Методологические основы фитофизиологии.

Лекция 1. ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ – НАУКА

Физиология растений - наука об организации и координации функциональных систем зеленого растения.

Физико-химический, экологический и эволюционный аспекты физиологии растений.

Методологические основы фитофизиологии.

Этапы развития физиологии растений, их связь с общим развитием биологии и с практикой.

Физиология растений – теоретическая основа растениеводства и новых отраслей биотехнологии.

Физиология растений - наука об организации и координации функциональных систем зеленого растения

Физиология растений – наука, которая изучает закономерности жизненных процессов (фотосинтез, дыхание, минеральное и водное питание, рост и развитие и др.), их сущность и взаимосвязь с окружающими условиями.

Физиология растений относится к биологическим наукам, в самостоятельную науку она выделилась в XIX в. и является отраслью экспериментальной ботаники.

Объектом изучения физиологии растений являются зеленые растения, которые отличаются от всех других форм живых существ способностью использовать в качестве источника энергии электромагнитную энергию света, преобразовывать ее в свободную (химическую) энергию различных органических соединений, что создает материальную и энергетическую базу для существования всех других организмов.

Главная задача физиологии растений – раскрыть сущность процессов жизнедеятельности растительного организма в целях научного обоснования приемов возделывания растений, направленных на повышение их продуктивности и качество продукции. Это позволяет рассматривать физиологию растений как теоретическую основу практического растениеводства и рационального земледелия в целом.

Физико-химический, экологический и эволюционный аспекты физиологии растений

Наряду с общими закономерностями протекания физиологических процессов, свойственных всем растениям вообще, важно знать особенности конкретного вида или сорта растения и его реакцию на условия внешней среды. Важно представить и оптимальные условия произрастания того или иного вида растения. Поэтому различают наряду с общей и частные физиологии растений, например физиологию сахарной свеклы, физиологию пшеницы и т.д.

Подобные нарушения гомеостаза биосистем под влиянием человека встречаются часто. Так, на XII Международном ботаническом конгрессе и последующих Международных ботанических конгрессах ботаников и физиологов всего мира встревожила судьба тропических лесов. Известно, что тропический лес живет только за счет внутреннего круговорота веществ, с нарушением которого бессистемными рубками возобновление леса затруднено или вообще невозможно. Сплошная рубка тропического леса ведет к образованию пустошей или вторичных лесов низкой продуктивности.

В последние годы ученые, используя новейшие физико-химические техники и принципы, серьезно исследуют основные фундаментальные процессы фотосинтеза:

структурно-функциональную организацию фотосинтетического аппарата, молекулярную структуру и физико-химические свойства пигментных систем, механизмы первичных процессов преобразования энергии, структуру и функционирование реакционных центров.

Детально изучены природа компонентов и организация основных функциональных комплексов электрон-транспортной цепи, физиологические механизмы регуляции транспорта электронов, проведен анализ основных путей фотоассимиляции углекислоты и фотосинтетического метаболизма углерода у разных групп растений, исследованы вопросы энергетики фотосинтеза и значение фотоэнергетических реакций в регуляции активности всего комплекса метаболических систем в растении, рассмотрены механизмы эндогенной регуляции фотосинтеза на уровне целого растения, физиологические основы действия внешних факторов, вопросы фотоингибирования, взаимосвязь фотосинтеза с дыханием, минеральным питанием, ростом и другими физиологическими функциями, проблема фотосинтетической продуктивности растений. Важнейший результат этих разносторонних исследований — переоценка общих масштабов фотосинтетической деятельности в биосфере в прошлом и настоящем, а также прогноз ее состояния в ближайшие периоды как функции антропогенного воздействия.

Методологические основы фитофизиологии.

Сочетание различных уровней исследования (субклеточный, клеточный, организменный, биоценотический) как необходимое условие прогресса физиологии растений. Специфические методы фитофизиологии как науки.

Физиология растений, как и вся биология, — наука фундаментальная. Она стремится проникнуть в сущность природного явления, процесса, рас-крыть его механизм. Это отличает ее от прикладных наук, основным содер-жанием которых является решение сугубо утилитарных практических задач. Отсюда вполне понятными становятся слова крупного русского агрохимика А. И. Стебута: «сначала физиология, потом канавы, запруды, машины...»

Существует тесная связь между структурой различных органелл клетки и структурой растения вообще и их физиологическими функциями. Физиологобиохимическая эволюция живых организмов на Земле предшествовала структурной.

Одна единственная мутация, приведшая к появлению нового белка-фермента, могла дать в результате совершенно новые структуры. В связи с бурным развитием молекулярной биологии различия между строением клеточных структур и их функциями все более и более стираются, все труднее становится провести грань между ними. Ярким примером этому служит изучение биологических мембран.

Основным средством познания физиологических процессов является эксперимент, опыт, т.е. физиология растений — наука экспериментальная. Различают лабораторные, вегетационные и полевые опыты. Лабораторные опыты проводятся с семенами, проростками, изолированными органами, тканями, клетками, органеллами.

Вегетационные опыты проводят с растениями, которые выращивают в вегетационных домиках, теплицах или фитотронах (камерах искусственного климата), в сосудах, заполненных почвой или искусственной питательной смесью. Непосредственно в поле, в лесу ставятся полевые опыты. Если задача первых заключается в познании механизмов процессов и их отклонений в зависимости от заданных параметров внешней среды, то вторых и третьих — проверка действия тех или иных практических мероприятий на ход и интенсивность жизненных процессов растений и их продуктивность.

Изучение влияния факторов внешней среды на ход и направленность, а нередко и механизм физиологических процессов, является предметом особой ветви физиологии растений — экологической физиологии, особенно важной для агронома и лесовода.

Из частных методов, получивших широкое распространение в физиологии и биохимии растений, следует назвать газожидкостную распределительную хроматографию, метод меченых атомов, культуру тканей и органов, электронномикроскопический, электромагнитного резонанса, электрофоретический и некоторые другие.

В связи с возросшим интересом человека к мировоззренческим вопросам научного познания в физиологии растений, равно как и в других науках, все шире стали использоваться наряду с частными методами и более общие приемы научного познания — методологические подходы. Они непосредственно не связаны с какой-либо конкретной наукой.

К методологическим подходам относят исторический, системно-структурный, целевой, взаимодействие наук и их методов в познании, принцип симметрии.

— Исторический подход (метод) диктует необходимость знать историю развития (филогенез) вида или сорта растения, условия, в которых формировался тот или иной вид растения, его биохимическую эволюцию, т.е. учитывать фактор времени. Без учета особенностей развития вида иногда трудно оценить или объяснить результаты научного опыта с растениями.

— При использовании системно-структурного подхода объект рассматривается как система, т.е. комплекс взаимодействующих компонентов или процессов. Специфика той или иной системы не исчерпывается лишь особенностями составляющих ее элементов, а связана, прежде всего, с характером взаимоотношений между ними.

Биологические системы делятся на два больших класса. Системы первого класса состоят из функционально разнородных элементов и характеризуются целостностью специализированных взаимодополняемых немногочисленных элементов (клетка с органеллами, растительный организм, состоящий из отдельных органов). Второй класс представлен системами, состоящими из многих функционально однородных взаимозаменяемых элементов (ткани из отдельных клеток, популяции из организмов одного вида и т. д.).

В зависимости от глубины и уровня исследования системно-структурный подход включает следующие аспекты: содержательный, логический и энергетический (термодинамический).

— Содержательный аспект используется при обычном экспериментальном изучении растения, его жизненных отправлений с получением конкретных научных материалов. Так как все части растения не только связаны между собой, но и взаимодействуют, то при изучении жизни листа важно знать и физиологические процессы, протекающие, например, в корневых системах.

— Логический (математический, кибернетический) аспект используется обычно тогда, когда исследование самого объекта затруднено или вообще невозможно или требует слишком много времени и средств. Ярким примером использования данного аспекта системно-структурного подхода является широкое использование электронновычислительных машин (ЭВМ), с помощью которых исследователь перебирает многие варианты для достижения, например, оптимальных условий выращивания растений в теплицах.

— Применение энергетического аспекта связано со знанием законов термодинамики и влияния движения тепла на свойства системы, обычно саморегулируемой. С помощью этого приема можно описать движение воды в растении или в более сложной системе почва — растение — атмосфера.

Системно-структурный подход имеет большое значение в научном познании, ибо дает возможность рассматривать объект как специфическую систему взаимодействующих элементов, позволяет глубже выявить особенности структуры и функции рассматриваемой системы, помогает находить новые пути и направления научных исследований.

— В тех случаях, когда конечный результат того или иного процесса нельзя установить опытным путем, используют целевой подход. В данном случае процесс или явление рассматривается в виде тенденции развития, гипотетически. При этом неважно, может ли какое-либо явление или процесс быть целесообразным в непосредственном смысле слова или нет. Исследование ведется таким образом, как будто результат процесса имеется в действительности в виде своеобразной цели. Цель выступает здесь как нечто условное. Исследователь улавливает тенденцию развития процесса, структуры, явления и с учетом этого строит свои научные программы.

Целевой подход — это основной прием гипотетического предвосхищения, описания процесса и явления, подлежащего последующему анализу, изучению. Он очень полезен при постановке новых проблем, разработке новых научных направлений и программ, варьировании экспериментов.

— Живой растительный организм — это очень сложная биологическая саморегулирующаяся система. Чем сложнее система, тем более глубокими и всесторонними становятся ее связи с другими объектами или системами, тем сложнее формы ее существования. Поэтому необходимо проводить комплексные физиологические и биохимические исследования с участием представителей смежных дисциплин, т.е. использовать взаимодействие наук и их методы в познании одного и того же объекта. Отсюда возникло крылатое выражение «работать на стыках наук». В наше время именно на стыке наук рождаются научные открытия, утверждается принцип многокачественности и полиструктурности изучаемого объекта или системы.

Ярким примером этому являются комплексные исследования растительных сообществ, начало которым положил академик В.Н. Сукачев (биогеоценология).

— Использование принципа симметрии основано на том, что в природе обычно наблюдается пропорциональное расположение частей целого в пространстве, соответствие одной части объекта другой. Применительно к физиологии и биохимии растений этот принцип незаменим при изучении лево- и правовращающихся оптически активных органических соединений, их свойств и роли в жизни растений, при исследовании ядов и противоядий, стимуляторов и ингибиторов и т. д.