Что изучает ботаника
Ботаника — наука о растениях во всём их разнообразии. Она охватывает строение клеток и тканей, физиологию (как растения питаются, растут, размножаются), систематику (классификацию видов), экологию (взаимодействие с окружающей средой) и эволюцию. Растений на Земле около 390 000 видов — это примерно столько же, сколько всех видов грибов, а значительно больше, чем животных.
Растения производят большую часть кислорода на Земле и связывают CO₂. Фитопланктон океанов производит около 50% всего кислорода, наземные растения — оставшиеся 50%. Без фотосинтеза жизнь в современном виде невозможна.
Клетки и ткани растений
Растительная клетка отличается от животной тремя главными чертами: клеточная стенка из целлюлозы (обеспечивает форму и защиту), хлоропласты (органеллы фотосинтеза) и большая центральная вакуоль (хранит воду и поддерживает тургорное давление — именно оно не даёт растению «обмякнуть»).
Ткани растений специализированы: меристема (делящиеся клетки на кончиках корней и побегов — зоны роста), проводящая система (ксилема переносит воду от корней вверх, флоэма переносит сахара от листьев к остальным органам), эпидермис (защитный покров с устьицами — порами для газообмена).
Фотосинтез: двигатель жизни
Фотосинтез — процесс превращения световой энергии в химическую. Уравнение: 6CO₂ + 6H₂O + свет → C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + 6O₂. Это одна из важнейших химических реакций на планете.
Фотосинтез проходит в два этапа. Световые реакции (в тилакоидах хлоропластов) расщепляют воду, поглощают свет и производят АТФ и НАДФН. Тёмные реакции (цикл Кальвина в строме) используют эти молекулы для фиксации CO₂ в органические молекулы. Меленвин Кальвин получил Нобелевскую премию (1961) за открытие этого цикла.
Растения эволюционировали разные стратегии фотосинтеза. C₄-растения (кукуруза, сахарный тростник, пшеница) имеют дополнительный механизм концентрации CO₂ и эффективнее работают при высокой температуре. CAM-растения (кактусы, агавы) открывают устьица ночью — адаптация к засухе.
Разнообразие растений
Эволюция растений началась около 500 миллионов лет назад с выхода водорослей на сушу. Первые наземные растения не имели сосудистой системы (как современные мхи и печёночники). Около 420 миллионов лет назад появились сосудистые растения с ксилемой и флоэмой — папоротникообразные. Около 360 млн лет назад — первые семенные растения (голосеменные: современные хвойные, гинкго). Около 130 млн лет назад — цветковые (покрытосеменные), сегодня они доминируют: 300 000 видов из 390 000 всех растений.
Самое старое дерево: сосна Брислконс Пайн в Калифорнии (Pinus longaeva) — возраст около 5000 лет. Самое высокое: прибрежная секвойя в Калифорнии — 115,7 м (Гиперион, обнаружен в 2006). Самое тяжёлое живое существо: Пандо — колония осин в Юте, одна корневая система, около 47 000 стволов, масса ~6 миллионов кг.
Взаимодействие растений с окружающей средой
Растения взаимодействуют с грибами через микоризу: корни растения срастаются с грибными гифами, обмениваясь питательными веществами. Около 90% наземных растений имеют микоризные связи. Некоторые деревья в лесу связаны в «древесную паутину» через мицелий и обмениваются не только питательными, но и сигнальными молекулами.
Растения общаются химически. При атаке насекомых они выделяют летучие вещества, которые привлекают хищников этих насекомых и предупреждают соседние растения. Акации при поедании их листьями жирафами выделяют танины и рассылают сигналы ближайшим деревьям через воздух.