Развитие микроскопических исследований в биологии XVII – XVIII веков

1. Развитие микроскопической анатомии растений в XVII веке

2. Зарождение физиологии растений

3. Микроскопическая анатомия и изучение простейших

«Клетка – это своего

рода атом в биологии.

Клетки, подобно атомам,

также очень сходны

друг с другом»

Дж.Кендрью

Изобретение и совершенствование микроскопа в XVII веке вызвало к жизни микроскопическую анатомию растений и животных, расширило возможности изучения беспозвоночных и привело к познанию нового мира организмов – одноклеточных.

1. Развитие микроскопической анатомии растений в XVII веке

В XII – XIII веках в ремесленных мастерских были изобретены очки, во второй половине XVI веке появляются камера-обскура и первая сложная оптическая труба, в самом начале XVII века – микроскопы. Изобретение микроскопа обычно приписывают голландцам – отцу и сыну Янсенам. Для подобного утверждения, однако, нет достаточных оснований. Как показал крупный знаток истории микроскопа – С.Л.Соболь, этот прибор впервые был сконструирован Галилеем в самом начале XVII веке. Вошедшие же в обиход сложные двулинзовые микроскопы с выпуклыми одиночными объективами и окулярами появились в Англии или Голландии в 1617 – 1619 годах. Их изобретателем, возможно, был физик Дреббель. На протяжении XVII – XVIII веках усовершенствуется оптическая система и конструкция штативов. Объекты начинают рассматриваться не в падающем, а в проходящем свете. Прогресс микроскопической техники явился предпосылкой для успехов важнейших разделов биологической науки.

Изучение тонкой анатомической структуры растений стало возможным только после изобретения микроскопа. Одно из первых описаний тонкой структуры растений было дано в книге Роберта Гука.

Р. Гук (Роберт Гук) (1635 – 1703) – английский естествоиспытатель. Усовершенствовал микроскоп. Изучая под микроскопом тонкий срез пробки, обнаружил, что вся она пронизана отверстиями, или порами, которые он впервые назвал клетками. Истинную природу этих образований он понять не мог и трактовал клетки как пустоты, «пузырьки» между растительными волокнами. Описал клетки бузины, укропа, моркови и ряда других растений. Автор классической работы по анатомии растений «Микрография, или физиологическое описание мельчайших тел, исследованных с помощью увеличительных стекол» (1665).

Во второй половине XVII века детально описал микроструктуру листьев, стеблей и корней М.Мальпиги.

М. Мальпиги (Марчелло Мальпиги) (1628 – 1694) – итальянский биолог и врач. Основные научные работы посвящены микроскопической анатомии растений и животных. Подробно описал микроструктуру листьев, стебля, корней, почек, цветков. Открыл сосудистые элементы стебля со спиральными утолщениями (трахеи). Установил наличие восходящего и нисходящего токов веществ в растениях. Первым высказал предположение об участии листьев и солнечного света в процессе питания растений. Подробно исследовал органы размножения растений. Но функции цветка и его частей оставались ему непонятными. Один из основоположников микроскопической анатомии растений и животных. Автор издания «Анатомия растений» (1675 – 1679). Его именем названы открытые им органы и структуры: мальпигиевы тельца, мальпигиев слой в коже, мальпигиевы сосуды, а также семейство двудольных свободнолепестковых растений и др.

Почти одновременно с Мальпиги исследовал строение растений Н.Грю, автор «Анатомии растений» (1682).

Н. Грю (Неемия Грю) (1641 – 1712) – английский ботаник и врач. Один из основоположников анатомии растений. Проводил микроскопические исследования корня, стебля, листьев, плодов, семян и других частей растений. Ввел в ботанику понятия «ткань» и «паренхима». Развивал мысль о единстве строения тканей, которые, по его мнению, состоят из трех элементов: «пузырьков», (клеток), волокон и трубочек. Впервые описал устьица, радиальное расположение ксилемы в корнях, морфологию сосудистой ткани в виде плотного образования в центре молодого органа и процесс формирования полого цилиндра в старых стеблях. Считал цветки органами полового размножения растений.

2. Зарождение физиологии растений

Развитие анатомии растений создало предпосылки для зарождения физиологии растений. Ее формирование стимулировалось потребностями сельского хозяйства, нуждавшегося в выяснении условий, позволяющих успешно выращивать хороший урожай. Первые фитофизиологические исследования касались преимущественно проблем питания растений. Важную роль в возникновении физиологии сыграло распространение в XVII веке экспериментального метода, в частности, использование методов химии и физики для объяснения различных явлений в жизни растений.

Первая попытка научного объяснения вопроса о почвенном питании растений принадлежит французскому ремесленнику Б.Палисси. В своей книге «Истинный рецепт, посредством которого все французы могут научиться увеличивать свои богатства» (1563) он объяснял плодородие почв наличием в них солевых веществ. Его высказывания, предвосхитившие основные положения так называемой минеральной теории плодородия почв, были затем забыты и только спустя, почти три столетия, их по достоинству оценили.

Первым физиологическим экспериментом принято считать опыт голландского естествоиспытателя ван Гельмонта (Ян Баптиста ван Гельмонт) (1580-1644), поставленный в 1600 году в связи с изучением питания растений. Выращивая ивовую ветвь в сосуде с определенным количеством почвы при регулярном поливе, он через пять лет не обнаружил какой-либо убыли в весе почвы, в то время как ветка выросла в деревцо. На основании этого опыта ван Гельмонт сделал вывод, что своим ростом растение обязано не почве, а воде. Аналогичное наблюдение в 1661 году провел с тыквой английский физик Р.Бойль (Роберт Бойль) (1627-1691). Он также пришел к выводу, что источником роста растений является вода. Положительной стороной этой так называемой водной теории было лишь то, что питание растений рассматривалось ею не как пассивное всасывание корнями из земли уже готовой пищи (мнение средневековых ученых), а как процесс, происходящий за счет активной синтетической деятельности растений.

Идея активности растения как живого организма получила экспериментальное подтверждение и развитие в работах М.Мальпиги, который высказал предположение, что именно в листьях растений, подвергающихся действию солнечного света, должна происходить переработка доставляемого корнями «сырого сока» в пригодный для усвоения растением «питательный сок» (1675 – 1679). Это были первые высказывания и попытки научного объяснения участия листьев и солнечного света в процессе питания растений. М.Мальпиги сочетал изучение строения различных органов растения с изучением функций. Догадки М.Мальпиги об участии листьев в питании растений не обратили на себя внимания его современников, а его данные о движении растительных соков были использованы лишь для рассуждений об аналогии этого явления с кровообращением животных. Представления М.Мальпиги о питании растений разделял только Н.Грю, который полагал (1682), что растения поглощают пищу корнями, здесь она «ферментирует» и дальше направляется к листьям, где подвергается переработке.

Более определенные предположения о выработке самим растением питательных веществ в ходе химический превращений высказал в 1679 году французский физик Э.Мариотт (Эдм Мариот) (1620-1684). Он ссылался на тот факт, что на одной и той же почве различные растения продуцируют разнообразные вещества, которых нет в почве.

В 1699 году английский ученый Д.Вудворд тщательно поставленными экспериментами по выращиванию растений в воде, взятой из различных мест, показал, что в свободной от минеральных примесей воде растения развиваются хуже. Эти опыты убедительно свидетельствовали о несостоятельности водной теории, но они оставались неизвестными, и водная теория даже в начале XIX века пользовалась широким признанием в научных кругах Европы.

Правильное понимание роли минерального питания растений было представлено в 1777 году в работах французского химика А.Лавуазье (Антуан Лоран Лавуазье) (1743-1794). Научно-экспериментальное доказательство правильности представлений о большой значимости минерального питания в жизни растений и выявление его закономерностей было осуществлено только в 1804 году женевским естествоиспытателем Н.Т.Соссюром (Никола Теодор Соссюр) (1767-1845).

Особое значение для формирования физиологии растений имели исследования английского ботаника и физика С.Гейлса (Стивен Гейлс) (1677-1761). В своем классическом труде «Статика растений» (1727) С.Гейлс доказывал, что раскрыть сущность процессов жизнедеятельности организмов можно только с помощью методов физических наук – измерения, взвешивания, и вычислений. Он обнаружил корневое давление, определил примерную силу, с которой впитывают в себя воду разбухающие семена. Первый высказал мысль о том, что большая часть растительных веществ происходит из воздуха, так как при их разложении выделяются газообразные вещества. С.Гейлс пытался исследовать газообмен у растений, но поскольку химики еще не умели различать газы, входящие в состав воздуха, научное разрешение вопроса о воздушном питании растений было невозможно. С именем С.Гейлса связана первая попытка научного истолкования процесса корневого питания растений. Он обратил внимание на так называемую избирательную способность корней при усвоении ими из почвы минеральных веществ. С.Гейлса называют «отцом физиологии растений», родоначальником экспериментального метода в изучении жизни растений.

Со второй половины XVIII века начала развиваться гумусовая теория питания растений. Сторонники этой теории считали, что основное значение для роста растений имеет почвенный перегной (гумус), а минеральные вещества почвы только косвенно влияют на интенсивность усвоения гумуса.

Значительно успешнее в 70-х годах XVIII века шло формирование представлений о воздушном питании растений. Этот успех был обусловлен быстрым развитием в 50-70-е годы «пневматической» химии, как тогда называли химию газов. Совершенствование методов исследований позволило открыть углекислый газ (Блэк, 1754), водород (Кавендиш, 1766), кислород (Шееле, 1773; Пристли, 1774), дать правильное объяснение явлениям горения, окисления и дыхания.

Первые экспериментаторы, исследовавшие значение воздуха и солнечного света в жизни растений, в своей деятельности были тесно связаны с химией, это:

• англичанин Д.Пристли (Джозеф Пристли) (1733-1804), его работа «Опыты и наблюдения над разного рода воздухом» (1772 – 1780);

• голландский и английский врач, физик и химик Я.Ингенхауз (Ян Ингенхауз) (1730-1799), его труд «Опыты с растениями» (1779);

• женевский ботаник и химик Ж.Сенебье (Жан Сенебье) (1742-1809), его труд «Физико-химические мемуары о влиянии солнечного света на изменение тел трех царств природы и особенно царства растений» (1782).

Исследования Д.Пристли, Я.Ингенхауза и Ж.Сенебье дополняли друг друга, так как касались разных сторон фотосинтеза, без изучения совокупности которых невозможно было раскрытие его сущности.