www.Grandars.ru » Естествознание » Биология »

Биология растений

Введение: место биологии растений в системе биологических наук и ее роль в решении глобальных задач человечества

Биология растений

Биологию часто называют наукой 21 века. И действительно, это один из самых быстро развивающихся разделов современною естествознания.

Если многие важные математические закономерности были известны еще в античном мире, а наиболее бурный европейский период в развитии математики, связанный с работами К. Гаусса и Л. Эйлера, приходится на 18 и середину 19 в., если важнейшие открытия в области физики и химии (расщепление атомного ядра, создание квантовой теории, работы Д.И. Менделеева и А.И. Бутлерова) сделаны на рубеже 19 и 20 вв. либо в самом начале 20 в., то открытия, резко изменившие облик современной биологии, а именно расшифровка структуры ДНК, генетического кода, механизма биосинтеза белка и регуляции активности гена, сделаны уже во второй половине 20 в., причем эти открытия оказались настолько важны, что полностью изменили облик всех разделов биологии, в том числе и биологии растений.

Длительное время, вплоть до середины 19 в., биология растений, или ботаника, была в основном описательной наукой. Усилия ученых-ботаников были сосредоточены в основном на описании строения и классификации растений, но открытия середины 20 в. в области биохимии и молекулярной биологии, а также развитие генетических и экологических представлений превратили биологию растений из чисто описательной науки в один из интереснейших разделов современной биологии.

С развитием биологии растений связано решение таких глобальных задач, как обеспечение человечества продуктами питания, сырьем и энергией, решение стоящих перед человечеством экологических проблем и вопросов, связанных с охраной здоровья человека. От понимания жизни растений и разработки научно обоснованных путей их рационального использования зависит в настоящее время не только экономическое процветание, но, возможно, и само существование человечества на Земле.

Растения — основа жизни на Земле. Еще К.А. Тимирязев называл растения космическим мостом между Землей и Солнцем. Зеленые растения создают в процессе фотосинтеза органические вещества, аккумулирующие энергию солнечного света, которые, в свою очередь, служат пищей (т.е. источником энергии и материалом для построения тела) для всех остальных обитателей Земли. В процессе фотосинтеза зеленые растения вырабатывают кислород, необходимый для дыхания подавляющего большинства живых организмов. В верхних слоях атмосферы выделяемый в процессе фотосинтеза кислород превращается в озон. Образующийся таким образом озоновый экран защищает Землю от губительного для всего живого жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Подчеркивая роль фотосинтезирующих организмов в жизни Земли, К.А. Тимирязев писал, что фотосинтез «это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете».

Растения являются не только основой жизни на Земле, но и фундаментом человеческой цивилизации. Как известно, первыми занятиями древнею человека были охота и собирательство. При относительно низкой численности населения и богатых охотничьих угодьях охотничьи племена могли процветать, однако достичь высокого уровня культуры они не смогли, поскольку охота и собирательство славили человека в исключительную зависимость от сил природы. Подняться над силами природы, обеспечив себя относительно стабильным источником питания, человек сумел лишь с появлением домашних животных и культурных растений, причем ведущую роль в развитии человеческой цивилизации сыграло именно «приручение» растений.

Если мы представим себе скотоводческое племя, в воображении невольно возникают стада домашних животных, волоки или нарты с поклажей, временные жилища — палатки или юрты, покрытые шкурами и относительно примитивные орудия труда (каменные ножи и топоры, костяные крючки и иглы). Такой была культура неолита, сохранившаяся практически неизменной в течение тысячелетий, вплоть до 19-20 вв. у народов Крайнего Севера, Африки, Южной Америки. Отдельные черты этой культуры можно и сейчас наблюдать у скотоводов Крайнего Севера, Монголии и Средней Азии. Необходимость постоянно кочевать в поисках пастбищ для животных не позволяет скотоводческим племенам подняться на более высокий уровень цивилизации, поскольку препятствует развитию ремесел, основанных на сложных длительных технологиях.

Развитие цивилизации в современном понимании этого слова, начинается только с возникновением земледелия. У земледельческих племен рядом с возделанными нолями возникают деревни — места постоянного поселения с жилищами, в которых можно жить годами, а иногда и столетиями. Оседлый образ жизни создает возможность создания таких сложных и длительных технологических процессов, как выплавка и обработка металлов, гончарное производство, ткачество.

Земледелие концентрирует огромные массы населения в местах с особенно плодородной почвой, где ноля из года в год удобряются за счет разлива рек — в долине Нила, в Междуречье между Тигром и Евфратом, в долинах Инда и Ганга, Янцзы и Хуанхэ. Так возникают цивилизации Древнею Египта, Междуречья (Вавилон, Ассирия), Древней Индии и Ки тая, в которых впервые появляется государство, а вместе с ними чиновники и армия, дворцы и храмы, ремесла, науки и искусства.

Египетские пирамиды и греческий Парфенон, древнеримский Колизей и средневековый замок на горе, рабы и рабовладельцы, искусство Возрождения и ракеты, поднимающиеся в космос, тирания и демократия, войны и революции — все взлеты и падения человечества, связанные с развитием цивилизации, в конечном счете вырастают из маленького «прирученного» древним земледельцем зерна.

Порою кажется, что в настоящее время значение сельского хозяйства в развитии человечества уменьшилось. Первенство на мировой арене занимают страны с высоким уровнем промышленного развития, а страны, специализирующиеся на производстве сельскохозяйственной продукции, как правило, отстают в своем развитии. Однако и сейчас умение решать проблемы, связанные с обеспечением населения продуктами питания, является одним из важнейших элементов независимой политики и высокого престижа государства на международной арене. Так, Соединенные Штаты Америки не только одна из самых промышленно развитых стран в мире, но и крупнейший поставщик на мировой рынок зерна и других продуктов сельского хозяйства. В то же время недостаточное производство продуктов питания отрицательно сказывается на международном престиже страны, ее внутренней и международной политике, что особенно остро проявляется в сложной международной обстановке, в условиях социальных потрясений: голод после Первой мировой войны в Германии, ощутимая нехватка продовольствия во время Первой и Второй мировой войны в Великобритании и, наконец, ощутимая нехватка продовольствия во время Первой и Второй мировых войн, голод в период гражданской войны и коллективизации и постоянные, обостряющие социальную напряженность проблемы с сельским хозяйством в России.

Низкий уровень развития сельскою хозяйства и постоянный дефицит продуктов питания может поставить страну буквально в рабскую зависимость от поставщиков продовольствия и импортеров производимого в стране сырья. Ярким примером подобной ситуации является Боливия. Колебания цен на олово на рынках США неоднократно ставили эту страну на грань экономической катастрофы.

Обеспечение населения продуктами питания — одна из сложнейших задач, стоящих перед всем человечеством. В связи с этим колоссальные усилия генетиков и селекционеров во всем мире направлены на получение новых высокоурожайных сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Особое внимание уделяется селекции зерновых культур, особенно пшеницы. Внедрение новых высокоурожайных сортов сельскохозяйственных растений (в первую очередь короткостебельной мексиканской пшеницы) и новейших методов агротехники, получившее название «зеленой революции», позволило существенно снизить остроту продовольственной проблемы в целом ряде развивающихся стран, в первую очередь в Индии, Китае и Пакистане.

Помимо продовольственного, человечеству в самое ближайшее время угрожает и энергетический кризис. Запасы минерального сырья, в первую очередь нефти и газа, ограничены и близки к истощению. В то же время растения путем фотосинтеза производят ежегодно огромное количество органического вещества, которое в будущем человечество сможет использовать в качестве энергетического сырья. Подобный эксперимент уже проводится в Бразилии, где из отходов сахарного тростника в промышленных масштабах получают спирт, который используется как топливо для автомобилей. Преимуществом использования спирта в качестве топлива является не только экономия нефтепродуктов, но и его полная экологическая безопасность, поскольку в отличие от нефтепродуктов, образующих при сгорании множество ядовитых, в том числе и канцерогенных (вызывающих развитие злокачественных опухолей) веществ, спирт при сгорании полностью распадается на углекислый газ и воду.

Возможно, в недалеком будущем одним из важнейших источников энергии для всего человечества станет управляемый процесс фотосинтеза, который интенсивно изучается в ведущих биологических лабораториях мира. В процессе фотосинтеза растения используют около 1% энергии падающего на них света. Однако существует принципиальная возможность с помощью методов генной и белковой инженерии сделать фотосинтез более эффективным, повысить его коэффициент полезного действия. Достаточно научиться управлять процессом фотолиза — распада воды на кислород и водород под действием солнечного света и человечество будет обеспечено прекрасным, экологически чистым водородным топливом.

Важное значение в жизни современного человечества имеет и использование леса. Дерево — прекрасный строительный материал и сырье для производства бумаги, а продукты переработки древесины используются в химической и фармацевтической промышленности. В странах Северной Европы отработана технология культивирования деревьев на специальных плантациях, что позволяет повысить эффективность и экономичность заготовки древесины, не разрушая при этом естественных лесов.

Важная роль в решении проблем, связанных с сохранением здоровья населения, принадлежит лекарственным растениям. С древнейших времен человек изучал, собирал и использовал лекарственные растения. Сотни лекарственных растений приме- мяли уже в Древнем Египте и Вавилоне. Интерес к их использованию в последнее время постоянно повышается, что связано с более мягким, избирательным действием лекарственных растений (в сравнении с химическими препаратами) на организм человека и способностью многих из них стимулировать защитные силы организма, в первую очередь иммунную и эндокринную системы.

Прогресс современной биологии растений во многом связан с использованием новейших методов генной и клеточной инженерии. В телевизионной рекламе одно время час то демонстрировали очень интересный рекламный ролик про «бесконечно вкусный апельсин», от которого постоянно отрезают дольки, но он, тем не менее продолжает бесконечно расти.

В подобной картине в принципе нет ничего невозможного. Современные методы клеточной инженерии позволяют выращивать культуры растительных клеток (например, клеток мякоти апельсина) из одной-единственной клетки исходного растения на искусственных питательных средах, в том числе и в непрерывном режиме, когда клетки можно постоянно отбирать и использовать, а они будут продолжать расти и размножаться. Разумеется, апельсины подобным образом не выращивают, поскольку получение их таким способом пока еще слишком дорого, но биомассу корня женьшеня для нужд фармацевтической промышленности получают именно таким методом. А ведь совсем недавно, еще в начале 20 в., корень женьшеня ценился значительно дороже золота, и на его поиски охотники на годы уходили в тайгу.

Культивирование отдельных растительных клеток, искусственное проращивание пыльцевых зерен с целью получения гомозиготных растений, искусственное соединение хромосом от нескольких, иногда очень отдаленных, родительских форм в одном ядре и, наконец, встраивание в геном растения отдельных генов других организмов, например бактерий, кодирующих полезные для человека признаки, — все эти методы генной и клеточной инженерии позволяют резко (в 2-3 раза) сократить время получения новых сортов культурных растений и создавать растения с новыми, неожиданными свойствами, которые невозможно получить методами классической селекции. В задачи клеточной инженерии входит и получение здоровых «безвирусных» клонов растений.

И наконец, без знания биологии растений и экологии растительных сообществ невозможно решение стоящих перед человечеством экологических проблем. Хищническая вырубка лесов и безграмотное ведение сельскохозяйственных работ приводят к засолению, эрозии почвы и опустыниванию. Применение на огромных площадях инсектицидов, гербицидов и других агрохимикатов угрожает человечеству такими катастрофическими для всей Земли последствиями, как нарушение водного и кислородного баланса, разрушение озонового экрана, глобальное опустынивание и, наконец, разрушение генетического фонда человечества, сопровождающееся ростом онкологических и наследственных заболеваний.

Разрушение естественных растительных сообществ часто необратимо. Так, вырубка тропических лесов для создания плантаций сельскохозяйственных культур (например, бананов) позволяет эксплуатировать землю в течение всего 5-6 лет, после чего на истощенной земле не могут расти не только культурные, но и многие дикие растения. Влажный тропический лес на вырубке не восстанавливается.

Уничтожение растительных сообществ влечет за собой и гибель населяющих их животных. Так, реликтовые эвкалиптовые леса Австралии, несмотря на все протесты защитников природы, продолжают вырубать. Уникальный животный мир эвкалиптовых лесов гибнет. Под угрозой исчезновения находи тся, в частности, сумчатый медведь коала.

Выход из экологического кризиса — задача не только отдельных стран и регионов мира, это задача всего человечества. Без серьезных усилий политиков и экономистов решение экологических проблем невозможно, но обосновать эти решения призвана научная экология, в первую очередь экология растений.

Таким образом, биология растений является неотъемлемой частью грандиозного здания современной биологии. С ее развитием связано решение важнейших задач человечества. Знание основ биологии растений необходимо каждому члену общества, прежде всего специалистам биологического профиля — врачам, микробиологам, фармакологам, генетикам, агрономам, ветеринарам и др.


Смежные предметы
Биология
Биология растений