植物生物学从细胞

绪论一、概念植物生物学——从细胞、组织、器官、个体、类群、生态系统等不同层次，阐述植物的形态、构造、生理、分类、分布、遗传变异和进化及其与环境相互关系的一门课程，从而对植物体、植物界和植物科学有一整体的了解。二、植物在生物分界中的地位根据分类学的记载，地球上生活着的生物约有200万种。但是，根据每年都有新种被发现这一事实，可以断言，生物种数绝不止此。近年来在深海中，甚至3000m的深海热泉孔周围，都发现了以前没有记载的生物。这就说明，生物界还有待人们的继续发掘。有人估计，现存生物的实际种数在200万至450万之间。在自然界中，生物是多种多样的，植物只是自然界多种多样生物中的一员。整个生物界的划分，关系到植物界的范围、细致的分类和进行其他的研究。生物界究竟应该分成几个界，长期以来，随着科学的发展，学者们有着不同的看法。1、林奈的两界系统瑞典博物学家林奈（1707—1778），1735年在《自然系统》将生物界分成植物和动物两界。在1753年发表的巨著《植物种志》中将植物分成24纲，把动物分成6纲。这就是通常所说的生物分界的两界系统，这种两界系统，建立得最早，也沿用得最广和最久。植物界动物界2、海克尔的三界系统19世纪后，由于显微镜的发现和广泛使用，人们发现有些生物兼有动物和植物两种属性，如裸藻、甲藻等（它们既含有叶绿素，能进行光合作用，同时又可运动）、粘菌（营养体是一团裸露的原生质体，多核，无叶绿体，能作变形虫式运动，与动物相似。生殖时能产生具纤维素壁的孢子，为植物性状。）。在探索和解释这些矛盾中，1866年德国的著名生物学家海克尔提出成立一个原生生物界。他把原核生物、原生生物、硅藻、粘菌和海绵等，分别从植物界和动物界中分出，共同归入原生生物界。Page4图2植物界动物界原生生物界（原核生物、原生生物、硅藻、粘菌和海绵等）3、魏泰克的四、五阶系统1959年，魏泰克提出了四界分类系统，将不含叶绿素的真核菌类从植物界中分出，建立一个真菌界，和植物界一起并列于原生生物界之上。Page5图3植物界动物界真菌界原生生物界1969年，即十年后，魏泰克在四界系统基础上，提出了五界系统。将四界系统中归于原生生物界中的细菌和蓝藻分出，建立一个原核细胞结构的原核生物界，并放在原生生物界下。五界系统影响较大，流传较广。Page5图4植物界动物界真菌界原生生物界原核生物界魏泰克生物分界的优点：在纵向显示了生物进化的3大阶段，即原核生物界、单细胞真核生物（原生生物界）和多细胞真核生物（植物界、真菌界、动物界），同时在横向显示了生物演化的3大方向，即光合自养的植物、吸收方式的的真菌和摄食方式的动物。魏泰克生物分界的缺陷：原生生物界中所归入的生物比较庞杂、混乱，不能作为一个自然的分类群，因此不少学者存在质疑和反对意见。4、六界和八界系统1949年，捷恩：后生动物界、后生植物界、真菌界、原生生物界、原核生物界、病毒界。1990年，布鲁斯卡：原核生物界、古细菌、原生生物界、真菌界、动物界、植物界。1979年，陈世骧：植物界、动物界、蓝藻界、细菌界、真菌界、病毒界。Page8图65、伍斯的三域系统20世纪70年代以来，由于分子生物学的发展，对生物的分界系统又提出了新的见解。伍斯根据16srRNA序列进行比较，提出三域理论。Page6图5整个生物系统树有三条主干，它们分别连接着今天的真核生物、真细菌和古细菌三大主群。三条主干的根部可追溯到30多亿年前的太古宙早期。第1条主干的末端是只有大约数十种到数百种的古细菌主群，包括一些极端嗜热菌、嗜盐菌、甲烷菌，是三大主群中最小的，是系统树中后裔最单薄的一支。第2条主干的末端是包括今日除古细菌以外的所有的原核生物，如蓝菌、绿硫细菌、革兰氏阳性菌、螺旋体等10多个微生物类群，有10万种以上，统称真细菌。第3条主干是庞大的真核生物主群，在系统树上是“枝繁叶茂”的一支，包括原生生物、真菌、植物和动物等主要的高等生物，总共有几百万到几千万种。三、植物的类型、分布与作用1、植物界的发生和发展（类型）①植物界的发生和发展是一个漫长的历史过程，它是随着地球历史的发展，由原始的生物不断地演化，其间经历了30多亿年的漫长历程，形成现在已知的50余万种植物，包括藻类、菌类、地衣、苔藓、蕨类和种子植物等六大类群。它们的大小、形态结构和生活方式各不相同，共同组成了复杂的植物界。②根据资料和发现的化石，植物界漫长的演化历史，经历了非生物到生物、简单到复杂、水生到陆生、低级到高级的过程。植物也和其他生物一样，最先是由非生物进化而来，经历了由无机物到有机物，逐渐形成较为复杂的类似蛋白质的有机物质，再转变为最原始的生命体，由非细胞结构的活质，再逐渐成为具有细胞结构的形式。植物也是由简单向复杂发展的。最初出现的单细胞植物是由一个细胞执行着全部生活功能。在外界环境影响下，演化成多细胞植物，因此，细胞结构的分工现象，也就出现了。物质的吸收、同化、异化和个体的繁殖，也逐渐由不同的细胞或不同的组织、器官来进行。这在植物的进化上是一个重要的阶段。植物也是由水生向陆生发展的。低等的绿色植物是水生的，苔藓植物是由水生转向陆生的过渡类型，直到蕨类植物才成为陆生植物。从水生到陆生是植物进化的又一个重要阶段。从水到陆，环境发生了剧烈的变化，这也就加强了植物内部的矛盾，这种矛盾性也就引起了植物的发展。适应陆生的环境，植物也就逐步地产生根、茎、叶和维管组织。直到种子植物，由于花粉管的产生，在受精作用这个十分重要的环节上，才不再受外界水分的限制，而成为现时陆上最占优势的植物。植物也是由低级向高级发展的。植物在漫长的历史过程中，不断地受到不同环境条件的影响，不能适应的趋于衰退或灭亡，能适应的就必然地改变了自己原有的遗传性，从生理功能到形态结构上都发生了变异，这样，就创造了愈来愈多的新植物类型。3、分布在地球表面上，总的来讲，植物的分布极为广泛。无论在广大的平原、冰雪常年封闭的高山、严寒的两极地带、炎热的赤道区域、江河湖海的水面和深处、干旱的沙漠和荒原，都有植物在生活着。即使一滴水珠、一撮尘埃、岩石的裂缝、树叶的表层、悬崖峭壁的裸露石面、生物体甚至人体的内外，都可成为某些植物的生活场所。同样，在冷达冰点的积雪下面和水温极高的温泉中间，也常有特殊的植物种类在生存着。某些地衣甚至在冰点以下的温度中仍能生存，某些蓝藻在水温达40—85℃的温泉中仍能旺盛生长。在高空的大气中，常有飘浮着的细菌和孢子，土壤的表层和深层，也多生活着藻类和菌类。所以，几乎可以说自然界处处都有植物。4、植物对自然界和人类的作用①植物的光合作用和矿化作用绿色植物细胞内的叶绿体，能够利用光能，将简单的无机物（即二氧化碳和水）合成为有机碳水化合物的过程，称为光合作用。3项作用：光合作用的产物不仅解决绿色植物自身的营养，同时，也维持了非绿色植物、动物和人类的生命，人类的衣、食、住、行、药物和工业原料，绝大部分也是来源于植物光合作用的产物。光合作用将光能转变为化学能，并储存在有机物中。这种积蓄的能量，除去作为自然界有机食物的源泉外，也常为人类多方面所利用。甚至古代植物所储积的能量，到今天还被人类利用着，如工业上主要动力来源之一的煤，就是古代植物储积的能量。而石油、天然气的形成，绿色植物也起了很重要的作用。光合作用进行过程中放出氧气，不断地补充大气中的氧，大气中的氧约占20%，它能够稳定地保持平衡，源源地供应，不能不归功于绿色植物的光合作用。自然界的物质，总是处在不断的运动中，一方面从无机物合成为有机物的过程，另一方面从有机物分解为无机物。有机物的分解，主要有两个途径：一是通过动、植物的呼吸作用来进行；一是通过非绿色植物的参加，如细菌、真菌等对死的有机物质的分解，也就是所谓矿化作用来进行。矿化作用的结果，使复杂的有机物分解成简单的无机物，可以再为绿色植物所利用。这样，光合作用和矿化作用，也就是合成和分解，使自然界的物质循环往复，永无止境。②植物在自然界物质循环中的作用C循环——绿色植物在进行光合作用的过程中，要吸收大量的碳，如果大气中的二氧化碳不加补充，大气中的二氧化碳就将被消耗殆尽。事实上，自有绿色植物以来，在漫长的岁月中，二氧化碳始终维持着相对的平衡，这就说明自然界中的二氧化碳一直在不断地得到补充，这些补充，除去地球上物质的燃烧、火山的爆发、动、植物的呼吸外，主要是依靠非绿色植物，如真菌、细菌等对动、植物尸体的分解所释放出的二氧化碳来补充。N循环——氮是植物生命活动中不可缺少的重要元素之一。大气中的氮含量为79%，是游离氮，只有少数的固氮细菌和蓝藻，才能吸收利用，而绿色植物却不能直接利用。//这些细菌、蓝藻等把大气中的游离氮固定转化为含氮化合物，成为植物所能吸收利用的氮，这个过程称为生物固氮作用。//绿色植物把由光合作用所合成的碳水化合物与所吸收的铵盐合成蛋白质，储积在体内。动物摄取植物的蛋白质，加工成为动物本身的蛋白质。蛋白质通过呼吸，或者通过动、植物尸体的分解，进行氨化作用，又释放出铵离子。部分的铵成为铵盐，供植物吸收；另一部分铵，经过硝化细菌一系列的硝化作用成为硝酸盐。硝酸盐是植物能够吸收和利用的氮的主要来源。但硝酸盐也可以由反硝化细菌的反硝化作用回复成游离氮（N2）或氧化亚氮（N2O），重返大气中。氮就是这样通过植物的复杂作用而循环着。植物体内除碳和氮外，还有H2、O2、P、S、K、Mg、Ca，以及各种微量元素如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Cl2、Mo等。这些元素被植物吸收后，又通过植物，以各种途径返还自然界，进行着永无休止的物质循环。③物对环境保护的作用植物对环境保护的作用——净化作用、监测作用农业生产上大量应用有毒农药，特别是工业生产规模日益扩大，排放含有各种有害物质的废气、废水、废渣，所谓“三废”，大量进入大气、水体和土壤，造成环境污染，影响生物的生存，更严重地是危害人类的生活和生产。植物对大气的净化，一般是通过以下的途径：//通过叶片吸收大气中的毒物，减少大气中的毒物含量；//植物能降低和吸附粉尘，净化大气，例如茂密的树林能降低风速，使空气中的大粒尘埃降落，特别是某些植物的叶面粗糙多毛，有的分泌粘液和油脂，更能吸附大量飘尘。蒙尘的植物，一经雨水冲洗，又能迅速恢复吸附的能力；//草坪也有显著的减尘作用。草坪由于枝叶繁茂，根茎与土表紧密结合，在草坪上沉积的各种尘埃，在大风天气不易出现扬尘和污染。因此，在城市、工厂区和隙地，多种草坪，尽量避免土壤裸露，也是保护环境、减少污染的一种有效措施。植物对水域的净化，主要有以下途径：//植物能分解和转化某些有毒物质。在低浓度的情况下，植物能吸收某些有毒物质，并在体内将其分解和转化为无毒成分。例如，植物从水中吸收丁酚，丁酚进入植物体后，就能与其他物质形成复杂的化合物，而失去毒性。//植物的富集作用。水生植物能吸收和富集水中的有毒物质，其富集能力依植物种类不同而异，但一般可高于水中有毒物质浓度的几十倍、几百倍甚至几千倍以上。不同植物吸收和富集不同的有毒物质的能力是不同的，利用植物富集能力来净化环境时，必须注意食物链的延伸对人类的影响。在环境保护中，植物除了净化作用，还有监测作用。所谓监测作用，就是利用某些植物对有毒气体的敏感性，当某些有毒气体在低浓度时，它就能出现受害症状，反映出有毒气体的大概浓度，作为环境污染程度的指示。对有毒气体特别敏感的植物，利用它们来监测有毒气体的浓度，指示环境污染程度，这种植物就称为监测植物。例如利用唐菖蒲和葡萄监测HF，利用菠菜和胡萝卜监测SO2，这些植物的叶片部分反应最为敏感。④植物对水土保持的作用植物的生长发育受到周围环境的影响，而植物在逐步成长的过程中，又会影响着周围的环境。成年植物在地面上的枝叶和地面下的根系，都会改变局部环境的情况，尤其是森林，对环境的影响更大，它可以维持生态平衡，调节气候，防止水、旱、风、沙的灾害，有利于人类的生活和农业生产。四、植物科学的研究对象和任务1、植物学研究对象：植物形态结构；植物分类；植物的生命活动和发育规律；植物与环境的关系。2、植物科学发展史：3个主要阶段①描述植物学时期时间:17世纪前内容:以认识