Физиология растений
Физиология растений изучает процессы, происходящие в организмах на разных уровнях организации: биоценотическом, организменном, органном, клеточном, субклеточном, молекулярном и даже субмолекулярном. В организме растения процессы всех уровней тесно взаимосвязаны. Изменение любого процесса отражается на всей жизнедеятельности организма. Сложность биологических исследований заключается еще и в том, что организм неотделим от среды, и все физиологические процессы тесно взаимосвязаны с условиями среды.
Любой физиологический процесс должен рассматриваться как результат эволюции, в течение которой выработалась способность растений к адаптации, приспособлению к изменяющимся условиям среды. Растительный организм непрерывно развивается в течение всей своей жизни. Это развитие разделено на определенные этапы, характеризующиеся специфическими признаками. Именно поэтому необходимо рассматривать растительный организм как непрерывно развивающуюся систему. В настоящее время применяют метод изучения таких систем от более простых к сложным уровням их организации. Этот подход позволяет проследить развитие отдельных физиологических процессов в целом растительном организме на основе следующей общей схемы:
ДНК РНК белок фермент биохимическая реакция физиологический процесс свойство клетки свойство органа свойство организма.
В физиологии растений используется вегетационный метод, основанный на исследовании выращиваемых экспериментальных растений в различных условиях опыта, широко применяют также методы биофизики и биохимии, методы культивирования клеток и тканей. Физиология – теоретическая основа клеточной и генетической (генной) инженерии.
Основные разделы физиологии растений посвящены таким процессам, как фотосинтез, транспорт веществ, дыхание, обмен веществ, почвенное питание, водный обмен, рост и развитие. Все эти процессы тесно связаны друг с другом и в живом организме неразделимы.
· 5.1. Обмен веществ
· 5.2. Ассимиляция углерода (фотосинтез)
· 5.3. Минеральное питание
· 5.4. Рост и развитие растений
Обмен веществ
Организмы представляют собой открытые энергетические системы, непрерывно обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Метаболизм, или обмен веществ лежит в основе всех проявлений жизни. Различают внешний обмен – поглощение и выделение веществ, и внутренний обмен – химическое превращение этих веществ в клетке. Обмен веществ и поддержание целостности структуры любой живой системы требуют затраты определенной энергии и, следовательно, ее поступления извне. Первичным источником энергии у автотрофных организмов служит либо свет (у фототрофов), либо различные химические реакции (у хемотрофов).
Существование большинства живых организмов на Земле невозможно без использования запасенной энергии. Такая энергия накапливается в виде энергии химических связей углеводов, жиров и белков. Передатчиками энергии при ее поступлении и расходовании служат высокоэнергетические соединения типа АТФ, то есть аденозинтрифосфорной кислоты (аденозинтрифосфата).
В процессе обмена веществ строится тело растительного организма. Превращение чужеродных веществ в вещества собственного тела получило название ассимиляции. Ассимиляция всегда сопряжена с расходованием энергии.
Распад веществ, образующих организм, до более простых соединений называется диссимиляцией. При диссимиляции энергия высвобождается. Ассимиляция и диссимиляция представляют собой взаимосвязанные процессы обмена веществ и энергии в живых системах.
Помимо обмена веществ, происходящих в клетках, сами клетки обмениваются веществами с окружающей средой. Этот обмен происходит либо в виде свободного (пассивного) транспорта за счет энергии передвигающихся частиц в ходе диффузии и осмоса, либо в виде активного транспорта, при котором затрачивается определенная часть энергии, образующейся при диссимиляции. Другая ее часть расходуется на синтез структурных компонентов клетки и поддержание ее гомеостаза. Главнейшую роль в регуляции обмена веществ между клеткой и средой играет цитоплазматическая мембрана (плазмалемма), а в пределах клетки – эндоплазматическая сеть.
Основное количество используемой организмом энергии высвобождается в результате диссимиляции. В процесс диссимиляции вовлекаются запасные вещества клетки и всего организма. Известно 2 основных процесса диссимиляции: брожение и дыхание.
Брожение эволюционно более древний и энергетически менее выгодный процесс. В ходе брожения различные энергетически богатые субстраты (чаще всего углеводы) расщепляются до менее богатых соединений (спирта, масляной, молочной, уксусной кислот). Брожение характерно для многих прокариот и некоторых грибов. Например, процесс спиртового брожения суммарно можно выразить уравнением:
С6Н12О6= 2С2Н5ОН +2СО2+ 2АТФ
Из этого уравнения видно, что при сбраживании 1 молекулы сахара (глюкозы) образуется только 2 молекулы АТФ.
Дыхание энергетически более совершенно. В основе дыхания лежит биологическое окисление в так называемой цепи дыхания, содержащей специальные ферменты – оксиредуктазы. При полном окислении молекулы глюкозы до воды и диоксида углерода образуется 38 молекул АТФ:
С6Н12О6+ 6О2= 6Н2О +6СО2 + 38 АТФ
Энергетически богатые субстраты в процессе дыхания окисляются до крайне бедных энергией соединений – воды и диоксида углерода. У большинства организмов в окислительно-восстановительных процессах активно используется кислород. Важнейшие этапы процесса дыхания у эукариотических организмов осуществляются в митохондриях. Интенсивность дыхания меняется в ходе развития растения. Сухие покоящиеся семена дышат слабо. При набухании и последующем прорастании семян интенсивность дыхания усиливается в сотни и тысячи раз. Самой высокой интенсивностью дыхания отличаются быстро растущие органы и ткани. С окончанием периода активного роста растений дыхание их тканей ослабевает, что связано с процессами старения протопласта.
Существует две формы ассимиляции: автотрофная и гетеротрофная. Автотрофная ассимиляция имеет огромное значение для живых существ, поскольку создает первичную продукцию, являющуюся основой всех цепей питания в экосистемах. При автотрофной ассимиляции неорганические вещества превращаются в органические. Этот процесс наиболее сложен. Гетеротрофная ассимиляция относительно проще, поскольку здесь происходит превращение одних органических веществ в другие. Она типична для большинства животных, грибов и части прокариот. Большинство растений и значительное число видов прокариот автотрофны.
Поскольку органические вещества представляют собой соединения углерода, решающее значение при создании первичной продукции имеет ассимиляция СО2. Это процесс восстановления, который ведет от максимально окисленного исходного вещества СО2к менее окисленным продуктам, таким, как углеводы (СН2О)n. У растений и цианобактерий донором электронов, необходимых для восстановления углерода, служит вода, которая при отнятии электрона окисляется до кислорода. Такое преобразование энергии света называется аэробным (кислородным) фотосинтезом.
Реже, у фотобактерий, донором электронов выступают молекулярная сера или сероводород, водород или некоторые органические вещества. Кислород при таком процессе не выделяется. Такое преобразование энергии света в химическую энергию получило название анаэробного (бескислородного) фотосинтеза.
Относительно редко донорами электронов при автотрофной ассимиляции выступают различные неорганические соединения, например водород в метанообразующих бактериях, а энергия поступает в результате окисления сероводорода (Н2S), аммиака (NН3). Это процессы хемосинтеза. Солнечный свет для существования хемосинтезирующих организмов не нужен и все процессы могут протекать анаэробно.
Дата добавления: 2016-05-30; просмотров: 3371;