Thực vật

Thực vật là những sinh vật có khả năng tạo cho mình chất dinh dưỡng từ những hợp chất vô cơ đơn giản và xây dựng thành những phần tử phức tạp nhờ quá trình quang hợp, diễn ra trong lục lạp của thực vật. Như vậy thực vật chủ yếu là các sinh vật tự dưỡng. Quá trình quang hợp sử dụng năng lượng ánh sáng được hấp thu nhờ sắc tố màu lục - Diệp lục có ở tất cả các loài thực vật (không có ở động vật) và nấm là một ngoại lệ, dù không có chất diệp lục nhưng nó thu được các chất dinh dưỡng nhờ các chất hữu cơ lấy từ sinh vật khác hoặc mô chết. Thực vật còn có đặc trưng bởi có thành tế bào bằng xenluloza (không có ở động vật). Thực vật không có khả năng chuyển động tự do ngoại trừ một số thực vật hiển vi có khả năng chuyển động được. Thực vật còn khác ở động vật là chúng phản ứng rất chậm với sự kích thích, sự phản ứng lại thường phải đến hàng ngày và chỉ trong trường hợp có nguồn kích thích kéo dài.
Thực vật là một nhóm các sinh vật quen thuộc bao gồm: cây gỗ, cây hoa, cây cỏ, dương xỉ hay rêu. Khoảng 350.000 loài thực vật, được xác định như là thực vật có hạt, rêu, dương xỉ và các dạng gần giống như dương xỉ, đã được ước tính là đang tồn tại. Vào thời điểm năm 2004, khoảng 287.655 loài đã được nhận dạng, trong đó 258.650 loài là thực vật có hoa và 15.000 loài rêu.
Aristotle phân chia sinh vật ra thành thực vật, nói chung là không di chuyển được, và động vật. Trong hệ thống của Linnaeus, chúng trở thành các giới Vegetabilia (sau này là Plantae) và Animalia. Kể từ đó trở đi, một điều trở nên rõ ràng là giới thực vật như trong định nghĩa nguyên thủy đã bao gồm vài nhóm không có quan hệ họ hàng gì, và người ta đã loại nấm và một vài nhóm tảo ra để tạo thành các giới mới. Tuy nhiên, chúng vẫn còn được coi là thực vật trong nhiều ngữ cảnh. Thực vậy, bất kỳ cố gắng nào nhằm làm cho "thực vật" trở thành một đơn vị phân loại đơn duy nhất đều chịu một số phận bi đát, do thực vật là một khái niệm được định nghĩa một cách gần đúng, không liên quan với các khái niệm được cho là đúng của phát sinh loài, mà phân loại học hiện đại đang dựa vào nó.
Từ nguyên.
Chữ Hán: 植物; "thực" (植) ở đây nghĩa gốc Hán là "trồng trọt", không phải "thực" (食) trong "thực phẩm"; "vật" trong "sinh vật".
Sự đa dạng.
Hơn 500.000 loài thực vật, gồm thực vật có hạt, rêu, dương xỉ và cận dương xỉ (fern ally) được thống kê hiện đang tồn tại. Năm 2004, 287.655 loài được xác định, trong số đó 258.650 là loài có hoa, 16.000 loài rêu, 11.000 loài dương xỉ và 8.000 loài tảo xanh.
Thực vật có phôi.
Quen thuộc nhất là các loài thực vật đa bào sống trên mặt đất, được gọi là thực vật có phôi ("Embryophyta"). Chúng bao gồm các loài thực vật có mạch, là các loại thực vật với các hệ thống đầy đủ của lá, thân và rễ. Chúng cũng bao gồm cả một ít các loài có quan hệ họ hàng gần với thực vật có mạch, thường được gọi trong khoa học là "Bryophyta", với các loài rêu là phổ biến nhất.
Tất cả các loại thực vật này đều có các tế bào nhân chuẩn với các màng tế bào được tạo thành từ xenluloza và phần lớn thực vật thu được nguồn năng lượng thông qua quang hợp, trong đó chúng sử dụng ánh sáng và dioxide cacbon để tổng hợp thức ăn. Khoảng 300 loài thực vật không quang hợp mà sống ký sinh trên các loài thực vật quang hợp khác. Thực vật là khác với tảo lục, mà chúng đã tiến hóa từ đó, ở điểm là chúng có các cơ quan sinh sản chuyên biệt được các mô không sinh sản bảo vệ.
Các loài rêu trong nhóm Bryophyta lần đầu tiên xuất hiện từ đầu đại Cổ Sinh. Chúng chỉ có thể sống sót trong các môi trường ẩm ướt, và giữ nguyên kích thước nhỏ trong suốt chu trình sống của chúng. Nó bao gồm sự luân phiên giữa hai thế hệ: giai đoạn đơn bội, được gọi là thể giao tử và giai đoạn lưỡng bội, được gọi là thể bào tử. Thể bào tử có thời gian sống ngắn và là phụ thuộc vào cha, mẹ của chúng.
Thực vật có mạch xuất hiện lần đầu tiên vào thời kỳ của kỷ Silur (409-439 Ma), và vào kỷ Devon (359-416 Ma) chúng đã đa dạng hóa và lan rộng trong nhiều môi trường đất khác nhau. Chúng có nhiều cơ chế thích nghi, cho phép chúng vượt qua các hạn chế của Bryophyta. Các cơ chế này bao gồm lớp biểu bì (chất cutin) chống bị khô và các mô có mạch để vận chuyển nước trong khắp cơ thể. Ở nhiều loài, thể bào tử đóng vai trò như một cá thể tách rời, trong khi thể giao tử vẫn là nhỏ.
Thực vật có hạt nguyên thủy đầu tiên, "Pteridospermatophyta" (dương xỉ có hạt) và nhóm "Cordaitales", cả hai nhóm này hiện nay đã tuyệt chủng, đã xuất hiện vào cuối kỷ Devon và đa dạng hóa trong kỷ Than Đá (280-340 Ma), với sự tiến hóa kế tiếp diễn ra trong kỷ Permi (248-280 Ma) và kỷ Trias (200-251 Ma). Ở chúng, giai đoạn thể giao tử bị suy giảm hoàn toàn, và thể bào tử bắt đầu cuộc sống bên trong lớp bao bọc, gọi là hạt, chúng phát triển khi đang ở trên thực vật cha mẹ và với sự thụ phấn bằng các hạt phấn. Trong khi các loài thực vật có mạch khác, chẳng hạn như dương xỉ, sinh sản nhờ các bào tử và cần có sự ẩm ướt để phát triển thì một số thực vật có hạt có thể sinh sống và sinh sản trong các điều kiện cực kỳ khô cằn.
Các loài thực vật có hạt đầu tiên được nói đến như là thực vật hạt trần ("Gymnospermae"), do phôi hạt không được bao bọc trong một cấu trúc bảo vệ khi thụ phấn, với các hạt phấn trực tiếp hạ xuống phôi. Bốn nhóm còn sống sót hiện vẫn phổ biến rộng khắp, cụ thể là thực vật quả nón, là nhóm cây thân gỗ thống trị trong một vài quần xã sinh vật. Thực vật hạt kín ("Angiosperm"), bao gồm thực vật có hoa, là nhóm thực vật chính cuối cùng đã xuất hiện, nảy ra từ thực vật hạt trần trong kỷ Jura (146-200 Ma) và đa dạng hóa nhanh chóng trong kỷ Phấn Trắng (65-146 Ma). Chúng khác với thực vật hạt trần ở chỗ các phôi hạt được bao bọc, vì thế phấn hoa cần phải phát triển một ống để xâm nhập qua lớp vỏ bảo vệ hạt; chúng là nhóm thống trị trong giới thực vật ngày nay ở phần lớn các quần xã sinh vật.
Phát sinh loài.
Phát sinh loài dưới đây của Plantae lấy theo Kenrick và Crane, với biến đổi đối với Pteridophyta lấy theo Smith và ctv.. Prasinophyceae có thể là nhóm cơ sở cận ngành đối với toàn bộ thực vật xanh.
Tảo.
Tảo bao gồm vài nhóm sinh vật khác biệt, sinh ra nguồn năng lượng thông qua quang hợp. Dễ thấy nhất là các loài tảo biển, là các loại tảo đa bào thông thường rất giống với thực vật trên đất liền, được tìm thấy bao gồm tảo lục, tảo đỏ và tảo nâu. Các nhóm tảo này cùng với các nhóm tảo khác cũng bao gồm các sinh vật đơn bào khác nhau.
Thực vật có phôi đã phát triển và tiến hóa từ tảo lục; cả hai được gọi tổng thể như là thực vật xanh ("Viridaeplantae"). Giới thực vật ("Plantae") hiện nay thông thường được chọn lựa sao cho nó là một nhóm đơn ngành, như chỉ ra trên đây. Với một ít ngoại lệ trong nhóm tảo lục, tất cả các dạng này đều có màng tế bào chứa xenluloza và lạp lục chứa các chất diệp lục "a" và "b", và lưu trữ nguồn thức ăn dưới dạng tinh bột. Chúng trải qua sự phân bào có tơ khép kín mà không có các trung thể, và thông thường có các ti thể với các nếp màng trong thể sợi hạt phẳng.
Các lạp lục của thực vật xanh cũng được 2 màng bao quanh, gợi ý rằng chúng có nguồn gốc trực tiếp từ vi khuẩn lam nội cộng sinh. Điều này cũng đúng với tảo đỏ (xem Archaeplastida), và hai nhóm này nói chung được coi là có nguồn gốc chung. Ngược lại, phần lớn các nhóm tảo khác có các lạp lục với 3 hoặc 4 màng. Về tổng thể chúng là không có quan hệ họ hàng gần gũi với thực vật xanh, có lẽ có được các lạp lục tách rời khỏi các nhóm tảo lục hay tảo đỏ cộng sinh.
Không giống như thực vật có phôi và tảo, nấm không có cơ chế quang hợp, mà là dạng sinh vật hoại sinh: chúng thu được nguồn thức ăn bằng cách phân hủy và hấp thụ các vật chất xung quanh chúng. Phần lớn các loài nấm được tạo thành bởi các ống cực nhỏ, gọi là sợi nấm, chúng có thể hoặc không thể phân chia thành các tế bào nhưng chứa nhân tế bào. Phần giống như quả, trong đó các loài nấm đất là thông thường nhất, trên thực tế chỉ là các cấu trúc sinh sản của nấm. Chúng không có quan hệ tới bất kỳ nhóm thực vật quang hợp nào, mà có quan hệ họ hàng gần gũi với động vật.
Tầm quan trọng.
Quang hợp và cố định dioxide cacbon của thực vật có phôi và tảo là nguồn năng lượng cũng như nguồn các chất hữu cơ cơ bản nhất trong gần như mọi môi trường sống trên Trái Đất. Quá trình này cũng làm thay đổi hoàn toàn thành phần của khí quyển Trái Đất, với kết quả là nó có thành phần oxy cao. Động vật và phần lớn các sinh vật khác là các sinh vật hiếu khí, phụ thuộc vào oxy; chúng không thể sinh sống được trong các môi trường hiếm khí.
Phần lớn nguồn dinh dưỡng của loài người phụ thuộc vào ngũ cốc. Các loại thực vật khác mà con người cũng dùng bao gồm các loại hoa quả, rau, gia vị và cây thuốc. Một số loài thực vật có mạch, được coi là cây thân gỗ hay cây bụi, sản sinh ra các thân gỗ và là nguồn vật liệu xây dựng quan trọng. Một số các loài cây khác được sử dụng với mục đích làm cảnh hay trang trí, bao gồm nhiều loại cây hoa.
Như vậy, có thể cho rằng thực vật là yếu tố cơ bản của sự sống trên Trái Đất. Không có thực vật thì nhiều sinh vật khác cũng không thể tồn tại, vì các dạng sinh vật cao hơn đều trực tiếp hoặc gián tiếp phụ thuộc vào thực vật và về cơ bản đều sử dụng thực vật như là nguồn thức ăn. Trong khi đó, hầu hết mọi thực vật đều có thể sử dụng ánh sáng Mặt Trời tự tạo thức ăn cho mình.
Quan hệ sinh thái.
Quang hợp do thực vật đất liền và rong, tảo thực hiện là nguồn năng lượng và vật chất hữu cơ cơ bản trong gần như mọi hệ sinh thái. Quá trình quang hợp đã làm thay đổi căn bản thành phần của khí quyển Trái Đất thời nguyên thủy, với kết quả là 21% oxy như ngày nay. Động vật và phần lớn các sinh vật khác là các sinh vật hiếu khí, phụ thuộc vào oxy; những sinh vật không hiếu khí là những loài có môi trường sống bị giam hãm trong các môi trường kỵ khí. Thực vật là các nhà sản xuất chính trong phần lớn các hệ sinh thái mặt đất và tạo thành nền tảng của chuỗi thức ăn trong các hệ sinh thái này. Nhiều động vật dựa vào thực vật như là nơi trú ẩn cũng như nguồn thức ăn và oxy.
Thực vật đất liền là thành phần quan trọng trong chu trình nước và một vài chu trình hóa địa sinh khác. Một số thực vật cộng sinh cùng với các vi khuẩn cố định đạm, làm cho thực vật trở thành một phần quan trọng trong chu trình nitơ. Các rễ thực vật đóng vai trò thiết yếu trong sự hình thành và phát triển của các loại đất và ngăn cản xói mòn đất. Các quần xã sinh vật trên Trái Đất được gọi tên theo loại thực vật là do thực vật là các sinh vật thống lĩnh trong các quần xã này.
Hàng loạt các động vật đã cùng tiến hóa với thực vật. Nhiều động vật thụ phấn cho hoa để đổi lấy là nguồn thức ăn trong dạng phấn hoa hay mật hoa. Nhiều động vật cũng làm các hạt được phân tán rộng khắp do chúng ăn quả và để lại hạt trong phân của chúng. Cây ổ kiến gai ("Myrmecodia armata") là những thực vật đã cùng tiến hoa với kiến. Cây cung cấp nơi cư trú, và đôi khi là thức ăn cho kiến. Để đổi lại, kiến bảo vệ cây tránh khỏi các loài động vật ăn cỏ và đôi khi là các loài cây cạnh tranh khác. Các chất thải của kiến lại cung cấp một lượng phân bón hữu cơ cho cây.
Phần lớn các loài thực vật gắn liền với nhiều loại nấm tại hệ rễ của chúng, trong dạng cộng sinh phụ thuộc, được biết đến như là nấm rễ (mycorrhiza). Nấm giúp cho cây thu được nước và các chất dinh dưỡng từ đất, trong khi cây cung cấp cho nấm các loại cacbohyđrat được sản xuất nhờ quang hợp. Một số thực vật còn là nơi ở cho các loại nấm sống trên cây, chúng bảo vệ cây khỏi các loài ăn cỏ bằng cách tiết ra các chất có độc tính. Một loại nấm như vậy là "Neotyphodium coenophialum", có trên những cây cỏ đuôi trâu cao ("Festuca arundinacea") đã gây ra nhiều tổn thất kinh tế cho ngành chăn nuôi bò của Hoa Kỳ.
Các dạng khác nhau của sự sống ký sinh cũng khá phổ biến giữa các loài thực vật, từ dạng bán ký sinh như cây tầm gửi (một phần bộ "Santalales") chỉ đơn thuần lấy đi một số chất dinh dưỡng từ cây chủ và vẫn có các lá có khả năng quang hợp, tới các loài ký sinh hoàn toàn như các loài cỏ chổi (chi "Orobanche") hay các loài cỏ thuộc chi "Lathrea" lấy tất cả các loại chất dinh dưỡng chúng cần thông qua sự kết nối vào rễ các loài thực vật khác, và không có diệp lục. Một số loài thực vật, được biết đến như là dị dưỡng nấm, chúng ký sinh các loài nấm rễ, và vì thế có cơ chế hoạt động ký sinh ngoài trên các loài thực vật khác.
Nhiều loài thực vật là biểu sinh, nghĩa là chúng sống trên các loài thực vật khác, thường là trên các cây thân gỗ, mà không ký sinh các cây này. Thực vật biểu sinh có thể gián tiếp gây hại cho cây chủ bằng cách ngăn chặn nguồn chất khoáng và ánh sáng mà nếu không có chúng thì cây chủ đã nhận được. Một lượng lớn thực vật biểu sinh có thể làm gãy các cành cây to. Nhiều loài lan, dứa, dương xỉ và rêu thường có kiểu sống này.
Một số ít loài thực vật lại là cây ăn thịt, chẳng hạn như bẫy ruồi Venus ("Dionaea muscipula") và các loài gọng vó. Chúng bẫy các loài động vật nhỏ và phân hủy con mồi để hấp thụ các khoáng chất, đặc biệt là nitơ.
Sự tăng trưởng.
Những thực vật đơn giản như tảo có thể có khoảng thời gian sống ngắn khi tính theo từng cá thể, nhưng các quần thể tảo nói chung có tính chất theo mùa. Các loại thực vật khác có thể được sắp xếp theo kiểu phát triển mang tính theo mùa của chúng thành:
Trong số các thực vật có mạch, cây lâu năm bao gồm cả cây thường xanh, chúng giữ lá trong cả năm, và cây lá sớm rụng, thường rụng lá trên một số phần nhất định. Ở những vùng có khí hậu ôn đới và phương bắc, nói chung chúng bị rụng lá khi mùa đông tới; nhiều loài thực vật miền nhiệt đới rụng lá vào mùa khô.
Tốc độ tăng trưởng của thực vật nói chung là rất khác nhau. Một số loại rêu lớn chậm hơn 1 μm/h, trong khi phần lớn các cây thân gỗ đạt 25-250 μm/h. Một số loài dây leo, chẳng hạn sắn dây, không cần sản sinh ra các mô hỗ trợ dày, có thể tăng trưởng tới 12.500 μm/h.
Hóa thạch.
Các hóa thạch thực vật, bao gồm rễ, gỗ, lá, hạt, quả, phấn hoa, bào tử và hổ phách (nhựa hóa thạch do một số loài thực vật sinh ra). Hóa thạch của thực vật sống trên đất liền được ghi nhận lại trong các trầm tích đất liền, sông, hồ và ven biển. Các phấn hoa, bào tử và tảo (Dinoflagellata và Acritarch) được sử dụng để xác định niên đại các tầng đá trầm tích. Các phần còn lại của thực vật hóa thạch là không phổ biến như của động vật, mặc dù các hóa thạch thực vật là khá phổ biến mang tính cục bộ trong nhiều khu vực trên thế giới.
Các thực vật hóa thạch sớm nhất được biết đến từ kỷ Devon, bao gồm đá phiến silic Rhynie tại Aberdeenshire, Scotland. Các mẫu được bảo quản tốt nhất, mà từ đó kết cấu tế bào của chúng đã được miêu tả, được tìm thấy trong khu vực này. Sự bảo quản hoàn hảo đến mức các phần của các thực vật cổ này chỉ rõ từng tế bào riêng biệt trong mô thực vật. Kỷ Devon cũng cho thấy sự tiến hóa của những thực vật mà nhiều người tin là của loại cây thân gỗ hiện đại đầu tiên, "Archaeopteris". Cây này giống như dương xỉ và có thân gỗ và lá lược của dương xỉ, không sinh ra hạt.
Các đơn vị than đá là nguồn chính của hóa thạch thực vật thuộc đại Cổ Sinh, với nhiều nhóm thực vật đã tồn tại vào thời kỳ này. Các đống đổ nát trong các mỏ than là các khu vực tốt nhất để thu thập; than tự bản thân nó là các phần còn lại của thực vật hóa thạch, mặc dù các chi tiết cấu trúc của các hóa thạch thực vật là ít rõ ràng trong than. Trong rừng hóa thạch tại công viên Victoria ở Glasgow, Scotland, các gốc cây của nhóm thực vật "Lepidodendron" được tìm thấy ở các vị trí phát triển nguyên thủy của chúng.
Các phần hóa thạch của thực vật quả nón và thực vật hạt kín như rễ, thân và cành có thể khá phổ biến trong các lớp đá trầm tích trong các hồ và ven bờ từ đại Trung Sinh và đại Tân Sinh. Tùng đỏ duyên hải (chi Sequoia) và các liên minh của nó như mộc lan, sồi và các loài cọ cũng thường được tìm thấy.
Gỗ hóa đá cũng khá phổ biến ở một số nơi trên thế giới, chủ yếu tìm thấy trong các khu vực khô cằn và sa mạc, những nơi chúng hay bị lộ thiên sớm do xói mòn. Gỗ hóa đá thường chứa nhiều silic (các chất hữu cơ bị thay thế bằng dioxide silic), và các mô thụ phấn thường được bảo quản khá chi tiết. Các mẫu vật như thế có thể cắt và đánh bóng bằng các dụng cụ chạm trổ đá. Các rừng hóa thạch chứa gỗ hóa đá đã được tìm thấy ở mọi châu lục.
Các hóa thạch của dương xỉ có hạt như "Glossopteris" được phân bổ khá rộng rãi ở vài châu lục thuộc Nam bán cầu, một thực tế hỗ trợ ý tưởng ban đầu của Alfred Wegener về thuyết trôi dạt lục địa.
Cơ chế của quá trình quang hợp.
Quá trình quang hợp chia làm hai pha: Pha sáng và pha tối:
Giai đoạn quang lý: Là giai đoạn hấp thu năng lượng ánh sáng nhờ hoạt động của các phân tử sắc tố quang hợp gọi chung là diệp lục và chuyển năng lượng giữa các sắc tố.
Năng lượng ánh sáng hấp thu bởi các sắc tố khác sẽ được chuyển tới diệp lục a và bản thân phân tử diệp lục a hấp thu năng lượng ánh sáng. Sau khi hấp thu năng lượng ánh sáng, phân tử diệp lục ở trạng thái kích động (ký hiệu là DL*), dồi dào năng lượng.
Giai đoạn quang hoá: Là giai đoạn chỉ sử dụng năng lượng photon hấp thu được vào các phản ứng quang hoá để hình thành nên các hợp chất dự trữ năng lượng và các hợp chất khử. Bao gồm quá trình quang hoá khởi nguyên, quá trình quang phân li nước và quá trình photphoril hoá quang hoá. Các quá trình đó được thực hiện cùng với dòng vận chuyển điện tử vòng và không vòng
- Dòng vận chuyển điện tử vòng: Điện tử từ diệp lục qua chuỗi truyền điện tử, sau đó lại quay về diệp lục và trong quá trình truyền điện tử ATP được tổng hợp.
Dòng vận chuyển điện tử không vòng
Sản phẩm của pha sáng: ATP, NADPH2, O2b.Pha tối của quá trình quang hợp
Pha tối của quang hợp diễn ra cả khi có ánh sáng và trong tối tại stroma. Pha tối sử dụng sản phẩm của pha sáng (ATP, NADPH2), các enzim trong stroma và đường ribozơ 1,5đi (P) để cố định CO2.
Như vậy, để khử ba phân tử CO2 cần 9ATP và 6NADPH2, tạo ra một phân tử C3 (glixeraldehit chứa liên kết cao năng)