درسنامه آموزشی زیست شناسی هنرستان

واحد یادگیری 1: از یاخته تا گیاه

آیا می‌دانید؟

1- ساختار یاخته گیاهی چگونه است؟
2- آیا تمامی بافت‌های گیاهی ساختار یکسان دارند؟
3- اندام‌های گیاهی کدام‌اند و چه وظایفی دارند؟
4- انواع تولیدمثل در گیاهان کدام‌اند؟
5- گیاهان چگونه رده‌بندی می‌شوند؟

گیاهان، گروهی بسیار ارزشمند و مهم از موجودات پریاخته‌ای به‌شمار می‌روند. زندگی بیشتر موجودات زنده روی کره‌زمین، به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم به گیاهان وابسته است.

بخش مهمی از فرایند فتوسنتز که از مهم‌ترین فرایندهای زیستی کره‌زمین است، درون گیاهان و یاخته‌هایشان رخ می‌دهد. بیشتر یاخته‌های گیاهی دارای سه ویژگی دیواره یاخته‌ای، سبزدیسه (کلروپلاست) و واکوئول بزرگ مرکزی (در یاخته‌های بالغ) هستند.

استاندارد عملکرد

تحلیل ساختار (یاخته، بافت و اندام)، عملکرد، تولیدمثل و رده‌بندی گیاهان و انجام آزمایش‌ها و بررسی‌های ریخت‌شناسی مرتبط

یاخته و بافت گیاهی

پیکر گیاهان، مانند همه جانداران، از یاخته تشکیل شده است. بیشتر یاخته‌های گیاهی دارای سه ویژگی دیواره یاخته‌ای، سبزدیسه (کلروپلاست) و کریچه (واکوئول) بزرگ مرکزی (در یاخته‌های بالغ) هستند. دیواره یاخته‌ای که پیرامون غشای یاخته را فراگرفته است، به‌طور عمده از جنس سلولز است. این دیواره به یاخته استحکام می‌بخشد (شکل 1).

بافت‌های گیاهی

مجموعه‌ای از یاخته‌های گیاهی که عملکرد مشترکی را انجام می‌دهند بافت گیاهی را تشکیل می‌دهند. پیکر گیاهان مانند سایر جانداران از انواع بافت‌ها تشکیل می‌شود. مریستم‌ها یکی از انواع بافت‌های گیاهی هستند. یاخته‌های این بافت‌ها در رأس ساقه، نزدیک نوک ریشه و در برخی دیگر از قسمت‌های گیاه وجود دارند (شکل 2).

یاخته‌های مریستمی با تقسیم شدن، سه بافت اصلی روپوست (اپیدرم)، بافت‌های زمینه‌ای و بافت‌های هادی را می‌سازند (شکل‌های 3 و 4).

الف) بافت روپوست:

روپوست بیرونی‌ترین لایه سلولی محافظ گیاه است که مانند پوست بدن ما از سلول‌های فشرده تشکیل شده‌اند. سطح بیرونی روپوست اغلب با لایه ضخیم و از جنس ماده‌ای موم مانند به نام پوستک (کوتیکول) پوشیده شده است که از تبخیر زیاد آب جلوگیری می‌کند. اغلب یاخته‌های این بافت کلروپلاست ندارند. کرک و یاخته‌های نگهبان روزنه، دو نوع از یاخته‌های روپوستی در بخش هوایی گیاه اند (شکل 3).

ب) بافت زمینه‌ای:

در گیاهان این بافت‌ها متنوع‌اند. گروه اول از این بافت‌ها پارانشیم‌ها هستند که در ذخیره موادی مثل نشاسته و فتوسنتز دخالت دارند. کلانشیم دسته دوم از بافت‌های زمینه‌ای است که باعث استحکام بخش‌های جوان گیاه می‌شود. اسکلرانشیم نیز نوع سوم از بافت‌های زمینه‌ای است. در این بافت دیواره یاخته‌ها چوبی شده و در قسمت‌های مختلف گیاه باعث استحکام می‌شود. دانه‌های سفت موجود در گلابی که بین دندان‌ها احساس می‌شود از این نوع‌اند.

پ) بافت‌های هادی (بافت‌های آوندی):

به دو نوع آوند چوبی و آوند آبکش تقسیم می‌شوند. آوندهای چوبی نقش انتقال آب و املاح جذب شده از ریشه به برگ‌ها و آوند آبکش نقش انتقال مواد آلی تولید شده در فتوسنتز را به سایر بخش‌های گیاه بر عهده دارند (شکل 4).

بافت‌های ترشحی

بعضی از بافت‌ها مثل بافت پارانشیمی، بافت روپوستی و حتی بافت‌های هادی می‌توانند عملکردی خاص برای ترشح پیدا کنند. این بافت‌ها را بافت ترشحی می‌نامیم. درون این بافت‌ها، مواد مختلفی مانند صمغ، رزین، نکتار (شهد) و شیرابه تولید می‌شود. این بافت‌ها به شکل‌های گوناگون مانند کرک‌ها، حفره‌ها و لوله‌های ترشحی دیده می‌شوند (شکل 5).

اندام‌های گیاهی

اندام‌های گیاهی مجموعه‌ای از بافت‌های مختلف هستند. در اغلب گیاهان دو گروه اندام زایشی و رویشی دیده می‌شود. ریشه، ساقه و برگ، اندام‌های رویشی و گل اندام زایشی است.

ریشه

این اندام معمولاً در خاک به‌صورت زیرزمینی قرار دارد. ریشه، علاوه بر اینکه کار استقرار و نگهداری گیاه در خاک را انجام می‌دهد، آب و مواد معدنی را جذب و به بخش‌های بالایی انتقال می‌دهد. به‌طور معمول ریشه‌ها به دو دسته ریشه‌های راست و افشان تقسیم می‌شوند. ریشه‌های راست در گیاهان دولپه‌ای مانند لوبیا و ریشه‌های افشان در بسیاری از تک لپه‌ای‌ها مانند گندم وجود دارند (شکل 6).

برخی از ریشه‌ها نابجا هستند که از ساقه، برگ و یا بافت‌های دیگر منشأ گرفته و میتوانند موقتی یا دائمی باشند. برخی ریشهها عملکردهای ویژهای دارند مانند ریشههای ذخیرهای هویج، چغندر و ترب که نقش تغذیهای دارند. نمونه دیگر شش ریشه‌ها هستند که معمولاً در گیاهان مردابی مانند گیاه حرا (Avicennia marina) یافت می‌شوند. این ریشه‌ها برخلاف نیروی جاذبه زمین رشد می‌کنند و از آب خارج می‌شوند تا از خفگی گیاه جلوگیری کنند.

ساقه

این اندام معمولاً هوایی است و در جهت مخالف ریشه رشد می‌کند. ساقه اندامی است که برگ‌ها، جوانه‌ها و گل‌ها را نگه می‌دارد. جوانه انتهایی ساقه، مسئول رشد طولی آن است. برخی ساقه‌ها کارکرد ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. برای مثال، ساقه غده‌ای سیب‌زمینی نشاسته را ذخیره می‌کند. همچنین ساقه گوشتی کاکتوس مقدار زیادی آب در خود نگه می‌دارد. گیاه زینتی زنبق نیز دارای ساقه زیرزمینی به‌نام زمین ساقه (ریزوم) است که برای تکثیر گیاه مورد استفاده قرار می‌گیرد (شکل 7).

برگ

این اندام رویشی، معمولاً سبز رنگ است و کارخانه غذاسازی گیاه به‌شمار می‌رود. بیشتر فرایند فتوسنتز در برگ انجام می‌شود. در دولپه‌ای‌ها برگ‌ها بیشتر پهن‌اند و رگبرگ‌ها اغلب منشعب هستند. برگ‌های بیشتر تک‌لپهای‌ها کشیده و رگبرگ‌ها اغلب موازی‌اند (شکل 8).

گل

اندام زایشی در گیاهان نهان‌دانه، گل است. بازدانگانی مثل سرو و کاج، به جای گل ساختاری به‌نام مخروط دارند. دانه این دو گروه از گیاهان امکان بقای نسل آنها را فراهم می‌کند.

ساختار گل در نهان‌دانگان

گل روی پایه‌ای به نام دمگل و بخش بالای آن به نام نهنج قرار گرفته است (شکل 9).

چهار قسمت اصلی گل کامل از بیرون به درون شامل کاسبرگ، گلبرگ، پرچم و مادگی هستند.

کاسبرگ‌ها

بیرونی‌ترین بخش گل، کاسبرگ نام دارد. این بخش به‌طور معمول سبز است و نقش حفاظت از اجزای داخلی گل را برعهده دارد. در برخی گیاهان مثل گیاه گل پیچ (کلماتیس) (Clematis) کاسبرگ رنگی است و باعث جلب حشرات گرده افشان می‌شود (شکل 10).

گلبرگ‌ها

گلبرگ‌ها اغلب رنگین و معطر هستند و جانوران گرده‌افشان مانند حشرات و پرندگان را جذب می‌کنند (شکل 12).

پرچم‌ها (نافه)

به طور معمول پرچم‌ها از دو بخش میله و بساک تشکیل شده‌اند. میله می‌تواند کوتاه یا بلند باشد. بساک کیسه‌ای با سرحجیم و لُب‌دار است. دانه‌های گرده درون بساک تولید می‌شوند (شکل 12).

مادگی

مادگی درونی‌ترین قسمت گل است که معمولاً از سه بخش کلاله، خامه و تخمدان تشکیل شده است. کلاله بخش چسبناک بالایی مادگی است که گرده روی آن می‌نشیند. خامه لوله باریکی است که کلاله را به تخمدان وصل می‌کند و تخمدان بخش پایینی و متورم مادگی است (شکل 13). تخمک‌ها درون تخمدان قرار دارند. گل‌هایی که کاسبرگ، گلبرگ، پرچم و مادگی دارند را گل‌های کامل و گل‌هایی که فاقد یکی از این اجزا باشند را گل‌های ناقص می‌نامند. گل کلماتیس گلبرگ ندارد و جزء گل‌های ناقص به شمار می‌آید.

تولیدمثل در گیاهان

تولید مثل، فرایندی است که باعث به‌وجود آمدن گیاهان جدید و ادامه نسل یک گونه می‌شود. گیاهان نهان‌دانه به دو روش جنسی و غیرجنسی (رویشی) تولید مثل می‌کنند:

الف) تولید مثل غیرجنسی:

در این روش گیاه جدید از بخش‌های رویشی گیاه مادر مانند ساقه، ریشه یا برگ به‌وجود می‌آید و مشابه گیاه مادر است. از این نوع تولید مثل می‌توان به قلمه‌زدن، پیوندزدن، خوابانیدن، استفاده از زمین ساقه، پیاز و غده اشاره کرد که در واحد یادگیری دوم بیشتر با آن آشنا خواهید شد.

ب) تولید مثل جنسی:

در این روش، گامت نر و گامت ماده با هم ترکیب شده و تخم را می‌سازند. تخم پس از رشد و ایجاد دانه، طی مراحلی در شرایط محیطی مناسب به گیاه جدید تبدیل می‌شود. از رشد تخمدان میوه تشکیل می‌شود. دانه درون میوه محافظت می‌شود.

تشخیص گیاهان تک‌لپه از دولپه براساس دانه

بر اساس فعالیت زیر مشاهدات خود را در جدول در مورد دانه گیاهان تکلپه و دولپه تکمیل کنید. با استفاده از این خصوصیات، می‌توانید گیاهان تک‌لپه و دولپه و دانه آنها را تشخیص دهید.

رده‌بندی گیاهان

گیاه‌شناسان بر اساس شباهت‌ها و تفاوت‌ها، گیاهان را در گروه‌های مختلف رده‌بندی می‌کنند. این گروه‌ها عبارت‌اند از: خزه‌گیان، نهان‌زادان آوندی، بازدانگان و نهاندانگان (شکل 14).

خزه‌گیان

خزه‌گیان اولین گروهی هستند که در زیست‌بوم‌های خشکی کرۀ زمین روییده‌اند. آنها به علت نداشتن آوند، به‌ندرت توانایی زیستن در محیط‌های غیرمرطوب را دارند. خزه‌گیان انواع گوناگونی دارند که خزه‌ها از فراوان‌ترین و مقاوم‌ترین آنها هستند. این گیاهان می‌توانند مقدار زیادی آب در خود نگهداری کنند. به همین دلیل از آنها برای افزایش ماندگاری رطوبت در خاک گلدان‌ها استفاده می‌شود (شکل 15).

نهانزادان آوندی

این گیاهان اولین گروهی هستند که آوند دارند و بیشتر در مناطق مرطوب می‌رویند. از گیاهان این گروه می‌توان به سرخس‌ها و دم اسبیان اشاره کرد. از گیاه دم اسب برای تقویت مو و ناخن و از نوعی سرخس به نام پرسیاوش برای درمان سرماخوردگی استفاده می‌شود (شکل 16).

بازدانگان

اولین گروه از گیاهان دانه‌دار هستند. از معروف‌ترین این گیاهان می‌توان به کاج و سرو اشاره کرد. این دو گیاه دارای مخروط نر و ماده هستند. مخروط نر بعد از گرده‌افشانی از بین می‌رود ولی مخروط ماده می‌تواند بر روی درخت باقی مانده و چوبی شود (شکل 17).

گیاه سرخدار یکی از بازدانگان مهم و در معرض انقراض در کشور ما است. از این گیاه داروهای ضد سرطان تولید می‌شود. ما می‌توانیم با اطلاع‌رسانی و جلوگیری از قطع این درخت و همچنین با به سرپرستی گرفتن بذر به حفظ آن کمک کنیم.

نهاندانگان

امروزه فراوان‌ترین گیاهانی که در سطح کره زمین می‌بینیم، از نوع گیاهان نهاندانه هستند. این گروه به دو دسته اصلی گیاهان دولپه و گیاهان تک‌لپه تقسیم می‌شوند (شکل 18).

گیاهان دارای مصرف خوراکی (مانند پرتقال و خرما)، گیاهان الیافی (مانند کتان و پنبه)، گیاهان روغنی (مانند کلزا و ذرت) و گیاهان زینتی (مانند گل رز، پرنده بهشتی و گلیسین) در این گروه جای دارند.

واحد یادگیری 2: از فتوسنتز تا کاربرد گیاهان

آیا می‌دانید؟

1- فتوسنتز چگونه و بیشتر در کدام قسمت گیاه رخ می‌دهد؟
2- عوامل مؤثر بر فتوسنتز کدام‌اند؟
3- مواد معدنی ضروری برای گیاهان کدام‌اند و کمبود آنها باعث ایجاد چه علائمی می‌شود؟
4- کاربردهای اقتصادی و زیستی گیاهان کدام‌اند؟

در گیاهان فتوسنتزکننده، فرایند فتوسنتز در سبزدیسه (کلروپلاست) انجام می‌شود. در این فرایند شگفت‌انگیز، گیاه با استفاده از نور خورشید، مولکول‌های کربن دی‌اکسید و آب، ماده آلی گلوکز و گاز اکسیژن تولید می‌کند. گیاه پس از دریافت آب و مواد معدنی از ریشه و کربن دی‌اکسید از هوا و در حضور نور خورشید، در سبزدیسه طی واکنش‌های پیچیده مولکول آلی (گلوکز) را می‌سازد.

گیاهان برای انجام فتوسنتز و رشد طبیعی خود نیاز به مواد معدنی دارند که بیشتر این مواد معمولاً در خاک یافت می‌شوند. تارهای کشنده ریشه این مواد را به همراه آب جذب کرده و در نهایت مواد معدنی به درون آوندهای گیاه منتقل می‌شوند.

استاندارد عملکرد

تحلیل فرایند فتوسنتز و عوامل مؤثر بر آن، شناسایی و ارزیابی مواد معدنی ضروری گیاهان و اثر کمبود آنها، تمییز دادن و اجرای روش‌های تکثیر رویشی و بررسی و مقایسه کاربردهای اقتصادی و زیستی گیاهان.

فتوسنتز

در گیاهان فتوسنتزکننده، فرایند فتوسنتز در سبزدیسه (کلروپلاست) انجام می‌شود. در این فرایند گیاه با استفاده از نور خورشید، مولکول‌های کربن دی‌اکسید و آب، ماده آلی گلوکز و گاز اکسیژن تولید می‌کند (شکل 19).

به این ترتیب، انرژی نورانی خورشید به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در مواد آلی تبدیل می‌شود. سایر موجوداتی که توانایی فتوسنتز ندارند، از این مواد آلی استفاده می‌کنند. بیشترین میزان فتوسنتز در برگ و تا حدی هم در ساقه اتفاق می‌افتد (شکل 20).

عوامل محیطی تأثیر زیادی بر این فرایند حیاتی دارند. دما، غلظت کربن دی اکسید، میزان آب و مواد معدنی از عوامل تأثیرگذار در فتوسنتز هستند. سرما یا گرمای بیش از حد فتوسنتز را کاهش می‌دهد. افزایش غلظت کربن دی اکسید نیز تا حد مشخصی باعث افزایش فتوسنتز می‌شود، اما مقادیر بالاتر از آن تأثیر قابل‌توجهی بر این فرایند ندارد. کمبود آب موجب ایجاد تنش آبی، بسته شدن روزنه‌ها، اختلال در انتقال مواد معدنی و کاهش فعالیت آنزیم‌ها شده و در نهایت به کاهش فتوسنتز منجر می‌شود.

مواد معدنی موردنیاز گیاهان

گیاهان برای انجام فتوسنتز و رشد طبیعی خود نیاز به مواد معدنی دارند. بیشتر این مواد معدنی معمولاً در خاک یافت می‌شوند. ریشه و تارهای کشنده آن، این مواد را به همراه آب جذب کرده و در نهایت مواد معدنی به درون آوندهای گیاه منتقل می‌شوند (شکل 21).

زیست‌شناسان مواد معدنی موردنیاز گیاه را به دو گروه پرمصرف و کم مصرف تقسیم می‌کنند. از جمله مواد پرمصرف می‌توان به منیزیم، فسفر و گوگرد و از مواد کم‌مصرف می‌توان آهن، مولیبدن و مس اشاره کرد. کمبود هر یک از این مواد معدنی علائم مشخصی در گیاه ایجاد می‌کند (شکل 22).

به عنوان مثال:
- در کمبود منیزیم، زردشدگی بین رگبرگ‌ها رخ می‌دهد که ابتدا در برگ‌های مسنتر ظاهر می‌شود.
- کمبود فسفر باعث ارغوانی شدن رنگ برگ گیاه می‌شود.
- در کمبود گوگرد برگ‌های جوان به سرعت زرد می‌شوند.
- بارزترین نشانه کمبود شدید آهن، بی‌رنگ شدن برگ‌های جوان است که ناشی از کاهش ساخته‌شدن سبزینه (کلروفیل) است.
- در کمبود مولیبدن پیچ‌خوردگی برگ‌ها دیده می‌شود و در کمبود مس ریزش برگ‌ها پیش از بلوغ رخ می‌دهد.

تکثیر رویشی گیاهان

در تکثیر رویشی (غیر جنسی) گیاه حاصل مشابه گیاه مادر است. این ویژگی زمانی که گیاه مادر صفات مطلوبی مانند گل‌ها و میوه‌های درشت، طعم مناسب و محصول بیشتر داشته باشد یک مزیت مهم برای پرورش‌دهندگان محسوب می‌شود. برای مثال، سیب‌زمینی با استفاده از ساقه‌های غده‌ای تکثیر می‌شود. هر گیاه می‌تواند تعداد زیادی غده تولید کند. این غده‌ها برداشت می‌شوند. بخشی از آنها به‌عنوان منبع غذایی استفاده و بخشی دیگر برای کاشت و تولید محصول سال بعد نگهداری می‌شوند. کشاورزان غده سیب‌زمینی را که جوانه‌های متعدد دارد قطعه قطعه می‌کنند و هر قطعه دارای جوانه را می‌کارند. هر قطعه کشت‌شده می‌تواند به یک گیاه کامل و جدید تبدیل شود. گیاهانی مانند توت‌فرنگی و تمشک از طریق ساقه‌های رونده تکثیر می‌شوند. این ساقه‌ها در محل تماس با خاک، ریشه ایجاد کرده و گیاه جدید به‌وجود می‌آورند. همچنین گیاهانی مانند نعناع، نیشکر و زنبق توسط زمین ساقه به سرعت گسترش می‌یابند و گیاهان جدید تولید می‌کنند. لاله و نرگس را نیز از طریق پیاز تکثیر رویشی می‌کنند (شکل 23).

قلمه‌زدن و پیوند زدن گیاهان از روش‌های معمول تکثیر رویشی است که از دیرباز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. پیوند زدن گیاهان روشی برای به‌دست آوردن محصول بهتر و بیشتر به‌خصوص در مورد درختان است. در این روش قسمتی از یک گیاه (پیوندک) به گیاه دیگر (پایه) متصل می‌شود تا رشد کند و گیاه حاصل، صفات مطلوب هر دو را داشته باشد. در قلمه زدن بخشی از گیاه جدا شده و در بستر جدید برای تولید گیاه جدید قرار می‌گیرد (شکل 24).

با دستاوردهای جدید علمی تولیدمثل غیرجنسی با سرعت و دقت بیشتری انجام می‌شود. کشت بافت یکی از روش‌های نوین است که امروزه در بسیاری از مراکز تجاری تولید گیاه برای دستیابی سریع‌تر به گیاهان با ویژگی‌های دلخواه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش بخشی از گیاه موردنظر، جدا شده و در شرایط بدون میکروب به محیط کشت مناسب انتقال می‌یابد. در کشت بافت شرایطی مانند نور، دما (گرم‌خانه) و مواد غذایی به‌طور کامل کنترل می‌شوند. در این روش در مدت زمانی نسبتاً کوتاه، می‌توان از یک قطعه کوچک گیاه تعداد زیادی گیاهچه تولید کرد (شکل 25).

کاربردهای اقتصادی و زیستی گیاهان

همان‌طور که قبلا اشاره شد، گیاهان تولیدکنندگان غذا و اکسیژن برای جانداران دیگر هستند. گیاهان علاوه بر تأمین غذا، منابع مهمی برای ایجاد اشتغال، رونق اقتصاد و تولید محصولات فناورانه سازگار با محیط‌زیست به شمار می‌آیند. بسیاری از گیاهان برای درمان بیماری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. گیاهانی مانند اسطوخودوس، بابونه، ختمی و بارهنگ مثال‌هایی از این گیاهان هستند. گیاهانی مانند گل محمدی، یاس، سرو و انار در صنایع آرایشی و بهداشتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. چوب گیاهانی مانند راش در صنایع نجاری برای ساخت میز و صندلی مصرف می‌شود. از کاربردهای مهم گیاهان در صنایع مختلف می‌توان به استفاده از پنبه و کتان در صنعت نساجی، گیاهانی مانند کلزا، ذرت و کنجد در تولید روغن و گیاهانی مانند نیشکر و چغندرقند در تولید قند و شکر اشاره کرد.

تولید سوخت زیستی یکی از کاربردهای نوین گیاهان است. سوخت زیستی، سوختی با منشأ زیست‌توده است. به هر ماده آلی با منشأ جانداران که انرژی خورشیدی (نورانی) به شکل شیمیایی در آن ذخیره شده باشد زیست توده می‌گویند. سوخت زیستی به دو دسته تقسیم می‌شود:

الف) سوخت اتانولی
ب) سوخت دیزلی

سوخت اتانولی از تخمیر مواد قندی موجود در گیاهان مانند شکر و نشاسته به‌دست می‌آید. سوخت دیزلی از دانه‌های روغنی، روغن‌های حیوانی، روغن بازیافتی و برخی جلبک‌ها به‌دست می‌آید. هر دو نوع سوخت می‌توانند به عنوان سوخت خودرو مورد استفاده قرار گیرند. سوخت‌های زیستی نسبت به سوخت‌های فسیلی برتری دارند:

- به سرعت تجدیدپذیر هستند.
- مواد آلوده‌کننده کمتری تولید می‌کنند. موادی مثل گوگرد دی‌اکسید که سبب ایجاد آلودگی و باران اسیدی می‌شوند در سوزاندن آنها تولید نمی‌شود.
- در بسیاری از کشورها قابل تولید هستند.
- این سوخت‌ها موجب ایجاد و رونق شغل‌هایی در حوزه‌هایی مانند کشاورزی و پژوهش‌های علمی شده و به اشتغال‌زایی محلی کمک می‌کنند.
- سمی نیستند.
- زیست تجزیه‌پذیر هستند و منجر به آلودگی زیست‌محیطی نمی‌شوند (شکل 26).