Основные методы исследования
История изучения физиологии растений. Основные разделы физиологии растений
Физиология растений как раздел ботаники.
Тему работы нужно обязательно согласовать с куратором дисциплины по выбору (электива) А.Н. Луферовым.
Особенности строения растительной клетки, химический состав.
План
1. История изучения физиологии растений. Основные разделы и задачи физиологии растений
2. Основные методы исследования физиологии растений
3. Строение растительной клетки
4. Химический состав растительной клетки
5. Биологические мембраны
Физиология растений – наука, изучающая жизненные процессы, происходящие в растительном организме.
Сведения о процессах, происходящих в живом растении, накапливались по мере развития ботаники. Развитие физиологии растений, как науки, определялось использованием новых, более совершенных методов химии, физики и потребностями земледелия.
Физиология растений зародилась в XVII-XVIII вв. Начало физиологии растений как науки было положено опытами Я.Б.Ван Гельмонта по водному питанию растений (1634 г).
Результаты ряда физиологических опытов, доказывающих существование нисходящего и восходящего токов воды и питательных веществ, воздушное питание растений изложены в классических трудах итальянского биолога и врача М.Мальпиги «Анатомия растений» (1675-1679 гг) и английского ботаника и врача С.Гейлса «Статика растений» (1727 г). В 1771 г. английским ученым Д.Пристли был открыт и описан процесс фотосинтеза - воздушного питания растений. В 1800 г Ж.Сенебье издал трактат «Physiolоgie vegetale» в пяти томах, в котором были собраны, обработаны и осмыслены все данные, известные к тому времени, был предложен термин «физиология растений», определены задачи, методы исследования физиологии растений, эксперементально доказал, что источником углерода при фотосинтезе является углекислый газ, заложил основы фотохомии..
В XIX - XX вв был сделан ряд открытий в области физиологии растений:
1806 г. – Т.А.Найт описал и эксперементально изучил явление геотропизма;
1817 г. – П.Ж.Пельтье и Ж.Каванту выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом;
1826 г. – Г.Дютроше открыл явление осмоса;
1838-1839 гг. – Т.Шванн и М.Я.Шлейден обосновали клеточную теорию строения растений и животных;
1840 г. – Ю.Либих разработал теорию минерального питания растений;
1851 г. - В.Гофмейстер открыл чередование поколений у высших растений;
1859 г. – Ч.Дарвин заложил основы эволюционной физиологии растений, физиологии цветка, гетеротрофного питания, движения и раздражимости расмтений;
1862 г. – Ю.Сакс показал, что крахмал является продутом фотосинтеза;
1865 – 1875 гг. – К.А.Тимирязев изучил роль красного света в процессах фотосинтез, развил представление о космической роли зеленых растений;
1877 г. – В.Пфеффер открыл законы осмоса;
1878-1880 г. – Г.Гельригель и Ж.Б.Буссенго показали фиксацию атмосферного азота у бобовых в симбиозе с клубеньковыми бактериями;
1897 г. М.Ненцкий и Л.Мархлевский открыли структурц хлорофилла;
1903 г. – Г.Клебс развил учение о влиянии факторов внешней среды на рост и развитие растений;
1912 г. – В.И.Палладин выдвинул идею об анаэробном и аэробном этапах дыхания;
1920 г. – У.У.Гарнер и Г.А.Аллард открыли явление фотопериодизма;
1937 г. - Г.А.Кребс описал цикл лимонной кислоты;
1937 г. - М.Х Чайлахян выдвинул гормональную теорию развития растений;
1937 -1939 гг. – Г.Калькар и В.А.Блицер открыли окислительное фосфорилирование;
1946 – 1956 гг.- М.Кальвин и сотрудники расшифровали основной путь углерода при фотосинтезе;
1943-1957 гг. – Р.Эмерсон эксперементально доказал существование двух фотосистем;
1954 г. – Д.И.Арнон и сотр. открыли фотофосфорилирование;
1961-1966 гг. – П.Митчел разработал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.
А также другие открытия, определившие развитие физиологии растений как науки.
Основные разделы физиологии растений дифференцировались в XIX в - это :
1. физиология фотосинтеза
2. физиология водного режима растений
3. физиология минерального питания
4. физиология роста и развития
5. физиология устойчивости
6. физиология размножения
7. физиология дыхания.
Но какие-либо явления в растении невозможно понять в рамках только одного раздела. Поэтому во второй половине XXв. в физиологии растений намечается тенденция слияния в единое целое биохимии и молекулярной биологии, биофизики и биологического моделирования, цитологии, анатомии и генетики растений.
Современная физиология растений – это фундаментальная наука, ее основная задача - изучение закономерностей жизнедеятельности растений. Но она имеет огромное прикладное значение, поэтому ее вторая задача – разработка теоретических основ получения максимальных урожаев сельскохозяйственных, технических и лекарственных культур. Физиология растений – это наука будущего, ее третья, пока еще не решенная задача, - разработка установок для осуществления процессов фотосинтеза в искусственных условиях.
Современная физиология растений использует весь арсенал научных методов, который существует на сегодняшний день. Это микроскопические, биохимические, иммунологические, хроматографические, радиоизотопные и др.
Рассмотрим приборные методы исследования, широко применяемые при изучении физиологических процессов в растении. Приборные методы работы с биологическими объектами подразделяются на группы в зависимости от какого-либо критерия:
1. В зависимости от того, где расположены чувствительные элементы прибора (на растении или нет): контактные и дистантные;
2. По характеру получаемой величины: качественные, полуколичественные и количественные. Качественные – исследователь получает информацию только о наличии или отсутствии какого-либо вещества или процесса. Полуколичественные – исследователь может сравнить возможности одного объекта с другими по интенсивности какого-либо процесса, по содержанию веществ (если оно выражено не в численном виде, а, например, в виде шкалы). Количественные – исследователь получает числовые показатели, характеризующие какой-либо процесс или содержание веществ.
3. Прямые и косвенные. При использовании прямых методов исследователь получает информацию об исследуемом процессе. Косвенные методы основаны на измерениях каких-либо сопутствующих величин, так или иначе связанных с исследуемой.
4. В зависимости от условий проведения эксперимента методы подразделяются на лабораторные и полевые.
При проведении исследований растительных объектов могут осуществляться следующие виды измерений:
1. Морфометрия (измерение различных морфологических показателей и их динамики (например, площадь листовой поверхности, соотношение площадей надземных и подземных органов и т.д.)
2. Весовые измерения. Например, определение суточной динамики накопления вегетативной массы
3. Измерение концентрации раствора, химического состава образцов и т.д. с использованием кондуктометрических, потенциометрических и др. методов.
4. Исследование газообмена (при изучении интенсивности фотосинтеза и газообмена)
Морфометрические показатели могут быть определены с помощью визуального подсчета, измерением линейкой, миллиметровой бумагой и т.д. Для определения некоторых показателей, например, общего объема корневой системы используются специальные установки – сосуд с градуированным капилляром. Объем корневой системы определяют по объему вытесненной воды.
При изучении какого-либо процесса используют различные методы. Например, для определения уровня транспирации используют:
1. Весовые методы (исходный вес листа и его вес через некоторое время);
2. Температурные (используют специальные климокамеры);
3. При помощи порометров определяется влажность камеры, куда помещается исследуемое растение