12. Морфология листа. Функции листа. Космическая роль зеленых растений

Морфология листа.

Лист в отличие от корня и стебля - боковой орган ограниченного роста, нарастающий не верхушкой, а основанием. Очень редко бывают исключения: у папоротника лист растет, как и стебель, верхушкой, а у вельвичии (Welwitschia) лист - постоянный орган с неограниченным ростом.

У древесных растений продолжительность жизни листа во много раз уступает продолжительности жизни стебля. У однолетних травянистых растений продолжительность жизни листа и стебля почти одинакова и составляет 45-120 дней, у вечнозеленых растений – 1-5 лет, а у таких хвойных, как тис, пихта, лист живет до 10 лет. У вельвичии - растения из пустыни Калахари - всего два супротивных листа, отмирающие вместе со всем растением в возрасте 90-100 лет.

Лист выполняет важные функции:

1) фотосинтез - синтез органического вещества за счет энергии солнца - воздушное питание растения;

2) транспирацию - испарение воды;

3) газообмен. Иногда лист становится органом, где откладываются запасные питательные вещества.

Основные части листа: листовая пластинка, черешок, прилистники и основание листа (иногда расширенное во влагалище). Эти части листа могут быть развиты в различной степени или совсем не развиты. Главную роль в фотосинтезе обычно играет пластинка. Остальные части листа имеют вспомогательное значение: прилистники защищают молодой лист в почке, основание листа охватывает стебель и может служить защитой молодой пазушной почки; черешок выносит пластинку к свету. Прилистники могут опадать после развертывания листа или оставаться с взрослым листом. У яблони они рано опадают, у роз сохраняются весь вегетационный период, у бобовых растений сильно разрастаются и участвуют в фотосинтезе и транспирации, а иногда и вовсе заменяют листовую пластинку (чина). У гречихи и щавеля прилистники образуют раструб - защитный орган. У дуба и каштана при формировании почек они имеют вид колпачка, прикрывающего молодой лист, затем опадают. У некоторых семейств цветковых растений (крестоцветные, астровые, яснотковые и др.) прилистники отсутствуют.

Черешок листа ориентирует листовую пластинку к свету, создавая листовую мозаику, т.е. такое размещение листьев на побеге, при котором они мало или совсем не затеняют друг друга. Это достигается:

а) разной длиной черешка, его изогнутостью;

б) размером листовой пластинки;

в) светочувствительностью листьев.

Формации листьев, гетерофилия. Листья в отличие от других органов растения гораздо более изменчивы по форме, величине, продолжительности жизни, окраске и т.д. Листья чутко реагируют на освещенность и ее колебания. Форма, размер листа зависят не только от экологических условий, видовой принадлежности, но и от того, к какой из трех формаций они относятся. Различают низовую, срединную и верхушечную формации. Низовые листья - недоразвитые или видоизмененные листья (семядольные листья, кроющие чешуи почек, чешуйчатые листья корневищ и надземных побегов). Срединные листья составляют основную массу листьев, где происходит фотосинтез. Верховые листья - это листовая обертка, прицветники. Они недоразвиты, лишены черешка, а иногда и окраски. Листья срединной формации у разных видов сильно варьируют по размерам, форме, расположению на стебле. В структуре срединных листьев есть различия, вызванные возрастными особенностями (эвкалипт). Большое влияние на внешний облик листа оказывают среда и возраст побега. Так, резко отличаются листья на молодых и старых побегах плюща. Особенно отличаются подводные, надводные и плавающие листья у некоторых водных и растений (лютик водяной, стрелолист). Это явление разнолистности получило название гетерофилии.

Классификация листьев. Листья срединной формации морфологически разнообразны. По форме листья делят на простые и сложные. Отличие простых листьев от сложных в том, что они никогда же расчленяются на отдельные резко ограниченные сегменты, называемые листочками. Простые листья в мире растений явно преобладают. Их классифицируют по ряду признаков:

1. Листья с цельной пластинкой:

    а)   по форме листовой пластинки;

    б) по форме основания листа - сердцевидные, округлые, клиновидные, стреловидные, копьевидные, почковидные и др.;

    в)   по форме верхушки - тупые, острые, заостренные, остроконечные, выемчатые;

    г)   по форме края листа.

2. Листья с расчлененной пластинкой:

    а)   лопастные выемки достигают не более четверти ширины листовой пластинки (дуб, хлопчатник);

    б) раздельные выемки достигают одной трети пластинки и более (мак);

    в)   рассеченные выемки достигают главной жилки листа.

В зависимости от расположения выемок и глубины разреза различают листья пальчатолопастные, пальчато-раздельные, пальчато-рассеченные, раздельные, рассеченные.

Сложные листья (каштан, грецкий орех) разделены на листочки, каждый из которых обычно снабжен собственным маленьким черешком. Различают два основных типа сложных листьев: перистосложные и пальчатосложные. В перистосложных листьях листочки расположены по обе стороны главной оси, или рахиса, представляющего собой продолжение черешка. Перистосложные листья бывают: а) непарноперистые, когда верхушка рахиса оканчивается одним (непарным) листочком; б) парноперистые - на верхушке рахиса два листочка (карагана); в) тройчатые - сложный лист имеет три листочка (клевер, соя и др.).

Виды жилкования листа. В листе проходят проводящие пучки, которые ветвятся и анастомозируют (соединяются или срастаются), образуя жилкование. Жилкование может быть простое, дихотомическое, сетчатое, дуговое и параллельное.

Простое жилкование: только одна жилка пронизывает от основания до верхушки пластинку листа. Такое жилкование характерно для высших споровых растений (мхи, плауны), многих голосеменных, а из покрытосеменных есть, например, у элодеи.

Дихотомическое жилкование: листовую пластинку пронизывают вильчато (дихомически) разветвленные жилки (гинкго двулопастной).

Сетчатое жилкование: в типичных случаях из черешка в листовую пластинку входит одна жилка, которая ветвится и образует сеть жилок. Такое жилкование характерно в основном для двудольных, а из однодольных - для банана и вороньего глаза. Для пальчато-рассеченных листьев характерно пальчатое жилкование. При этом из черешка в листовую пластинку входят несколько жилок первого порядка, образующих сеть мелких разветвлений.

Дуговое и параллельное жилкование: листовую пластинку от основания до верхушки пронизывают несколько неветвящихся жилок. Чаще всего оно встречается у однодольных растений. В одних случаях жилки расположены параллельно (злаки, осоки), в других - дугообразно (ландыш).

Наряду с разнообразной формой листа и его жилкованием сильно варьирует величина листьев как у разных групп растений, так и у одного растения.

Листораположение. От узла на стебле может отходить один лист, два и больше. Различают очередное (или спиральное), супротивное, мутовчатое листорасположение.

Функции листа

Как вам известно, листья осуществляют фотосинтез, дыхание и испарение воды. Фотосинтез – это процессы образования органических соединений из неорганических за счет энергии света, улавливаемого хлоропластами. Это главная функция зеленых листьев. Мы уже вспоминали, что вследствие фотосинтеза энергия света, поступающего от Солнца, преобразуется растениями в энергию созданных ими органических соединений. Благодаря этому зеленые растения обеспечивают энергией все остальные организмы, которые не способны к фотосинтезу.

Необходимыми условиями осуществления фотосинтеза являются наличие света, воды и углекислого газа. Воду растения получают преимущественно из почвы, а углекислый газ – из воздуха. Поглощение растениями из атмосферы углекислого газа называется воздушным питанием. Углерод углекислого газа служит основой для образования молекул органических веществ. В процессе фотосинтеза растения, разлагая молекулы воды, выделяют в атмосферу кислород.

Убедиться в том, что в процессе фотосинтеза образуются органические вещества, поможет такой опыт. Возьмите два любых комнатных растения (гортензия, герань) и хорошо их полейте. Затем одно из растений выдержите в темном месте 3-4 суток, другое оставьте на свету. Затем с каждого растения срежьте по одному листу и пометьте их. На 2-3 минуты опустите листья в кипяток, а потом перенесите в горячий спирт. Листья потеряют зеленый цвет, зато спиртовой раствор позеленеет. Это происходит потому, что хлорофилл выходит из листьев и растворяется в спирту. Промытые в горячей воде обесцвеченные листья поместите в слабый раствор йода. Лист растения, находившегося в темноте, останется бесцветным или бледно-желтым, а лист растения, находившегося на свету, приобретет темно синюю окраску. Такое окрашивание объясняется наличием в листе органического вещества – крахмала (в присутствии йода оно синеет). Это вещество образовалось в освещенном листе в ходе фотосинтеза. Первый лист не посинел потому, что во время пребывания растения в темноте крахмал, накопленный ранее, израсходовался, а новый не образовался из-за отсутствия света.

Влияние на процессы фотосинтеза условий окружающей среды. Интенсивность фотосинтеза зависит от степени освещенности, температуры окружающей среды, количества углекислого газа и поступления воды. Наиболее интенсивно эти процессы осуществляются при температуре около +20... 25 °С и достаточном увлажнении почвы.

Интенсивность фотосинтеза – один из наиболее важных факторов, определяющих урожайность культурных растений. Ученые установили, что фотосинтез происходит не только на солнечном свету, но и при искусственном освещении. Это дало возможность выращивать растения в теплицах в условиях регулированной продолжительности светового дня и температуры в течение всего года. Растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ из атмосферного воздуха, в котором его содержится около 0,03 %. Чтобы повысить интенсивность синтеза растениями органических веществ, воздух в теплицах искусственно обогащают углекислым газом. Это также повышает урожайность растений.

Помните! Растения лесов, степей, лугов обеспечивают окружающую среду кислородом. Их уничтожение приводит к тяжелым последствиям для всех обитателей Земли. Можно без преувеличения сказать, что жизнь на нашей планете без зеленых растений была бы невозможной.

Дыхание. Кроме фотосинтеза в клетках листа происходят и процессы дыхания. Дыхание – это процессы окисления органических веществ с освобождением связанной в них энергии. Эта энергия необходима растениям для обеспечения процессов жизнедеятельности. Во время дыхания растение поглощает кислород, а выделяет в окружающую среду углекислый газ.

На интенсивность дыхания растения влияют определенные факторы окружающей среды, в частности температура. Наиболее интенсивное дыхание в растущих частях растений. Это объясняется тем, что рост требует больших затрат энергии. На дыхание растений влияет и содержание в воздухе углекислого газа. Если оно заметно возрастает, то интенсивность процессов дыхания снижается.

В пасмурную или прохладную погоду из-за снижения интенсивности процессов фотосинтеза растение может выделять больше углекислого газа, чем потребляет. Поэтому, например, при недостаточной освещенности аквариумов рыбы в них могут погибнуть в результате отравления углекислотой, которую недостаточно усваивают водные растения.

Испарение воды, или транспирация (от лат. транс – через и спиро – дышу), – это выведение водных паров через устьица и чечевички. Воду испаряют все части растения, но наиболее интенсивно – листья. Интенсивность испарения воды регулируют устьица.

Испарение воды играет важную роль в жизни растений. В частности, оно защищает растение от перегрева, снижая температуру его поверхности. Так, в жаркую погоду температура поверхности листа может быть на 4-6 °С ниже, чем воздуха, окружающего растение. Испарение воды листьями обеспечивает восходящий поток растворов от корня к надземной части растения.

Все процессы жизнедеятельности растения могут осуществляться только при наличии воды. Растения, как правило, поглощают много воды. Но непосредственно для образования органических веществ используется только незначительная ее часть. Основную массу воды растение испаряет. Одним из факторов, определяющим интенсивность испарения воды растением, является влажность воздуха. Чем она выше, тем меньше интенсивность испарения, а при насыщении воздуха водными парами оно вообще прекращается.

Другими факторами, влияющими на интенсивность испарения воды растениями, являются температура окружающей среды и ветер. При повышении температуры или усилении ветра интенсивность процессов испарения воды возрастает.

Космическая роль зеленых растении:

Создание органических веществ. Жизнь на Земле зависит от Солнца. Приемником и накопителем энергии солнечных лучей на Земле являются зеленые листья растений как специализированные органы фотосинтеза.

Фотосинтез — уникальный процесс создания органических веществ из неорганических. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключенную в органических веществах. Таким способом поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасенная зелеными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира – от бактерий до человека.

Выдающийся русский ученый конца ХIХ – начала ХХ в. Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) роль зеленых растений на Земле назвал космической.

К.А. Тимирязев писал: "Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического".

Фотосинтез

важнейший процесс в жизни нашей планеты. Он выполняет космическую функцию, производя огромное количество энергии, запасаемой в зеленых растениях, и поставляя кислород в атмосферу.

Накопление органической массы. Сахар – важный продукт фотосинтеза. Его производится больше, чем каких-либо других химических соединений на Земле – миллиарды тонн ежегодно.

Все живые организмы могут жить, лишь потребляя в виде пищи ту энергию, которую зеленые растения с помощью хлорофилла получили от Солнца и заключили в углеводах и других органических соединениях.

Накопление энергии – очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зеленых растений. Органические вещества – отличный энергоноситель.

Созданные с участием хлорофилла и солнечного света углеводы, а также образованные в растениях белки и жиры содержат в себе много энергии. Особенно много ее в крахмале и различных сахарах.

Многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свекла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке. Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения ее накапливают. Из-за огромного количества зеленых растений на Земле энергии в биосфере становится все больше. Человек широко пользуется газом, нефтью, углем, дровами – все эго органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесенную в зеленых растениях.

Обеспечение постоянства содержания углекислого газа в атмосфере. В атмосфере Земли углекислый газ составляет 0,03% от объема воздуха. Эта величина удерживается на протяжении многих тысячелетий, несмотря на то что великое множество живых организмов в процессе дыхания выделяют углекислый газ. Еще больше его выделяется при гниении и разрушении мертвых тел, при извержении вулканов, пожарах, при сжигании топлива. Все это огромное количество углекислого газа поглощают зеленые растения в процессе фотосинтеза, сохраняя более или менее постоянное содержание углекислого газа в атмосфере Земли и тем самым обеспечивая возможность жизни на нашей планете.

Накопление кислорода в атмосфере. В настоящее время кислород воздуха в атмосфере занимает 21% его объема. Как побочный продукт фотосинтеза кислород ежегодно поступает в атмосферу в огромном количестве (70-120 млрд т). Благодари этому все организмы на Земле – бактерии, грибы, животные, в том числе человек и сами растения, – могут дышать и осуществлять процессы своей жизнедеятельности. В древние времена, когда на нашей планете еще не было растений, не было и кислорода в атмосфере. Из кислорода, выделяемого растениями при фотосинтезе, на высоте примерно 25 км над поверхностью Земли под действием солнечной радиации образуется озон. Он задерживает ту часть ультрафиолетовых лучей, которая губительно действуют на живые организмы. Озоновый слой, окружающий Землю, создает возможность для жизни организмов (рис. 76).

Рис. 76. Озоновый слой вокруг Земли не пропускает те ультрафиолетовые лучи, которые могут разрушать живые клетки

Характеризуя роль растений в накоплении свободного кислорода на Земле, всемирно известный российский ученый Владимир Иванович Вернадский писал: "На нашей планете свободный кислород, находящийся на ней в виде газа или в форме раствора в природных водах, нацело создается жизнью... Нам известны тысячи земных химических процессов, в которых свободный кислород поглощается, переводится в новые соединения, исчезает как таковой. А между тем количество его в биосфере не меняется, остается все тем же. Это достигается непрерывной работой зеленых растений".

Создание почвы на Земле. Органические вещества, образованные зелеными растениями, потребляются живыми существами суши. Отходы процессов жизнедеятельности организмов, продукты гниения и разложения мертвых тел (растений, животных, грибов, бактерий) и их отдельных частей (опавшие листья, отмершие корни, корневые волоски, обильные корневые выделения), попадая в верхний слой земной поверхности, разлагаются там и принимают участие в создании уникального природного образования – почвы. Без органических соединений почва не образуется.

Почва образуется и развивается на поверхности Земли в результате взаимодействия элементов живой и неживой природы. От количества органических веществ – гумуса – зависит плодородие почвы.

Зеленые растения благодаря фотосинтезу осуществляют чрезвычайно важную — космическую — роль в жизни нашей планеты. Она заключается в том, что растения, преобразуя энергию солнечного света, запасают огромное количество энергии в виде органического вещества и выделяют в атмосферу кислород.