26.4: Роль насіннєвих рослин

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1961

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Поясніть, як різноманітність покритосперми частково обумовлена численними взаємодіями з тваринами
Опишіть способи, за допомогою яких відбувається запилення
Обговоріть роль, яку рослини грають в екосистемах, і як вирубка лісів загрожує біорізноманіттю

Без насіннєвих рослин життя, як ми знаємо, було б неможливим. Рослини відіграють ключову роль у підтримці наземних екосистем через стабілізацію ґрунтів, циклічність вуглецю та помірність клімату. Великі тропічні ліси виділяють кисень і діють як раковини вуглекислого газу. Насіннєві рослини забезпечують притулок багатьом життєвим формам, а також їжею для травоїдних тварин, тим самим побічно харчуючи м'ясоїдних тварин. Рослинні вторинні метаболіти використовуються в лікувальних цілях і промисловому виробництві.

Тварини і Рослини: Травоїдні

Коеволюція квітучих рослин і комах - гіпотеза, яка отримала велику увагу і підтримку, тим більше, що і покритонасінні, і комахи урізноманітнювалися приблизно в один і той же час в середньому мезозої. Багато авторів відносять різноманітність рослин і комах до запилення і травоїдності, або споживання рослин комахами та іншими тваринами. Вважається, що це було такою ж рушійною силою, як запилення. У природі спостерігається коеволюція травоїдних і захисних сил рослин. На відміну від тварин, більшість рослин не можуть обігнати хижаків або використовувати мімікрію, щоб сховатися від голодних тварин. Існує свого роду гонка озброєнь між рослинами і травоїдними тваринами. Для «боротьби» з травоїдними тваринами деякі насіння рослин - такі як жолудь і недозріла хурма - мають високий вміст алкалоїдів і тому неприємні для деяких тварин. Інші рослини захищені корою, хоча деякі тварини розробили спеціалізовані шматочки рота, щоб розривати та жувати рослинний матеріал. Шипи і колючки (рис.\(\PageIndex{1}\)) відлякують більшість тварин, за винятком ссавців з густим хутром, а деякі птахи мають спеціалізовані дзьоби, щоб пройти повз таких захисних засобів.

Фото А показує зелений кактус. Вона покрита скупченнями довгих струнких шипів, які блідо-білі і мають видимі гострі точки. На фото Б зображений зелений нечіткий стебло з виступаючими з нього декількома короткими зеленими шипами. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Шипи і (б) шипи є прикладами захисту рослин. (Кредит а: модифікація роботи Джона Саллівана; кредит b: модифікація роботи І.Сачека, старшого)

Травоїдна рослина використовувалася насіннєвими рослинами для власної вигоди в прояві взаємних відносин. Розгін фруктів тваринами - найяскравіший приклад. Рослина пропонує травоїдним тваринам поживне джерело їжі в обмін на поширення генетичного матеріалу рослини на більш широку площу.

Крайнім прикладом співпраці між твариною та рослиною є випадок дерев акації та мурах. Дерева підтримують комах укриттям та їжею. Натомість мурахи відлякують травоїдних, як безхребетних, так і хребетних, жалячи і нападаючи на листоїдних комах.

Тварини і рослини: запилення

Трави - це вдала група квітучих рослин, які запилюються вітром. Вони виробляють велику кількість порошкоподібного пилку, переноситься на великі відстані вітром. Квітки дрібні і густі. Великі дерева, такі як дуби, клени та берези, також запилюються вітром.

Більше 80 відсотків покритонасінних рослин залежать від тварин для запилення: перенесення пилку з пильовика на рильце. Отже, рослини виробили безліч пристосувань для залучення запилювачів. Специфіка спеціалізованих рослинних структур, орієнтованих на тварин, може бути дуже дивною. Наприклад, можна визначити тип запилювача, який сприяє рослині, лише з особливостей квітки. Багато пташині або комахозапилювані квіти виділяють нектар, який представляє собою цукристу рідину. Вони також виробляють як родючий пилок, для розмноження, так і стерильну пилок, багату поживними речовинами для птахів і комах.

Фото показує жирний, жовтий і чорний джміль п'є нектар з фіолетового і жовтого квітки. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Оскільки бджола збирає нектар з квітки, він запилюється пилком, яку потім розганяє на інші квіти. (кредит: Джон Севернс)

Метелики і бджоли можуть виявити ультрафіолетове світло. Квіти, які приваблюють цих запилювачів, зазвичай демонструють візерунок низького ультрафіолетового відбиття, що допомагає їм швидко знайти центр квітки та збирати нектар, запилюючи пилок (рис.\(\PageIndex{2}\)). Великі червоні квіти з невеликим запахом і довгою формою воронки воліють колібрі, які мають гарне сприйняття кольору, поганий нюх, потребують сильного окуня. Білі квіти, розкриті вночі, приваблюють метеликів. Інші тварини, такі як кажани, лемури та ящірки, також можуть виступати в ролі запилювачів. Будь-яке порушення цих взаємодій, наприклад зникнення бджіл як наслідок розладів колапсу колоній, може призвести до катастрофи для сільськогосподарських галузей, які сильно залежать від запилених культур.

Підключення наукового методу: тестування залучення мух гниючим запахом плоті

Питання: Чи будуть квіти, які пропонують сигнали бджолам, залучати падаль мух, якщо їх обприскати сполуками, які пахнуть гнилою м'якоттю?

Передумови: Відвідування квітів мухами-запилювачами є функцією переважно запаху. Мух приваблює гниюча плоть і падаль. Гнильний запах, здається, є головним атрактантом. Джерелом різкого запаху гниючого м'яса є поліаміни путресцин і кадаверин, які є продуктами розпаду білка після загибелі тварин. Деякі рослини стратегічно притягують мух, синтезуючи поліаміни, подібні до тих, що генеруються гниючої плоті, і тим самим залучають падальних мух.

Мухи шукають мертвих тварин, оскільки вони зазвичай відкладають на них свої ікри, а їх личинки харчуються гниючою плоттю. Цікаво, що час смерті може визначити судовий ентомолог на основі стадій і типу опаришів, вилучених з трупів.

Гіпотеза: Оскільки мухи тягнуться до інших організмів на основі запаху, а не зору, квітка, яка зазвичай приваблива для бджіл через свої кольори, приверне мух, якщо її обприскати поліамінами, подібними до тих, що генеруються гниючою плоттю.

Перевірте гіпотезу:

Відбирають квіти, як правило, запилюються бджолами. Біла петунія може стати хорошим вибором.
Розділіть квіти на дві групи, і, надягаючи засоби захисту очей і рукавички, обприскуйте одну групу розчином або путресцина, або кадаверина. (Путресцин дигідрохлорид, як правило, доступний в 98 відсотків концентрації; це може бути розбавлений приблизно 50 відсотків для цього експерименту.)
Помістіть квіти в місці, де присутні мухи, зберігаючи розпорошені та нерозпорошені квіти відокремленими.
Спостерігайте за рухом мух протягом однієї години. Запишіть кількість відвідувань квітів за допомогою таблиці, аналогічної таблиці\(\PageIndex{1}\). Враховуючи швидкий рух мух, може бути корисним використовувати відеокамеру для запису взаємодії мухи та квітки. Відтворюйте відео в уповільненому режимі, щоб отримати точний запис про кількість відвідувань квітів.
Повторіть експеримент ще чотири рази з одним і тим же видом квітки, але використовуючи різні екземпляри.
Повторіть весь експеримент з іншим типом квітки, який зазвичай запилюється бджолами.

**Таблиця\(\PageIndex{1}\):** Результати кількості відвідувань мухами для обприскування та боротьби з нерозпиленими квітами
Випробування #	Обприскування квітів	Нерозпилені квіти
1
2
3
4
5

Проаналізуйте свої дані: Перегляньте записані вами дані. Середня кількість відвідувань, які мухи здійснили для обприскування квітів протягом п'яти випробувань (на першому типі квітки), і порівняйте їх із середньою кількістю відвідувань, які мухи здійснили до необприскуваних/контрольних квітів. Чи можете ви зробити якісь висновки щодо залучення мух до обприскуваних квітів?

Для другого використовуваного типу квітів середня кількість відвідувань, які мухи здійснили для обприскування квітів протягом п'яти випробувань, і порівняйте їх із середньою кількістю відвідувань, які мухи здійснили до необприскуваних/контрольних квітів. Чи можете ви зробити якісь висновки щодо залучення мух до обприскуваних квітів?

Порівняйте та порівняйте середню кількість відвідувань, які здійснювали мухи до двох типів квітів. Чи можете ви зробити якісь висновки про те, чи вплинув зовнішній вигляд квітки на залучення мух? Чи запах перекривав будь-які відмінності у зовнішньому вигляді, чи мухи приваблювали один тип квітки більше, ніж інший?

Сформуйте висновок: Чи підтверджують результати гіпотезу? Якщо ні, то як це можна пояснити?

Значення насіннєвих рослин у житті людини

Насіннєві рослини є основою раціону людини у всьому світі (рис.\(\PageIndex{3}\)). Багато суспільств їдять майже виключно вегетаріанські страви і залежать виключно від насіннєвих рослин для своїх харчових потреб. Кілька культур (рис, пшениця та картопля) домінують у сільськогосподарському ландшафті. Багато сільськогосподарських культур були розроблені під час сільськогосподарської революції, коли людські суспільства здійснили перехід від кочового мисливця—збирачів до садівництва та сільського господарства. Крупи, багаті вуглеводами, забезпечують основний продукт багатьох дієт людини. Квасоля і горіхи постачають білки. Жири отримують з подрібненого насіння, як це стосується арахісової та ріпакової (ріпакової) олії, або фруктів, таких як оливки. Тваринництво також споживає велику кількість сільськогосподарських культур.

Основні культури - не єдина їжа, отримана з насіннєвих рослин. Фрукти та овочі забезпечують поживні речовини, вітаміни та клітковину. Цукор для підсолодження страв виробляється з цукрової тростини монокоту та цукрового буряка евдикоту. Напої готують з настоїв чайного листя, квіток ромашки, подрібнених кавових зерен або порошкових какао-бобів. Спеції походять з багатьох різних частин рослин: шафран і гвоздика - це тичинки і бруньки, чорний перець і ваніль - насіння, кора куща в сім'ї Laurales постачає корицю, а трави, які ароматизують багато страв, походять із сушеного листя та фруктів, таких як гострий червоний перець чилі. Летючі масла квітів і кори забезпечують аромат парфумів. Крім того, жодне обговорення внеску насіннєвих рослин у раціон людини не було б повним без згадки про алкоголь. Ферментація цукрів і крохмалів рослинного походження використовується для виробництва алкогольних напоїв у всіх суспільствах. У деяких випадках напої отримують від бродіння цукрів з фруктів, як з винами, а в інших випадках - від бродіння вуглеводів, отриманих з насіння, як у пива.

Насіннєві рослини мають багато інших застосувань, включаючи надання деревини як джерела деревини для будівництва, палива та матеріалу для будівництва меблів. Більшість паперу отримують з м'якоті хвойних дерев. Волокна насіннєвих рослин, таких як бавовна, льон та коноплі, вплітаються в тканину. Текстильні барвники, такі як індиго, були в основному рослинного походження до появи синтетичних хімічних барвників.

Нарешті, важче кількісно оцінити переваги декоративних насіннєвих рослин. Ці витончені приватні та громадські простори, додаючи краси та безтурботності людському життю та надихаючи художників та поетів.

Фото А показує невеликі мигдалеподібні насіння какао та овальні плоди какао. На ілюстрації B показані каплеподібні листя та маленькі рожеві квіти дерева хінхони. Фото C показує скрипку. На фото D представлений букет фіолетових і жовтих тюльпанів. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Люди покладаються на рослини з різних причин. (а) Какао-боби були завезені в Європу з Нового Світу, де вони використовувалися мезоамериканськими цивілізаціями. У поєднанні з цукром, ще одним рослинним продуктом, шоколад є популярною їжею. (б) Такі квіти, як тюльпан, культивуються для їх краси. (c) Хінін, витягнутий з дерев хінхони, використовується для лікування малярії, для зменшення лихоманки та полегшення болю. (d) Ця скрипка виготовлена з дерева. (Кредит а: модифікація роботи «Everjean» /Flickr; кредит b: модифікація роботи Розендаля; кредит c: модифікація роботи Франца Ойгена Келера)

Лікувальні властивості рослин відомі людським суспільствам з давніх часів. Є згадки про використання лікувальних властивостей рослин в єгипетських, вавилонських та китайських працях 5000 років тому. Багато сучасних синтетичних терапевтичних препаратів отримують або синтезують de novo з рослинних вторинних метаболітів. Важливо відзначити, що один і той же рослинний екстракт може бути терапевтичним засобом при низьких концентраціях, стати наркотиком, що викликає звикання в більш високих дозах, і потенційно може вбити при високих концентраціях. У таблиці нижче представлені кілька препаратів, їх рослини походження та їх лікарські застосування.

**Таблиця\(\PageIndex{2}\)**: Рослинне походження лікарських сполук і застосування
Завод	З'єднання	Додаток
Смертельний паслін (Атропа беладона)	атропін	Розширити зіниці очей для очних іспитів
Наперстянка (Digitalis purpurea)	Наперстянка	Хвороби серця, стимулює серцебиття
Ям (Діоскорея spp.)	Стероїди	Стероїдні гормони: протизаплідні таблетки і кортизон
Ефедра (ефедра spp.)	Ефедрин	Протинабряковий і бронхіольний розширювач
Тис тихоокеанський (Taxus brevifolia)	Таксол	Хіміотерапія раку; пригнічує мітоз
Опіумний мак (Papaver somniferum)	Опіоїди	Знеболюючий (зменшує біль без втрати свідомості) і наркотичний (зменшує біль при сонливості і втраті свідомості) в більш високих дозах
Хінініне дерево (Cinchona spp.)	Хінін	Жарознижуючі (знижує температуру тіла) і протималярійні
Верба (Salix spp.)	Саліцилова кислота (аспірин)	Знеболюючий і жарознижуючий

Кар'єра зв'язку: Етноботанік

Відносно нова сфера етноботаніки вивчає взаємодію між певною культурою і рослинами, родом з регіону. Насіннєві рослини мають великий вплив на повсякденне життя людини. Рослини не тільки є основним джерелом їжі та медицини, вони також впливають на багато інших аспектів суспільства, від одягу до промисловості. Лікувальні властивості рослин були визнані рано в людських культурах. З середини 1900-х років синтетичні хімічні речовини почали витісняти засоби на рослинній основі.

Фармакогнозія - це галузь фармакології, яка фокусується на лікарських засобах, отриманих з природних джерел. З масовою глобалізацією та індустріалізацією існує занепокоєння, що багато людських знань про рослини та їх лікувальні цілі зникнуть із культурами, які їх сприяли. Тут приходять етноботаніки. Щоб дізнатися і зрозуміти використання рослин у певній культурі, етноботанік повинен принести знання про життя рослин і розуміння і оцінку різних культур і традицій. Амазонський ліс є домом для неймовірної різноманітності рослинності і вважається невикористаним ресурсом лікарських рослин; проте як екосистемі, так і її корінним культурам загрожує зникнення.

Щоб стати етноботаніком, людина повинна придбати широкі знання з біології рослин, екології та соціології. Досліджуються та зібрані не тільки екземпляри рослин, але й історії, рецепти та традиції, які пов'язані з ними. Для етноботаніків рослини розглядаються не виключно як біологічні організми для вивчення в лабораторії, але як невід'ємна частина людської культури. Конвергенція молекулярної біології, антропології та екології роблять область етноботаніки по-справжньому багатопрофільною наукою.

Біорізноманіття рослин

Біорізноманіття забезпечує ресурс для нових продовольчих культур та лікарських засобів. Життя рослин врівноважує екосистеми, захищає вододіли, пом'якшує ерозію, стримує клімат і забезпечує притулок для багатьох видів тварин. Однак загрози різноманітності рослин походять з багатьох сторін. Вибух людського населення, особливо в тропічних країнах, де рівень народжуваності найвищий, а економічний розвиток йде повним ходом, призводить до посягання людини в лісисті райони. Щоб прогодувати більшу популяцію, людині необхідно отримати орні землі, тому відбувається масова розчищення дерев. Потреба в більшій кількості енергії для живлення великих міст та економічного зростання в них призводить до будівництва дамб, наслідком затоплення екосистем та збільшення викидів забруднюючих речовин. Інші загрози тропічним лісам надходять від браконьєрів, які дерев'яні дерева для своєї дорогоцінної деревини. Ебенове дерево та бразильське палісандр, як у списку зникаючих, є прикладами порід дерев, які майже вимирають нерозбірливими лісозаготівлями.

Кількість видів рослин, що вимерли, збільшується з тривожною швидкістю. Оскільки екосистеми знаходяться в делікатному балансі, а насіннєві рослини підтримують тісні симбіотичні стосунки з тваринами - будь то хижаки чи запилювачі - зникнення однієї рослини може призвести до вимирання пов'язаних видів тварин. Справжнім і нагальним питанням є те, що багато видів рослин ще не каталогізовані, і тому їх місце в екосистемі невідомо. Цим невідомим видам загрожують лісозаготівля, знищення середовища проживання та втрата запилювачів. Вони можуть вимерти до того, як у нас з'явиться шанс почати розуміти можливі наслідки їх зникнення. Зусилля щодо збереження біорізноманіття мають кілька напрямків дій, від збереження насіння реліквії до видів штрих-кодування. Насіння реліквії походять з рослин, які традиційно вирощувалися в людських популяціях, на відміну від насіння, використовуваного для великомасштабного сільськогосподарського виробництва. Штрих-кодування - це техніка, при якій одна або кілька коротких послідовностей генів, взятих з добре охарактеризованої частини генома, використовуються для ідентифікації виду за допомогою аналізу ДНК.

Резюме

Покритонасіннєва різноманітність частково обумовлена множинними взаємодіями з тваринами. Трав'янистість сприяла розвитку захисних механізмів у рослин та уникненню цих захисних механізмів у тварин. Запилення (перенесення пилку на килимок) в основному здійснюється вітром і тваринами, а покритонасінні рослини розвинули численні пристосування для захоплення вітру або залучення конкретних класів тварин.

Рослини відіграють ключову роль в екосистемах. Вони є джерелом харчових і лікарських сполук, і забезпечують сировиною для багатьох галузей промисловості. Швидке вирубка лісів та індустріалізація, однак, загрожують біорізноманіттю рослин. У свою чергу, це загрожує екосистемі.

Глосарій

штрих-кодування: метод молекулярної біології, в якій одна або кілька коротких послідовностей генів, взятих з добре охарактеризованої частини генома, використовується для ідентифікації виду

урожай, врожай: культурна рослина

насіння реліквії: насіння з рослини, яке вирощувалося історично, але не використовувалося в сучасному сільському господарстві в великих масштабах

травоїдних: споживання рослин комахами та іншими тваринами

нектар: рідина, багата цукрами, вироблена квітами для залучення запилювачів тварин

запилення: перенесення пилку з пильовика на рильце