Ботаника

Категории Ботаника | Под редакцией сообщества: Биология

Ботаника (др.- греч. βοτανικός — «относящийся к растениям», от βοτάνη — «трава, растение») — наука о растениях, раздел биологии.

Ботаника, или наука о растениях, является разделом более общей науки биологии, изучающей живую природу во всех ее проявлениях. Современная ботаника - это не отдельная наука, а сложная система научных дисциплин, постигающая разнообразные тайны растительного мира.

↑Общие сведения

Что же такое мир растений? В средней школе, как правило, не ставится вопрос о том где проходит граница между миром растений и миром животных: к растениям относят и грибы, и все водоросли, и, конечно же, высшие растения. Однако грибы в настоящее время рассматривают как самостоятельное царство, отличное как от животных, так и от растений. Если же говорить о бактериях и синезеленых водорослях, то они настолько сильно отличаются от остальных живых существ по своей организации, что их выделяют в особое надцарство - прокариот (доядерных организмов).

Ботаника охватывает огромный круг проблем: закономерности внешнего и внутреннего строения (морфология и анатомия) растений, их систематику, развитие в течение геологического времени (эволюция) и родственные связи (филогения), особенности прошлого и современного распространения по земной поверхности ( география растений), взаимоотношения со средой ( экология растений), сложение растительного покрова ( фитоценология, геоботаника), возможности и пути хозяйственного использования растений (ботаническое ресурсоведение, или экономическая ботаника). По объектам исследования выделяют фикологию (альгологию) — науку о водорослях, микологию — о грибах, лихенологию — о лишайниках, бриологию — о мхах, птеридологию – о сосудистых споровых растениях; палинологию — науку о пыльце и спорах. Изучение микроскопических организмов, преимущественно из мира растений (бактерий, актиномицетов, некоторых грибов и водорослей), выделяют в особую науку — микробиологию. Болезнями растений, вызываемыми вирусами, бактериями и грибами, занимается фитопатология.

↑История развития ботаники

С древнейших времен человечество накапливало знания о растениях, поскольку было жизненно необходимо различать съедобные, ядовитые и лекарственные растения, знать, где их стоит искать.

Как стройная система знаний о растениях ботаника оформилась к XVII—XVIII векам. Но первые тексты, которые можно считать ботаническими, известны из древнейших памятников письменности Двуречья (Шумер, Вавилон, Ассирия) и долины Нила (Древний Египет). Эти тексты, так же как и легендарная китайская книга о травах "Бэнь цао" (3-го тысячелетия до н. э.), в основном содержали сведения о пищевых и лекарственных растениях. В Индии в 1-м тысячелетии до н. э. появляется "Аюрведа" — "наука о жизни", включающая описание многих лекарственных растений Индии. Комментарии и дополнения к "Аюрведе" содержатся в сочинениях индийских врачей Чарака (10—8 вв. до н. э.), Сушрута и Вадбака (8—7 вв. до н. э.).

Первыми книгами, в которых растения описывались не только в связи с их полезностью, были произведения греческих учёных Аристотеля и особенно его ученика Теофраста, который сделал первую в истории науки попытку классифицировать растения, разделив их на деревья, кустарники, полукустарники и травы. Среди последних он различал многолетники, дву- и однолетники. Теофраст был назван "отцом ботаники" Он отчётливо представлял себе строение цветка, в частности положение завязи в нём, и различия между сростнолепестными и свободнолепестными венчиками. В его "Исследовании о растениях" описано около 480 растений. Римский натуралист Плиний Старший в своей "Естественной истории" привёл практически все известные его современникам сведения о природе. В его сочинении достаточно точно описано около 1000 видов растений.

Следующие 1500 лет, со времени Теофраста и Плиния Старшего, накопление знаний о растениях шло преимущественно вне Европы. Арабская экспансия во 2-й половине 1-го тысячелетия н. э. значительно расширила горизонты античности. Особое значение имели труды таджикского учёного Ибн Сины (Авиценны), описавшего в сочинении "Канон врачебной науки" множество растений, до того неизвестных европейцам. Единственным достижением европейской науки того времени в области ботаники были труды немецкого философа и естествоиспытателя Альберта фон Больштедта (Альберт Великий), установившего, в частности, на основании разницы в строении стебля различие между однодольными и двудольными растениями.

В эпоху великих географических открытий значительно возрос интерес к растениям, пока в основном как источнику лекарств, пряностей и новых пищевых продуктов. Появляются "травники" с описанием всё возрастающего числа растений, создаются первые " сухие сады" — гербарии, организуются настоящие ботанические сады. Всё это способствовало накоплению новых фактов и созданию первых общих концепций, главным образом в области классификации растений. Так, немецкий ботаник О. Брунфельс различает растения " совершенные" – несущие цветки, и "несовершенные" – лишённые их. Итальянский врач и ботаник А. Чезальпино (в латинском произношении Цезальпин), опубликовавший важнейшее ботаническое сочинение эпохи — книгу "О растениях", в предисловии к ней сделал попытку классифицировать растения, привлекая в дополнение к обычному в то время делению растений на деревья, кустарники и травы также признаки цветков, плодов и семян. Швейцарский ботаник Иоганн Баугин (Жан Боэн) в своей " Всеобщей истории растений", опубликованной (1650) после его смерти, описал около 5000 растений. Его брат Каспар Баугин создал бинарную номенклатуру. Название каждого организма состоит из двух слов, из которых первое обозначает родовое название, а второе — видовое. Как известно, такой порядок наименования растений впоследствии был узаконен К. Линнеем, и существует по сей день. (Дата публикации Species plantarum, 1 мая 1753 года, принята за исходный пункт ботанической номенклатуры).

Для 16 и 17 веков характерно не только развитие систематики. Изобретение микроскопа привело к открытию клеточного строения растений. Первые наблюдения в этой области были сделаны английским учёным Р. Гуком (ему же принадлежит и сам термин «клетка» — англ. cell.). Позднее итальянец М. Мальпиги и англичанин Н. Грю заложили основы анатомии растений. Голландец Я. Б. ван Гельмонт поставил первый опыт по физиологии растений, вырастив ветку ивы в бочке и установив, что почти 40-кратное увеличение её в весе за 5 лет не сопровождалось сколь-нибудь значительным уменьшением веса земли. Немецкий ботаник Р. Камерариус впервые обосновал наличие полового процесса у растений.

В России в 15—17 вв. переводят с греческого, латинского и европейских языков и переписывают (а позднее печатают) описания лекарственных растений ("травники", или, как их тогда называли, "вертограды"). Многие из них редактировались с учётом местных условий, главным образом добавлялись указания на места произрастания тех или иных растений (например: "растеть на Руси в Драгомилове").

Открытия в разных областях ботаники в 18 в., разработка различных концепций принесли свои плоды позднее. Тем не менее, это столетие в основном может быть охарактеризовано как столетие ботанической систематики и связывается главным образом с именем шведского ботаника К. Линнея. Положив в основу своей искусственной системы строение цветка, Линней разбил мир растений на 24 класса. Система Линнея ненадолго пережила своего создателя, однако значение её огромно. Впервые было показано, что каждое растение может быть помещено в какую-то определенную категорию в соответствии с характерными для него признаками. Эта система была искустевенной. Однако идеалом системы Линей считал систему естественную, над которой он начал работать. Построение естественной системы остается актуальной проблемой и поныне. Поистине титаническая работа, проделанная Линнеем, явилась основой для всех последующих исследований в области систематики растений.

Выдающиеся натуралисты 18 в. уделяли много внимания общим вопросам ботаники. Так, русский академик К.Ф. Вольф в своей "Теории генерации" (1759) показал пути формирования органов растений и превращение одних органов в другие. Эти идеи особенно занимали немецкого поэта И.В. Гёте, опубликовавшего в 1790 книгу "Метаморфоз растений", полную блестящих прозрений. Наличие пола у растений окончательно было установлено немецкими ботаниками И. Кёльрёйтером, получившим и тщательно изучившим межвидовые гибриды табака, гвоздики и других растений, а также исследовавшим способы их опыления насекомыми, и К. Шпренгелем, опубликовавшим книгу "Раскрытая тайна природы в строении и оплодотворении цветов" (1793).

В 18 в. в России шло интенсивное развитие научных исследований, в частности в созданной Петром I Академии наук в Петербурге. В её Кунсткамере начали впервые собирать ботанические коллекции. В 1714 г. был организован Аптекарский огород — основа будущего Императорского ботанического сада и нынешнего Ботанического института РАН. Особое значение для развития русской и мировой ботаники имели географические экспедиции Академии наук, в которых принимали участие ботаники: С. П. Крашенинников, опубликовавший "Описание земли Камчатки", И. Г. Гмелин — автор 4-томной "Флоры Сибири", одной из первых в мире "флор" столь обширной области. Ценные работы о флоре различных областей России вместе с данными о полезных растениях собраны И. И. Лепёхиным, Н. Я. Озерецковским, П. С. Палласом и К. Ф. Ледебуром.

19 в. ознаменовался интенсивным развитием естествознания в целом. Бурное развитие получили и все отрасли ботаники. Решающее влияние на систематику оказала эволюционная теория Ч. Дарвина. Воспринятая большинством ботаников, теория Дарвина поставила перед ними задачу создания филогенетической системы растительного мира, которая отражала бы последовательные этапы развития мира растений. Первые системы 19 в. швейцарских ботаников О. П. Декандоля и его сына А. Декандоля, английских ботаников Дж. Бентама, У. Гукера и др. (с 1825 по 1845 было предложено около 25 подобных систем классификаций растительного мира) ещё не рассматривали проблему происхождения одних групп растений от других, но стремились к наибольшей "естественности", т. е. к соединению в группы растений, наиболее схожих друг с другом по важнейшим признакам их организации. Оперируя с огромным числом растений практически всех континентов, эти системы (особенно Бентама и Гукера и, отчасти, Декандоля) были настолько логично построены, что дожили почти до наших дней (первая — у английских и, отчасти, у североамериканских ботаников, вторая — у ботаников франкоязычных стран). Тем не менее, будущее принадлежало филогенетическим системам, первая из которых (опубликована в 1875) принадлежит немецкому ботанику А. В. Эйхлеру. Наибольшее же распространение получила система, разработанная немецким ботаником А. Энглером, который совместно со своими сотрудниками в 20-томном сочинении "Естественные семейства растений" (1887—1911) довёл систему растений до рода, а иногда и до вида. Исследования, проведённые главным образом в 1-й половине 20 в., показали, что большинство принципов, положенных Энглером в основу своей системы, были ложными, но его работу нельзя недооценивать. Противниками взглядов Энглера были американский ботаник Ч. Э. Бесси, немецкий — Х. Галлир и английский — Дж. Хатчинсон. Основные их разногласия с Энглером относились к систематике покрытосеменных (цветковых растений), наиболее примитивной группой которых они считали многоплодниковые (типа магнолии), в то время как Энглер исходной группой покрытосеменных считал однодольные, а среди двудольных — т. н. серёжкоцветные (типа ив и тополей); его противниками были и русские ботаники Х. Я. Гоби, Б. М. Козо-Полянский, А. А. Гроссгейм и др.

Широкое признание получила система, разработанная советским ботаником А. Л. Тахтаджяном (первое издание 1966). Эта система постоянно дорабатывалась автором, выдержала несколько изданий. Последней работой Тахтаджяна стала подготовка нового издания книги «Flowering Plants» (2009). В нем была предложена новая версия системы цветковых растений, переработанная с учётом последних результатов молекулярной филогенетики.

Не меньшее внимание уделялось в 19 и начале 20 вв. и низшим растениям. В результате работ миколога Х. Г. Персона, работавшего в Германии и Франции, шведского лихенолога Э. Ахариуса, русских ботаников Л. С. Ценковского, К. И. Мейера, И. Н. Горожанкина, немецких микологов А. де Бари и О. Брефельда, русского миколога М. С. Воронина, советского ботаника А. А. Ячевского и многих других были собраны обширные сведения о водорослях, грибах, лишайниках, позволившие не только построить их рациональную классификацию, но и оценить их значение в биосфере. Особое развитие получила микология, главным образом в связи со значением грибов в качестве возбудителей болезней с.-х. растений. С этим связано и возникновение фитопатологии как особой дисциплины.

Изучение распространения растений по земному шару относится к 19 — началу 20 вв. Основоположник географии растений немецкий натуралист А. Гумбольдт — автор ряда трудов, из которых наибольшее внимание привлекла книга "О закономерностях, наблюдаемых в распространении растений" (т. 1—2, 1816). Первая попытка описать растительность земного шара в связи с условиями климата была сделана немецким учёным А. Гризебахом в его труде "Растительность земного шара..." (1872). Датский ботаник Э. Варминг связывал распространение растений с определенными условиями существования, его книга "Экологическая география растений" (1896) заложила основы новой науки — экологии растений. Одновременно с этими работами в течение всего 19 в. сотни исследователей вели кропотливую работу по составлению региональных "флор". Среди крупнейших изданий такого рода — "Флора Востока" Э. Буасье в 5 тт. (1867—88) и "Флора Британской Индии" Дж. Гукера в 7 тт. (1875—97). Наиболее капитальный труд в этой области — "Флора СССР" в 30 тт. (1934—64), изданная Ботаническим институтом АН СССР под редакцией В. Л. Комарова и Б. К. Шишкина. Недавно вышло в свет 10 издание «Флоры Средней России» (2006).

Растительный мир почти всех областей земного шара описан в соответствующих руководствах, главным образом региональных "флорах". Огромное значение для мировой науки имеет учение Н. И. Вавилова о центрах происхождения культурных растений и географических закономерностях в распределении их наследственных признаков (1926—27). В своих трудах Вавилов впервые представил картину эволюции форм культурных растений в немногочисленных первичных очагах их происхождения. В результате организованных им экспедиций собран ценный фонд мировых растительных ресурсов, составивший богатейшую коллекцию растений, хранящуюся во Всесоюзном институте растениеводства.

Изучение систематики огромного числа растений из всех областей земного шара стимулировало развитие работ в области морфологии растений. Одним из первых морфологов 19 в. был английский ботаник Р. Броун, показавший, что голосеменные отличаются от покрытосеменных голым семязачатком, объяснивший природу цветка у злаков и выполнивший ещё ряд работ по морфологии. Работы Броуна по эмбриологии были продолжены итальянским учёным Дж. Б. Амичи, французским ботаником А. Броньяром и особенно немецким учёным В. Гофмейстером, описавшим процесс оплодотворения у растений. Классические работы Гофмейстера были продолжены его соотечественником Э. Страсбургером и русскими учёными И. Н. Горожанкиным, В. И. Беляевым и С. Г. Навашиным. Горожанкин впервые доказал, что ядра из пыльцевой трубки проникают в яйцеклетку. Беляев предсказал существование у голосеменных подвижных сперматозоидов, которые вскоре были открыты японскими ботаниками С. Хиразе у гинкго и С. Икено у саговника. После работ русского эмбриолога С. Г. Навашина, открывшего двойное оплодотворение, период становления эмбриологии растений как самостоятельной дисциплины был практически завершен.

↑Основные дисциплины

Анатомия растений, начало которой было заложено ещё в 17 в., стала развиваться особенно интенсивно с середины 19 в. Ее успехи связаны с именами немецких ботаников Х. Моля, К. Санио, впервые давших детальные сведения о микроскопическом строении тела высших растений. К середине 19 в. в анатомии растений наметились два направления, из которых одно в основном интересовалось проблемами строения растений с их систематическим положением и эволюцией структур, в то время как другое больше внимания уделяло физиологическому и экологическому значению тех или иных тканей растения. В числе деятелей первого направления — французы Ф. Э. ван Тигем, Ж. Веск и немец Г. Золередер — автор сводки "Систематическая анатомия двудольных" (1899). Американец Э. Джефри в книге "Анатомия древесных растений" (1917) попытался дать общую картину эволюции анатомических структур у всех высших растений. Его ученики Э. Синнотт, А. Имс и особенно И. У. Бейли создали концепцию эволюции структуры у высших растений, хорошо увязанную с представлениями систематиков Ч. Э. Бесси, Х. Галлира и Дж. Хатчинсона. Среди анатомов второго направления — немецкие ботаники С. Швенденер, Г. Габерландт, советские анатомы В. Ф. Раздорский и В. Г. Александров.

Работы в области экологии и географии растений, а также запросы лесоводства и луговедения привели в конце 19 в. к выделению особой области ботаники, получившей в СССР название геоботаники, или фитоценологии. Русская и советская школа геоботаников была создана трудами С. И. Коржинского, И. К. Пачоского, Г. И. Танфильева, Г. Ф. Морозова, В. В. Алехина, Л. Г. Раменского, А. П. Шенникова и особенно В. Н. Сукачева. Острая необходимость в хозяйственном освоении огромных пространств СССР привела к тому, что проблемы геоботаники явились одними из наиболее насущных.

Наука об ископаемых растениях — палеоботаника, зарождение которой можно отнести к 18 в. (И. Шёйхцер, Швейцария), неуклонно развивалась в 19 и 20 вв. В 19 в. трудами исследователей, работавших на всех континентах, были не только описаны десятки тысяч растительных остатков из всех толщ осадочных отложений, но и создана достаточно стройная система ныне вымерших растений, увязанная с их современными потомками. В изучение ископаемых растений, найденных на территории СССР, большой вклад внесли М. Д. Залесский, И. В. Палибин и А. Н. Криштофович.

Характерные черты современного этапа развития ботаники — стирание граней между отдельными её отраслями и их интеграция. Так, в систематике растений для характеристики отдельных таксонов всё шире применяют цитологические, анатомические, эмбриологические и биохимические методы. Методы биохимии и физиологии берут на вооружение экологи и геоботаники, в результате чего возникает комплексная наука о физиологии растительного сообщества, появление которой предсказывали ещё в 20-х гг. 20 в. русский учёный В. В. Алехин и шведский учёный Э. Дю Рье и которую обычно называют ценофизиологией. Всё больше осознаётся необходимость учитывать в геоботанических и экологических исследованиях роль микроорганизмов — водорослей, грибов, бактерий и актиномицетов; специалисты соответствующего профиля всё чаще работают в контакте с геоботаниками и экологами. Это приводит к расширению поля деятельности фикологов, бактериологов и микологов, изучающих интересующие их организмы в природной обстановке.

Гораздо шире применяется эксперимент в тех областях ботаники, где раньше господствовало наблюдение. Значительное распространение получили работы в области экспериментальной систематики и геоботаники. В морфологии растений, помимо обычных экспериментальных воздействий, широко используется метод культуры тканей, изолированных от влияния организма как целого.

Разработка новых методов исследования, основанных на достижениях физики и химии, позволила решать задачи, недоступные ранее. Так, в результате использования электронного микроскопа, разрешающая способность которого по сравнению с оптическими приборами возросла в сотни раз, были выявлены многие новые детали строения растительной клетки, что с успехом используется не только в анатомии, но и в систематике растений. Методы хроматографии, цитофотометрии и ряд других позволяют проводить химические анализы с недостижимой ранее скоростью и точностью на микроскопических объектах, что применяется во многих областях ботаники. Достижения молекулярной биологии в какой-то мере способствовали выделению физиологии и биохимии растений из общей ботаники. Вместе с тем эти достижения, которые позволяют раскрывать молекулярные основы онтогенеза и филогенеза растений, открывают новые горизонты в области систематики и морфологии растений. В наших знаниях ещё имеется большой пробел относительно тех механизмов, которые, управляя единым для всех клеток данной особи (или даже вида) генетическим кодом, приводят к поразительным различиям между клетками различных тканей, однако уже теперь достижения в этом направлении впечатляют.

Удешевление технологий выделения и дальнейшей работы с ДНК привело к возникновению таких дисциплин, как, например, современная филогенетика, филогеография, сравнительная геномика растений. Развитие этих направлений тесно связано с развитием вычислительной техники и методов статистической обработки данных.

Основная ботаническая дисциплина — систематика растений разделяет многообразие растительного мира на соподчинённые друг другу естественные группы — таксоны (классификация), устанавливает рациональную систему их наименований (номенклатура) и выясняет родственные (эволюционные) взаимоотношения между ними (филогения). В прошлом систематика основывалась на внешних морфологических признаках растений и их географическом распространении, теперь же систематики широко используют также признаки внутреннего строения растений, особенности строения растительных клеток, их хромосомного аппарата, а также химический состав и экологические особенности растений.

Установление видового состава растений (флоры) какой-либо определенной территории обычно называется флористикой, выявление областей распространения (ареалов) отдельных видов, родов и семейств — хорологией (фитохорологией). Изучение древесных и кустарниковых растений иногда выделяют в особую дисциплину — дендрологию.

В тесной связи с систематикой находится морфология растений, изучающая форму растений в процессе индивидуального (онтогенез) и исторического (филогенез) развития. В узком смысле морфология изучает внешнюю форму растений и их частей, в более широком — включает анатомию растений, изучающую их внутреннее строение, эмбриологию, исследующую образование и развитие зародыша, и цитологию, изучающую строение растительной клетки. Некоторые разделы морфологии растений выделяют в особые дисциплины в связи с их прикладным или теоретическим значением: органографию — описание частей и органов растений, палинологию — изучение пыльцы и спор растений, карпологию — описание и классификация плодов, тератологию — изучение аномалий и уродств (терат) в строении растений. Различают сравнительную, эволюционную, экологическую морфологию растений.

Изучением растений в их взаимоотношении со средой обитания занимается ряд отраслей ботаники, иногда объединяемых под общим названием экология растений. В более узком смысле экология изучает влияние на растение среды обитания, а также разнообразные приспособления растений к особенностям этой среды. На земной поверхности растения образуют определенные сообщества, или фитоценозы, повторяющиеся на более или менее значительных территориях ( леса, степи, луга, саванны и т.д.). Исследованием этих сообществ занимается отрасль ботаники, называемая в нашей стране геоботаникой, или фитоценологией (за рубежом ее часто называют фитосоциологией). В зависимости от объекта исследования в геоботанике выделяют лесоведение, луговедение, тундроведение, болотоведение и т.д. В более широком смысле геоботаника смыкается с учением об экосистемах, или с биогеоценологией, изучающей взаимоотношения между растительным покровом, животным миром, почвой и подстилающими почву горными породами.

Полезные свойства дикорастущих растений и возможности их окультуривания изучаются экономической ботаникой (ботаническое ресурсоведение). С экономической ботаникой тесно связана этноботаника — учение об использовании растений различными этническими группами населения земного шара. Важный раздел прикладной ботаники — изучение дикорастущих родичей культурных растений, обладающих ценными свойствами (например, иммунитетом к болезням, засухоустойчивостью и т.д.).

Физиологию растений и биохимию растений не всегда относят к ботанике, поскольку многие физиологические и биохимические процессы, протекающие в растениях, аналогичны или даже тождественны процессам, протекающим в животных организмах, и изучаются сходными методами. Однако биохимия и физиология растений отличаются рядом специфических черт, исключительно или почти исключительно свойственных растениям. Поэтому разграничить физиологию и биохимию растений от собственно ботаники нелегко, тем более что физиологические и биохимические особенности растений могут рассматриваться как таксономические признаки, следовательно, интересовать систематиков растений. Эти же особенности чрезвычайно важны для понимания проблем экологии и геоботаники, географии растений и ботанической географии, экономической ботаники. Генетика растений обычно также рассматривается как раздел общей генетики, хотя некоторые главы её (генетика популяций, цитогенетика) тесно связаны с систематикой, особенно биосистематикой, экологией растений и геоботаникой.

↑Связь ботаники с другими науками

Ботаника тесно связана со многими другими науками — с геологией через палеоботанику и индикационную геоботанику (использование признаков некоторых растений и их сообществ как индикаторов некоторых полезных ископаемых). С химией — через биохимию и физиологию, экономическую ботанику и фармакогнозию. С почвоведением и физической географией — через экологию и геоботанику; с техническими науками — через экономическую ботанику. Ботаника — научная основа сельского и лесного хозяйства, зелёного строительства в городах, курортах и парках, она разрешает многие вопросы пищевой, текстильной, целлюлозно-бумажной, микробиологической, деревообрабатывающей промышленности. Однако важнейшая задача ботаники — изучение закономерностей развития и охраны среды обитания человечества — биосферы и прежде всего растительного мира — фитосферы.

Ботаника пользуется как наблюдением, так и сравнительным, историческим и экспериментальным методами, включающими сбор и составление коллекций, наблюдение в природе и на опытных участках, эксперимент в природе и в условиях специализированных лабораторий, математическую обработку полученной информации. Наряду с классическими методами регистрации тех или иных признаков изучаемых растений используется весь арсенал современных химических, физических и кибернетических методов исследования.