Растения

Растенията (Plantae) са царство организми, включващо познати форми, като дървета, храсти, треви, лиани, папрати и мъхове, а според някои дефиниции и зелените водорасли. Точният брой на видовете растения е трудно да се определи, но в наши дни се смята, че съществуват 300 – 315 хиляди вида, от които основната част, 260 – 290 хиляди, са семенни растения.
Характерно за тях е наличието на целулозни клетъчни стени и извличането на необходимата за жизнените им процеси енергия от слънчевата светлина чрез фотосинтеза. При този процес те използват хлорофил, разположен в хлоропласти, на който се дължи зеленият цвят на много техни части. Въпреки това някои растения са паразити и могат да не фотосинтезират или да не произвеждат значителни количества хлорофил. Също с някои изключения, растенията се характеризират с полово размножаване, модулен и неограничен растеж и редуване на поколенията.
Растенията са основна част от живота на Земята. Те са източник на основната част от свободния кислород и са основен елемент на повечето екосистеми, особено на сушата. Всички животни зависят от химичната енергия, натрупана във вид на органични съединения, която растенията добиват от слънчевата светлина чрез фотосинтеза. Тази енергия животните усвояват чрез метаболизма си. Растителни продукти, като зърно, плодове и зеленчуци, са основни елементи на диетата на хората и много видове растения се култивират от тях от хилядолетия. Растенията се използват от хората и с декоративна, както и с лечебна цел. Растенията са били източник за повечето лекарства преди да стане възможно синтетичното им получаване.
Науката, изследваща растенията, се нарича ботаника.
Още през 4 век пр.н.е. Аристотел разделя живите същества на две групи – растения, които обикновено не се движат и животни, които често се придвижват, за да се снабдяват с храна. Много по-късно в систематиката на Карл Линей от 18 век тези две групи получават статут на царства – съответно Vegetabilia (по-късно Metaphyta или Plantae) и Animalia (или Metazoa). Впоследствие се изяснява, че царството Plantae в първоначалния си вид обхваща няколко несвързани помежду си групи, в резултат на което гъбите и някои водорасли са обособени в новосъздадени царства. Въпреки това в много случаи те продължават да се разглеждат като растения, когато контекстът не изисква прецизност.
Извън формалния научен контекст понятието „растение“ се свързва с определени характеристики, като многоклетъчност, наличие на целулоза и способност за извършване на фотосинтеза.
В наши дни, когато наименованието растения или Plantae се прилага към конкретен таксон, то може да се отнася за една от три различни по обхвата си групи организми:
Много от спорните въпроси около обхвата на таксона на растенията са свързани с организми, които, макар и важни за изследването на еволюцията на съвременната флора, са рядко срещани в ежедневието и имат минимално стопанско значение. По тази причина разграничението между описаните групи организми е от значение главно в тясно научен контекст.
Водорасли се наричат няколко самостоятелни групи организми, които натрупват енергия чрез фотосинтеза и по тази причина в миналото са причислявани към растенията. Най-забележимите представители на водораслите са многоклетъчните форми, които външно наподобяват висши растения, но в действителност са зелени, червени или кафяви водорасли. Всяка от тези три групи включва също и множество микроскопични или едноклетъчни организми. Тези групи организми еволюират от различни нефотосинтезиращи предшественици независимо една от друга и от висшите растения, поради което вече не се включват в царство Растения.
Viridiplantae обхваща зелените водорасли и същинските растения и представлява клад, група организми, включваща всички потомци на един общ предшественик. С няколко изключения сред зелените водорасли, всички представители на Viridiplantae споделят общи характерни черти, сред които съдържащите целулоза клетъчни стени, хлоропластите с хлорофили a и b и запасите от храна във вид на нишесте. Всички те претърпяват затворена митоза без центриоли и обикновено имат митохондрии с плоски кристи. Хлоропластите им са заобиколени от две мембрани, което говори за пряк произход от ендосимбионтни цианобактерии.
Две други групи водорасли – червените водорасли (Rhodophyta) и Glaucophyta – също имат хлоропласти, които изглежда са произлезли от ендосимбионтни цианобактерии, макар че използват при фотосинтезата различни пигменти и съответно имат различен цвят. Тези три групи, Viridiplantae, Rhodophyta и Glaucophyta, вероятно имат общ произход и се обединяват в таксона Archaeplastida, който представлява и най-широката съвременна дефиниция на растенията.
За разлика от представителите на Archaeplastida, повечето други водорасли, като Heterokontophyta, Haptophyta, Dinoflagellata и Euglenoidea, не само използват различни пигменти, но и имат хлоропласти с три или четири ограждащи мембрани. Те не са близко свързани с растенията, като се предполага, че са придобили хлоропластите си самостоятелно от погълнати или симбионтни зелени и червени водорасли. По тази причина, макар в миналото да са причислявани към растенията, в наши дни те са изключени и от най-широките дефиниции на растение.
Традиционно Viridiplantae са разделяни на зелени водорасли и висши растения. Днес се приема, че висшите растения са еволюирали от група зелени водорасли, което прави групата на зелените водорасли парафилетична (невключваща част от потомците на общ предшественик). Тъй като такива групи се избягват в съвременните класификации, напоследък Viridiplantae се подразделя на два клада – Chlorophyta и Streptophyta (или Charophyta). Chlorophyta (наименование, използвано и за всички зелени водорасли) обхваща зелените водорасли, които не са пряко свързани с висшите растения – около 4300 вида едноклетъчни и многоклетъчни предимно морски организми.
Другата съставна част на Viridiplantae са предимно сладководните и сухоземни Streptophyta, която се състои от няколко групи зелени водорасли и от всички висши растения. Водораслите в Streptophyta са едноклетъчни или образуват прости или разклонени многоклетъчни влакна. Сред тях са Charales, които силно наподобяват висшите растения, и се предполага, че са техните най-близки родственици. Те растат под водата и имат централно стъбло и разклонения, което им придава лъжлива прилика с хвощовете, които са същински висши растения.
В таблицата са показани основните подразделения на царство Растения и е посочен приблизителният брой представители за всеки отдел. Счита се, че растенията наброяват около 300 000 вида, от които покритосеменните са между 85 и 90%. Различни източници посочват различен брой представители.
Имената на отделните подразделения следват Международния код за ботаническа номенклатура и Международния код за номенклатура на култивираните растения.
Еволюцията на растенията е довела до повишаване на нивата на сложност, от първите водорасли, през мъхове, плауновидни, папратовидни до комплекса от голосеменни и покритосеменни днес. Групите, които се появяват по-рано, продължават да се развиват, особено в средата, в която те са еволюирали.
Данните сочат, че водораслите се формират преди около 1,2 милиарда години, но едва през ордовик, преди около 450 млн. години се появяват сухоземни растения. Въпреки това новите данни от проучването на съотношенията на въглеродните изотопи в прекамбрийски скали предполага, че сложните фотосинтезиращи растения се появяват преди около милиард години. Разнообразието от растения започва да се увеличава в края на периода силур, преди около 420 милиона години, а плодовете на това разнообразие започват да стават забележителни в началото на девон каквито например са Райниевите черти в изкопаеми скали подобни на кремък. В тези следи са видими растения до клетъчно ниво, запазени от покрилите ги вулканични скали. До средата на девон повечето от частите на познатите съвременни растения са налице, включително корени, листа и вторична дървесина, а до края на периода се появяват и семената. Растенията от късен девон са достигнали такава степен на сложност, която им позволила да формират гори от високи дървета. Еволюционни нововъведения се появяват и след края на девон. Повечето растителни групи остават са относително непроменени от масовото измиране от перм-триас, въпреки че съотношението на отделните типове растения се променя. Това измиране вероятно е поставило основите на развитието на цъфтящите растения в триас преди около 200 милиона години и достига своя бум в креда и терциер. Последната голяма група от растения, които се появяват на Земята са тревите. Те се превръщат във важен фактор в средата на терциера преди около 40 милиона години. Тревите, както и много други групи растения развиват нови механизми на метаболизъм, за да оцелеят при ниски емисии на CO2 и топли и сухи условия на тропиците през последните 10 милиона години.
Предложено филогенетично дърво базирано на това от Kenrick and Crane, с промяна в Pteridophyta предложена от Smith et al. Вероятно Prasinophyceae е възможна да е изходна група за всички зелени растения.
Висшите растения се наричат така, защото са еволюционно най-развитите. Те имат вегетативно тяло (кормус) с обособени вегетативни органи: корен, стъбло и лист. Органите са изградени от проводящи (васкуларни) тъкани (ксилем и флоем), които пренасят вода, растителни сокове и хранителни вещества помежду си. Органите се диференцират според основната си функция: коренът прикрепва растението в почвата и изсмуква от там вода с разтворените в нея минерали, стъблото осигурява оптимално положение за листата и ги свързва с корените, а листата извършват фотосинтезата и транспирацията. Кормусът образува периодично органи за размножаване на растението.
Фотосинтезата е биологичен процес, при който с помощта на слънчевата светлина въглеродният диоксид се преобразува в органични съединения. В най-разпространения вариант на процеса в синтеза участва вода, синтезират се захариди и като остатъчен продукт се отделя кислород. Основният механизъм за улавяне на светлинната енергия е благодарение на пигмента хлорофил. Всички зелени растения съдържат две форми на хлорофила: хлорофил а и хлорофил б. Последният от тези пигменти не се намира в червените или кафявите водорасли.
При растенията се наблюдават и двата типа на размножаване: полово и безполово. При висшите растения единствената форма на половото размножаване е оогамията, а форма на безполовото размножаване е широко разпространеното вегетативно размножаване.
Освен вегетативни растенията имат и специализирани генеративни органи, строежът и развитието на които е пряко свързан от жизнения цикъл на растението. В жизнения цикъл се редуват, хаплоидо поколение (гаметофит) и безполово, диплоидно поколение (спорофит). При гаметофита се образуват половите органи – мъжки антеридии и женски архегонии (липсват при някои гнетови и покритосеменни). Сперматозоидите (липсват при хвойновите, гнетовите и покритосеменни) оплождат намиращата се в архегония яйцеклетка, в резултат на което се образува диплоидна зигота. Зиготата формира зародиш, който постепенно се развива в спорофит. На спорофита се развиват спорангии (често върху специализирани спороносни листи или спорофили). В спорангиите се извършва мейоза и се образуват хаплоидни спори. При разделноспоровите растения спорите са от два типа: мъжки (от тях се развиват гаметофити само с антеридии) и женски (от тях се развиват гаметофити, носещи само архегонии). От спорите се развива гаметофит и процесът започва отначало. Такъв жизнен цикъл имат мъхообразните и папратовите растения, като при първата група растения доминира гаметофитът, а при втората – спорофитът. При семенните растения процесът се усложнява поради факта, че женският (носещ архегонии) гаметофит се развива направо върху майчиния спорофит, а мъжкият гаметофит (прашец) трябва да се придвижи до женския в процеса на опрашване. Спорофилите при семенните растения обикновено са сложно устроени и се обединяват в т.нар. стробила, а при покритосеменните растения в цвят, които на свой ред могат да се обединят в съцветия. При семенните растения възниква специализирана, състояща се от няколко генотипа структура – семе, което условно може да бъде отнесено към герминативните органи. При покритосеменните растенияцветът след опрашване нараства и се формира плод.
Водата е основното химично съединение в живите организми. Съдържанието в растенията е средно 80 – 90% от свежата им маса, като варира в зависимост от типа, възрастта и физиологичното състояние на отделните органи. Оптималната оводненост е най-важното условие за нормално протичане на всички физиологични процеси.
Водообменът на растенията включва три процеса: постъпване, транспорт и транспирация. Водният баланс е резултат от тези три процеса и връзката между тях. Съдържанието на вода е основен показател на водния статус на растенията. С водното съдържание са свързани концентрацията на клетъчния сок, водния потенциал в клетките на отделните органи и голяма част от механизмите за адаптация на растенията към екологичните условия. Влаголюбивите видове растения имат висока оводненост при оптимален воден режим, но бързо губят вода при засушаване, докато толерантните видове поддържат сравнително устойчиво ниво на оводненост.
Водата, намираща се в растенията, се разделя на четири групи:
Фотосинтезата осъществявана от растенията и водораслите на Земята представлява най-добрият източник на енергия и органичен материал в почти всички екосистеми. Фотосинтезата радикално променя състава на атмосферата в ранното развитие на Земята, при което в състава ѝ влиза 21% кислород. Животните и повечето други организми са аеробни, и пряко зависят от наличието на кислород, който да дишат. Растенията са първичните производители в повечето сухоземни екосистеми и формират основата на хранителната верига в тях. Много животни разчитат на растения за подслон, както и за кислород и храна.
Сухоземните растения са ключови компоненти на кръговрата на водата и няколко други биогеохимичните цикли. Някои растения са еволюирали съвместно с азотфиксиращи бактерии и така изпълняват важна рола от азотния цикъл. Корените на растенията играят съществена роля в предотвратяването на ерозията на почвата.
От древността до наши дни растенията се употребяват предимно за храна. Процесите, свързани в отглеждането на растения от човека, създаването на нови подвидове или хибридни видове (сортове) се развиват в различни научно-познавателни науки, наричани земеделски или агро науки (аграрни науки).
Всички дейности, свързани с отглеждането на растения, както и създаването на нови подвидове (сортове) се наричат култивиране. В общия смисъл, култивирането е свързано с някаква промяна във вида на растението от първичния, диворастящ, до променен в някакъв подобрен вид, наричан също облагороден, с цел употребата му за храна или други цели. В някои случаи, култивиране означава и самото събиране, сортиране или домашно отглеждане на растения, във вида в който се срещат в природата (билки, гъби и др.).
Основните науки, които са свързани с тези процеси, са науките за Земята и природата. Подредени в йерархичен вид, това са: Ботаниката, която се занимава със строежа, физиологията и класификацията на всички свободнорастящи в природата видове растения. Като поддял на ботаниката може да се приеме Растениевъдството, чийто обект на изследване и изучаване са култивираните видове растения, както и такива, които могат да се отглеждат и употребяват за различни нужди от човека. Сферите на култивираното растениевъдство се разделят на различни популярни области, като: Специализирани подобласти, това са: