Физиология растений 1Microsoft Word
.docx3. Задачи физиологии растений.
Поскольку человек питается или самими зелеными растениями, или продуктами животного происхождения, а пищей животным служат те же растения, то возможность накормить население Земли зависит в конечном счете от суммарного количества накопленных продуктов фотосинтеза. Поэтому в XIX в. и в первой половине XX в. главной задачей физиологии было управление растительными организмами для повышения их продуктивности, создание оптимальных условий для жизни растений. Открытие фотосинтеза, дыхания, водного обмена растений, изучение их потребности в элементах минерального питания и адаптации к неблагоприятным условиям делало физиологию растений все более значимой для сельского хозяйства. Она стала теоретической основой высокоэффективного земледелия.
Вместе с другими биологическими науками физиология растений послужила фундаментом трех «зеленых революций», каждая из которых приводила к удвоению урожая за счет внедрения новых сортов, внесения удобрений, применения химических средств борьбы с вредителями и химических регуляторов роста растений. В настоящее время наряду с глубоким изучением теоретических проблем на молекулярном уровне в центре внимания физиологов по-прежнему стоят задачи решения таких практически важных вопросов, как обеспечение условий наиболее полного использования растениями солнечной энергии, С02, воды и элементов минерального питания в целях повышения урожая и качества сельскохозяйственной продукции. В результате изучения регуляторов роста и развития появилась возможность для искусственного синтеза физиологически активных веществ, с помощью которых удается регулировать урожай и защищать растения от вредителей. Все больший интерес вызывают вопросы саморегуляции растением различных процессов, но уже на уровне клетки.
Еще один путь к увеличению производства продуктов питания — улучшение самих растений. Селекционеры создают новые сорта культурных растений, число их все время растет, а физиологи не только учат тому, как удовлетворять потребности новых и старых сортов в питательных веществах, как управлять ростом и развитием растений, но и помогают разрабатывать новые методы получения таких сортов. Так, активно работая с изолированными клетками, физиологи обнаружили у соматических (неполовых) клеток многих высших растений способность к регенерации, т. е. к восстановлению целого организма из его части. Это открыло перед генетикой и селекцией принципиально новый путь для получения растений с измененной наследственностью, минуя половой процесс. Был разработан способ получения гибридов в результате слияния изолированных протопластов. Протопласт — это растительная клетка без клеточной стенки. Например, с помощью этого метода был получен урожайный сорт картофеля, одновременно устойчивый к вирусной инфекции [Бутенко, 1960]. Известно, что дикий картофель устойчив к вирусам, но дает низкий урожай, а культурный — наоборот. Половая гибридизация дикого картофеля с культурным не удается. Поэтому для получения гибрида соматические клетки обоих видов обработали ферментами, разрушившими клеточные стенки. Некоторые из полученных протопластов слились. Возникший гибридный протопласт, образовав клеточную стенку, превратился в гибридную клетку. В результате делений этой клетки получили каллус — массу недифференцированных клеток, из которой постепенно развилось растение, устойчивое к вирусам. Такую гибридизацию назвали соматической.
Продовольственную проблему можно решать и за счет расширения посевных площадей. Поскольку все плодородные земли давно распаханы, то увеличение посевных площадей может происходить за счет освоения засушливых и засоленных почв. Однако обычные сельскохозяйственные культуры не могут расти на таких землях. Поэтому ученые ищут среди местной флоры растения, пригодные, например, для корма скота и способные расти на этих новых территориях. Следовательно, физиологи должны хорошо знать особенности существования растений в условиях засухи, на засоленных почвах, а также в условиях низких и высоких температур и давать соответствующие рекомендации. Освобождающиеся плодородные земли можно использовать для выращивания фруктов, овощей, зерновых.
Освобождению плодородных почв для сельскохозяйственных культур помогает и выращивание в искусственных условиях (на специальных фабриках) изолированных клеток, тканей и органов, синтезирующих ценные вещества.
Начиная с 50 — 60-х годов XX в. главенствующими становятся экологические проблемы, в том числе проблема повышения устойчивости растений к загрязнению окружающей среды, к засухе, засоленности почв. В результате хозяйственной деятельности человека создаются новые химические вещества, развиваются промышленность, транспорт, происходят катастрофы и войны. От неправильного применения удобрений и пестицидов происходит 40% загрязнений. Вырубка лесов приводит к нарушению водного баланса планеты. Все это — новые факторы, действующие на растения. Чтобы уменьшить вред, наносимый природе в результате использования большого количества химических веществ, необходимо создавать новые удобрения, растворяющиеся медленно, по мере их использования, увеличивать биологическую фиксацию азота. Нужны растения, которые сами защищали бы себя от насекомых, вырабатывая соответствующие токсины.
В наши дни разработка экологических вопросов ведется на клеточном уровне. Исследователи выясняют, например, изменения мембран в неблагоприятных условиях засухи, засоления, действия пониженных или повышенных температур, повреждение органелл, синтез новых, защитных, белков. В XXI в. физиологи должны на физико-химической основе расшифровать последовательность всех этапов адаптации растений к многочисленным неблагоприятным природным и антропогенным факторам, найти новые методы и технологии решения различных проблем промышленной экологии, включая зоны экологических катастроф.
Физиологи растений обязаны внести свой вклад в сохранение и изучение природных экологических систем, в выяснение роли растений в поддержании стабильности биосферы и газового состава атмосферы. Все большее место будет занимать изучение вредных воздействий, связанных с экологическими последствиями войн, развитием крупнейших городов (мегаполисов) и т. д. Поведение растений в нестабильной среде станет центральной проблемой экологической физиологии растений XXI столетия. В этом столетии физиология растений по-прежнему будет играть ключевую роль в исследовании жизни зеленого растения, а добытые ею знания будут активно использоваться человечеством для поддержания стабильного состояния биосферы.
4. Место физиологии растений среди других наук
В основе физиологических функций лежат превращения веществ и энергии, подчиняющиеся физическим и химическим законам. Следовательно, физика и химия, в частности биофизика и биохимия, — фундамент физиологии растений. Физиология растений связана с анатомией и морфологией растений, так как строение органа и его функция взаимозависимы. Однако еще К.А. Тимирязев доказывал, что познать до конца любую функцию, а тем более связь ее со строением органа, можно только опираясь на принципы эволюционного учения.
Являясь ботанической дисциплиной, физиология растений тесно связана с физиологией животных. Обмен веществ, рост, раздражимость, размножение, движение, приспособляемость — все это свойства и животных, и растений. Чтобы понять жизнь растения, нужно хорошо изучить свойства живых организмов вообще.
С другой стороны, физиология растений — фундамент агрономических наук (растениеводства, плодоводства, луговодства, овощеводства, агрохимии и др.), так как ее цель — познать жизнь растения и управлять ею для удовлетворения потребностей человека.
Задачи физиологии растений и агрономии во многом совпадают. Каждый новый шаг в развитии физиологии растений приводил и приводит к новым успехам в агрономии. Например, за последние 200 лет урожаи пшеницы выросли с 7 до 50—60 ц/га, и каждое повышение урожайности было связано с успехами в развитии физиологии растений: разработкой теории минерального питания [Либих, 1860], теории фотосинтетической продуктивности растений [Ничипорович, 1955]. В настоящее время в условиях фитотронов можно получить 130 ц зерна с 1 га. Решение очередной проблемы агрономии в свою очередь стимулирует развитие физиологии растений. Однако сегодня уровень знаний и технологий настолько высок, что величина и качество урожая лимитируются уже не развитием фундаментальной науки, а развитием промышленности и энергетическими возможностями.
В наши дни физиология растений занимает промежуточное положение между молекулярной биологией и общей биологией, и в частности экологией. Она может быть интерпретатором проблем общей биологии для специалистов физико-химической биологии и методов молекулярной биологии для специалистов по общей биологии.
С 50—70-х годов XX в. физиологический подход глубоко проник в такие ботанические дисциплины, как цитология, анатомия, морфология, фитопатология, а в наши дни даже и в систематику растений. Достижения физиологии растений используют генетики, селекционеры, микробиологи, биохимики. Она тесно связана с аг-робиотехнологией, которая в последние десятилетия превратилась в самостоятельную науку.