Строение растительной клетки немного отличается от клеточных структур животного организма. В первую очередь это связано со способом жизнедеятельности растения и уникальным способом питания — за небольшим исключением все растительные организмы автотрофы и способны самостоятельно образовывать из неорганических. В большинстве случаев органические элементы образовываются путем фотосинтеза. Интересно, что выделяемый кислород является лишь побочным продуктом фотосинтетических реакций.
Растительная клетка: строение оболочки
Наличие твердой клеточной стенки — это одна из особенностей растительных клеток. Поэтому рассматривать строение растительной клетки нужно с этого компонента. Именно эта структура создает механическую защиту вокруг протопласта. Кроме того, стенка является неким источником ионов, а также антибактериальным барьером. У молодых клеток можно наблюдать лишь образование первичной оболочки. Основными компонентами структуры являются волокна целлюлозы, гемицеллюлозы и пектина. Что же касается толщины, то у разных видов этот показатель будет варьироваться.
В процессе жизнедеятельности может утолщаться. Образование вторичной и третичной стенки происходит путем наложения последующих слоев на первичную оболочку. Довольно часто наблюдается отложение лигнина или суберина в полостях между целлюлозными волокнами — такая клетка уже не может расти или растягиваться.
Строение растительной клетки: основные элементы протопласта
Протопласт клетки состоит из ядра, цитоплазмы и других органелл. Стоит отметить, что органеллы клетки можно разделить на мембранные и немембранные.
Цитоплазма представляет собой многокомпонентную систему, в которой происходят основные этапы обмена и транспорта веществ. В веществе цитоплазмы содержится сеть микрофиламентов — тонких фибриллярных белков, которые обуславливают движение структур. Здесь же есть и микротрубочки, а также центриоли, которые участвуют в митотическом
Еще одна группа важных органелл — это рибосомы, которые представляю собой немембранную структуру. Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединицы. По большому счету эти органеллы являют собой не что иное, как комплекс белковых элементов и специфической рибосомальной РНК. Подобные структуры принимают участие в процессах синтеза белка.
Строение растительной клетки: характеристика мембранных органелл
Большая часть компонентов растительной клетки состоит из мембран.
Ядро — небольшое сферическое или удлиненное образование, которое состоит из ядрышка, нуклеоплазмы, хроматина и ядерной оболочки. Основная функция ядра — передача наследственной информации, а также синтез РНК.
Представляет собой систему каналов и цистерн. Есть гранулярная ЭПС (поверхность ее покрыта рибосомами) и гладкая ЭПС. Функции этой органеллы весьма разнообразны. На рибосомах происходит синтез белковых компонентов, которые затем проходят модификацию уже внутри цистерн ЭПС. Кроме того, структура отвечает за транспорт веществ.
Вакуоль — мембранная структура, содержащая клеточный сок. поддерживает осмотическое равновесие и обеспечивает клетке тургор. Кроме того, внутри вакуоли собираются ненужные вещества, которые затем с помощью образования пузырьков выбрасываются наружу. Иногда в клеточном соке растворяются полезные запасные вещества.
Пластиды — неотъемлемая часть растительной клетки. В большинстве случаев они представлены хлоропластами. Пластиды состоят из двух оболочек, причем внутренняя формирует выпячивания — тилакоиды. Здесь содержится светочувствительные пигменты. Именно в хлоропластах осуществляются столь важные процессы фотосинтеза.
Растительная клетка имеет и другие органеллы — это митохондрии (отвечают за клеточное дыхание), (обеспечивает перераспределение и транспорт веществ внутри клетки).
Тем не менее, главные особенности строения растительной клетки видны — она имеет прочную клеточную стенку, систему пластид и вакуоль.
Типичная растительная клетка содержит хлоропласты и вакуоли и окружена целлюлозной клеточной стенкой.
Плазматическая мембрана (плазмалемма), окружающая растительную клетку, состоит из двух слоев липидов и встроенных в них молекул белков. Молекулы липидов имеют полярные гидрофильные «головки» и неполярные гидрофобные «хвосты». Такое строение обеспечивает избирательное проникновение веществ в клетку и из нее.
Клеточная стенка состоит из целлюлозы, ее молекулы собраны в пучки микрофибрилл, которые скручены в макро-фибриллы. Прочная клеточная стенка позволяет поддерживать внутреннее давление - тургор.
Цитоплазма состоит из воды с растворенными в ней веществами и органоидов.
Хлоропласты - это органеллы, в которых происходит фотосинтез; различают зеленые хлоропласты, содержащие хлорофилл, хромопласты, содержащие желтые и оранжевые пигменты, а также лейкопласты - бесцветные пластиды.
Для растительных клеток характерно наличие вакуоли с клеточным соком, в котором растворены соли, сахара, органические кислоты. Вакуоль регулирует тургор клетки.
Аппарат Гольджи - это комплекс плоских полых цистерн и пузырьков, где синтезируются полисахариды, входящие в состав клеточной стенки.
Митохондрии - двухмембранные тельца, на складках их внутренней мембраны - кристах - происходит окисление органических веществ, а освободившаяся энергия используется для синтеза АТФ.
Гладкий эндоплазматический ретикулум - место синтеза липидов.
Шероховатый эндоплазматический ретикулум связан с рибосомами, осуществляет синтез белков.
Лизосомы- мембранные тельца, содержащие ферменты внутриклеточного пищеварения. Переваривают вещества, избыточные органеллы (аутофагия) или целые клетки (аутолиз).
Ядро - окружено ядерной оболочкой и содержит наследственный материал - ДНК со связанными с ней белками - гистонами (хроматин). Ядро контролирует жизнедеятельность клетки. Ядрышко - место синтеза молекул т-РНК, р-РНК и рибосомных субъединиц. Хроматин содержит кодированную информацию для синтеза белка в клетке. Во время деления наследственный материал представлен хромосомами.
Плазмодесмы (поры) - мельчайшие цитоплазматические каналы, пронизывающие клеточные стенки и объединяющие соседние клетки.
Микротрубочки состоят из белка тубулина и расположены около плазматической мембраны. Они участвуют в перемещении органелл в цитоплазме, во время деления клетки формируют веретено деления.
Жизнедеятельность клетки
Движение цитоплазмы осуществляется непрерывно и способствует перемещению питательных веществ и воздуха внутри клетки.
Обмен веществ и энергии включает следующие процессы: поступление веществ в клетку; синтез сложных органических соединений из более простых молекул, идущий с затратами энергии (пластический обмен); расщепление, сложных органических соединений до более простых молекул, идущее с выделением энергии, используемой для синтеза молекулы АТФ (энергетический обмен); выделение вредных продуктов распада из клетки. Размножение клеток делением.
Рост и развитие клеток. Рост - увеличение клеток до размеров материнской клетки. Развитие - возрастные изменения структуры и физиологии клетки.
Введение
Растение, как и всякий живой организм, состоит из клеток, причем каждая клетка порождается тоже клеткой. Клетка — это простейшая и обязательная единица живого, это его элемент, основа строения, развития и всей жизнедеятельности организма.
Существуют растения, построенные из одной-единственной клетки. К ним относятся одноклеточные водоросли и одноклеточные грибы. Обычно это микроскопические организмы, но есть и довольно крупные одноклеточные (длина одноклеточной морской водоросли ацетабулярии достигает 7 см). Большинство растений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, — это многоклеточные организмы, построенные из большого числа клеток. Например, в одном листе древесного растения их около 20 000 000. Если дерево имеет 200 000 листьев (а это вполне реальная цифра), то число клеток во всех них составляет 4000 000 000 000. Дерево в целом содержит еще раз в 15 больше клеток.
Растения, за исключением некоторых низших, состоят из органов, каждый из которых выполняет свою функцию в организме. Например, у цветковых растений органами являются корень, стебель, лист, цветок. Каждый орган обычно построен из нескольких тканей. Ткань — это собрание клеток, сходных по строению и функциям. Клетки каждой ткани имеют свою специальность. Выполняя работу по своей специальности, они вносят вклад в жизнь целого растения, которая состоит в сочетании и взаимодействии разных видов работы различных клеток, органов, тканей.
Основными, самыми общими компонентами, из которых построены клетки, являются ядро, цитоплазма с многочисленными органоидами различного строения и функций, оболочка, вакуоль. Оболочка покрывает клетку снаружи, под ней находится цитоплазма, в ней — ядро и одна или несколько вакуолей. Как строение, так и свойства клеток разных тканей в связи с их разной специализацией резко различаются. Перечисленные основные компоненты и органоиды, о которых речь пойдет дальше, развиты в них в различной степени, имеют неодинаковое строение, а иногда тот или иной компонент может вовсе отсутствовать.
Главнейшими группами тканей, из которых построены вегетативные (непосредственно не связанные с размножением) органы высшего растения, являются следующие: покровные, основные, механические, проводящие, выделительные, меристематические. В каждую группу обычно входит несколько тканей, имеющих сходную специализацию, но построенных каждая по-своему из определенного вида клеток. Ткани в органах не изолированы друг от друга, а составляют системы тканей, в которых элементы отдельных тканей чередуются. Так, древесина — это система из механической и проводящей, а иногда и основной ткани.
Структура растительной клетки
Клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов.
Клетки эмбриональных (неспециализированных) тканей животных и растений в общем плане строения очень сходны. Именно это обстоятельство в свое время явилось причиной для появления и развития клеточной теории. Морфологические различия проявляются уже в дифференцированных клетках специализированных тканей растений и животных. Особенности строения растительной клетки, как и растения в целом, связаны с образом жизни и способом питания. Большинство растений ведет относительно неподвижный (прикрепленный) образ жизни. Специфика питания растений состоит в том, что вода и питательные вещества: органические и неорганические, находятся вокруг в рассеянном виде и растению приходится их поглощать путем диффузии. Кроме того, зеленые растения на свету осуществляют автотрофный способ питания. Благодаря этому, эволюционно сложились некоторые специфические особенности строения и роста растительных клеток. К ним относятся:
· прочная полисахаридная клеточная стенка, окружающая клетку и составляющая жесткий каркас;
· пластидная система, возникшая в связи с автотрофным типом питания;
· вакуолярная система, которая в зрелых клетках обычно представлена крупной центральной вакуолью, занимающей до 95% объема клетки и играющей важную роль в поддержании тургорного давления;
· особый тип роста клеток путем растяжения (за счет увеличения объема вакуоли);
· тотипотентность, то есть возможность регенерации полного растения из дифференцированной растительной клетки;
· есть еще одна деталь, отличающая растительные клетки от клеток животных: у растений при делении клеток не выражены центриоли.
Строение клетки в самом общем виде известно вам еще из курса общей биологии и при подготовке к вступительным экзаменам вы достаточно хорошо штудировали эту тему. Эта тема в разных аспектах рассматривается и в соответствующих университетских курсах (например, зоология беспозвоночных, низшие растения). Кроме того, более детальное знакомство с клеткой на высоком уровне предстоит в курсе «цитология». Нам же важно акцентировать внимание на специфических особенностях строения растительной клетки, причем преимущественно клетки высшего растения.
При самом поверхностном рассмотрении структуры типичной растительной клетки в ее составе обнаруживаются три основных компонента:
1. клеточная стенка,
2. вакуоль, занимающая в зрелых клетках центральное положение и заполняющая практически весь их объем и
3. протопласт, оттесняемый вакуолью к периферии в виде постенного слоя.
4. Именно эти компоненты обнаруживаются на малом увеличении светового микроскопа. Причем клеточная оболочка и вакуоль являются продуктами жизнедеятельности протопласта.
Живое тело клетки? протопласт состоит из органоидов, погруженных в гиалоплазму. К организмам клетки относятся: ядро, пластиды, митохондрии, диктиосомы, эндоплазматический ретикулум, микротельца и др. Гиалоплазма с органеллами за вычетом ядра составляет цитоплазму клетки.
Для выражения размеров субклеточных структур используются определенные меры длины: микрометр и нанометр.
Микрометр в системе единиц измерения СИ величина, равная 10-6 м. Говоря другими словами, микрометр (аббревиатура мкм) составляет 1/1000000 долю метра и 1/1000 долю миллиметра. 1 мкм = 10-6 м. Старое название этой меры микрон.
Нанометр в той же системе представляет миллионную долю миллиметра 1 нм = 10-9 м и тысячную долю микрометра.
Размеры и форма растительных клеток варьируются в широком диапазоне. В типичном случае размеры клеток высшего растения колеблются в пределах 10 - 300 мкм. Правда, встречаются клетки - гиганты, например, клетки сочной мякоти плодов цитрусовых составляют в поперечнике несколько миллиметров или чрезвычайно длинные лубяные волокна у крапивы достигают 80 мм длины при микроскопической толщине.
По форме различают изодиаметрические клетки, у которых линейные размеры во всех направлениях равны или отличаются незначительно (то есть длина, ширина и высота этих клеток сопоставимы). Такие клетки называют паренхимными (паренхима).
Сильно вытянутые клетки, у которых длина во много раз (иногда в сотни и тысячи) превышает высоту и ширину, называют прозенхимными (прозенхима).
Методы изучения растительной клетки
Для изучения клеток разработано и применяется множество методов, возможности которых определяют уровень наших знаний в этой области. Успехи в изучении биологии клетки, включая наиболее выдающиеся достижения последних лет, как правило, связаны с применением новых методов. Поэтому для более полного понимания клеточной биологии необходимо иметь хотя бы некоторое представление о соответствующих методах исследования клетки.
Световая микроскопия
Самым древним и, вместе с тем, наиболее распространенным методом изучения клетки является микроскопия. Можно сказать, что и начало изучения клетки было положено изобретением светового оптического микроскопа.
Невооруженный человеческий глаз имеет разрешающую способность около 1/10 мм. Это означает, что если вы смотрите на две линии, которые находятся друг от друга на расстоянии меньше 0,1 мм, они сливаются в одну. Чтобы различить структуры, расположенные более тесно, применяют оптические приборы, например, микроскоп.
Но возможности светового микроскопа не безграничны. Предел разрешения светового микроскопа задается длиной световой волны, то есть оптический микроскоп может быть использован только для изучения таких структур, минимальные размеры которых сопоставимы с длиной волны светового излучения. Лучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0.2 мкм (или 200 нм), то есть примерно в 500 раз улучшает человеческий глаз. Теоретически построить световой микроскоп с большим разрешением невозможно.
Многие компоненты клетки близки по своей оптической плотности и без специальной обработки практически не видны в обычный световой микроскоп. Для того, чтобы сделать их видимыми, используют различные красители, обладающие определенной избирательностью.
В начале XIX в. Возникла потребность в красителях для окрашивания текстильных тканей, что в свою очередь вызвало ускоренное развитие органической химии. Оказалось, что некоторые из этих красителей окрашивают и биологические ткани и, что было уж совсем неожиданно, часто предпочтительно связываются с определенными компонентами клетки. Использование таких избирательных красителей дает возможность более тонко исследовать внутреннее строение клетки. Приведем лишь несколько примеров:
· краситель гематоксилин окрашивает некоторые компоненты ядра в синий или фиолетовый цвет;
· после обработки последовательно флороглюцином и затем соляной кислотой одревесневшие оболочки клеток становятся вишнево - красными;
· краситель судан III окращивает опробковевшие клеточные оболочки в розовый цвет;
· слабый раствор йода в йодистом калии окрашивает крахмальные зерна в синий цвет.
Для проведения микроскопических исследований большую часть тканей перед окраской фиксируют. После фиксации клетки становятся проницаемыми для красителей, а структура клетки стабилизируется. Одним из наиболее распространенных фиксаторов в ботанике является этиловый спирт.
Фиксация и окрашивание не единственные процедуры, используемые для приготовления препаратов. Толщина большинства тканей слишком велика, чтобы их сразу можно было наблюдать при высоком разрешении. Поэтому выполняют тонкие срезы на микротоме. В этом приборе использован принцип хлеборезки. Для растительных тканей изготавливают чуть более толстые срезы, чем для животных, поскольку клетки растений обычно крупнее. Толщина срезов растительных тканей для световой микроскопии около 10 мкм - 20 мкм. Некоторые ткани слишком мягкие, чтобы из них сразу же можно было получить срезы. Поэтому после фиксации их заливают в расплавленный парафин или специальную смолу, которые пропитывают всю ткань. После охлаждения образуется твердый блок, который затем режется на микротоме. Правда, для растительных тканей заливка применяется значительно реже, чем для животных. Это объясняется тем, что растительные клетки имеют прочные клеточные стенки, составляющие каркас ткани. Особенно прочны одревесневшие оболочки.
Однако заливка может нарушить структуру клетки, поэтому применяют еще и другой метод, где эта опасность уменьшена? быстрое замораживание. Здесь можно обойтись без фиксации и заливки. Замороженную ткань режут на специальном микротоме (криотоме).
Замороженные срезы, приготовленные таким способом, имеют явное преимущество, поскольку в них лучше сохраняются особенности естественной структуры. Однако их труднее готовить, а присутствие кристаллов льда все же нарушает некоторые детали.
Микроскопистов всегда беспокоила возможность потери и искажения некоторых компонентов клетки в процессе фиксации и окраски. Поэтому полученные результаты проверяют другими методами.
Весьма заманчивой представлялась возможность исследовать под микроскопом живые клетки, но так, чтобы более отчетливо проявились детали их строения. Такую возможность дают особые оптические системы: фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. Хорошо известно, что световые волны, подобно волнам воды, могут интерферировать друг с другом, увеличивая или уменьшая амплитуду результирующих волн. В обычном микроскопе, проходя через отдельные компоненты клетки, световые волны меняют свою фазу, хотя человеческий глаз этих различий не улавливает. Но за счет интерференции можно преобразовать волны, и тогда разные компоненты клетки можно отличить друг от друга под микроскопом, не прибегая к окрашиванию. В этих микроскопах используют 2 пучка световых волн, которые взаимодействуют (налагаются) друг на друга, усиливая или уменьшая амплитуду волн, поступающих в глаз от разных компонентов клетки.
Электронная микроскопия
Возможности светового микроскопа, как уже было сказано, ограничиваются длиной волны видимого света. Его максимальная разрешающая способность составляет примерно 0.2 мкм.
Большой шаг вперед был сделан в микроскопии в 20-х годах нашего века, когда было обнаружено, что соответствующим образом подобранные электромагнитные поля можно использовать подобно линзам для фокусирования пучков электронов.
Длина волны электрона значительно меньше, чет длина волны видимого света, и если вместо света использовать электроны, то предел разрешения микроскопа может быть заметно снижен.
На основе всего этого был создан микроскоп, в котором вместо света используется пучок электронов. Первый электронный микроскоп сконструировали в 1931 г. Кнолл и Руска в Германии. Прошло, однако, много лет, прежде чем появилась возможность изучать при помощи этого микроскопа срезы тканей. Лишь в 50-е годы были разработаны методы изготовления срезов, обладающих необходимыми качествами. С этого времени началась новая эра микроскопии, и в науку буквально хлынул поток информации о тонком строении клеток (ультраструктуре клеток).
Сложности электронной микроскопии состоят в том, что для исследования биологических образцов необходима специальная обработка препаратов.
Первая трудность заключается в том, что электроны обладают очень ограниченной проникающей способностью, поэтому следует изготавливать ультратонкие срезы, толщиной 50 - 100 нм. Для того, чтобы получить столь тонкие срезы, ткани сперва пропитывают смолой: смола полимеризуется и формирует твердый пластмассовый блок. Затем с помощью острого стеклянного или алмазного ножа срезы нарезают на специальном микротоме.
Есть еще одна трудность: при прохождении через биологическую ткань электронов не получается контрастного изображения. Для того, чтобы получить контраст, тонкие срезы биологических образцов пропитывают солями тяжелых металлов.
Существует два основных типа электронных микроскопов. В трансмиссионном (просвечивающем) микроскопе пучок электронов, проходя сквозь специально подготовленный образец, оставляет его изображение на экране. Разрешающая способность современного трансмиссионного электронного микроскопа почти в 400 раз больше светового. Эти микроскопы имеют разрешающую способность около 0,5 нм (для сравнения: диаметр атома водорода около 0,1 нм).
Несмотря на столь высокое разрешение, просвечивающие электронные микроскопы имеют крупные недостатки:
· приходится работать с фиксированными материалами;
· изображение на экране получается двумерным (плоским);
· при обработке тяжелыми металлами разрушаются и видоизменяются некоторые клеточные структуры.
Трехмерное (объемное) изображение получают с помощью сканирующего электронного микроскопа (ЭМ). Здесь луч не проходит через образец, а отражается от его поверхности.
Исследуемый образец фиксируют и высушивают, после чего покрывают тонким слоем металла? операция называется оттенением (образец оттеняют).
В сканирующем ЭМ сфокусированный электронный пучок направляется на образец (образец сканируют). В результате металлическая поверхность образца испускает вторичные электроны слабой энергии. Они регистрируются и преобразуются в изображение на телевизионном экране. Максимальное разрешение сканирующего микроскопа невелико, около 10 нм, но зато изображение получается объемным.
Метод замораживания-скалывания
Принципиально новые возможности электронной микроскопии открылись сравнительно недавно, после разработки метода «замораживания - скалывания». С помощью этого метода исследуются тончайшие детали строения клетки, при этом получается объемное изображение в трансмиссионном электронном микроскопе.
При обычном замораживании в клетках образуются кристаллики льда, которые заметно искажают их структуру. Во избежание этого клетки замораживают очень быстро при температуре жидкого азота (- 196¦ С). При таком мгновенном замораживании кристаллы льда не успевают образоваться, и клетка не испытывает деформаций.
Замороженный блок раскалывают лезвием ножа (отсюда и название метода). Затем, обычно в вакуумной камере, избыток льда удаляют возгонкой. Эта операция называется травлением. После травления более резко обозначается рельеф в плоскости скола. Полученный образец оттеняется, то есть на поверхность образца напыляется тонкий слой тяжелых металлов. Однако весь фокус состоит в том, что напыление производится под углом к поверхности образца. Это очень важный момент. Появляется эффект тени, изображение выглядит объемным.
В трансмиссионном микроскопе электронный луч способен проникнуть только через очень тонкие срезы. Обычная толщина оттененных образцов чрезмерно велика, поэтому органическую материю, подстилающую слой металла, необходимо растворить. В результате остается тонкая металлическая реплика (или отпечаток) с поверхности образца. Реплику и используют в трансмиссионном микроскопе.
Этот метод предоставил, например, уникальную возможность наблюдать внутреннее строение мембран клетки.
Дифференциальное центрифугирование
Помимо микроскопии, другим основным и широко распространенным методом изучения клеток является дифференциальное центрифугирование или фракционирование.
Принцип метода состоит в том, что при центрифугировании развивается центробежная сила, под воздействием которой взвешенные частицы оседают на дно центрифужной пробирки.
После того, как в начале 40-х годов начали использовать ультрацентрифугу, разделение клеточных компонентов стало вполне реальным.
Прежде, чем подвергнуть клетки центрифугированию, их необходимо разрушить - разрушить жесткий каркас клеточных оболочек. Для этого используют различные методы: ультразвуковую вибрацию, продавливание через маленькие отверстия или самое обычное измельчение растительных тканей пестиком в фарфоровой ступе. При осторожном применении методов разрушения можно сохранить некоторые органеллы целыми.
При высокоскоростном центрифугировании крупные компоненты клетки (например, ядра) быстро оседают (седиментируют), при относительно низких скоростях и образуют осадок на дне центрифужной пробирки. При более высоких скоростях в осадок выпадают более мелкие компоненты, такие как хлоропласты и митохондрии.
То есть при центрифугировании компоненты клетки распадаются на фракции: крупные и мелкие, поэтому второе название метода? фракционирование. При этом, чем выше скорость и длительность цетрифугирования, тем мельче полученная фракция.
Скорость седиментации (осаждения) компонентов выражается с помощью коэффициента седиментации, обозначаемого S.
Этапы дифференциального центрифугирования: низкая скорость (ядра, цитоскелет), средняя скорость (хлоропласты), высокая скорость (митохондрии, ризосомы, микротельца), очень высокая скорость (рибосомы).
Фракционированные клеточные экстракты, называемые также бесклеточными системами, широко используются для изучения внутриклеточных процессов. Только работая с бесклеточными экстрактами, можно установить детальный молекулярный механизм биологических процессов. Так, использование именно этого метода принесло триумфальный успех в изучении биосинтеза белка.
Ну и вообще, чистые фракции внутриклеточных структур можно подвергать любым видам анализа.
Метод культуры клеток
Клетки животных, выделенные в культуру (то есть помещенные на питательную среду), погибают после определенного числа делений, поэтому считаются трудным и неудобным объектом для культивирования. Другое дело клетки растений, способные делиться неограниченное число раз.
Метод культуры клеток облегчает изучение механизмов клеточной дифференциации у растений.
На питательной среде клетки растений образуют однородную недифференцированную клеточную массу- каллус. Каллус обрабатывают гормонами. Под влиянием гормонов клетки каллуса могут давать начало разным органам.
СТРОЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Растительная живая клетка, сформировавшейся нормально, состоит из протоплазмы, ядра, пластид, хондриосом, включений, клеточного сока и оболочки. Живые составные части клетки, ее органоиды (протоплазма, ядро, пластиды и хондриосомы) часто объединяются под общим названием - протопласт.
Протопласт является основой живой растительной клетки, наличие его предопределяет обмен веществ. Все жизненные явления растений - питание, рост, и т.д. - происходят благодаря наличию в клетке живого содержимого - протопласта. В результате жизнедеятельности протопласта в клетке образуются различные включения и оболочка ее. Все части клетки связаны между собой, взаимно обусловливают друг друга и в общей своей совокупности определяют жизненные свойства клетки.
Протоплазма. Наиболее существенной частью протопласта клетки являются протоплазма, которая иногда называется еще цитоплазмой, или плазмой. Протоплазма представляет собой слизистое бесцветное, вязкое, полужидкое вещество. Внешним видом зона похожа отчасти на белок сырого куриного яйца.
Химический состав протоплазмы. По химическому составу протоплазма представляет собой, окладной (комплекс веществ, который в отдельных типах клеток имеет свои характерные особенности. В состав протоплазмы входят различные органические соединения, минеральные (неорганические) вещества и в большом количестве вода (до 60-80% от общего веса протоплазмы). Основная часть органических соединений протоплазмы состоит из белков (более 50%), которые называются конституционными в отличие от белков, входящих в оклада включений клеток.
Кроме белков, в состав протоплазмы входят углеводы, жиры и сложные по своему содержанию жироподобные вещества - липоиды. Липоиды играют существенную роль в процессе поступления веществ в клетку. Они не растворяются в воде и является составной частью поверхностного слоя протоплазмы - плазмалемме. Наличие липоидов в этом слое протоплазмы способствует проникновению в клетку таких веществ, которые не растворяются в воде, но растворимы в липоидов.
Химический состав протоплазмы не является постоянным, неизменным. Напротив, как показали исследования с помощью радиоактивных изотопов, в живых клетках всегда происходит некоторое изменение химического состава протоплазмы.
При некоторых физиологических состояниях протоплазма по своему строению приближается к твердому телу. Так, например, в клетках различных семян протоплазма очень густая, содержит всего 8 - 16% воды, но сохраняет жизнеспособность. С изменением условий - при доступе достаточного количества воды, воздуха и при наличии необходимой температуры - протоплазма клеток видоизменяется, разжижается, и семя выходит из состояния покоя.
Физические свойства протоплазмы. По своему физическому строению протоплазма представляет собой сложную систему коллоидов. Характерной особенностью вещества, находящегося в колидному состоянии, чрезвычайно сильна ее раздробленность (дисперсность). Частицы такого раздробленного вещества находятся в окружающей среде во взвешенном состоянии и непрерывном, колебательном движении, они не кристаллизируются и не проходят через перепонки растительного или животного происхождения. Размеры коллоидных частиц очень малы - 0,1-0,001 м и мельче.
Коллоиды имеют очень высокую гидрофильность, т.е. способность присоединять к себе большое количество воды. При впитывании воды коллоиды сильно отекают и в то же время остаются резко отграниченными от воды.
Одной из важных особенностей протоплазмы живой клетки и есть способность не смешиваться с водой. Эта особенность протоплазмы имеет исключительное значение в жизнедеятельности клетки.
Причины способности протоплазмы не смешиваться с водой, окружающей ее далеко не выяснены, есть предположение, что протоплазма окружена очень тонким слоем особого вещества, которая не растворяется в воде.
Коллоидное состояние протоплазмы предопределяет всю сложность поступления веществ в клетку. Как уже отмечалось, основная масса протоплазмы состоит из воды, однако ее нельзя считать простой жидкостью. От обычной жидкости протоплазма отличается такими свойствами. При наличии большого количества воды она имеет значительную вязкость, которая не свойственна простой жидкости. Протоплазма обладает эластичностью, она вытягивается в тонкие нити, не разрываясь, что также свойственно жидкости.
Это указывает на наличие связи между частицами протоплазмы, т.е. на наличие у нее определенной структуры. Таким образом, протоплазма, несмотря на жидкое состояние, имеет отличие от обычных жидкостей очень тоненькую микроскопическую структур, строение, которое, однако, не является постоянным, а все время меняется в процессе жизнедеятельности и развития клетки. Микроструктура протоплазмы неодинакова даже в отдельных слоях протоплазмы. Это объясняется тем, что вещества, из которых состоит протоплазма живой клетки, непрерывно находятся во взаимодействии как друг с другом, так и с веществами, которые поступают в клетку.
У молодых клеток можно обнаружить два, а у старых три слоя протоплазмы. Первый поверхностный слой протоплазмы прилегает к оболочке клетки в виде тончайшей пленки, лишенной зернистого строения. Этот слой протоплазмы называется плазма л е м о й.
Второй слой составляет основную массу протоплазмы, должен чаще зернистое строение и называется мезоплазмою. Третий слой протоплазмы образуется в более развитых клетках, в которых в центре появляются специальные полости, называемые вакуолями. Вакуоли заполнены не протоплазмой, а клеточным соком. Третий слой протоплазмы - внутренняя тончайшая пленка, которая прилегает к вакуоли, - называется тонопластом.
Различные теории о постоянной структуре протоплазмы (гранулярная, зернистая, нитчатая, или фибриллярные), существовавшие ранее, были построены на наблюдениях за мертвой протоплазмой после воздействия на нее различными химическими препаратами, которые убивали ее и искажали истинном строении протоплазмы.
В процессе жизнедеятельности клетки протоплазма не остается постоянной, неизменной. Протоплазма легко разрушается под воздействием как низких, так и высоких температур. Губительно действуют на нее и химические вещества определенной концентрации. Чувствительность же протоплазмы к различным неблагоприятным факторам неодинакова. Например, протоплазма в клетках листьев или стеблей при повышении окружающей температуры до 60-70 °С может ссаживаться (явление коагуляции) и терять свое нормальное состояние и жизненные свойства. Протоплазма же клеток сухих семян выдерживает нагревание до 80-100 °С, а протоплазма в прорастающих семян, когда она находится в жидком состоянии, погибает уже при нагревании до 50-60 ° С.
Наличие внешнего и внутреннего слоев протоплазмы имеет большое значение в жизни клетки, так как они имеют свойство полупроницаемости. Свойство полупроницаемости протоплазмы заключается в том, что слои протоплазмы легко пропускают одни вещества и трудно или совсем не пропускают другие, то есть имеют избирательную способность. Это свойство протоплазмы играет существенную роль в обмене веществ клеток и в явлениях и плазмолиза.
Движение протоплазмы. В живых клетках протоплазма обладает способностью двигаться. Интенсивность движения протоплазмы внутри клетки выявлена у разных растений неодинаково. На движение протоплазмы имеют большое влияние различные условия, в том числе температура. Низкая и очень высокая температуры (более 50 °С) задерживают движение протоплазмы.
Различают два вида движения протоплазмы: вращательное и струйное. Вращательным, или круговым, движением протоплазмы называется такой, при котором протоплазма движется вдоль оболочки клетки в одном направлении. Такое движение протоплазмы наблюдается обычно в молодых клетках.
Струйным движением протоплазмы называется такой, при котором протоплазма способна двигаться внутри клетки в нескольких направлениях, образуя различные потоки. Это движение протоплазмы наблюдается в старых клетках, с вакуолями, которые образовались.
Вокруг этих вакуолей размещается протоплазма в виде трех стенных слоев и тяжей.
Движение протоплазмы хорошо заметно в микроскоп при большом увеличении в клетках листа элодея, валиснерии, в волосках крапивы, традесканции, когда протоплазмой передвигаются и пластиды. Движение протоплазмы зависит от внешних условий.
Явление движения протоплазмы имеет большое значение в жизни клетки - оно способствует интенсивному обмену веществ.
Ядро. Ядро клетки является одним из основных, постоянных элементов ее. Всякая живая клетка имеет ядро. Только у бактерий и в некоторых водорослей (сине-зеленых) оно отсутствует или неясно обнаружено. По современным данным, это объясняется тем, что в упомянутых низших растений ядерное вещество находится в диффузном (рассеянном) состоянии.
Ядро по химическому составу и физическим строением отличается от протоплазмы. По консистенции оно гуще и имеет большую вязкость, чем протоплазма. В состав его входят сложные белки - нуклеопротеиды, содержащие нуклеиновые кислоты (главным образом рибонуклеиновую - РНК и дезоксирибонуклеиновую-ДНК).
Ядро в состоянии покоя всегда углубленно в протоплазму и не смешивается с ним.
В ядре различают: ядерную оболочку, внутреннее содержание и одно или несколько ядрышек. Эти составные части бывают хорошо заметны, особенно когда на ядро действуют красителями. В состоянии покоя ядро отмежевывается от протоплазмы ядерной оболочкой в, виде очень тонкой пленки, при делении его исчезает и потом в конце процесса деления вновь появляется.
Внутреннее содержимое ядра имеет сложное строение и называется кариоплазма, или ядерной плазмой. Ядерная плазма состоит из двух основных элементов: хроматина и ядерного сока.
Хроматин состоит из особого вещества, легко окрашивается, конечно мелкозернистого строения. Хроматин иногда образует будто тончайшую сетку, заполняющей полость ядра. По своему химическому составу хроматин имеет белковое строение, но сложную, чем в протоплазмы.
Вся хроматиновая сетка погружена в более жидкую, не окрашенную часть ядра - ядерный сок. Непосредственно в ядре клетки хорошо заметно одно или несколько ядрышек, отличающиеся еще гуще консистенции, чем ядро.
Местоположение ядра в клетке изменяется с возрастом. В молодых клетках оно расположено в центре, а в старых - чаще ближе к оболочке клетки.
Размер ядра клеток различных растений колеблется от 1 - до 1,5 мм. Крупные ядра имеют клетки орхидей, лилий и саговников, а мельчайшие - грибов.
Форма ядра меняется с возрастом клетки. В молодых клетках оно обычно округлое, в старых клетках очертание ядра изменяется и приобретает овальной или дисковидные формы.
Части клетки растений имеют одно ядро, но существуют также двух ядерные и многоядерные клетки. В высших цветковых растений клетки обычно одноядерные, многоядерные клетки часто имеют грибы. Многоядерность присуща и одноклеточным водорослям - каулерпы, вошерии, ботридию и др..
Функции ядра клетки разнообразны и сложны. Ядро является центром управления жизнедеятельностью клетки. Считается, что такие жизненные функции клетки, как рост, обмен веществ, образование клеточной оболочки, деление клетки, неразрывно и связанные с наличием в клетке ядра. Оно способно выделять различные ферменты (катализаторы), без которых обмен веществ в клетке невозможен.
Ядро выполняет вместе с протоплазмой весьма существенную жизненную функцию при размножении клеток: деление клеток без ядра не происходит. Еще в 90-х годах прошлого века русский ученый проф. И. Герасимов, экспериментально исследуя функции ядра, установил эту исключительную роль его в жизни клетки.
Деления клетки предшествует деление ядра. Сначала делится внутри клетки ядро, а потом делится сама клетка.
Известно, что ядро не может существовать без протоплазмы так же, как и протоплазма не может существовать без ядра клетки, и поэтому нельзя приписывать монопольную роль ядру в физиологических явлениях клетки и, в частности, в передаче наследственных признаков.
Роль ядрышек, которых бывает в ядре одно или несколько, в жизни клетки остается еще далеко не выясненной. Ряд исследователей считает, что ядрышки играют важную роль в синтезе белка протоплазмы. Ядрышка всегда находятся внутри ядра и имеют чаще шарообразную форму.
Пластиды. Кроме протоплазмы и ядра, составной частью протопласта растительной клетки зеленых растений есть пластиды. Пластиды присущие только клеткам растений. В клетках животных пластид нет. У представителей же растительного мира пластиды отсутствуют только у бактерий, грибов и слизевиков.
Пластиды представляют собой живые белковые тельца. Они разные как по форме, так и по функциям и обычно окрашены в определенный цвет. Они всегда в протоплазме, имеют густую консистенцию, поэтому их хорошо видно в микроскоп.
Пластиды способны расти, размножаться поперечным перешнуровыванием и вместе с протоплазмой передвигаться. Внутри клетки. В пластидах вырабатываются органические образования, которые являются; вместилищами ферментов.
Каждая пластида состоит из бесцветной протоплазматической основы, называется стромой, и красителя - пигмента. Если добыть краситель, то строма пластид сохраняет свою форму.
В зависимости от окраски, функции и формы различают три основных типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.
Хлоропласты - пластиды зеленого цвета, обусловливается наличием в хлоропластах пигмента хлорофилла. Наличие хлорофилла характерна для всех зеленых растений, с его участием в растениях осуществляется процесс фотосинтеза. Хлоропласты имеют чаще всего форму дискообразных зернышек, которые нередко называются хлорофилловыми зернами. У некоторых растений хлоропласты имеют форму веретенообразных и шаровидных зерен. У водорослей эти пластиды бывают Разнообразных форм в виде пластинок, лент, чашевидных телец, и называются хроматофорами.
Большая часть хлоропластов встречается в вегетативных органах растения - листьях и стеблях. Зеленый цвет всех растений обусловливается наличием в клетках этих пластид.
Хлорофилл - зеленый пигмент, который пропитывает строму хлоропласта, имеет сложное строение. По сути, хлорофилловые зерна зачастую содержат 4 пигменты: 2 хлорофилла - 2 каротиноида - каротин и ксантофил. Как показали исследования советского ученного М. С. Цвету, первый зеленый пигмент - хлорофилл а имеет синеватый оттенок, а второй - хлорофилл б-имеет желтоватый оттенок. Каротин имеет оранжевый, а ксантофил золотисто-желтую окраску. Теперь каротиноидов описано всего около 50. Конечно собственно хлорофилл - зеленый пигмент - значительно преобладает над каротиноидами, которые в нормальных условиях - роста растений остаются незаметными или слабо выраженными.
Хлорофилл имеет сложное химическое строение, похожее на строение красителя гемоглобина крови.
Величина хлоропластов обычно равен 4 - 6 С, а число их в отдельных клетках цветковых растений колеблется в пределах 20 - 50 шт.
Роль хлоропластов в жизни растений очень велика. В хлоропластах растений, главным образом в листьях, происходит сложный физиологический процесс - ассимиляция, или фотосинтез.
Хромопласты - пластиды желтого или оранжевого цвета. Окраска хромопластов обусловлено, наличием в этих пластидах двух пигментов: каротина - оранжевого цвета и ксантофила - золотисто-желтого цвета. Хромопласты встречаются преимущественно в лепестках цветков, в плодах растений (помидоры, шиповник, апельсины), реже в корнях (морковь). По форме хромопласты хорошо отличаются от других пластид, они имеют форму треугольных пластинок, палочек. Благодаря яркой окраске цветков и плодов растений от наличия хромопластов они хорошо заметны, что способствует лучшему посещению цветков насекомыми, а плодов птицами.
Лейкопласты-бесцветные пластиды, имеющие форму округлых зернышек. Эти пластиды образуются обычно в молодых надземных органах, а также в подземных органах и семян. Лейкопласты часто называют крахмалообразователями, потому что в них образуется и откладывается вторичный (запасной) крахмал в виде мелких зернышек.
Процесс образования пластид в растительных клетках окончательно еще не изучен. Большинство ученых склонны считать, что пластиды образуются из хондриосом, но существует и другое мнение - о происхождении пластид по особым мелких зернистых образований протоплазмы - протопласты.
Часто можно наблюдать у растений переход одного типа пластид в другой. Плоды помидоров, например, сначала бывают зеленые, в этой фазе плодов в клетках существуют хлоропласты, в период созревания плоды помидоров становятся оранжево от наличия хромопластов. При наличии необходимых условий (свет) лейкопласты способны накапливать в себе зеленый пигмент - хлорофилл и, следовательно, превращаться в хлоропласты. Переход лейкопластов в хлоропласты можно наблюдать в клубнях картофеля, когда они во время роста почему-то оказываются на поверхности почвы. Если же клубни картофеля, позеленели, засыпать землей, хлоропласты переходят в лейкопласты.
Хондриосомы. Хондриосомы - это мелкие тельца в виде зернышек, палочек и ниточек, всегда в протоплазме. По физиологическим свойствам хондриосомы схожи с протоплазмой, они также состоят преимущественно из белковых веществ, но имеют более густую консистенцию, чем протоплазма.
Хондриосомы найдено в протоплазме клеток почти всех растений, за исключением некоторых низших - водорослей, бактерий. В живых клетках хондриосомы находятся все время в движении. Полагают, что хондриосомы участвуют в дыхании клеток, накоплении эфирных масел, дубильных веществ, крахмала. С хондриосом, как уже отмечалось, образуются пластиды. Размножаются хондриосомы преимущественно делением.
Внутриклеточные включения. В процессе жизнедеятельности клетки протопласт ее производит различные вещества, которые рассматриваются как второстепенные части клетки и обычно называются включениями в клетку. Включение в клетку очень разнообразны. К ним относятся форменные неактивные образования в виде жировых капель, кристаллов белков, зерен крахмала. Это так называемые эргастичные вещества.
К включений клетки относятся также клеточный сок и растворенные в нем различные соли, сахары, кристаллы минеральных солей и т. д. Часть включений используется растениями на питание, а некоторые откладываются в различных частях растения в виде запасных питательных веществ.
Среди большого разнообразия запасных питательных веществ растительной клетки чаще других встречаются углеводы, жиры и белки.
Крахмал. Распространенным, из углеводных включений в растительной клетке является крахмал. Крахмал откладывается в пластидах в виде зерен различной формы эллиптической, шаровидной, многогранной, палочковидные. Различные виды растений отличаются формой и величиной крахмальных зерен. Зерна крахмала картофеля овальной формы и сравнительно большие, тогда как зерна крахмала риса многогранней и очень мелкие, зерна крахмала пшеницы круглые и т. д.
Слоистость зерен крахмала - чередование темных и светлых слоев - обусловливается неодинаковым содержанием воды в этих слоях, а следовательно, и неодинаковым преломлением света в разных слоях зерна. Слоистость крахмальных зерен бывает выявлена резко (клубни картофеля, семян гороха и фасоли) или слабо (зерновки ржи, пшеницы, ячменя), она может быть концентрической (семена гороха, бобов) или эксцентричной (клубни картофеля), когда слои крахмальных зерен имеют неравномерную толщину.
Различают простые, полусложные и сложные зерна крахмала. Простые зерна крахмала одиночные, различной формы-яйцевидные, эллипсовидные, линзовидную, многогранные и др.., Они имеют один образовательный центр. Сложные имеют несколько образовательных центров и вокруг каждого из них размещаются слои. Полусложные зерна имеют в центре изолированные слои вокруг центра, которые окружены ближе к периферии еще общими слоями.
Содержание крахмала в растениях различных родов неодинаков. Разное количество его содержится и в отдельных частях растений. Большое количество крахмала является в зерне риса (62-82%), пшеницы (57 - 75%), кукурузы (57-72%). Много крахмала содержится в клубнях картофеля. Размер крахмальных зерен различных растений разнообразен. В среднем они составляют 5-20 но есть и такие, что достигают 150 -и более.
Крахмальные зерна в холодной воде не растворяются. В горячей воде они неограниченно отекают, расплываются в клейкую массу и образуют клейстер. Гидролизуется крахмал в непрочных растворах кислот, от действия которых переходит в сахар. В живых растительных клетках крахмал под воздействием ферментов (катализаторов) амилазы и мальтазы гидролизуется в виноградный сахар, или глюкозу.
Различают ассимилирующий, транзиторный и по-пасном крахмал. Ассимилирующий, или первичный, крахмал образуется в процессе фотосинтеза в виде щепотке зерен
преимущественно в клетках листьев. Здесь под влиянием ферментов он превращается в сахары, которые в растворенном виде поступают в органы растения, где снова превращаются в крахмал - вторичный, или запасной. В отдельных растений запасной крахмал откладывается в лейкопласты различных органов - в клубнях, корнях, семенах, корневищах, плодах.
Транзиторный, или передающий, крахмал находится на путях передвижения от фотосинтезирующих органов (листья) в органы - вместилищ. Под действием раствора йода крахмал окрашивается в синий цвет. Это характерная реакция на крахмал.
Как запасной углевод, крахмал используется растениями в процессе обмена веществ. В промышленности крахмал широко применяется для получения глюкозы, из которой далее добывают спирт.
Из других углеводов в растительных клетках образуются сахары, инулин, который есть в клеточном соке в растворенном состоянии.
Жиры. В протоплазме клеток жирные масла образуются в виде капель разной величины. Реже они встречаются в клеточном соке и в пластидах. Больше жирных масел накапливается в семени, особенно в семени так называемых масличных культур (подсолнечник, лен, конопля, хлопок, соя, арахис и др.). Семена сои и арахиса содержит масла более 50%, зерно пшеницы до 2%, кукурузы до 6% (на сухое вещество). Жирные масла растений человек широко использует в пищу и в промышленности.
Эфирные масла. Эфирные масла встречаются в клетках в виде капель и представляет собой сложную смесь органических соединений. Они летучие и имеют очень сильный запах. Большое количество эфирных масел содержится в клетках эфиромасличных растений (мята, герань, роза, тмин, эвкалипт, апельсин, лимон).
Эфирные масла растений широко используются в парфюмерной, косметической, пищевой, мыловаренной промышленности. Содержание эфирных масел в растениях очень незначительно. В цветках и плодах они исчисляются десятыми долями процента (на сырой вес). Например, для получения 1 г эфирного масла розы требуется около 4 кг лепестков.
Белки. Белки встречаются во всех живых клетках, часто в виде кристаллов клубнеобразной формы. Они содержатся в ядре клетки, протоплазме и пластидах. Следует различать конституционные белки, которые составляют основу всего протопласта, и запасные белки, которые откладываются в семени в так называемых алейроновых, или протеиновых зернах. Больше алейроновых зерен содержится в семенах бобовых растений (горох, фасоль, соя, арахис и др.)..
В семенах бобовых растений Алейрон зерна содержатся в тех клетках, в которых есть и крахмальные зерна. В отличие от крахмальных зерен они мельче, овальной формы и при воздействии на них раствором йода окрашиваются в желтый цвет. В зерне злаков (пшеница, овес, ячмень) Алейрон зерна заполняют специальные клетки, расположенные под оболочкой семени в один или несколько слоев. Этот слой клеток называется алейроновым слоем.
Твердые отложения солей и кремнезема в клетках. В соке клеток различных видов растений нередко образуются твердые отложения в виде кристаллов, из которых чаще всего наблюдаются кристаллы щавелевокислой извести (в гвоздичных). Форма кристаллов разнообразна, они бывают одиночные и такие, сросшиеся в пучки или сростки. Кристаллы в виде пучков игл называются Рафид, а кристаллы в виде сростков называются друзами.
У некоторых растений в клетках образуются твердые отложения в виде цистолитов. Это своеобразные холмистые образования удлиненной гвоздеобразной формы, на тонкой ножке. Цистолиты представляют собой выросты оболочки клеток эпидермиса; они пропитаны углекислой известью и кремнеземом.
Клеточный сок. Молодые клетки растений бывают полностью заполнены протопластом, по мере же роста их внутри появляется большое количество мелких полостей, заполненных жидкостью - клеточным соком. Эти полости называются вакуолями. По мере роста клеток увеличиваются и вакуоли. В более старых клетках вакуоли нередко сливаются в один большой размер, зачастую занимает центральную часть клетки.
В клетках, имеющих одну центральную вакуоль, протоплазма размещается по стенкам. В этом пристенном слое протоплазмы содержатся ядро, пластиды и хондриосомы. Иногда ядро бывает в центре клетки, в таких случаях оно окружается протоплазмой, которая соединяется тонкими протоплазматическими тяжами с основным пристенным слоем протоплазмы клетки. В таких случаях тяжи протоплазмы разделяют центральную вакуоль на несколько вакуолей. Клеточный сок представляет собой жидкость которая выделяется протоплазмой, но не смешивается с ним. Как уже отмечалось, протоплазма взрослых клеток имеет три слоя, третий ее слой - тонопласт - задерживает проникновения клеточного сока в протоплазму. Клеточный сок - водный раствор различных органических и неорганических веществ. Основной составной частью его является вода, в которой растворены различные органические кислоты, сахары, различные соли, пигменты, белковые, дубильные вещества, алкалоиды, гликозиды и др… В зависимости от содержания упомянутых веществ клеточный сок растений имеет неодинаковый химический состав и вкусовые качества.
Химический состав клеточного сока у представителей разных видов растений разный. Неодинаков он и у сортов одного вида. Особенно это различие хорошо видно у сортов плодовых культур. Химический состав клеточного сока меняется и в пределах одного растения в зависимости от ее возраста. Примером могут быть плоды разной спелости на одном растении (яблоки, виноград, арбузы и др..). На изменение химического состава клеточного сока очень влияют внешние условия.
Органические кислоты (яблочная, лимонная, виноградная, щавелевая и др.). Предоставляют клеточному соку кислого вкуса. Действие кислот определяется свойствами их отбирать воду у тканей, связывать щелочи, т.е. изменять щелочную реакцию протоплазмы на кислую. Яблочная кислота содержится в большом количестве в яблоках, она есть и в плодах малины, рябины, барбариса. Лимонная кислота является в большом количестве в плодах лимона, смородины, крыжовника, земляники. В листьях табака и других растениях. На винную кислоту богатые плоды винограда, помидоров, шелковицы, ананаса. Щавелевая кислота часто бывает у разных видов щавеля, кислицы, ревеня и других растений.
Из многих других кислот, встречающихся в клеточном соке растений, следует упомянуть бензойную кислоту, которая накапливается в плодах брусники и клюквы. Эта кислота обладает свойством предохранять растения и их плоды от различных заболеваний.
В клеточном соке с сахаров встречаются глюкоза, или виноградный сахар, фруктоза, или плодовый сахар, свекловичный сахар, инулин. Сахары часто скапливаются в клеточном соке различных органов растений как запасные вещества. Сахароза, или тростниковый сахар, образуется многими растениями (стебли сахарного тростника, корни моркови, плоды арбузов, дынь, винограда и т. д.), но особенно много ее в стеблях сахарного тростника (до 50%) и в корнях (12 - 25%), из которых добывают сахар который используется нами в пищу.
В клеточном соке многих растений семейства сложноцветных (клубни земляной груши, корни одуванчика, георгины, цикория) встречается инулин. При воздействии спиртом инулин выпадает в виде сферокристаллов, т.е. шарообразных кристаллов, состоящих из большого количества тонких игл, которые плотно соприкасаются.
Алкалоидами называются сложные органические соединения, содержащие азот и имеют некоторые общие свойства с лугами. Алкалоиды часто представляют собой ядовитые вещества и придают растениям горького вкуса. В определенных дозах многие алкалоиды используются в медицине как лечебные средства. Роль алкалоидов в жизнедеятельности растения не совсем ясна. В растениях алкалоиды образуются как конечный продукт, обмена веществ, и поэтому часто их рассматривают как отбросы и как защитное средство растений от животных, не поедают растения с большим содержанием алкалоидов.
Обычно в клеточном соке растений алкалоиды содержатся в виде солей, растворенных в воде. В отдельных растений алкалоиды сосредоточены в различных органах: в плодах и семян (кофе, белладонна, мак), в стеблях (мак, белена, дурман), в коре (хинное дерево), в листьях (чай, люпин), в корневищах (аконит).
Большинство алкалоидов приспособлена к определенным растениям, но есть и такие растения, которые производят несколько алкалоидов. Так, например: в коре хинного дерева, кроме алкалоида хинина, есть еще 30 других алкалоидов; в молочном соке мака содержится около 22 различных алкалоидов. Некоторые алкалоиды используются как наркотики - никотин (табак), кофеин (кофе), морфин (мак).
Глюкозиды - сложные органические соединения, образующиеся в клеточном соке. Глюкозиды встречаются в большом количестве в группе лекарственных растений - ландыш, наперстянка, горицвет, полынь, пахучая трава, донник. Они легко растворяются в воде и спирте, горькие на вкус, иногда ядовитые, например, глюкозид соланин, который есть в плодах, семенах и молодых растениях картофеля.
Характерной, особенностью дубильных веществ является вяжущий вкус, наличие которого легко обнаружить в неспелых плодах черемухи, айвы, хурмы, рябины, груши, терна. Крепкий настой чая, в листьях которого есть дубильные вещества, имеет вяжущий вкус. Количество дубильных веществ в растениях бывают разные. Много их и в коре дуба, ивы, лиственницы, эвкалипта.
Роль дубильных веществ в жизни растений, так же как роль алкалоидов и глюкозидов, не совсем ясна. В клеточном соку они находятся в растворенном виде. При хранении плодов и при пониженной температуре дубильные вещества окисляются и количество их резко снижается. Дубильные вещества широко применяют в кожевенной промышленности при дублении кож. Под их влиянием кожи становятся мягкими, пригодными для изготовления различных вещей.
Окраски клеточного сока у разных растений зависит от наличия в растворенном в виде красителей - пигментов, чрезвычайно разнообразных по своей окраской (фиолетовые, синие, желтые, красные). Чаще всего в клеточном соке содержится пигмент антоциана, который есть в разных органах растений и придает им фиолетовой, синей и даже черной окраски.
Наличие антоциана хорошо видно в цветках многих растений (звонки, незабудки, фиалки, розы и др..). У многих растений фиолетовую окраску имеют. Лестницы (озимая рожь, пырей), в других - листья (красная капуста, бегония) или плоды (виноград, слива, черная смородина). На интенсивность проявления антоциана влияют внешние условия. Большое количество антоциана содержится в растениях Крайнего Севера. Доказано, что растения с большим содержанием антоциана отмечаются повышенной зимостойкостью.
Кроме антоциана, в растениях часто встречается желтый пигмент-антохлор, что приводит желтую окраску цветков ленка, георгин, коровяка, лядвенца. Не следует смешивать окраски пигмента клеточного сока с окраской пластид. В клеточном соке встречаются в растворенном виде минеральные вещества - нитраты, фосфаты, хлориды.
В клеточном соке растений есть особые органические соединения разнообразной химической природы - витамины.
Основоположником учения о витаминах является русский ученый М. И., Лунин, который еще в 1880 г. провел опыты по изучению значение витаминов в жизни животных. Теперь установлено более 30 различных витаминов. Обозначают их латинскими, буквами А, В, В1, В2, С, Б, и др.. Почти все витамины вырабатываются растениями в чистом виде, а в некоторых случаях в растениях образуются особые вещества - провитамины (например,. Провитамин А, то есть каротин), которые в животном организме переходят в витамины. Теперь витамины производят искусственно, синтетическим способом.
В живых растениях витамины активно участвуют в обмене веществ, в дыхательном процессе.
Сложные биохимические процессы, происходящие в растениях, связанные с деятельностью ферментов. Ферментами, или энзимами, называются особые органические вещества образующихся в растительных и животных организмах. Они являются биологическими катализаторами, то есть способны ускорять в организме разные процессы. Ферменты обладают белковыми происхождениями. Существует большое количество ферментов, но каждый из них имеет специфическое действие.
О наличии в растениях тех или иных ферментов судят по их действию. Так, например, фермент диастаза, который находится в большом количестве в зерне злаков, способствует гидролиза крахмала с образованием сахара-мальтозы. Фермент липаза приводит расщепление жира на глицерин и жирные кислоты. Фермент сахара вызывает гидролиз дисахаридов на простые сахары. Существуют специальные дыхательные ферменты, которые способствуют процессу дыхания, и др..
Ферменты обладают специфическим действием не только тогда, когда содержащиеся в живой клетке, но и тогда, когда их добывают из нее. Это свойство их широко используется в различных видах пищевой промышленности - винокурении, пивоварении, хлебопечении и др... Например, способность фермента диастазы быстро гидролизовать крахмал с образованием мальтозы - солодового сахара - используется при пивоварении и винокурении. Много сделали в деле изучения ферментов отечественные академики Н. Бах, А. И. Опарин и др..
Фитогормоны, особые же вещества, которые производятся протопластом, обладающие свойствами усиливать какой-либо физиологический процесс. Растительных гормонов существует много. Из них в практике сельского хозяйства в последнее время широко распространен гормон роста - ауксин, который ускоряет рост, а следовательно, увеличивает и урожай растений. Открытие гормонов и практическое применение в растениеводстве принадлежит советским ученым - Н. Г. Холодным, Н. А. Максимову, Ю. В. Ракитин.
Антибиотики - сложные химические вещества, образующиеся растениями и обладают способностью подавлять и даже убивать микроорганизмы. Антибиотики имеют избирательного способность действия, для одних микроорганизмов они губительны, для других безвредны. Используя эти свойства антибиотиков, медики широко применяют их при лечении различных инфекционных заболеваний. Действуя губительно на возбудителей заболеваний, антибиотики не оказывающие отрицательного воздействия на клетки тканей человека или животного. Теперь в медицине широко используются лечебные препараты из антибиотиков: пенициллин, стрептомицин, грамицидин и др..
Фитонциды - это также антибиотики, которые выделяются высшими растениями в виде летучих веществ. Выделяемые растениями летучие вещества губительно действуют на многие микроорганизмы. Большое количество фитонцидов выделяют такие растения, как чеснок, лук, хрен, черемуха, сосна и многие другие. Впервые указал на наличие фитонцидов в высших растений советский ученый проф. Б. П. Токин.
Многие растения выделяют густую жидкость - млечный сок, который чаще всего имеет белый окрас, но бывает желтого и красного цветов. Некоторые растения содержат в молочном соке каучук. Наибольшее количество каучука содержится в молочном соку тропического дерева гевеи - Неуеа, растущий в Бразилии и Индонезии.
Оболочка клетки. Почти все растительные клетки имеют твердую оболочку, которая в виде тонкой прозрачной перепонки тесно соприкасается с протоплазмой. У высших растений только половые клетки не имеют твердой оболочки.
Характерной особенностью клеточной оболочки является ее исключительная прочность. Она не растворяется в воде даже при кипячении. Не могут растворить ее многие кислоты, щелочи. Растворяется клеточная оболочка только в соляной кислоте и в специальном реактиве Швейцера - раствор окиси меди в аммиаке. Прочность оболочки клетки обусловливается тем, что она построена из очень устойчивым химическим соединением - , или клетчатки гемицеллюлозы, пектиновых веществ. Целлюлоза относится к сложным углеводам (полисахариды), ее химическая формула схожа с крахмалом. Однако при воздействии на нее йодом она не окрашивается в синий цвет.
Клеточная оболочка защищает протопласт от влияния различных внешних условий (от высыхания, механического повреждения).
Оболочки клетки образуют как бы скелет растения.
Оболочка клетки не остается неизменной, она растет в плоскости и в толщину. Растительная клетка в процессе жизнедеятельности растений значительно меняется, она увеличивается в размерах. С увеличением клетки в размере оболочка ее также разрастается чаще за счет растяжения. В зависимости от характера разрастания оболочки выходят клетки соответствующей формы. Клетки при равномерном разрастании оболочки выходят округлые или квадратные. При неравномерном разрастании оболочки клетки приобретают удлиненной или звездчатой формы.
Первичная оболочка молодых клеток тонкая, эластичная, прозрачная и однородная по строению. По мере роста клетки оболочка ее меняется, она утолщается, становится менее эластичной и несет химические изменение. Рост оболочки клетки в толщину происходит в результате образования вторичной оболочки, которая накладывается на первичную оболочку растущей клетки последовательными слоями, обычно с середины, реже извне.
В результате роста клеток в толщину оболочка ее чаще состоит из трех слоев: первичной, вторичной и оболочек.
У клеток с утолщенными оболочками внутренняя клеточная полость сильно сужается. Нередко утолщение оболочки происходит неравномерно и - отдельными участками. Рост оболочки клетки продолжается до определенного предела.
Растительные клетки не изолированы друг от друга полностью. При детальном изучении выяснилось, что в оболочке клетки всегда наблюдаются места неутолщенные, так называемые поровые каналы. Неутолщенные места первичной оболочки содержатся против поровых каналов и Называются замыкающими пленками. Эти запирающие пленки вместе с поровыми каналами вторичной и третичной
оболочек образуют поры, через какие клетки соединяются между собой. Через поры проходят газы, растворы и т. д.
При сильном увеличении под микроскопом заметно, что поры имеют вид мелких точек. Как правило, время соседних клеток совпадают. Через эти поры проходит из клетки в клетку протоплазма в виде тончайших нитей, которые называются плазмод ес м а м и.
Через поры с помощью плазмодесм происходит обмен реществ между соседними клетками. Плазмодесмы были открыты российскими учеными Е. П. Русовым и В. Н. Горожанкин.
Кроме таких простых пор, которые обычно образуются в оболочке паренхимных клеток, являются так называемые окаймленные поры. Окаймленные поры встречаются в стенках сосудов и трахей проводящей ткани и имеют сложное строение.
Окаймленные поры в разрезе имеют вид двух развилок, между которыми проходит первичная оболочка, разделяющая две соседние клетки. Первичная оболочка окаймленной поры проницаема, через нее поступают жидкие из одной клетки в другую.
У многих растений (хвойные) первичная оболочка окаймленной поры имеет внутри утолщение округлой формы, называется тором, или т о р с о г. Торус выполняет в окаймленных порах роль двустороннего клапана. При очень сильном давлении содержимого одной клетки Торус прижимается к одному из отверстий, тем самым закупоривает пору и уменьшает или вовсе прекращает переливание воды. Окаймленная пора одной клетки расположена обычно против окаймленной поры второго слоя клеток.
Клетки растительного организма соединены между собой особым клейким веществом, которое называется пектиновым. Пектиновые вещества будто цементирует клетки между собой. Пектиновое вещество менее прочное, чем целлюлоза, она легко разрушается щелочами, растворяется при кипячении в смеси азотной кислоты с бертолетовой солью, а у некоторых растений и при кипячении в воде. Пектиновое вещество разрушается также под действием ферментов некоторых бактерий и грибов.
Разрушение пектиновых вещества можно наблюдать при варке клубней картофеля, которые развариваются и становятся рассыпчатыми. Разрушение пектиновых веществ возможно и в естественных условиях, например при процессе созревания плодов различных культур (арбузы, помидоры, яблоки и др.).
При разрушении пектиновых веществ, которые склеивают отдельные клетки, растительные ткани разъединяются на отдельные клетки. Разъединение растительных тканей на отдельные Клетки известное под названием мацерации. Явление мацерации широко используется в практике сельского хозяйства при вымачивании прядильных культур - льна, конопли, джута и др.. В стеблях этих растений при их вымачивании происходит процесс мацерации, межклеточное вещество разрушается, волокна стеблей разъединяются и далее используются для изготовления пряжи.
Оболочка клеток растений не остается все время постоянной, она может испытывать такие основные изменение: одеревенение, кутинизация, ослизнение, минерализация.
Примером одеревенение оболочки могут быть оболочки клеток древесных растений. В таких клеток в оболочке откладывается особое вещество - лигнин, - которое придает этим клеткам особой прочности и стойкости против загнивания. Лигнин относится к ароматическим соединениям и имеет консервирующие свойства, поэтому одеревеневшие оболочки сохраняются после смерти растений длительный срок.
Опробкование оболочки клеток вызывается появлением особым жирообразным веществом суберином. Оболочки клеток, пропитанные суберином, испытывают химические изменение и становятся непроницаемыми для воды и газов и поэтому хорошо защищают растение от высыхания. Клетки с оболочками становятся мертвыми и образуют у растений защитный слой.
Опробковиння оболочки можно наблюдать у клеток кожицы клубней картофеля. У некоторых растений слой с опробковилих клеток на стволах и ветвях достигает большой толщины. Толстый внешние и пробковый слой ствола, например, пробкового дуба используется для изготовления пробок для бутылок и других изделий.
Кутинизация оболочки заключается в том, что на внешних стенках оболочки клеток покровной ткани растений (кожуры) выделяется вещество кутин. Кутин по своему химическому строению несколько схож с суберином и откладывается обычно на внешней поверхности клеток кожицы листьев, побегов, образуя тонкую пленку, которая называется кутикулой. Кутикула не проницаема для воды и воздуха и поэтому защищает растения от излишнего испарения, она развивается в большей степени у растений засушливых местностей. На корнях растений, как правило, кутикула не развивается.
Ослизнения оболочки клетки можно наблюдать на прорастающих семенах льна. Сухие семена льна, находится в состоянии покоя, гладкое, скользкое, имеет текучесть. Ослизнена оболочка способствует сохранению в семенах влаги, что обеспечивает лучшее, быстрее прорастания.
У многих растений (злаки, осоки, хвощи и др.). Происходит минерализация оболочки.
Межклетниках. Не все клетки растения прилегают плотно друг к другу. Часто в местах соприкосновения нескольких клеток образуются полости - межклетниках, заполненные воздухом или жидкостью.