Особенности анатомии растений

Растения являются основными производителями (продуцентами) в экосистеме Земли. Растения автотрофны, что означает, что они производят свою собственную пищу (посредством фотосинтеза) и в результате обеспечивают пищей потребителей (консументов) экосистемы, таких как животные и люди. Понимание функционирования растений — это ключ к увеличению производительности сельскохозяйственных культур, сохранению биоразнообразия растений, производству лекарств и многому другому. Однако для того, чтобы лучше понять функции растений, нужно сперва изучить их анатомическое строение.

Общая анатомическая организация растений

Подобно животным, растительные тела состоят из различных типов клеток, которые организованы в ткани. Ткани организованы в органы, и органы функционируют вместе в рамках систем. Внутри этой иерархии структуры на каждом уровне возникают эмерджентные свойства. Эмерджентное свойство — это характеристика или функция, которая может быть найдена на одном уровне, но отсутствует на более низких уровнях. Например, отдельная клетка листа не может выполнять все функции листа. Поэтому функция каждого низшего уровня лучше всего понимается в контексте системы, в которой он существует. По этой причине эта статья начинается с изучения грубых анатомических особенностей растения и переходит к изучению анатомии в прогрессивных деталях.

Растения состоят из двух систем органов: побеговой и корневой. У наземных растений побеговая система надземная и состоит из ряда органов. К ним относятся стебли, листья и цветы. С другой стороны, корневая система чаще всего находится под землей и включает такие органы, как корни, подземные стебли (клубни) и корневища.

Каждый из этих органов выполняет свою функцию. Стебли являются опорными структурами и опосредуют рост растения. Кончики побегов содержат активно делящиеся области, называемые меристемами, которые вырабатывают ауксин — гормон, регулирующий рост и форму растения. Листья являются первичными участками фотосинтеза и центрами производства пищи растением. Цветы — это репродуктивные структуры, в которых образуются яйцеклетки и сперматозоиды (пыльца), а также происходит опыление и оплодотворение. Корни, клубни и корневища являются основной системой сбора и хранения питательных веществ, минералов и воды. Все эти органы состоят из клеток, которые можно разделить на три основных типа тканей: покровные, механические и проводящие.

Покровная ткань

Покровная ткань составляет наружные слои растения и содержит эпидермальные клетки, которые выделяют восковое покрытие. Это восковое покрытие, кутикула, предотвращает чрезмерную потерю воды из растения в процессе транспирации. В то время как основной задачей покровной ткани является защита, она также выполняет множество других специализированных функций в зависимости от конкретного органа, в котором она расположена.

В листьях покровная ткань содержит специализированные защитные клетки, которые составляют структуры, называемые устьицами. Устьица облегчают газообмен в листе. Углекислый газ (СО₂) для фотосинтеза и кислород (О₂) диффундируют в/из листа через устьица. Устьица также имеют решающее значение для транспорта воды по ксилеме. Устьичное отверстие приводит к испарению воды из листа. Это создает отрицательное давление, которое тянет за собой столб воды по ксилеме. Испарение воды из устьиц является основной движущей силой для переноса воды через тело растения. В корнях эпидермальные клетки имеют специализированную структуру, облегчающую поглощение воды и питательных веществ — основные функции корня. У некоторых клеток эпидермиса корня есть длинные мембранные расширения, называемые корневыми волосками, которые увеличивают площадь поглощающей поверхности. Эпидермис корня также взаимодействует с симбиотическими грибами, которые образуют микоризы, увеличивающие поглощение питательных веществ.

Механическая ткань

Механическая ткань выполняет множество различных функций, включая фотосинтез, хранение и структурную поддержку. Она составляет большую часть структуры растения и состоит из трех типов клеток: паренхимы, колленхимы и склеренхимы.

Клетки паренхимы — наименее специализированные клетки растения. Они отвечают за производство и хранение питательных веществ. Фотосинтез происходит в хлоропластах клеток паренхимы листьев. Клетки паренхимы стеблей, корней и плодов имеют структуры, которые хранят крахмал. Большинство развивающихся растительных клеток структурно сходны с клетками паренхимы. В процессе дифференциации они становятся специализированными по форме и функциям и теряют способность к делению. Зрелые клетки паренхимы обычно не делятся, но сохраняют способность делиться и дифференцироваться в различные типы клеток и тканей в случае повреждения растения.

Клетки колленхимы и склеренхимы обеспечивают структурную поддержку растения. Они имеют толстые, но гибкие клеточные стенки и обеспечивают структурную поддержку вновь образованным частям растения, не ограничивая его рост. Клетки колленхимы укладываются друг на друга и ориентируются прядями прямо под эпидермисом молодой структуры. Относительно мягкая клеточная стенка позволяет клеткам колленхимы удлиняться по мере роста структуры.

С другой стороны, клетки склеренхимы обеспечивают поддержку зрелых растительных структур. Подобно клеткам колленхимы, они имеют очень толстые клеточные стенки. Однако клеточные стенки склеренхимы содержат лигнин, молекулу, которая делает их твердыми. Это обеспечивает прочность клеточной стенки, но ограничивает способность клеток удлиняться и расти. Поскольку клетка склеренхимы функционирует исключительно для обеспечения структурной поддержки, многие клетки склеренхимы фактически мертвы при функциональной зрелости. Клеточная мембрана, протоплазма (цитоплазма) и органеллы исчезают, оставляя только жесткую клеточную стенку.

Проводящая ткань

Проводящие ткани составляют органы, которые транспортируют воду, минералы и пищу по всему растению. Сосудистую ткань можно разделить на две функциональные единицы. Ксилема транспортирует воду и минералы от корня к побегу. Флоэма транспортирует питательные вещества (такие как сахар и аминокислоты) из листьев и других мест производства к корням, цветам, стеблям и остальным тканям, которые в них нуждаются. Клетки, составляющие проводящую ткань, уникальны по своей структуре. Их специализированные характеристики позволяют им эффективно транспортировать материал через растение, обеспечивая при этом структурную поддержку.

Ткань ксилемы содержит два типа клеток: трахеиды и сосудистые элементы. Как и склеренхима, оба этих типа клеток мертвы при функциональной зрелости и, следовательно, лишены протоплазмы. Трахеиды — это длинные, тонкие клетки с концами конической формы. Они накладываются друг на друга, и а вода проходит из трахеида в трахеид через маленькие поры. Сосудистые элементы короче и укладываются друг на друга впритык, образуя больше трубчатой структуры. Вода течет по трубке, проходя через перфорированные концевые стенки между клетками.

Ткань флоэмы состоит из двух различных типов клеток: ситовых трубчатых элементов и сопровождающих клеток. Ситовые трубчатые элементы являются основными проводящими клетками и названы в честь сито-подобных областей вдоль их клеточных стенок, через которые сок флоэмы перемещается из клетки в клетку. В отличие от клеток ксилемы, клетки ситовой трубки живы при функциональной зрелости, но не имеют ядер. По этой причине сопровождающие клетки тесно связаны с элементами ситовой трубки. Эти клетки имеют ядра и служат для поддержки элементов ситовой трубки. Цитоплазма ситовых трубчатых элементов и сопровождающих клеток соединена через многочисленные поры, называемые плазмодесмами. Поры позволяют сопровождающим клеткам регулировать содержание и активность цитоплазмы элементов ситовой трубки. Кроме того, сопровождающие клетки помогают загружать элементы ситовой трубки сахаром и другими продуктами метаболизма, которые они транспортируют по всему растению.