам клеток: паренхимным и прозенхимным. Паренхимные клетки -- изодиаметрические многогранники, обычно четырнадцатигранники, у которых восемь граней -- шестиугольники, а шесть -- четырехугольники; диаметр их примерно одинаков во всех направлениях, длина не превышает ширину. Наиболее крупные паренхимные клетки те, в которых откладываются запасы питательных веществ. Клетки плодов арбуза, лимона, томатов видны невооруженным глазом. Их величина достигает нескольких миллиметров. Прозенхимные клетки -- вытянутые, длина их превышает ширину и толщину во много раз. Они значительно крупнее клеток паренхимы; например, волосок хлопчатника достигает длины 6см, волоконце льна 4 см, однако поперечник этих клеток микроскопически мал.

Строение. Несмотря на огромное разнообразие, клетки растений характеризуются общностью строения -- это клетки эукариотические, имеющие оформленное ядро. От клеток других эукариот -- животных и грибов их отличают следующие особенности: наличие пластид; целлюлозопектиновая жесткая клеточная стенка кнаружи от цитоплазматической мембраны, окружающей любую клетку; хорошо развитая система вакуолей; отсутствие центриолей при делении. У молодых, вновь образовавшихся клеток полость заполнена густой цитоплазмой. Многочисленные очень мелкие вакуоли слабо заметны, стенка клетки тонкая. Постепенно накапливается клеточный сок, число вакуолей уменьшается, а их объем увеличивается. Ядро окружено цитоплазматическим мешком, который тяжами соединен с постенным слоем цитоплазмы. В полностью сформированных старых клетках ядро оттеснено в постенный слой цитоплазмы, почти вся полость клеток занята крупной центральной вакуолью. Площадь клеточной стенки и ее толщина увеличились. Такой рост клеток и изменения в них показывают, что цитоплазма и ядро составляют ее живое содержимое -- протопласт, а клеточная стенка и клеточный сок являются производными протопласта, продуктами его жизнедеятельности. От клеточного сока протопласт отделен мембраной, которая называется тонопластом, от клеточной стенки -- другой мембраной -- плазмалеммой. Протопласт состоит из двух структурных систем -- цитоплазмы и ядра. В протопласте осуществляются все основные процессы обмена веществ.

КЛЕТКА -- элементарная структурная и функциональная единица растительных и животных организмов, способная к самовоспроизведению и развитию. Нек-рые микроорганизмы, напр., бактерии, многие водоросли, грибы и простейшие, могут состоять из одной клетки. Многоклеточные организмы, к к-рым относятся все высшие растения, животные и человек, построены из большого количества различных клеток, объединенных в ткани и органы. Форма растительных клеток очень разнообразна (цилиндрическая, шаровидная, звездчатая, многогранная и другие) и тесно связана с выполняемой ими физиологической функцией. Но среди этого разнообразия различают 2 основные формы -- паренхимную и прозенхимную. Паренхимные клетки их длина, ширина и толщина у них почти одинаковы. Они характерны для основных тканей и долгое время остаются живыми. Прозенхимные вытянуты причем длина превышает ширину не более чем в 2 раза. Они характерны для механической ткани. Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, в отличие от эукариота, имеют относительно простое строение. В про-кариотической клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки. Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эука-риотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хлоропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто организованные мембранные складки. Клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной, поверх которой располагается клеточная оболочка или слизистая капсула. Несмотря на относительную простоту, прокариоты являются типичными независимыми клетками. Сравнительная характеристика клеток эукариот. По строению различные эукариотические клетки сходны. Но наряду со сходством между клетками организмов различных царств живой природы имеются заметные отличия. Они касаются как структурных, так и биохимических особенностей. Для растительной клетки характерно наличие различных пластид, крупной центральной вакуоли, которая иногда отодвигает ядро к периферии, а также расположенной снаружи плазматической мембраны клеточной стенки, состоящей из целлюлозы. В клетках высших растений в клеточном центре отсутствует центриоль, встречающаяся только у водорослей. Резервным питательным углеводом в клетках растений является крахмал. В клетках представителей царства грибов клеточная стенка обычно состоит из хитина - вещества, из которого построен наружный скелет членистоногих животных. Имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Запасным углеводом в клетках грибов является гликоген. В клетках животных отсутствует плотная клеточная стенка, нет пластид. Нет в животной клетке и центральной вакуоли. Центриоль характерна для клеточного центра животных клеток. Резервным углеводом в клетках животных также является гликоген. Растительная клетка: 1.крупнее животной. 2.оболочка растительной клетки состоит из целлюлозы. 3.растительная клетка имеет пластиды(хлоропласты, хромопласты, лейкопласты). 4.происходит фотосинтез посредством световой энергии, в результате чего образуются органические вещества. 5.растут за счет растяжения кл.оболочки. Животная клетка: форма меньше и более рознообразна (нервные, мерцательные, кубические). 2.пластиды отсутствуют. 3.органические вещества синтезируются самостоятельно. 4.растет за счет увеличения количества цитоплазмы. В типичной растительной клетке различают 3 основные части: 1.жесткую и прочную углеводную оболочку, одевающую клетку снаружи. 2.протопласт- живое содержимое клетки( прижатого в виде тонкого постенного слоя к оболочке). 3.вакуоль- пространство в центральной части клетки, заполненное водянистым содержимым - клеточным соком.

3. Ядро клетки, форма и величина ядер, их структура и химический состав. Митоз. Метаболическая и генетическая роль ядра

Ядро -- важнейшая клеточная структура, регулирующая всю жизнедеятельность клетки. Оно имеется во всех растительных клетках, за исключением зрелых члеников ситовидных трубок флоэмы. Как правило, в каждой клетке есть лишь одно ядро. Ядро всегда окружено цитоплазмой. Обычно оно имеет шаровидную форму, но может стать вытянутым или при высокой интенсивности взаимодействия с цитоплазмой -- лопастным. Величина ядра различна. Его диаметр в среднем составляет 10-20 мкм. Для каждой группы одинаковых клеток существует определенное и постоянное ядерно-плазмеиное соотношение. В молодых делящихся клетках оно составляет 1/4, в сформировавшихся 1/20. Нарушение его ведет к делению или гибели клеток. Биологический смысл этого постоянства в том, что ядро определенного размера способно контролировать лишь соответствующую массу цитоплазмы. Ядро, как и цитоплазма, представляет собой коллоидную систему, но более вязкой консистенции. По химическому составу ядро резко отличается от остальных органелл высоким (15-30 %) содержанием ДНК. В ядре сосредоточено 99 % ДНК клетки. ДНК образует с основными белками солеобразные соединения -- дезоксинуклеопротеиды. В ядре содержатся в значительных количествах и РНК и рРНК. Структура ядра одинакова у всех эукариотических клеток: ядерная оболочка, ядерный сок (нуклеоплазма или кариолимфа), хромосомно-ядрышковый комплекс. Ядерная оболочка от граничивает содержимое ядра от цитоплазмы.

Состоит из двух мембран с промежутком между ними, называемым перинуклеарным пространством. Толщина мембран 10 нм, а толщина перинуклеарного пространства варьирует.

Общая толщина оболочки 40--80 нм. Внутренняя мембрана оболочки агрануляриая, к наружной мембране прикреплены рибосомы. По структуре и химическому составу ядерная оболочка близка к эидоплазматическому ретикулуму, тем более что ее наружная мембрана образует выросты, переходящие в ретикулум цитоплазмы. Ядерная оболочка имеет особые образования -- ядерные поры. Это сложные структуры. По границе поры, образованной в результате слияния двух мембран, расположены гранулы, от которых отходят фибриллы. Часть фибрилл сходится в центре, формируя диафрагму. Диаметр поры 80---90 нм. Через поры макромолекулы проходят из нуклеоплазмы в гиалоплазму и в обратном направлении. Ядерная оболочка контролирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой, способна к синтезу белков и липидов. Нуклеоплазма представляет собой коллоидный раствор, в котором размещены хромосомы и ядрышки. В состав нуклеоплазмы входят различные ферменты, нуклеиновые кислоты. Она не только осуществляет связь между органеллами ядра, но и трансформирует вещества, проходящие через нее. Ядерный сок. Это бесструктурный матрикс, где протекает деятельность остальных органелл ядра. В состав ядерного сока входят многие ферменты, он является активным компонентом ядра. Хромосомно-ядрышковый комплекс. Хромосомы -- важнейшая часть ядра. Хромосомы состоят из ДНК и основных белков -- гистонов. В интерфазном ядре (между делениями) хромосомы максимально деспирализованы и обычно незаметны в световой микроскоп или видны в виде тонкой сети с отдельными глыбками и узлами (хроматиновая сеть). Эти глыбки представляют собой более плотно спирализованные участки -- гетерохроматин, остальные -- более рыхло спирализованные -- эухроматин. В нем сосредоточена та ДНК, которая в интерфазе генетически активна. Во время деления хромосомы спирализуются, в результате чего утолщаются, укорачиваются и становятся хорошо заметными.

В конце интерфазы (перед делением) каждая хромосома состоит из двух половинок -- хроматид. Хроматида содержит дезоксинуклеопротеидные нити. Они дифференцированы по длине, ведь молекулы ДНК состоят из разных генов. Каждая хромосома имеет суженную часть -- первичную перетяжку, где помещается центромера. Первичная перетяжка может находиться посередине (равноплечие хромосомы) или ближе к одному из концов (неравноплечие хромосомы). У некоторых хромосом заметна вторичная перетяжка, отделяющая небольшой участок -- спутник. Это спутничные хромосомы. Число хромосом в ядре, так же как их размер и форма (хромосомный набор), постоянно для каждого вида организмов. В ядрах соматических (неполовых) клеток содержится диплоидный (двойной) набор хромосом -- 2п. Он образуется в результате слияния двух половых клеток с гаплоидным (одиночным) набором хромосом-- п. Диплоидный набор содержит пары гомологичных хромосом, одинаковых по размеру, форме и составу ДНК. Совокупность признаков хромосомного набора, характерных для вида, получила название кариотип. Постоянство кариотипа каждого вида поддерживается в процессе деления.

По химической природе хромосома представляет собой нуклеопротеид, состоящий из ДНК и белка. Составные части (мономеры) молекулы ДНК -- нуклеотиды. Нуклеотид имеет три компонента-- остаток фосфорной кислоты, дезоксирибозу и одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Нуклеотиды соединяются в длинную цепь в любой последовательности. Молекула ДНК состоит из двух таких длинных цепей, которые связаны между собой азотистыми основаниями, причем аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин -- с цитозином. Эта двойная цепь закручена вокруг оси. Одно из важнейших свойств молекулы ДНК -- репликация (самоудвоение), при которой цепочки нуклеотидов расходятся и каждая из них достраивает утраченную. Участок молекулы ДНК, определяющий синтез одного из специфических для клетки белка, называют геном. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК , своеобразную для каждого организма, называют генетическим кодом. Хромасомы выполняют функцию распределения и переноса генетической информации, в процессе обмена веществ неучаствуют. Ядрышко -- плотное шаровидное тельце внутри иитерфазного ядра. Его диаметр 1-3 мкм. Ядрышек может быть несколько. Они обычно образуются в области вторичных перетяжек спутничных хромосом. В формировании одного ядрышка могут участвовать и несколько хромосом. Участки ДНК, пронизывающие ядрышко, -- ядрышковые организаторы -- состоят из большого числа генов, кодирующих рибосомную РНК. Они являются матрицей для интенсивного синтеза молекул рРНК. Соединяясь с белками, поступающими из цитоплазмы, рРНК образует предшественниц рибосом. Через поры в ядерной оболочке предшествинницы поступают в цитоплазму, где завершается сборка рибосом. Ядрышко, по существу, состоит из видоизменного участка хромосомы и экстрахромосомной части: молекул рРНК, белков и субъединиц рибосом. Молекула РНК, как и молекула ДНК, представляет цепочку нуклеотидов, но нуклеотид РНК содержит вместо дезоксирибозы рибозу, а вместо тимина урацил. В отличие от молекулы ДНК молекула РНК имеет лишь одну такую цепочку. При митозе, когда ДНК спирализуется и укорачивается, ядрышко распадается, после его окончания воссоздается вновь. Основная функция ядрышка -- синтез рРНК и сборка предшествениц рибосом. Поэтому ядрышки играют важную роль в биосинтезе белков клетки. В ядре может быть одно или несколько ядрышек. Функции ядра. Ядро -- центральная органелла клетки, носитель основных наследственных свойств, закодированных в хромосомах. Оно управляет жизнью клетки, определяя и регулируя синтез белков. Все клеточные процессы, обмен веществ, рост, развитие, деятельность остальных органелл -- процессы ферментативные. От состава и количества ферментов зависят направление и скорость химических реакций в клетке. Ферменты имеют белковую природу, следовательно, через синтез белков ядро регулирует жизнедеятельность клетки. Поэтому, если ядро из клетки удалить, она, как правило, быстро погибает. Функции ядра различны в разные периоды жизни клетки. Митоз. Универсальная форма деления ядра, в общих чертах сходная у растений и животных. Митоз характерен для соматических (вегетативных) клеток и обеспечивает увеличение их числа. В непрерывном процессе митотического деления различают четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Продолжительность митоза 1--3 ч.

Профаза -- самая длительная фаза митоза, когда происходит перестройка всей структуры ядра для деления. Ядро увеличивается в объеме, в нем становится заметным клубок толстых нитей ~ хромосом. В результате спирализации молекул ДНК хромосомы укорачиваются и утолщаются. К концу профазы можно различить, что каждая хромосома продольно разделена, хотя обе половины (хроматиды) еще соединены центромерой. Постепенно исчезает ядрышко, растворяется ядерная оболочка. Ядерная оболочка распадается на небольшие фрагменты, неотличимые от элементов эндоплазматического ретикулума. Нуклеоплазма смешивается с гиалоплазмой. Начинается формирование ахромативного веретена -- веретена деления, которое представляет собой систему белковых нитей, растущих от полюсов клетки к центру. Это пучки микротрубочек, состоящих из субъединиц белка тубулина. В клетках грибов, некоторых водорослей, как и в клетках животных, нити веретена отходят от центриолей, которые также состоят из микротрубочек. Профаза -- самая продолжительная фаза митоза.

Метафаза характеризуется максимальным укорочением хромосом. Они располагаются в эквариториальной плоскости клетки. Именно в метафазе легче всего подсчитать число хромосом, рассмотреть их форму. В конце метафазы заканчивается формирование ахроматинового веретена, имеющего форму удлиненного бочонка, расположенного по длинной оси клетки. Веретено деления состоит из нитей -- опорных, соединяющих полюса клетки, и тянущих, прикрепленных к центромерам. Хроматиды постепенно отталкиваются и разъединяются, их связывает только центромера. В метафазе хроматиды отделяются друг от друга, связь между ними сохраняется только в центромере. Из нитей формируется веретено деления. Оно состоит из опорных и тянущих нитей. Опорные нити идут от одного полюса клетки к другому через экваториальную пластинку, а тянущие связывают центромеры хромосом с полюсами. Наиболее характерно для метафазы то, что центромеры хромосом, прикрепленные к нитям веретена, располагаются в плоскости экваториальной пластинки клетки. Анафаза начинается делением центромеры. Каждая из хроматид одной хромосомы становится самостоятельной хромосомой. Сокращение тянущих нитей ахроматинового веретена увлекает их к противоположным полюсам клетки. В результате у каждого из полюсов клетки оказывается столько же хромосом, сколько было в материнской клетке, причем набор их одинаков. В анафазе центромера разделяется и хроматиды расходятся к полюсам вследствие сокращения тянущих нитей. Каждая хроматида становится хромосомой. Следовательно, на каждом полюсе оказывается столько хромосом, сколько их было у исходной клетки. Анафаза -- самая короткая фаза. Телофаза -- последняя фаза митоза. Хромосомы деслирализуются, становятся плохо заметными. Индивидуальность каждой хромосомы уже трудно прослеживается. Однако она не исчезает. На каждом из полюсов вокруг хромосом воссоздается ядерная оболочка. Формируются ядрышки, веретено деления исчезает. В образовавшихся ядрах каждая хромосома состоит теперь всего из одной хроматиды, а не из двух. Каждое из вновь образовавшихся ядер получило весь объем генетической информации, которым обладала ядерная ДНК материнской клетки. В результате митоза оба дочерних ядра имеют одинаковое количество ДНК и одинаковое число хромосом, такое же, как в материнском. В телофазе происходит процесс, противоположный происходящему в профазе: хромосомы деконденсируются, веретено деления разрушается, образуются ядерная оболочка и ядрышки. В начале телофазы хромосомы -- в виде двух темных сгустков на полюсах клетки, к концу их контур исчезает. В это же время в экваториальной пластинке клетки появляются волокна, располагающиеся перпендикулярно к ней,-- фрагмопласт. В центре фрагмопласта накапливаются пузырьки Гольджи, содержащие пектиновые вещества. Они дают начало клеточной пластинке, которая, разрастаясь центробежно и раздвигая фрагмопласт, достигает стенок материнской клетки. Происходит цитокинез, завершающий митоз. Позднее на клеточной пластинке с обеих сторон формируются первичные стенки. В результате митотического цикла образуются две клетки, имеющие хромосомы, идентичные хромосомам материнской клетки по структуре ДНК, форме, размеру и числу, то есть обеспечивается наследственное сходство дочерних клеток с исходной материнской. Биологический смысл митоза заключается в точном распределении между образующимися клетками материальных носителей наследственности -- молекул ДНК, находящихся в хромосомах. Этим обеспечивается наследственное сходство дочерних клеток с исходной материнской. Митоз был впервые описан И. Д. Чистяковым в 1874 г. Совокупность саморегулирующихся процессов, происходящих в клетке от одного деления до другого, называют митотическим циклом. Митотический цикл состоит из интерфазы и митоза, тесно связанных между собой; продолжительность его примерно 15--30 ч. Интерфаза -- наиболее продолжительная часть митотического цикла. Ядро относительно крупное, с хорошо заметными 1--2 ядрышками и слабозернистой структурой. Хромосомы деконденсированы, и окраска не выявляет их. В этой фазе происходят важные биохимические процессы, подготавливающие клетку к делению. В интерфазе различают три периода: пресинтетический -- происходят рост вновь образовавшейся клетки, воссоздание цитоплазматических структур, синтез РНК и белка, накопление энергии. Синтетический -- репликация молекул ДНК и образование двух хроматид. Постсинтетический -- синтез белка, накопление энергии.

4. Понятие о протопласте, физические свойства. Пограничные мембраны протопласта, структура и функции мембран. Полупроницаемость, осмотическое явление в клетке

Ядро и цитоплазма -- живые части клетки и в совокупности составляют протопласт. Стенка и вакуоли -- неживые части клетки, производные протопласта(стенка клетки, вакуоли, продукты запаса и обмена - кахмальнные зерна, белковые зерна, липидные капли, кристаллы солей и физиологически активные вещества - ферменты, витамины, гормоны), продукты его жизнедеятельности. Цитоплазма и ядро -- сложные структурные системы, состоящие из многих органелл. Органеллы чаще всего делят на группы. В каждой группе различают органеллы, покрытые двумя мембранами(пластиды, митохондрии, ядерная оболочка), одной мембраной(плазмолемма, тонопласт, ЭР, апарат Гольджи, лизосомы, сферосомы) и безмембранные (нуклеоплазма, гиалоплазма, ядрышки, хромосомы, рибосрмы). Все компоненты протопласта обычно бесцветны, кроме пластид, которые могут быть окрашены в зеленый или оранжевый цвет. Химический состав протопласта очень сложен и постоянно изменяется. Каждая клетка характеризуется своим химическим составом в зависимости от физиологических функций, поэтому обычно устанавливают суммарный состав протопласта. В состав протопласта входят элементы, из которых построены и вещества неживой природы. Элементарный состав его характеризуется высоким содержанием углерода, водорода, кислорода и азота. Для протопласта характерно большое содержание воды, которая составляет до 90 % его массы. Водная среда необходима для прохождения многих реакций. Благодаря высокой теплоемкости она предохраняет протопласт от резких колебаний температуры. Основными соединениями, образующими протопласт, кроме воды являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы. В состав протопласта входит до 6 % неорганических веществ (в виде ионов), а также другие органические соединения. Белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы синтезируются самим протопластом. Физическое состояние протопласта -- протопласт представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, в которой находятся твердые частицы размером до 0,1 мм, -- дисперсная фаза. В протопласте дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой -- крупные молекулы органических веществ или группы молекул. Частицы в коллоидном растворе обычно имеют одноименный заряд и поэтому отталкиваются друг от друга, это удерживает их в диспергированном (рассеянном) состоянии. Каждая из частиц окружена соединенными с нею молекулами воды. Такое состояние коллоида носит название золя -- системы с преобладанием дисперсионной среды. При потере электрического заряда коллоидные частицы слипаются. Частичная потеря зарядов и воды ведет к переходу в состояние геля, в котором преобладает дисперсная фаза. Способность переходить из жидкого состояния золя в полутвердое состояние геля играет важную роль в существовании протопласта. Он многократно переходит из золя в гель и обратно, это одно из проявлений его живого состояния. При повышении температуры выше критической или добавлении некоторых химических веществ протопласт необратимо переходит в состояние геля, т. е. коагулирует (свертывается). Клетка при этом погибает. Огромная поверхность коллоидных частиц создает благоприятные условия для быстрого осуществления множества реакций. В живой клетке содержимое протопласта находится в постоянном движении, его можно заметить под микроскопом по передвижению органоидов и включений. Движение может быть вращательным (в одном направлении) или струйчатым(направление токов в разных тяжах цитоплазмы различно). Биологические мембраны играют важную роль в организации и работе цитоплазмы. Биологические мембраны содержат липиды, белки и в зависимости от выполняемой функции пигменты, гликолипиды и т.д. Толщина мембран в большинстве случаев до 10 нм. Мембраны -- это липопротеиновые структуры. Их основу составляет бимолекулярный слой (бислой) фосфолипидов, неполярные гидрофобные хвосты которых погружены в толщу мембран, а полярные гидрофильные группы ориентированы наружу. Молекулы мембранных белков расположены на обеих сторонах липидного бислоя или внедрены в него на различную глубину, некоторые пронизывают мембрану насквозь. Они образуют гидрофильные поры, по которым проходят полярные молекулы. В мембранах встречаются тысячи различных белков, выполняющие разнообразные функции. Молекулы липидов расположены упорядоченно -- перпендикулярно к поверхности, в два слоя, так, что их части, интенсивно взаимодействующие с водой (гидрофильные), направлены наружу, а части, инертные по отношению к воде (гидрофобные) ,-- внутрь. Молекулы белка расположены несплошным слоем на поверхности липидного каркаса с обеих его сторон. Часть их погружена в липидный слой, а некоторые проходят через него на сквозь, образуя участки, проницаемые для воды. Одно из основных свойств клеточных мембран -- их избирательная проницаемость (полупроницаемость): одни вещества проходят через нее с трудом или вообще не проходят, другие -- наоборот, легко и даже в сторону большей концентрации. Мембраны во многом определяют химический состав цитоплазмы и клеточного сока. От клеточной стенки протопласт отделен наружной мембраной - плазмалеммой, от вакуоли - внутренней мембраной - тонопластом. В протопласте осуществляются все основные процессы обмена веществ. Плазмолемма (клеточная мембрана) регулирует поступление веществ в клетку и выделения их из неё, воспринимает раздражения, а так же может выполнять синтезирующие функции, так в ней происходит образование целлюлознх микрофибрилл клеточной оболочки. Образована 2 слоями белков и 1 липидов. Тонопласт - мембрана, окружающая вакуоль клетки и сходная по структуре с плазмолеммой, обладает избирательной проницаемостью и способностью к активному транспорту ионов. Плазмалемма -- наружная цитоплазматическая мембрана, отделяет цитоплазму от клеточной стенки. Играет важную роль в обмене веществ между цитоплазмой и внешней средой, в построении клеточной стенки. Изнутри связана с сократимыми микрофиламентами подстилающего слоя гиалоплазмы, которые обеспечивают изменение ее формы. Участвует в межклеточных контактах, образует выросты и впячивания в активных клетках. Тонопласт -- внутренняя вакуолярная мембрана, играет барьерную роль, определяя во многом физиологические свойства клетки. Жизнедеятельность клетки характеризуется непрерывно протекающими в ней процессами обмена веществ, причем цитоплазма избирательно реагирует на воздействие разных факторов внешней среды. В поглощении и выделении веществ большую роль играют процессы диффузии и осмоса. Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют пограничные слои цитоплазмы: плазмалемма и тонопласт. Например: концентрация ионов и сахаров в клеточном соке цетральной вакуоли выше, чем в оболочке клетки, тонопласт значительно замедляет диффузию из вакуоли этих веществ и в то же время легко проницаем для воды. Поэтому при достаточном насыщении оболочки водой, она будет поступать в вакуоль путем диффузии. Такой однонаправленный процесс диффузии воды ч/з избирательно-проницаемую для растворенных веществ мембрану носит название осмоса.

5. Понятие о метоболитх и катоболитах. Образование органических веществ в клетке. Углеводы, запасные белки, жиры

Метаболиты -- продукты метаболизма каких-либо соединений. Метаболиты бывают первичными, вторичными, промежуточными и конечными, экскретируемыми из организма с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом и др. Катаболит - это природно возникающий метаболит. Органические вещества клетки.

К органическим веществам клетки относятся углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, белки и малые молекулы (низкомолекулярные органические вещества). Низкомолекулярные органические вещества клетки. Витамины - разнообразные вещества, которые участвуют в регуляции физиолого-биохимических процессов. Алкалоиды - специфические азотсодержащие вещества, вырабатываемые растениями. Многие из них обладают тонизирующим или наркотическим действием, например, кофеин, морфин, никотин. Токсины - это самые разнообразные вещества, которые обладают сильным ядовитым действием, например, токсины бледной поганки. Углеводы. Углеводы, или сахара - это органические вещества. К углеводам относятся моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды - это простейшие углеводы. Играют роль промежуточных продуктов реакций. Служат основными источниками энергии при дыхании. Олигосахариды - это углеводы, состоящие из остатков 2-10 молекул моносахаридов, связанных гликозидными связями. Полисахариды - это углеводы, состоящие из остатков множества моносахаридов (тысячи и десятки тысяч), связанных гликозидными связями. Гигантские молекулы. Белки - вещества, определяющие строение и свойства живой материи. На их долю приходится основная масса органических веществ клетки. Они участвуют в построении структуры и функциях всех клеточных органелл. Белки выполняют важную ферментативную функцию, постоянно участвуя в процессах синтеза и распада конституционных веществ. Белки могут быть и эргастическими веществами клетки, т.е. откладываться в запас, а также выполнять сократительную, транспортную функции и могут служить источником энергии. Жиры - органические Соединения, которые на ряду с белками и углеводородами, обязательно присутствуют в клетке. Их относят к большой группе органических жироподобных соединений, классу липидов. Включения клетки представляют собой вещества, временно выведенные из обмена, или конечные его продукты. Специфика включений связана со специализацией соответствующих клеток, тканей и органов. Большинство включений располагается в цитоплазме и вакуолях. Существуют жидкие и твердые включения. Растения в процессе жизнедеятельности накапливают продукты обмена веществ, что связано с необходимостью создания резерва питательных веществ, средств защиты от поедания животными и внедрения паразитов и, наконец, необходимостью концентрации шлаков, подлежащих удалению. Запасные питательные вещества являются продуктами первичного обмена веществ, остальные группы -- вторичного. Запасные питательные вещества. Это временно выведенные из обмена веществ клетки соединения. Они накапливаются в клетках растений в течение вегетационного периода и используются частично зимой, а главное, весной, в период бурного роста и цветения. Перед листопадом или завяданием надземных частей многолетних трав резервные вещества оттягиваются в зимующие органы. У однолетников они концентрируются в семенах или плодах. Запасные вещества могут откладываться в клетках растений, прежде всего в семенах, в очень больших количествах, поэтому семена некоторых растений являются основой питания человека и домашних животных. Широко распространено у растений отложение запасных жиров в виде липидных капель в цитоплазме. Наиболее богаты ими семена и плоды. Во время прорастания семян они гидролизуются с образованием растворимых углеводов. Около 90 % семян покрытосеменных содержат жиры в виде основного запасного вещества. Жиры -- наиболее калорийное запасное вещество. Основную массу растительных жиров добывают из семян. Многие из них используют в пищу: подсолнечное, льняное, конопляное, хлопковое, кукурузное, горчичное масло, масло грецкого ореха, лещины. Жирные масла применяют для изготовления высококачественного мыла, в производстве олифы и лаков. Запасные белки (протеины) наиболее часто встречаются в виде алейроновых зерен в клетках семян бобовых, гречишных, злаков и других растений. Алейроновые зерна образуются при созревании семян из высыхающих вакуолей. Они имеют различную форму, размеры от 0,2 до 20 мкм. Алейроновое зерно окружено тонопластом и содержит белковый матрикс, в который погружены белковый кристалл (реже их два-три) ромбоэдрической формы и глобоид фитина (содержит запасной фосфор). Это сложное алейроновое зерно (у льна, тыквы, подсолнечника и др.). Алейроновые зерна, содержащие только аморфный белок, называют простыми (у бобовых, риса, кукурузы, гречихи). При прорастании семян алейроновые зерна набухают, белки и фитин подвергаются ферментативному расщеплению, продукты которого используются растущим зародышем. При этом алейроновые зерна постепенно превращаются в типичные вакуоли, лишенные белка. Они сливаются друг с другом, формируя центральную вакуоль. Наиболее распространенное запасное вещество растений -- полисахарид крахмал . Его молекула состоит из огромного числа молекул глюкозы. В клетках крахмал легко переходит в сахар и сахар в крахмал, что позволяет растению быстро накопить этот ценный полисахарид или использовать его для создания других органических веществ в процессах дыхания и роста клеток. Громадное значение имеет крахмал как источник пищи для людей: крахмал зерновок хлебных злаков (рис, пшеница, кукуруза, рожь), клубней картофеля, плодов банана. Крахмал -- самое важное соединение, используемое в пищу травоядными животными. Следует различать крахмал ассимиляционный (или первичный), запасной (или вторичный) и транзиторный. Ассимиляционный крахмал возникает в процессе фотосинтеза в хлоропластах из глюкозы, если она не успевает оттекать из фотосинтезирующего органа. Запасной крахмал откладывается в лейкопластах (амилопластах) в виде крахмальных зерен. Крахмальные зерна бывают простые, сложные и полусложные. Простые зерна имеют один центр крахмалообразования, вокруг которого формируются слои крахмала. У сложных зерен в одном лейкопласте несколько центров, имеющих свои собственные слои. В полусложных зернах также несколько центров (два и больше), но кроме слоев крахмала, возникших возле каждого центра, по периферии зерна имеются общие слои. Число центров крахмалообразования зависит от числа инвагинаций внутренней мембраны лейкопласта. Крахмальное зерно в живой клетке всегда окружено двумембранной пластидной оболочкой, даже если строма пластиды практически вся вытеснена крахмалом. Простые зерна имеют пшеница, рожь, кукуруза, сложные -- рис, овес, гречиха. Крахмальные зерна представляют собой сферокристаллы, состоящие из игольчатых кристаллов. В поляризованном свете в каждом зерне виден черный крест, что также указывает на кристаллическое строение крахмала. Одновременно крахмальные зерна обладают и свойствами коллоидов -- способны набухать в горячей воде (крахмальный клейстер). В крахмальных зернах наблюдается слоистость, которая объясняется различным содержанием воды, -- в темных слоях ее больше, в светлых меньше. Это связано с неравномерностью поступления крахмала в течение суток. Продукты вторичного обмена веществ. Часть конечных продуктов обмена веществ выделяется наружу, часть изолируется в самом растении.