Жизнедеятельность растений

Растение, как и любой другой организм, постоянно обменивается веществами с окружающей средой. Из окружающей среды растение получает кислород, воду, свет, тепло и питательные вещества. Из растения в среду выделяются продукты жизнедеятельности, которые больше не нужны. Этот непрерывный двусторонний процесс называется обменом веществ.Если остановится обмен веществ – жизнь прекратится. Поэтому обмен веществ между организмом и окружающей средой считают главным признаком живого организма.Все процессы обмена веществ протекают в клетках. Там сложные органические вещества — белки, жиры, углеводы — расщепляются при участии кислорода до более простых соединений. В ходе этих реакций выделяется энергия.Эта энергия расходуется на всё, что делает организм: строит новые клетки, обеспечивает работу органов, поддерживает рост и размножение. Без постоянного притока энергии ни одна клетка не может функционировать — даже в состоянии покоя организм тратит энергию на поддержание базовых процессов жизнедеятельности.Поступление веществ, их превращение внутри организма и выделение отходов — чётко согласованы между собой. Нарушение любого из них ведёт к болезни или гибели растения.

Питание — это одна из составляющих обмена веществ. Его суть — получение необходимых веществ и заключённой в них энергии из окружающей среды.У большинства растений питание происходит двумя путями. Первый — минеральное, или почвенное питание: через корни растение поглощает воду с растворёнными минеральными солями. Второй — воздушное питание, то есть фотосинтез: в листьях из углекислого газа и воды под действием солнечного света создаются органические вещества.Это принципиальное отличие растений от животных и грибов. Растения сами производят себе «топливо» — органические вещества — из неорганических компонентов. Поэтому растения называют автотрофами, от греческих слов автос (сам) и трофе (пища).Не все растения способны к фотосинтезу. Некоторые виды растений перешли к паразитическому образу жизни — они питаются за счёт других растений или даже грибов. В процессе эволюции такие растения утратили хлорофилл и способность самостоятельно добывать питательные вещества. Примеры — петров крест, заразиха, раффлезия. Раффлезия, например, не имеет ни стеблей, ни листьев, ни корней — всё её тело находится внутри растения-хозяина, а снаружи виден только огромный цветок диаметром до одного метра.

Растения ежегодно производят сотни миллиардов тонн органических веществ — основу питания всего живого на планете. Сырьё для этого производства поступает из двух источников: из почвы через корни и из воздуха через фотосинтез.Большинство растений получают минеральные вещества через корни. Вода с растворёнными минеральными солями поступает в растение через корневые волоски — крошечные выросты на поверхности корня. Волосков очень много: они многократно увеличивают всасывающую поверхность. Водоросли и некоторые водные растения устроены иначе — они поглощают питательные вещества всей поверхностью тела, без корней.Из волосков вода переходит в соседние клетки, затем в сосуды корня.  За счёт корневого давления вода поднимается вверх — к стеблю и листьям. Корневое давление можно наблюдать на опыте. Если срезать стебель комнатного растения и соединить пенёк со стеклянной трубкой, после полива тёплой водой жидкость начнёт подниматься по трубке. При поливе холодной водой этого не происходит — корни перестают поглощать воду. Именно поэтому не стоит поливать растения ледяной водой: корневое давление падает и питание нарушается.

Из всех минеральных веществ растению особенно необходимы три элемента: азот, фосфор и калий. Каждый выполняет свою незаменимую роль.Азот отвечает за рост и наращивание зелёной массы. Фосфор ускоряет созревание плодов. Калий обеспечивает отток органических веществ от листьев к корням. Нехватка любого из этих элементов немедленно сказывается на внешнем виде растения: при дефиците азота листья бледнеют и желтеют, при нехватке фосфора ткани по краям листа отмирают, при недостатке калия на листьях появляются бурые пятна.Важно понимать: избыток одного вещества не компенсирует нехватку другого. Каждый элемент выполняет строго свои функции, и заменить его другим невозможно.

Почва — верхний слой земли, обладающий плодородием: способностью обеспечивать растения питательными веществами и влагой. Именно от плодородия почвы зависит урожайность.В природе почва восстанавливается сама: опавшие листья, погибшие растения и животные перегнивают и возвращают минеральные вещества обратно в землю. В сельском хозяйстве этого не происходит — человек собирает урожай и уносит питательные вещества с поля. Почва постепенно истощается.Основателем науки о почве — почвоведения — стал русский учёный Василий Васильевич Докучаев (1846–1903). Он первым доказал, что почва — самостоятельное «природное тело», которое формируется в результате взаимодействия климата, горных пород и живых организмов.

Чтобы вернуть почве утраченное плодородие, вносят удобрения — минеральные и органические.Минеральные удобрения производят на химических заводах. Азотные и калийные удобрения хорошо растворяются в воде, поэтому их вносят весной перед посевом. Фосфорные растворяются медленно — их вносят осенью, чтобы к весне они уже стали доступны корням.Органические удобрения — навоз, перегной, торф, птичий помёт — содержат все необходимые для растения вещества. Особенно ценен навоз: он перегнивает медленно и питает почву несколько лет подряд. В природе эту роль выполняют опавшие листья.По внешнему виду растения опытный агроном может определить, чего ему не хватает, и подобрать нужное удобрение.Избыток удобрений вредит не меньше, чем недостаток. При переизбытке азота растение вытягивается, а в плодах накапливаются нитраты — вещества, вредные для здоровья человека. Лишние удобрения вымываются дождём в реки и озёра, где вызывают бурный рост водорослей и гибель рыбы.

Ещё в конце XVIII века учёные задались вопросом: откуда в растении берутся органические вещества? Воду и минеральные соли растение получает из почвы — это было известно. Но происхождение сахаров и крахмала оставалось загадкой.Ответ нашли через серию опытов. Учёные установили, что углеводы — сахар и крахмал — образуются из углекислого газа и воды. Происходит это в клетках, содержащих хлоропласты. И только при одном обязательном условии — на свету. Убери свет — и реакция останавливается. Это подтверждал простой опыт. Растение несколько дней держали в темноте, затем брали его лист и обрабатывали йодом — он окрашивает крахмал в сине-фиолетовый цвет. Лист не синел: крахмала в нём не было. Лист растения, простоявшего на свету, давал обратный результат — йод сразу его окрашивал.Так был открыт фотосинтез — процесс образования органических веществ из неорганических с использованием энергии света. Название происходит от греческих слов фотос (свет) и синтез (соединение).

Фотосинтез протекает в хлоропластах — особых структурах внутри клеток растения. В хлоропластах содержится хлорофилл — зелёный пигмент, который улавливает световую энергию и запускает химические реакции. Именно он окрашивает растения в зелёный цвет.У большинства растений фотосинтез происходит в листьях. Лист устроен специально для этой задачи: широкая плоская пластинка улавливает максимум света, прозрачная кожица пропускает свет внутрь, листья на стебле расположены так, чтобы не затенять друг друга. У кактусов хлоропласты находятся в клетках стебля — листья превратились в колючки, чтобы меньше испарять воду в жарком климате.Углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, поступает через устьица — мельчайшие отверстия в кожице листа. В результате реакции образуются органические вещества и выделяется кислород.Растение производит органических веществ больше, чем расходует. Излишки откладываются про запас — в семенах, клубнях, луковицах, корневищах. Главное запасное вещество — крахмал. Именно поэтому картофельный клубень, зерно пшеницы или луковица так питательны: в них сконцентрирована накопленная солнечная энергия.

Значение фотосинтеза трудно переоценить.Русский учёный Климент Тимирязев назвал всё это «космической ролью растений».Таким образом, питание растений складывается из двух процессов: минерального — вода и соли из почвы через корни, и фотосинтеза — органические вещества из воздуха и воды на свету. Вместе они обеспечивают растению всё необходимое для жизни.

Попробуйте задержать дыхание. Через несколько секунд вы почувствуете потребность глубоко вдохнуть. Ежесекундно клеткам живого организма необходим кислород. Кислород в организме не запасается, поэтому его постоянное поступление жизненно необходимо.Кислород есть везде: в воздухе его около 21%, он растворён в воде и проникает между частицами почвы. Это позволяет дышать организмам, живущим в разных средах — на суше, в воде и в почве.Дыхание — это непрерывный процесс газообмена между организмом и окружающей средой: кислород поглощается, углекислый газ выделяется наружу.Но дыхание — не просто вдох и выдох. Внутри клеток органические вещества, поступившие с пищей, вступают в реакции с кислородом и расщепляются до углекислого газа и воды. При этом выделяется энергия — она и идёт на всё, что делает организм: рост, размножение, движение, строительство новых клеток.

У растений нет лёгких или жабр. Газообмен происходит через устьица — крошечные отверстия в кожице листьев и зелёных стеблей, а также через чечевички — небольшие поры в пробковом слое коры. Между клетками внутри листа есть воздушные пространства — межклетники: по ним кислород добирается до каждой клетки.Дышат все живые части растения: листья, стебли, корни, цветки, плоды. Интенсивнее всего — молодые растущие органы. Сухие семена дышат едва заметно: они находятся в состоянии глубокого покоя, и все процессы жизнедеятельности почти остановлены. Именно поэтому семена хранят сухими. Влажные семена начинают активно дышать, выделяют тепло и быстро портятся.Корни тоже нуждаются в кислороде, но в почве его значительно меньше, чем в воздухе. Чтобы улучшить дыхание корней, почву рыхлят — это увеличивает приток воздуха. На заболоченных почвах растения страдают от нехватки кислорода и нередко гибнут.

На первый взгляд фотосинтез и дыхание — полные противоположности. При фотосинтезе поглощается углекислый газ и выделяется кислород, органические вещества создаются. При дыхании — наоборот: поглощается кислород, выделяется углекислый газ, органические вещества расходуются.Но оба процесса идут одновременно и связаны между собой. Днём на свету фотосинтез работает намного интенсивнее дыхания: в солнечный день растение выделяет в 10–20 раз больше кислорода, чем потребляет при дыхании. Ночью фотосинтез останавливается, а дыхание продолжается — растение потребляет кислород и выделяет углекислый газ, как и все остальные организмы.

В любом живом организме вещества должны добираться от места производства к месту потребления. У растений для этого есть проводящая система — разветвлённая сеть каналов, которая пронизывает всё растение от кончиков корней до краёв листьев.Проводящие ткани собраны в сосудисто-волокнистые пучки — они укреплены прочными механическими волокнами и проходят через весь стебель, связывая корни с листьями. В растении одновременно движутся два разных потока веществ, и каждый идёт по своему каналу.

Зная эти пути, можно влиять на развитие растения. Если удалить лишние боковые побеги у томата или винограда, органические вещества, которые шли бы на их рост, перенаправятся к плодам. Урожай созреет быстрее и будет крупнее. Именно на этом принципе основано пасынкование — один из главных приёмов в огородничестве.Не все органические вещества расходуются сразу. Излишки откладываются про запас в разных органах — в зависимости от вида растения. У пшеницы, ржи и овса — в зёрнах. У моркови и свёклы — в корнеплодах. У ландыша и пырея — в корневищах. У картофеля — в клубнях.Запасы в семенах кормят зародыш растения при прорастании. Запасы в клубнях и луковицах весной идут на образование новых побегов и листьев. У деревьев органические вещества накапливаются в сердцевине и древесине — именно они питают почки в начале весны, когда листьев ещё нет. Весной же по сосудам течёт берёзовый сок — вода с растворёнными сахарами, поднимающаяся к просыпающимся почкам.

Вода поднимается по стеблю благодаря двум силам: корневому давлению снизу и испарению сверху. Испарение воды через устьица листьев — транспирацию — можно представить как насос: вода уходит через лист, и на её место снизу тянется новая. Вместе с водой поднимаются и минеральные вещества. Например, взрослая берёза испаряет за сутки до 100 литров воды.Испарение также защищает лист от перегрева: вода, испаряясь, охлаждает поверхность — по тому же принципу, что и пот у человека.Интенсивность испарения зависит от нескольких факторов. Чем выше температура — тем активнее испарение. Умеренный ветер также усиливает испарение, сдувая насыщенный парами воздух с поверхности листа. Сильный ветер — наоборот, заставляет устьица закрыться. При нехватке воды в почве устьица тоже закрываются, испарение прекращается, и растение вянет. Если засуха затягивается — растение погибает.

Любой живой организм в ходе жизнедеятельности производит вещества, которые больше не нужны или даже вредны. От них нужно избавляться. У животных для этого есть специальные органы выделения — почки, лёгкие, кожа. У растений такой системы нет, но механизмы выведения отходов всё равно работают — через особые клетки и ткани.Продукты обмена могут накапливаться прямо внутри растения: в вакуолях клеток, в смоляных ходах хвойных деревьев, в млечных ходах одуванчика и молочая. У многолетних растений отходы откладываются в коре и древесине.

Газообразные отходы — углекислый газ и водяной пар — выходят через устьица и чечевички, те же отверстия, что участвуют в дыхании и испарении.Некоторые растения выделяют избыток воды в виде капель через особые водяные устьица — гидатоды. Они расположены по краям и на кончиках листьев. Капли, появляющиеся на листьях ранним утром — это не всегда роса: нередко это вода, выделенная самим растением изнутри. Это явление называется гуттацией.Нектарники выделяют сахара в виде нектара. Большинство нектарников находится в цветках, но у некоторых растений — и на стеблях, и на листьях. Нектар — не просто приманка для опылителей. Он обладает бактерицидными свойствами, защищая завязь цветка от микробов.Через специальные железы в атмосферу выделяются эфирные масла — летучие ароматические вещества. Именно они дают мяте её запах, эвкалипту — резкий аромат, пеларгонии и мелиссе — характерный душистый след. Эфирные масла широко используются в медицине, парфюмерии и пищевой промышленности.Часть отходов удаляется через корни — они выделяют в почву некоторые продукты обмена. И наконец, главный механизм выведения у листопадных растений — сброс листьев.

К осени в клетках листьев накапливаются вредные продукты обмена. Одновременно разрушается хлорофилл — зелёный пигмент. Остаются более стойкие пигменты: красные, жёлтые, оранжевые. Именно они придают листьям осеннюю окраску.Сигнал к листопаду — сокращение светового дня. Интересно, что деревья рядом с уличными фонарями сбрасывают листья позже остальных — искусственный свет сбивает внутренние часы растения. У основания каждого листа формируется отделительный слой из легко разъединяющихся клеток, и при малейшем ветре лист опадает.Листопад — не только избавление от отходов. Зимой корни не могут всасывать холодную воду, и без листьев растение не теряет влагу через испарение. Это защита от зимнего иссушения. Берёза сбрасывает листья около двух месяцев, липа и дуб — за две недели. Деревья на открытых местах теряют листья раньше, чем растущие в лесу под защитой соседей.Опавшие листья — ценное удобрение: они перегнивают, обогащают почву перегноем и защищают корни от промерзания. Сжигать их — значит лишать лес естественного питания. В городах, однако, листья накапливают тяжёлые металлы и выхлопные газы, поэтому городской опад лучше убирать, а почву удобрять отдельно.