Значение растений, в том числе водных.
Значение растений как группы живых организмов связано с особенностями из жизнедеятельности, а именно - с осуществляемым ими фотосинтезом.
Фотосинтез является самым массовым химическим процессом, осуществляемом на поверхности нашей планеты, причем как на суше, так и в Мировом океане, а растения - единственным общепланетарным приемником и преобразователем солнечной энергии, движущей этим процессом.
Масштаб совокупной деятельности всех растений планеты, как в материальном, так и в энергетическом исчислении, более чем на два порядка превосходит масштаб деятельности человечества, в том числе всей существующей ныне промышленности. Так, например, считается, что в процессе фотосинтеза растения потребляют более 450 триллионов киловатт-часов солнечной энергии и ежегодно аккумулируют около 3х1021 ккал этой энергии. Растения производят, по разным оценкам, от 100 до 200 млрд.т. органических веществ в виде сахаров, выделяют в атмосферу 11,5х1010 т кислорода. При этом вклад водных растений в эту деятельность может составлять, по разным оценкам, от 50 до 80%.
Только благодаря растениям поддерживается на относительно стабильном уровне содержание кислорода в атмосфере и в водах Мирового океана, производится практически вся органика пригодная для использования в пищу другими живыми организмами.
Общепризнана выдающаяся роль растений в поддержании стабильности климата на планете, в формировании различных осадочных пород и залежей полезных ископаемых, в формировании устойчивых биологических сообществ - биоценозов, и т.д.
Столь же значительна роль водных растений и непосредственно для человека. Помимо функционирования водных растений в рамках единой общепланетарной растительной системы, они могут использоваться человеком:
- непосредственно в пищу;
- в виде улучшающих качество продуктов добавок;
- в качестве лекарственных средств;
- в качестве строительного и технического сырья;
- как корм для культивируемых водных объектов (гидробионтов);
- как средство для обеспечения функционирования прудовых экосистем;
- как объекты изучения в научных и образовательных целях, в космической биологии (хлорелла);
- для украшения приусадебных и иных водоемов (декоративное использование);
- для самоочищения загрязненных вод и т.д.
Для рыбовода водные растения выступают в качестве важнейшего биологического ресурса и, одновременно, в качестве эффективного рычага управления водоемом и его экосистемой. Без знания биологических особенностей тех или иных групп водных растений, а также закономерностей их развития и функционирования в водоеме, невозможно грамотное управление рыбохозяйственным водоемом.
Всего известно, по разным оценкам, от 400 до 500 тыс. видов различных растений. От 10 до 15% этого количества видов растений приходится на водные растения (рис.1).
Рис.1. Соотношение числа видов морских (а), пресноводных (б) и в наземных растений (в).
Высокая доля водных растений в общем фотосинтезе планеты на фоне относительно небольшого числа их видов по сравнению с наземными растениями объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, большой площадью водной поверхности, а также высокой численностью и широкой распространенностью отдельных видов водорослей в морях и океанах нашей планеты. Во-вторых, тем, что многие микроскопические водные растения способны производить в течение года органики значительно больше, чем их биомасса в любой момент времени. У некоторых видов водорослей превышение производимой биомассы над имеющейся собственной, т.е. их Р/В-коэффициент, на 2-3 порядка выше аналогичного коэффициента у наземных растений..
Общие вопросы
1.1 Водные растения как сборная группа организмов
Первично- и вторичноводные растения.
Название предмета - «Водные растения», в определенной степени является условным. Причиной этого является то, что:
во-первых, в рамках дисциплины рассматриваются не только растения, но и представители других царств живого мира, например, царства дробянок, и,
во-вторых, не все изучаемые растения в одинаковой степени являются водными.
Многие из них действительно обитают исключительно и только в воде, однако существует достаточно много видов, средой обитания которых являются границы раздела воды и воздуха, воды и суши (прибрежные участки водоемов), в ряде случаев - участки суши с избыточным увлажнением.
Объектами изучения дисциплины «Водные растения» являются те живые объекты, которые, независимо от своего систематического положения, удовлетворяют двум ключевым требованиям - осуществляют фотосинтез и тесно связаны с водой.
Живые объекты, удовлетворяющие двум выше обозначенным требованиям, имеются в нескольких царствах живого мира - среди прокариот (дробянок), растений, простейших.
В царстве дробянок это сине-зеленые «водоросли» или иначе - цианобактерии.
В царстве растений - багрянки, настоящие водоросли и достаточно большая группа высших растений, вторично приспособившихся к обитанию в воде.
В иногда выделяемом царстве простейших - подвижные
фотосинтезирующие одноклеточные водоросли различных отделов. В ряде учебных пособий их относят к настоящим водорослям.
Необходимые пояснения.
1) О связи с водой. Строго говоря, все живые объекты, осуществляющие классический фотосинтез, тесно связаны с водой, так как именно вода является источником водородных ионов, используемых растениями при образовании углеводов, и кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза. Существует даже особое понятие - так называемое «водное питание» растений. Говоря о тесной связи водных растений с водой имеется в виду не эта связь с водой - через фотосинтез, а другая, та, которая касается наличия у водных растений комплекса специфических приспособительных черт к обитанию именно в водной или околоводной среде. Эти приспособительные черты касаются внешнего строения растений, их физиологии, размножения, характера биотических связей и т.д..
2) О царствах. Существуют различные точки зрения на соотношение высших таксонов живого мира. В ряде случаев живой мир делится на империи, в ряде случаев - на царства. Не во всех учебниках число царств живого мира совпадает, в ряде случаев могут различаться входящие в их состав группы организмов. В предлагаемом учебном пособии в качестве точки отсчета использовано классическое деление живого мира на 4 царства: дробянок (прокариоты), а также растений, грибов и животных (эукариоты).
Большая часть водных растений, изучаемых в предлагаемом курсе, относятся к группе первично-водных, т.е. к тем, для которых водная среда обитания исторически всегда была основной и единственной. К этой группе относятся цианобактерии и различные группы водорослей. Первично-водные растения, как правило, не обладают приспособлениями для наземного образа жизни. При попадании на сушу обычно погибают. Первично-водные растения часто называются низшими водными растениями.
Вторично-водными называются растения, предки которых вышли на сушу, приобрели набор необходимых для наземной жизни приспособлений, а затем - в силу различных обстоятельств, вернулись к водному или околоводному образу жизни, сохранив при этом многие черты наземных растений (деление на вегетативные органы, набор основных тканей, вынос цветков и процесса опыления в воздушную среду). При попадании на сушу (при высыхании водоема или при временном отступлении воды в засушливый период) многие представители этой группы растений могут видоизменяться и достаточно долгое время существовать как типично наземные растения (тростник, рогоз, камыш). Этого не могут делать лишь далеко зашедшие в своем приспособлении к водному образу жизни вторично-водные растения (роголистник, пузырчатка, уруть, рдесты).
Вторично-водные растения часто называются высшими водными растениями (ВВР). Эти растения чаще всего встречаются на границах раздела водной среды и наземной (плавающие), а также в прибрежных, мелководных участках пресных, реже -соленых, водоемов.
1.2 Систематика высших таксонов живого мира. Характерные особенности растений
Система органического (живого) мира постоянно видоизменяется, т.к. появление новых данных о живых организмах заставляет совершенствовать наши представления о характере и степени сходства и отличия различных живых организмов, а вместе с ними совершенствовать и имеющиеся классификации живого мира.
По одной из существующих версий (классическая версия) живой мир подразделяется на 4 царства - дробянки (прокариоты), грибы, растения и животные (эукариоты). При этом в царство растений включаются как низшие (водоросли), так и высшие растения. В других версиях число царств может увеличиваться, например, до пяти (за счет простейших - протистов) и более, а состав, входящих в эти царства групп организмов, - отличаться. В одной из последних версий низшие растения (водоросли), рассматриваемые в традиционном курсе «Водных растений» как неотъемлемая часть царства растений, переносятся в другое царство - протоктист (Яковлев, Челомбитько «Ботаника», 2001г.).
В настоящем пособии рассматривается классический вариант систематики высших таксонов живого мира. В соответствие с ним все живые существа делятся на 2 надцарства:
А. Надцарство ДОЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ (Procaryota).
Ядро в клетке отсутствует.
Б. Надцарство ЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ (Eucaryota).
Ядро в клетке присутствует.
А. Надцарство ДОЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ (Procaryota). Помимо отсутствия в клетке у прокариот настоящего ядра с ядерной оболочкой, центриолей и веретена, у них также отсутствуют клеточные органеллы (пластиды, митохондрии), а также типичный половой процесс. Генетический материал представлен в виде кольцевой ДНК - генофора.
Царство - ДРОБЯНКИ (Mychota). Название происходит от слова "михи", обозначающего однородные комочки хроматина, неспособного к митозу (иногда о них говорят - монеры).
1-е Подцарство БАКТЕРИИ (Bacteriobionta) Питание гетеротрофное. Если автотрофное, то хлорофилл представлен бактериохлорофиллами. При фотосинтезе молекулярный кислород не выделяют. Часто есть жгутики.
2-е Подцарство ЦИАНЕИ, или СИНЕ-ЗЕЛЕНЫЕ «водоросли» (Cyanobionta)
Питание автотрофное. Содержат хлорофилл А, а также особые пигменты: фикоциан и аллофикоциан (синего цвета), фикоэритрин (красного). Выделяют кислород. Жгутиков нет.
Б. Надцарство ЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ (Eucaryota). Помимо наличия у эукариот настоящего ядра с ядерной оболочкой, генетический материал заключен в хромосомах. Есть типичный половой процесс (с чередующимся слиянием ядер и редукционным делением). Есть митоз. Есть органеллы. Жгутики сложного строения. Чаще всего аэробы, редко анаэробы. Питание автотрофное, абсорбтивное (всасывание через клеточную стенку), или голозойное (заглатывание внутрь организма с последующим перевариванием).
Включает три царства.
Царство ЖИВОТНЫЕ (Animalia). Нет клеточной стенки. Питание голозойное,размножение и расселение без помощи спор. Активно подвижны.
Царство ГРИБЫ (Mycetalia, Fungi, или Mycota). Плотная стенка (хитин, редко целлюлоза). Питание абсорбтивное, реже голозойное. Размножение спорами. Неподвижны, неограниченный рост.
НИЗШИЕ ГРИБЫ (Myxobionta) - в вегетативный период в виде плазмодия (слизевые грибы).
ВЫСШИЕ ГРИБЫ (Mycobionta) - вегетивная форма в виде
нитей - гиф (настоящие грибы).
Царство РАСТЕНИЯ (Vegetabilia или Plante). На клеточном уровне отличаются наличием: клеточной стенки из целлюлозы (или её аналогов), жидких вакуолей, пластид (для фотосинтеза и накопления запасных питательных веществ) и плазмодесм. На организменном уровне: цветом (зеленый или иной, в зависимости от соотношения пигментов), способом питания (автотрофы, фототрофы, продуценты с абсорбтивным типом питанием), малоподвижностью, неограниченным ростом, расселением при помощи спор или зародышей, высокой степенью расчлененности тела и относительно большой удельной поверхностью и др.
1-е Подцарство БАГРЯНКИ (Rodobionta). Содержат хлорофилл а,d. Нет хлорофиллов b,c. Нет жгутиков. Есть дополнительные фотосинтезирующие пигменты: фикоциан, аллофикоциан и фикоэритрин. Имеют специфические для них запасные вещества: хлоридозид (из молекулы галактозы и молекулы глицерина) и особый крахмал багрянок. Кроме них ни у кого также нет хлорофилла d.
2-е Подцарство НАСТОЯЩИЕ ВОДОРОСЛИ (Phycobionta). Гаметангии (половые органы) и спорангии (органы спороношения) одноклеточные или отсутствуют. Зигота обычно не превращается в типичный многоклеточный зародыш. Растения без эпидермы и устьиц и без стелы (проводящего цилиндра).
3-е Подцарство ВЫСШИЕ РАСТЕНИЯ (Embryobionta). Гаметангии и спорангии многоклеточные или гаметангии редуцированы. Зигота превращается в типичный многоклеточный зародыш. Растения с эпидермой и устьицами и большей частью со стелой.
Различные системы классификации живого мира при всем их внешнем отличии оперируют, как правило, одним и тем же набором устойчивых групп организмов и отличаются лишь структурой и порядком их расположения. К числу таких устойчивых групп в растительном мире относится, в частности, такая таксономическая единица как отдел. Во многих классификациях количество отделов практически одинаково.