Молекулярное и клеточное строение растений

Все живые существа имеют невероятно сложное строение. Даже самые примитивные бактерии построены из многочисленных, хитро взаимодействующих друг с другом частей. Что уж говорить о многоклеточных животных или растениях. Из каких же «частей» состоят живые организмы?Ответить на этот вопрос не так-то просто. Физик вам ответит, что всё состоит из атомов. Биолог расскажет о клеточном строении живых существ. А эколог поведает о сложных взаимосвязях всех организмов на планете. Другими словами, ученые выделяют различные уровни организации живой материи. Из мелких частей формируются все более крупные части. Из атомов строятся молекулы, молекулы образуют клеточные органы, те собираются в цельную клетку и так далее.В этой теме мы рассмотрим молекулярное и клеточное строение растений. Чем клетки растений похожи и не похожи на наши. Из каких молекул построены растения, и какую роль они играют в жизни человека.

Жизнь состоит из отдельных частей

На примере с Гомером Симпсоном отлично видно, как мелкие части образуют всё более крупные структуры.

Все уровни материи

Вся физическая материя (живая и неживая) - состоит из химических элементов – атомов. Все живые существа на 99,9% состоят из 9 

элементов: это углерод, водород, кислород,  азот, фосфор, сера, кальций, калий и магний.  Некоторые из этих элементов (например, азот,  фосфор и калий) вносятся в качестве  удобрений для лучшего роста растений.

Схематичное строение атома

Насколько малы атомы? Например, в 1 грамме железной руды содержится 10000000000000000000000атомов железа!

Из атомов собираются молекулы. Так, молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Точно так же собираются и гораздо более сложные молекулы, состоящие из тысяч различных атомов. Здесь кроется важное отличие живой материи от неживой. Живые существа построены из гораздо более сложных молекул, по сравнению с неживой материей. Для простоты можно привести следующее сравнение: если молекулы камня похожи на обычные счеты, то молекулы живых существ больше напоминают современный суперкомпьютер.

Молекулярный уровень организации

Из космоса наша планета похожа на голубой шарик. Голубой оттенок Земле придает вода, покрывающая три четверти её поверхности. Вода существует в трёх состояниях: твердом (лёд), газообразном (пар) и жидком.  Для существования жизни особенно важна жидкая вода. Так, тело человека на 60% состоит из воды, а в некоторых организмах вода занимает до 90% от массы тела. Поэтому поиски внеземной жизни начинаются с планет, на которых может присутствовать жидкая вода. Вода – важный растворитель. В ней проходят все химические реакции. Вода также переносит вещества от одной части тела к другой. Только в воде могут формироваться сложные молекулы, необходимые для построения живых существ.

Вода

В течение последних десятилетий кислотные дожди стали серьезной проблемой. Кислотный дождь разъедает металл и камень, и представляет серьезную угрозу для окружающей среды. Он убивает водные организмы и вызывает повреждение лесов. Некоторые дожди настолько кислотные, что на вкус напоминают уксус!Кислотные дожди возникают в результате накопления оксидов серы (SO) и азота (NO) в атмосфере. Такое накопление происходит в результате извержения вулканов (что случается редко) или из-за деятельности человека. Автомобильные выхлопы – основной источник оксидов азота. Электростанции и тяжелое промышленное оборудование являются основными источниками выбросов оксидов серы. В атмосфере оксиды серы и азота соединяются с водой, образуя серную и азотную кислоты. Вместе с дождями эти кислоты попадают в почву. Важные для растений минералы, такие как кальций и магний, быстро вымываются из кислой почвы. Другие минералы, такие как алюминий, накапливаются в кислой почве и затем поглощаются растениями в токсичных количествах.

Теперь давайте поговорим о молекулах, которые встречаются только в живых существах: это углеводы, жиры и белки.Углеводы (сахара) – важнейший компонент растений. Наиболее распространённым углеводом в растениях является глюкоза. Именно глюкоза образуется в процессе фотосинтеза. Из глюкозы затем строятся многие другие углеводы.Крахмал присутствует в картофеле, рисе и макаронных изделиях, а также в муке всех хлебобулочных изделий. В растениях крахмал выполняет запасающую функцию – по мере необходимости растения расходуют крахмал для своих нужд.Целлюлоза придает растениям прочность и жесткость. Она входит в состав клеточной стенки растений, а также формирует древесину. Из-за особого строения молекулы целлюлозы, её сложно переваривать. Поэтому лишь некоторые животные питаются исключительно растительной пищей. Человек использует целлюлозу в производстве бумаги.

Углеводы

Пищевой сахар высококалориен. В одном грамме сахара содержится 4 калории. Поэтому люди с избыточным весом выбирают продукты с заменителями сахара. Искусственные подсластители снижают потребление калорий. Некоторые добавки не имеют калорий. Другие подсластители на вкус в сотни раз слаще сахара, поэтому небольшое количество искусственного подсластителя дает тот же эффект, что и чайная ложка сахара. Вот лишь некоторые заменители сахара:•Сукралоза является близким родственником сахарозы. Сукралоза в 600 раз слаще сахара, и организм не переваривает её.•Аспартам содержит около 4 калорий на грамм, но он примерно в 200 раз слаще сахара.• Сахарин в 32 раза менее калориен, чем сахар.Заменители сахара полезны людям, которые не могут или не хотят потреблять большое количество калорий. Но диетологи предупреждают, что эти пищевые добавки не должны полностью заменять здоровое питание.

Следующая группа «молекул жизни» - это жиры (масла). Жиры имеют маслянистую консистенцию и не растворяются в воде. Жиры выполняют энергетическую функцию. Из 1 грамма жира можно получить в 2 раза больше энергии, чем из 1 грамма углеводов. Жиры также образуют защитные поверхности на листьях, стеблях и корнях растений. Из жиров построены все клеточные оболочки (мембраны).Растительные жиры, такие как оливковое, кукурузное и арахисовое масло, используются в кулинарии и заправках для салатов.Жиры используются растениями и для защиты. Некоторые жиры выделяются на поверхность листьев, отпугивая травоядных животных.  «Защитные растительные жиры» человек научился добывать и применять в медицине.

Жиры

Белки составляют основу жизни. Они встречаются во всех частях растения и выполняют самые разнообразные функции.Наиболее важная функция белков – ферментативная. Белки-ферменты многократно ускоряют протекание химических реакций. Без ферментов биологическая реакция, необходимая для нормальной жизнедеятельности клеток, занимает 2,3 миллиарда лет. Ферменты же выполняют «всю работу» за считанные миллисекунды.Особенно богаты белками семена зерновых и бобовых (кукуруза, рис, пшеница, фасоль и соя). Разные растения производят различные по составу белки. Только сбалансированное питание может обеспечить получение всех необходимых для человека белков.

Белки́

Разнообразная растительная пища богата белками. Из белков строятся все части нашего тела. Белки также делают наш организм более сильным и выносливым.  

Шпинат100 г шпината содержит 3 г белка

Кешью100 г кешью содержит 17,5 г белка

Спаржа100 г  спаржи содержит 2,2 г белка

Нут100 г нута содержит 19 г белка

Растения – опытные химики. Помимо трёх основных молекул (жиров, белков и углеводов), они производят целое множество сложных химических веществ. Ученые-химики часто пытаются «украсть» секрет производства этих веществ, но удается им это далеко не всегда.

Другие молекулы растений

Первые испанские исследователи Южной Америки привезли в Европу немало диковинных находок. Одной из них были прыгающие шарики, сделанные из сока некоторых видов деревьев. Позже этот необычный материал назвали каучуком, но по достоинству его потенциал был оценен только спустя 300 лет. В начале 19 века из каучука делали водонепроницаемую одежду и покрытия. Но у каучука были свои недостатки: он становился липким при высоких температурах и хрупким при низких.В середине 19 века технология производства каучука улучшилась. Теперь из него изготавливали множество бытовых вещей: резину, шины, шланги и многое другое. Сегодня каучук получают в том числе синтетически из нефти. Но синтетический каучук уступает природному – он менее эластичный. Удивительно, но ученые до сих пор не знают, для чего растения производят природный каучук. 

Представьте себе возможность наблюдать объекты в тысячи раз меньше песчинки! Микроскопы обеспечивают эту силу, открывая удивительный мир крошечных существ.Изобретенные в 16 веке первые микроскопы не могли похвастаться четким изображением. В начале 17 века Антон ван Левенгук усовершенствовал технологию шлифования увеличивающих линз. Это позволило получать более качественное изображение. Позднее уже другой натуралист - Роберт Гук – под микроскопом изучил кору дерева. Он увидел крошечные ячейки (cell), которые назвал клетками. Микроскопы продолжали совершенствоваться, и в 19 веке биологи обнаружили крошечные структуры внутри клеток. Их назвали органеллами (маленькие органы). Органеллы выполняют различные задачи для клеток, подобно тому как сердце и желудок или листья и корни выполняют определенные функции для целого организма. Сегодня для изучения клеток широко используются два типа микроскопов: световой и электронный.

Клеточный уровень организации

Микроскоп

На скалистых берегах теплых морей живет удивительная водоросль – бокал русалки. Что же примечательного в этом организме? Дело в том, что эта изящная водоросль высотой от 2 до 10 сантиметров состоит из одной гигантской клетки! Благодаря бокалу русалки ученые много узнали о жизни и строении животных и растительных клеток.Все живые существа построены из клеток. Бактерии, некоторые грибы и протисты состоят только из одной клетки. Многоклеточные организмы строятся из тысяч, миллионов и миллиардов клеток. Обычно клетки крошечного размера (в 2000 раз меньше, чем клетка бокала русалки). Почему же клетки такие маленькие? Так они максимизируют поглощение веществ. Чем больше клетка, тем веществам из внешней среды труднее проникнуть к центру клетки.

Чем крупнее клетка, тем дольше в неё проникают молекулы. Увеличение размера клетки в 2 раза приведет к замедлению потока веществ в 8 раз!

Клетки

Внутри ядра находятся генетические инструкции по управлению клеткой. Ядро защищает генетическую информацию и активно влияет на её работу.

Митохондрии являются энергетическими станциями клетки. В ходе химических реакций митохондрии сжигают сахара при помощи кислорода. В результате клетка накапливает «топливо». 

Мембрана отграничивает клетку от окружающей среды. Важная функция мембраны – контроль поступающих или выходящих из клетки веществ.

Цитоплазма – жидкая часть клетки, в которой «плавают» все другие органеллы. В ней протекают многие химические реакции.

Каждая клетка подобна крошечному городу: она имеет центр управления, электростанции, заводы, упаковочные и транспортные системы, систему связи и систему удаления отходов.Мы кратко рассмотрим некоторые части, которые одинаково имеются у животной и растительной клетки. Затем более подробно остановимся на органеллах растительной клетки.

Клетка животных

Клетка растений

Пластиды имеются только у растительной клетки. Выделяют 3 типа пластид:   

Клетки животных мягкие и текучие, подобно воздушному шарику, наполненному водой. Клетки растений, наоборот, твердые и жесткие. Жесткость растительной клетке придает клеточная стенка.Клеточная стенка отвечает за опору и  защиту растительной клетки. В совокупности все клеточные стенки обеспечивают прочность всего растения. Благодаря им дерево выдерживает мощные порывы ветра и вырастает на десятки метров в высоту. Стенки ограничивают движение клеток. Поэтому растения не двигаются так же активно, как животные.Клеткам в многоклеточном растении необходимо общаться между собой. По этой причине в растительных клетках есть канальцы (плазмодесмы), через которые соседние клетки соединяются друг с другом. Через канальцы проходят молекулы  и вода, но не клеточные органеллы. Плазмодесмы действуют как двери здания, которые можно открывать и закрывать. Когда растение ранено, канальцы в поврежденном месте закупориваются. Это помогает предотвратить заражение соседних клеток патогенными микробами.

Вакуоль – это мешочек внутри клетки, наполненный водой. В вакуоли растворены соли, различные молекулы и клеточные отходы. Вакуоли имеются и в животных клетках, но в растениях они особенно крупные. В некоторых растительных клетках вакуоль занимает до 90% от всего объема клетки!Важная функция вакуоли – поддержание формы клетки. Набухшая вакуоль давит на клеточную стенку, придавая клетке упругость. Такое «набухшее» состояние клеток называется тургором. Набухшие вакуоли всех клеток обеспечивают силу и прочность недревесному растению. У обезвоженных растений вакуоли уменьшаются, а клетки теряют тургорное состояние. Поэтому если ваше растение выглядит увядающим – обязательно полейте его.

Как и для всех живых существ, для растений важен баланс поступающих солей. Чрезмерно солёная почва вызывает отток воды из клетки, что приводит к потере тургора (увяданию).Галофиты – это растения, растущие на засоленных почвах. Как им это удается? Некоторые галофиты специально накапливают соли в вакуолях, восстанавливая солевой баланс. Другие галофиты выделяют излишки соли. Например, прибрежные мангровые заросли выделяют соль на поверхность листьев. Галофиты обладают потенциалом в качестве сельскохозяйственных культур, которые можно выращивать на соленых почвах или поливать соленой водой.Некоторые растения хорошо прорастают в токсичной почве. Они также научились выводить или накапливать токсичные металлы: цинк, кадмий, свинец, медь, ртуть. С помощью этих растений экологи очищают сточные воды и загрязнённую почву.