История развития и методы физиологии растений
Эксперименты проводили и проводят в естественных или искусственных условиях. В 1837 г. француз Ж. Б. Буссенго разработал метод выращивания растений в сосудах, заполненных неплодородной почвой, песком или водой, в которые добавляли разные вещества (почвенная, песчаная, водная культура). Этот метод получил название вегетационного. С тех пор для проведения того или иного опыта растения часто… Читать ещё >
История развития и методы физиологии растений (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Физиология растений сначала развивалась как составная часть ботаники. Превращение ее в самостоятельную науку относят к 1800 г., когда швейцарским аббатом Ж. Сенебье была написана первая книга о жизни растения, названная им «Физиология растений». Отсюда пошло и название самой науки.
Первые ученые для изучения жизни растений использовали наблюдения в разных условиях. Поскольку физиологи должны не просто описать идущие в организме процессы, а изучить их механизмы и взаимодействие, то необходимо нс только наблюдение, но и проведение разных опытов. Физиология растений является экспериментальной наукой, эксперимент — ее главный метод.
Эксперименты проводили и проводят в естественных или искусственных условиях. В 1837 г. француз Ж. Б. Буссенго разработал метод выращивания растений в сосудах, заполненных неплодородной почвой, песком или водой, в которые добавляли разные вещества (почвенная, песчаная, водная культура). Этот метод получил название вегетационного. С тех пор для проведения того или иного опыта растения часто специально выращивают в полевых условиях, а также в теплицах, оранжереях, вегетационных домиках, где создаются различные условия: температуры, освещенности и пр. Таким образом, эксперимент — это наблюдение за процессами в искусственно задаваемых или изменяемых условиях.
Важное условие в проведении экспериментов — комплексность, т. е. такой опыт, когда изучают не только само растение, но и метеорологические условия, почву, отношения между растением и другими организмами. Вегетационный метод помог узнать, какие изменения производят растения во внешней среде: поглощают или выделяют воду, какие газы берут из воздуха, какие соли — из почвы. Для проведения опытов физиологи стали выезжать в специально организуемые экспедиции. Полевой и вегетационный методы в наши дни считаются классическими методами физиологии растений.
Физиология растений возникла как наука о питании растений. Основные этапы ее развития в XIX в. связаны с изучением открытого в конце XVIII в. Д. Пристли и Я. Ингенгаузом фотосинтеза (Ж. Сенебье, Н. Т. Соссюр, Ж. Б. Буссенго, Ю. Сакс, Д. Майр, А. С. Фаминцын, К. А. Тимирязев); выяснением значения листьев и корней как органов питания; установлением необходимости для поддержания жизни минеральных веществ; разработкой теории минерального питания растений (II. Т. Соссюр, Ж. Б. Буссенго, И. А. Кноп, Ю. Сакс, Ю. Либих); обнаружением у растений дыхания, сходного с дыханием животных (Н. Т. Соссюр, Ж. Б. Буссенго, В. И. Палладии); началом изучения поступления, передвижения и выделения воды и растворенных веществ (Т. Найт); исследованием раздражимости, движений растений (Т. Найт, Ч. Дарвин) и роста (К). Сакс).
Превращению физиологии растений в самостоятельную науку в большой степени способствовали также успехи физики и химии. Физиологи стремились объяснить сложные жизненные процессы, сводя их к более простым, уже изученным физическим процессам и химическим реакциям.
Двадцатое столетие — время наиболее бурного и многостороннего развития физиологии растений. Если в XIX в. в центре внимания физиологов находились вопросы воздушного и минерального питания, водного обмена и дыхания, то такие проблемы, как физиология клетки, рост, развитие, раздражимость, устойчивость к неблагоприятным факторам, в то время только зарождались.
Постепенно, но мере своего развития некоторые из этих разделов накопили такую массу знаний и стали иметь такое большое значение для практики, что обособились от нее и превратились в самостоятельные дисциплины. В 1902 г. от физиологии растений отделилась вирусология, в 1910 г. оформилась в самостоятельную науку агрохимия, в 1930 г. — микробиология и биохимия.
В первой половине XX в. развернулись исследования по экологической и частной физиологии растений. Экологическая физиология растений изучает влияние внешних абиотических факторов на физиологические процессы, а частная — особенности этих процессов у отдельных культур.
Дальнейшее развитие физиологии растений связано с успехами смежных наук. В 30—50-х гг. XX в. успешно развивались биохимия, цитология, генетика, совершенствовались их методы. Началось проникновение в физиологию растений научной информации из этих более молодых наук. Например, полученные биохимиками в 40—50-х гг. XX в. данные о ферментных системах дыхания, фотосинтеза, азотного обмена, принципах передачи энергии открыли перед физиологами новые возможности в исследовании этих процессов.
С 50-х гг. XX в. физиологи растений стали использовать в своих исследованиях не только информацию, но и методы этих наук. Первый из них — электронная микроскопия. С помощью электронного микроскопа детальнее изучили строение органелл. Еще один метод — дифференциальное центрифугирование — применили для выделения из клеток органелл. Выделенные хлоропласты, митохондрии, рибосомы и другие оргаиеллы затем используют для экспериментов, цель которых — определить химический состав, структуру и функции каждой из них. Этот метод позволил получить много новой информации о клетках. В физиологии стали использоваться также хроматография, стабильные и радиоактивные изотопы, спектроскопия. В результате вегетационные опыты в исследовании растений в экспедиционно-полевых условиях уступили место лабораторным работам, изучающим клетки, органеллы, превращения веществ. С помощью этих методов физиологи начали исследовать процессы, идущие в клетках, на молекулярном уровне.
Успешному изучению физиологических процессов способствовало также создание фитотронов — станций искусственного климата, где можно выращивать растения в регулируемых условиях освещенности, температуры и влажности, можно избежать случайного влияния метеорологических факторов. Первый фитотрон был построен в 1949 г. при Калифорнийском технологическом институте; в 1957 г. фитотрон появился и в Москве в Институте физиологии растений АН СССР, в 1963 г. — во Французском национальном исследовательском центре в Жиф-Сюр-Иветт.
Использование со второй половины XX в. самых современных методов биохимии и биофизики позволило физиологам вскрыть механизмы обмена веществ, лежащие в основе фотосинтеза, питания растений, дыхания, транспорта веществ, роста, размножения и ответных реакций на раздражения. В результате физиологией растений был накоплен огромный материал по физико-химической организации, интеграции, регуляции и адаптации растительного организма. В 70-е гг. прошлого столетия стали расширяться контакты физиологии растений с генетикой и молекулярной биологией, что позволило изучить многие механизмы роста, развития растений на молекулярном уровне, действие на эти процессы веществ регуляторного типа.
С использованием этих методов были созданы «Комплексная теория фотосинтетической продуктивности»1, «Гормональная теория регуляции цветения и других процессов у растений»[1][2]; началось практическое применение фитогормонов в растениеводстве.
Получаемые физико-химическими методами и обобщенные физиологами данные помогают разрабатывать новые технологии. Например, изучение минерального питания, открытие фитогормонов позволило создать метод культуры изолированных клеток и тканей, т. е. метод выращивания в стерильных условиях на искусственной питательной среде клеток и тканей, возникших в результате деления клеток, изолированных из кусочков листа, стебля, корня или других органов. Данный метод помог превращению биотехнологии в новую самостоятельную науку, а физиологи растений получили возможность изучать процессы, идущие в растениях, в культуре изолированных клеток, или в культуре. Началось выращивание изолированных клеток и тканей, синтезирующих ценные вещества.
Использование физико-химических методов привело к сближению во второй половине прошлого века физиологии растений с биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, генетикой и микробиологией. Этот период развития науки можно назвать периодом ассимиляции[3], который пришел на смену периоду обособления.
Физико-химические методы широко используются физиологами и в настоящее время. Однако применение этих методов в физиологии растений связано с рядом трудностей, так как они разрушают клетки, а физиологический объект должен оставаться живым. Об этом писал еще датский физик Нильс Бор (1885—1962): «Физиология — одна из самых трудных наук, так как объект должен оставаться живым, а современные методы исследования разрушают клетку».
Изучая с помощью этих методов элементарные процессы, нельзя забывать, что главным объектом исследований по-прежнему остается клетка и организм в целом, а конечная задача исследований — определение значения этих явлений в жизни растения и его общении с окружающей средой. Здесь возникает противоречие между методами и задачами, однако даже в ущерб методам нужно сохранять клетку живой, иначе физиология исчезает, начинаются молекулярная биология, биофизика или просто физика и химия.
Теперь начался новый этап в истории физиологии растений — разработка очень точных, тонких методов для исследования живой клетки.
Основоположником российской физиологии растений является Андрей Сергеевич Фаминцын (1835—1918). Отдельные исследования по физиологии растений в нашей стране проводили и до него. Так, Н. И. Железнов (1816—1877) изучал рост, развитие и водный режим растений, С. А. Рачинский (1833—1902) выполнил несколько работ, посвященных движениям растений и превращениям химических веществ. Однако их работы носили эпизодический характер.
А. С. Фаминцын (1835−1918).
А. С. Фаминцын — организатор Петербургской школы физиологов растений, первый академик по физиологии растений в Российской академии паук. Его интересовали влияние света на фотосинтез, связь фотосинтеза с дыханием, углеводным и азотным обменом, прорастание семян, поступление и выделение воды, дыхание и брожение, рост и развитие растений, физиология больного растения и физиология водорослей. Главный труд его жизни — монография «Обмен веществ и превращение энергии в растениях» (1883). В XX в. результаты исследований А. С. Фаминцына были использованы для создания в ряде стран мира фитотронов, развития новых направлений в растениеводстве, селекции, светотехнике и космонавтике.
В 1861 г. он организовал первую в России лабораторию по анатомии и физиологии растений, сначала на своей квартире в Санкт-Петербурге. В 1890 г. она стала основой Академической лаборатории по физиологии растений, а А. С. Фаминцын — ее первым директором. В этой лаборатории и зародилась отечественная экспериментальная физиология растений. Здесь Д. И. Ивановский открыл вирусы, а М. С. Цвет разработал принципы хроматографического анализа. После революции лаборатория была перевезена в Москву и превратилась в Институт физиологии растений Российской академии наук.
В 1860/1861 учебном году А. С. Фаминцын приступил к чтению курса лекций по физиологии растений в Петербургском университете, а в 1867 г.
создал кафедру физиологии растений. Он — автор первого отечественного учебника по физиологии растений (1887). Изучать физиологию растений как самостоятельную дисциплину впервые в мире студенты начали в России. Учениками Фаминцына были Д. И. Ивановский, М. С. Цвет, С. Н. Виноградский, К. А. Тимирязев, И. П. Бородин, Н. А. Максимов, А. А. Рихтер, Д. Н. Нелюбов и многие другие, ставшие выдающимися учеными. А. С. Фаминцын выступал с популярными публичными лекциями, посвященными, главным образом, питанию растений.
Организатором Московской школы физиологов растений стал Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920). Его основные исследования посвящены роли хлорофилла в превращении световой энергии в химическую.
К. А. Тимирязев (1843−1920).
Он доказал, что фотосинтетические процессы подчиняются закону сохранения и превращения энергии. В 1870—1892 гг. К. А. Тимирязев — профессор Петровской земледельческой и лесной академии (впоследствии Сельскохозяйственной академии его имени, ТСХА), в 1878—1911 гг. — заведующий кафедрой анатомии и физиологии растений Московского университета. Тимирязев был прекрасным лектором, страстным пропагандистом достижений физиологии растений и эволюционного учения, теоретиком рационального земледелия. Его основные труды — «Жизнь растения», «Столетние итоги физиологии растений», «Солнце, жизнь и хлорофилл», «Исторический метод в биологии», «Наука и демократия».
Достижения физиологии растений в СССР связаны с трудами С. П. Костычева (биохимия растений, экологическая физиология), А. Н. Баха и В. И. Палладина (дыхание растений), Н. А. Максимова (экологическая физиология), Д. А. Сабинина (минеральное питание, физиология роста и развития растений), А. Л. Кирсанова (транспорт ассимилятов, интеграция функциональных систем в растительном организме), А. А. Ничипоровича (теория фотосинтетической продуктивности растений), М. X. Чайлахяна (гормональная теория онтогенеза, регуляция цветения), Р. Г. Бутенко (морфогенез в культуре изолированных клеток и тканей).