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绪 论
作者:生科院植…    文章来源:西北农林科技大学    点击数:1933    更新时间:2010/7/13
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    植物学是以植物为研究对象,以形态解剖、系统分类、植物与环境之间的关系为主要内容的一门基础学科。通过学习植物学,不仅能够深入理解和熟知植物的结构、功能和多样性,了解植物的起源和系统进化。同时,植物学知识对于人类面临的可持续发展问题中,合理利用和保护植物资源,进行有序的生态重建和植被恢复等重大问题是十分重要的。

一、 植物在生物分界中的地位

    人们对植物界的认识及其范围的划分是随着科学技术的进步而发展的。就目前所知,关于生物分界的理论很多,但归纳起来,主要有两界、三界、四界、五界、六界等分类系统。
    1.林奈两界系统 现代生物分类的奠基人,瑞典博物学家林奈(Carolus Linnaeus,1707-1778)在《自然系统》(Systema Naturae)一书中明确将生物分为植物和动物两大类,即植物界(Plantas)和动物界(Animalis)。这就是常说的两界系统,两界系统的划分在当时的科学技术条件下具有重大科学意义。至今,许多教科书仍沿用两界系统。
    2.海克儿的三界系统 19世纪前后,由于显微镜的发明和广泛应用,人们发现有些生物兼有植物和动物两种属性,特别是粘菌类,在其生活史中有一个阶段为动物性特征。1860年霍格(Hogg)提出将所有单细胞生物、所有的藻类、原生动物和真菌归为一类,成立一个原始生物界;1866年德国著名生物学家海克儿(Haeckel,1834-1919)提出成立一个原生生物的意见,他把原核生物、原生动物、硅藻、粘菌、海绵等归入原生生物界(Protista),这就是生物分界的三界系统。
    3.科帕兰、魏泰克的四界、五界系统 1959年魏泰克(Whittaker,1924-1980)提出了四界系统,他将不含叶绿素的真核菌类从植物界分出,建立了真菌界(Fungi),而且和植物界一起并列于原生生物界之上。10年后,在此基础上,魏泰克又提出了五界系统,他将细菌和蓝藻分出,建立了原核生物界(Prokaryota),放在原生生物界之下。魏泰克的分界系统,优点是在纵向显示了生物进化的三大阶段,即原核生物、单细胞真核生物和真核多细胞生物;同时又从横向显示了生物演化的三大方向,即光合自养植物、吸收方式的真菌和摄食方式的动物。
1974年黎德尔(Leedale)提出了另一个四界系统,他取掉了原生生物界,而将魏泰克五界系统中的原生生物归到植物界、真菌界和动物界中。
    4.六界和八界系统 1949年Jahn提出将生物分成后生动物界、后生植物界、真菌界、原生生物界、原核生物界和病毒界的六界系统。1990年R.C.Brusca等提出另一个六界系统,即原核生物界、古细菌界(Archaebacteria)、原生生物界、真菌界、植物界和动物界。1989年Cavalier-Smith提出生物分界的八界系统,他们将原核生物分成古细菌界和真细菌界(Eubacteria);把真核生物分成古真核生物超界和后真核生物超界,前一超界仅有古真核生物界,后一超界有原生动物界、藻界、植物界、真菌界和动物界。
    5.我国学者对生物分界的意见 1966年邓叔群根据3种营养方式把生物分成植物界(光合自养)、动物界(摄食)和真菌界(吸收)。1965年胡先骕将生物分为始生总界和胞生总界,前者仅包括无细胞结构的病毒(virus),后者包括细菌界、粘菌界、真菌界、植物界和动物界。1979年陈世驤根据生命进化的主要阶段将生物分成3个总界的五界或六界新系统,即非细胞总界(仅为病毒),原核总界(包括细菌界和蓝藻界),真核总界(包括真菌界、植物界和动物界)。1977年王大耜等认为应在魏泰克的五界系统基础上增加一个病毒界的六界系统。迄今为止,对于病毒是否属于生物以及病毒是否比原核生物更原始,国内外尚无定论。
    目前,较为一致的观点是在生物分界中主要应该依据生物的营养方式,并要考虑生物的进化水平。因此,植物界的概念应是“含有叶绿素,能进行光合作用的真核生物”。按照这一概念,植物界包括的主要类群是各门真核藻类、苔藓植物、蕨类植物、棵子植物和被子植物。

二、 植物界的多样性

    自然界中植物种质资源十分丰富,其种数达50余万,它们是生物圈中的重要组成部分。
    植物有其主要的基本特征,它们的细胞形成细胞壁,具有比较固定的形态;大多数种类能够借助太阳光能,进行光合作用,把无机物质制造成有机物质而自养生活。不同植物的形态、结构、生活习性及对环境的适应性各有差异,总的发展趋势是由简单到复杂,从水生到陆生,经过漫长岁月从低级发展到高级。在大小方面,有直径只有0.1um的支原体,也有枝叶繁茂的参天巨树。在结构方面,有的仅由一个细胞组成,如衣藻、小球藻;有的由定数细胞聚集成群体类型,如实球藻;在此基础上,出现了多细胞的低级类型,如紫菜、海带等;进一步演化形成多细胞的高级类型,其植物体具有高度的组织分化,产生了维管组织,形成了根、茎、叶等器官,如松、小麦、玉米等。在生命周期方面,有的细菌仅生活20~30min,即进行分裂而产生新个体;一年生和两年生的草本植物,分别在一年中或跨越两个年份,经历2个生长季而完成生命进程,如棉花、冬小麦等;多年生的草本植物可以生活多年,如芦苇、菊花等;木本植物的树龄较长,有的甚至长达百年、千年。营养方式多样化,绝大多数植物都具有叶绿素,可进行光合作用,自制养料,称其为绿色植物或自养植物;尚有部分植物不含叶绿素,不能自制养料,必须寄生或腐生在其它生物体上,吸收现成的营养物质或通过对有机物的分解作用而摄取生活所需的养料,它们被称为非绿色植物或异养植物。也有少数种类,如硫细菌、铁细菌可以借氧化无机物获得能量而自制养料。植物种类生态分布多样而广泛,无论是平原、高山、极地,还是江河湖泊、荒漠、沙漠地带都有不同植物的踪迹,特别是在一些特定生态环境中,相应地出现了一些特殊类型的植物,如沙生植物、盐生植物、冻原植物等类型。
    植物种类的多样化来自种的持续形成过程,它是植物有机体在与环境长期的相互作用下,经过遗传、变异、适应和选择等一系列的矛盾运动所产生的,同时也与人类生产劳动的实践活动密不可分。
    我国植物资源丰富,仅种子植物就有3万余种,其中重要的经济植物甚多。如稻、谷子在我国已有数千年的栽培历史;银杏、水杉、水松、银杉更有活化石之美称;还有杜仲、人参、当归等名贵药用植物。西北地区独特的生态环境孕育了许多久负盛名的经济植物,如哈密瓜、沙拐枣、麻黄、沙棘、猕猴桃以及新疆的长绒棉。丰富的植物资源为我国经济的发展提供了雄厚的物质基础。
    当前,全球能源耗费、资源枯竭、人口膨胀、粮食短缺、环境退化及生态失调,都与植物资源开发和利用不当有直接和间接的关系,这种状况严重威胁到植物的多样性。因此,我们应深入系统地研究植物的作用,合理开发和利用,并加强保护,在保护植物多样性的基础上,使植物资源发挥更大的效益。

三、 植物在自然界和人类生活中的作用

    植物广泛分布于陆地、河流、湖泊和海洋,它们在生物圈的生态系统、物质循环和能量流动中处于最关键的地位,在自然界中具有不可替代的作用。
    首先,绿色植物能够进行光合作用,把简单的无机物合成复杂的有机物,并在植物体内进一步同化为脂类、蛋白质类物质,这不仅解决了绿色植物自身的营养,也维持了非绿色植物和人类的生命。通过非绿色植物对死的有机体进行分解,又可把复杂的有机物分解成简单的无机物,再为绿色植物所利用。总之,植物在自然界中,通过光合作用和矿化作用,即合成和分解,使自然界的物质循环往复,永无止境。
    据推算,地球上的植物为人类提供90%的能量,80%的蛋白质,食物中有90%产自陆生植物。人类食物约有3000多种,其中作为粮食作物的有麦、稻、高粱、玉蜀黍等;果蔬植物有桃、苹果、犁、香蕉、萝卜、白菜等;大豆、花生、油菜为重要的油料植物;棉、大麻、荢麻、竹是纺织或造纸的原料;许多高大树木的木材可供建筑、桥梁等用。
许多植物分别含有各种生物碱、苷类、萜类、氨基酸、激素、抗菌素等医药用有效成分,在防病治病,促进人类身体健康方面发挥重要作用,如薄荷、黄芪、黄芩、白术、金银花、人参、丹参、厚朴等均为重要的药用植物。医药上常用的青霉素、土霉素等,也是从低等植物的菌类中提制而成。植物不仅在农业、林业生产上具有极重要的作用,而且为工业生产提供原料或直接参与作用。
    其次,植物在维持地球上物质循环的平衡中起着不可替代的作用,如通过光合作用吸收大量的CO2和放出大量的O2,以维持大气中CO2和O2的平衡;通过合成与分解作用参与自然界中矿物质的循环和平衡。
    第三,植物为地球上其他生物提供了赖以生存的栖息和繁衍后代的场所。
    第四,植物有净化空气,检测有毒物质、防风固沙、涵养水源、调节气候、保持水土等作用。
    总之,植物在自然界中是第一批生产者,是一切生物(包括人类)赖以生存的物质基础,为一切真核生物(包括需氧原核生物)提供生命活动必需的氧气和生存环境,维持着自然界中的物质循环和平衡,甚至可以说,没有植物,其他的生物(包括人类)无法生存。

四、 植物学简史及其分科概述


    植物学的形成和发展与人类的生产实践密切相关。早期的人类在采集植物充饥御寒和医治疾病的过程中,认识和利用植物,使本草学逐渐建立起来。我国在东汉时期(公元25-220)的神农“本草经”,就收有中草药365种,是我国目前可以查考的第一部本草总结。以后各代的志书,都有关于新植物的记述和栽培植物考证,并有历代相传的药用植物专书,如明代李时珍的《本草纲目》,详细描述药物1892种,其中有植物1195种,是研究我国植物的一部经典性著作。
    16世纪末17世纪初,植物开始成为许多科学家注意的焦点,其原因与其说是在于对植物的营养和医药价值,倒不如说是在于对植物发生了兴趣,这些植物学家所写的著作标志着向植物分类迈开极重要的一步。而林奈(Carolus Linnaeus,1707-1778)作为现代植物分类的奠基人,是当之无愧的,他创立的“双名法”一直沿用至今。19世纪英国达尔文(C.R.Darwin)的《物种起源》提出进化论的观点,对植物科学的发展起着十分重要的推动作用。19世纪德国的施莱登(M.J.Schleiden)和施旺(T.A.H.Schwann)创立细胞学说,证明了生物在结构上和起源上的同一性,为以后深入研究生命现象提供了重要基础。
    植物学是研究植物界和植物体生活和发展规律的生物科学。随着生产力和其他有关学科的发展植物学已分成许多分科,现择要予以介绍主要的分支学科。
    植物形态学(Plant Morphology)。研究植物外部形态,其中包括个体发育和系统发育中形态建成的规律,以及形态与环境条件关系的科学。其内容还可包括植物外部形态学、植物解剖学、植物胚胎学和植物细胞学。
    植物解剖学(Plant Anatomy)。研究植物体的内部结构,个体发育和系统发育中的结构建成规律,以及结构与功能和生活条件的关系的科学。
    植物分类学(Plant Taxonomy)。研究植物种类的鉴定,植物之间的亲缘关系,以及植物界的自然系统的学科。
    植物生理学(Plant Physiology)。研究植物生命活动及其规律的学科。包括植物体内的物质和能量代谢、植物的生长发育、植物对环境条件的反应等。
    植物生态学(Plant Ecology)。研究植物与环境的相互关系的学科。
    此外,还有植物胚胎学(Plant Embryology),研究高等植物胚胎形成和发育规律的学科;植物细胞学(Plant Cytology),研究植物细胞的形态结构、代谢功能、遗传变异等内容的学科;植物遗传学(Plant Genetics),研究植物的遗传和变异规律的学科;植物生物学(Plant Biology)的研究内容涉及植物形态结构、植物生命活动、植物生态、植物系统进化等各个方面的知识。
    20世纪60年代以来,由于研究方法和实验技术的不断创新,植物科学得到迅速发展。在微观领域,由细胞水平进入亚细胞、分子水平,对植物体结构与机能有了更深入的了解,在光合作用、生物固氮、呼吸作用、离子吸收等许多方面获得了重大突破,特别在确认DNA是遗传的分子基础,并阐明了DNA的双螺旋结构之后,人们开始从分子水平上认识植物。在宏观领域,已由植物的个体生态进入到种群、群落及生态系统的研究,甚至采用卫星遥感技术研究植物群落在地球表面的空间分布和演化规律,进行植物资源调查。
    最近十几年,植物科学的各个领域不断与相邻学科如生物化学(Biochemistry)、遗传学(Genetics)、细胞生物学(Cell Biology)、发育生物学(Developmental Biology)等相互渗透,尤其是分子生物学和基因组学的迅速崛起,对植物学的发展产生了巨大的影响,致使边缘学科和整合性研究领域层出不穷。可以预见,随着模式植物拟南芥、水稻等植物基因组计划的完成和基因功能的阐明,人们对植物生长发育、遗传、进化以及植物与环境之间关系等问题的认识将发生革命化的飞跃。植物科学将在更高层次上和更大范围内,探索植物生命奥秘和发展规律。
    植物学的各个分科在其历史发展中,都有其重要意义,为了深入细致地揭示植物的生命现象和发展规律,致力于某一方面的研究,建立分科是十分必要的。但是生产中的实际问题是非常复杂的。因此,各学科在精细分工的基础上,必须加强学科间的密切协作,才能解决综合性的问题。

五、 学习植物学的目的和方法

    研究植物学的目的在于掌握物种形成与系统发育的规律;研究个体构造、生物发育与生殖的规律;研究生命活动现象及生命活动的规律;研究植物与环境之间的辨证关系从而控制、利用和改造植物,扩大和充分利用野生植物资源,提高农作物的产量和品质,引种驯化,更好地为我国的国民经济建设服务。
    植物学是农林院校中的一门基础课,也是进一步学好其它专业基础课(如植物生理学)和专业课(如作物栽培学)的必要条件和基础。本教材是为了适应农林业发展和植物学教学体系改革的需要而组织编写的,主要考虑植物学知识的系统性、科学性和实效性,同时兼顾高等院校教学体系和特点。教材力求阐明植物学的基本知识和基本概念,密切联系实际,充分反映本学科的发展动态。教材以被子植物为主线,阐述了植物体的形态特征、解剖结构、个体发育过程中器官的形态发生及胚胎形成特点,介绍了植物的多样性与分类的基础知识,植物界的系统进化,被子植物的分科概述,植物与环境,并适当加强了植物资源保护与利用的内容。认真掌握教材内容,对学好植物学课程至关重要。
    学习植物学,必须注意辨证思维,把握知识间的内在联系。如形态结构与生理功能的关系,形态结构与生态环境的关系,个体发育和系统发育的关系,共性和个性的关系,多样性保护和资源开发利用的关系等。只有掌握不同植物生长发育的规律性,以及它们与环境间生态关系的规律性,科学地加以控制、促进和调节,才能从植物获得更多的产品和产量。
    学习植物学,要在学习植物学的基本理论和基本知识的基础上,注意了解新成就,新动向和新发展。要学会和经常查阅国内外重要的植物科学期刊和参考书,以了解植物科学的新信息。
    植物学和其他生物科学一样,都有相似的研究方法,通过认真观察、系统比较和实验,以了解植物生活现象、生物发育和形态结构,从而揭示植物生活、生长与发育和形态与结构变化的表现、规律和本质。植物学是一门实验性很强的学科,学习时,必须理论联系实际,将课堂系统讲授与实验和实习密切结合,按照植物生长发育的过程进行学习和实践。为学习后续有关课程以及更好地工作打下坚实的植物学知识基础。

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