植物学

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1 绪论
　　1.1 植物界
　　在我们生存的这个星球上存在着各种各样的生命形式，植物(plant)就是其中最重要的一大类。人类对植物和其他生物的认识和研究经历了一个漫长的时期，人们为了建立一个能反映自然演化过程和彼此间亲缘关系的分类系统，曾进行了长期不懈的努力，使之日臻完善。
　　人类观察自然，很早就注意到生物可区分为两大类群，即固着不动的植物和能行动的动物。200多年前，现代生物分类的奠基人，瑞典的博物学家林奈(Carolus Linnaeus)在《自然系统》(Systema Naturae，1735)一书中明确地将生物分为植物和动物两大类，即植物界(Kingdom plant)和动物界(Kingdom animal)。他于1753年发表的巨著《植物种志》中将植物分成24纲，把动物分成6纲。这就是通常所说的生物分界的两界系统。这在当时的科学技术条件下是有重大科学意义的。至今，许多植物学和动物学教科书仍沿用两界系统。
　　19世纪后期，由于显微镜的发明和广泛使用，人们发现有些生物兼有动物和植物两种属性，如裸藻、甲藻等，它们既含有叶绿素，能进行光合作用，同时又可运动。在探索和解释这些矛盾中，1866年德国的著名生物学家海克尔(Haeckel)提出成立一个原生生物界(Kingdom protista)的意见。他把原核生物、原生生物、硅藻、粘菌和海绵等，分别从植物界和动物界中分出，共同归入原生生物界，建立了原生生物界、植物界和动物界的三界分类系统。
　　1959年，魏泰克(Whittaker)提出了四界分类系统，他将不含叶绿素的真核菌类从植物界中分出，建立一个真菌界(Kingdom fungi)，而且和植物界一起并列于原生生物界之上。10年后，魏泰克在他的四界系统的基础上，又提出了五界分类系统(图1.1)，他将四界分类系统中归于原生生物界中的细菌和蓝藻分出，建立一个原核细胞结构的原核生物界(Kingdom monera)，并放在原生生物界下。
　　图1.1 魏泰克五界系统
　　1. 细菌；2. 蓝藻；3. 裸藻；4. 金藻；5. 甲藻；6. 红藻；7. 褐藻；8. 绿藻；9. 轮藻；10. 苔藓植物；11. 维管植物；12. 卵菌；13. 粘菌；14. 集胞粘菌；15. 网粘菌；16. 壶菌；17. 接合菌；18. 子囊菌；19. 担子菌；20. 丝壶菌；21. 根肿菌；22. 孢子虫；23. 丝孢虫；24. 动鞭毛虫；25. 肉足虫；26. 纤毛虫；27. 海绵动物；28. 中生动物；29. 腔肠动物；30. 扁形动物；31. 线形动物；32. 有触手类动物；33. 毛颚动物；34. 棘皮动物；35. 环节动物；36. 软体动物；37. 节肢动物；38. 脊索动物
　　魏泰克的五界分类系统影响较大，流传较广。但是不少学者对魏泰克的四界、五界系统中的原生生物界存在质疑和反对意见，因为它所包含的生物比较庞杂、混乱，不能作为一个自然的分类群。魏泰克的四界、五界系统的优点是纵向显示了生物进化的三大阶段：原核生物、单细胞真核生物(原生生物)和多细胞真核生物(植物界、真菌界、动物界)；同时又横向显示了生物演化的三大方向，即光合自养的植物、吸收方式的真菌和摄食方式的动物。
　　1978年，魏泰克和马古来斯(Margulis)据分子生物学研究的资料，提出一个新的三原界(Urkingdom)学说。他们认为生物进化的早期，各类生物都是由一类共同的祖先沿三条进化路线发展，形成了三个原界(图1.2)：古细菌原界(Archaebacteria)，包括产甲烷菌、极端嗜盐菌和嗜热嗜酸菌；真细菌原界(Eubacteria)，包括蓝细菌和 各种原核生物(除古细菌外)；真核生物原界(Eucaryotes)，包括原生生物、真菌、动物和植物。三原界系统还吸收了真核起源的“内共生学说”的思想。三原界系统目前正受到人们的重视。
　　图1.2 三原界系统
　　1.2 植物的命名及分类
　　根据分类学的记载，地球上生活着的生物约有200万种。但是，根据每年都有新种被发现这一事实，可以断言，生物种数绝不止此。近年来，在深海中，甚至3000m 的深海热泉孔周围，都发现了以前没有记载的生物。这就说明，生物界还有待人们的继续发掘。有人估计，现存生物的实际种数为200万~450万。鉴定这些物种，并将它们分门别类地进行系统的整理，这是分类学的任务。
　　1.2.1 植物的命名
　　无论是对植物进行研究，还是对植物进行利用，首先必须给它们一个名称。但世界之广，语言之异，同一物种在不同的国家、不同的民族、不同的地区往往有不同的名称，而不同的物种也可能有相同的名称。为了避免由于上述情况造成的“同物异名”或“异物同名”的混乱，现行的生物命名都是采用双名法(binomial system)。双名法是由瑞典植物学大师林奈在总结前人经验的基础上建立的。此命名法的优点是，首先它统一了全世界所有植物的名称，即每一种植物只有一个名称，在国际上通用，便于科学交流；其次，双名法提供了一个大概的亲缘关系，在学名中包含有属名，因此知道一个种名就容易查知该种在分类系统中所处的位置。
　　所谓双名法是指用拉丁文给生物的种起名字，每一种生物的种名，都由两个拉丁词或拉丁化形式的词构成。第一词为属名，用名词，若用其他文字或专有名词，必须使其拉丁化，即将词尾转化成在拉丁文法上的单数，第一格(主格)；书写时属名的第一个字母要大写。第二个词为种加词，大多用形容词，少数为名词的所有格或为同位名词；书写时为小写，如用两个或多个词组成的种加词，则必须连写或用连字符连接。此外，还要求在种加词之后写上命名人姓氏的缩写。例如，银杏的学名为Ginkgo biloba Linn.，第一个词为属名，第二词为种加词，Linn.为Linnaeus(林奈)缩写，中国学者的命名人一般用汉语拼音缩写。
　　1.2.2 生物分类的阶层系统
　　植物分类的一项主要工作就是将自然界中的生物按一定的分类等级(rank)进行排列，并以此表示每一种生物的系统地位和归属。生物分类的主要等级包括界、门、纲、目、科、属、种；在一个等级之下还可分别加入亚门、亚纲、亚目、亚科、亚属等；另外，在科以下有时还加入族、亚族，在属以下有时还加入组或系等分类等级。所有这些分类等级构成了植物分类的阶层系统(hierarchy)(表1.1)。
　　表1.1 植物界的分类阶层(以银杏为例)
　　在植物分类的阶层系统中，种是最基本的分类单位。现在一般对“种”的含义理解为：具有相同的形态学、生物学特征和有一定自然分布的种群。同一种内的许多个体具有相同的遗传性状，彼此间可以交配和产生后代。在一般条件下，不同种间的个体不能交配，或交配后也不能产生有生育能力的后代，即生殖隔离。种是自然界长期进化的产物，种可代代遗传，但又不是固定不变的，新种会不断地产生，已经形成的种也在不断发展变化和灭绝。
　　1.2.3 植物界的基本类群
　　就整个植物界而言，人们通常将其分为16个门，它们是：
　　(1) 蓝藻门(Cyanophyta)
　　(2) 裸藻门(Euglenophyta)
　　(3) 绿藻门(Chlorophyta)
　　(4) 轮藻门(Charophyta)
　　(5) 金藻门(Chrysophyta)
　　(6) 甲藻门(Pyrrophyta)
　　(7) 红藻门(Rhodophyta)
　　(8) 褐藻门(Phaeophyta)
　　(9) 细菌门(Bacteriophyta)
　　(10) 粘菌门(Myxomycophyta)
　　(11) 真菌门(Eumycophyta)
　　(12) 地衣门(Lichens)
　　(13) 苔藓植物门(Bryophyta)
　　(14) 蕨类植物门(Pteridophyta)
　　(15) 裸子植物门(Gymnospermae)
　　(16) 被子植物门(Angiospermae)
　　各门植物之间，亲缘关系有远近之分。因此，根据它们的共同点分成若干类群。从蓝藻门到褐藻门，这8门植物统称为藻类植物(algae)，其共同特点为植物体结构简单，无根、茎、叶分化，大多数为水生，具有光合色素，属自养植物。细菌门、粘菌门和真菌门合称为菌类(fungi)，其形态特征与藻类相似，但不具光合色素，多数营寄生或腐生生活，属异养植物。地衣门是藻类和菌类的共生体，其形态特征与前二者相似。它们统称为低等植物(lowerplant)，又称无胚植物(noembryophyte)。低等植物各门在进化上处于较低等的地位，它们的共同特征有：①植物体结构简单，无根、茎、叶的分化。②内部构造无组织分化或具简单的组织分化。③合子发育离开母体，不形成胚。
　　苔藓植物门、蕨类植物门和裸子植物门的雌性生殖器官均为颈卵器(archegonium)，因此，这三类植物合称为颈卵器植物(archegoniatae)。蕨类植物门、裸子植物门和被子植物门的植物体均有维管组织，它们又合称为维管植物(vascular plant)。苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物4类植物，植物体的结构比较复杂，多具有根、茎、叶的分化，内部结构分化到较高级的程度，合子发育不离开母体，形成胚，因此，它们合称为高等植物(higher plant)，又称有胚植物(embryophyte)。
　　藻类植物、菌类、地衣、苔藓植物和蕨类植物，以孢子(spore)进行繁殖，它们统称为孢子植物(spore plant)，因它们不花结果，又称为隐花植物(cryptogamae)。与此相对，裸子植物和被子植物都以种子进行繁殖，故称为种子植物(seed plant)，因它们开花结果，又称为显花植物(phanerogamae)。
　　现将植物界的分类归纳如下：
　　我们可以用一个系统树(图1.3)来表示植物界各个类群之间的演化关系，并体现它们进化程度的高低。
　　1.3 生物多样性
　　生物多样性(biological diversity)是一个十分广泛的概念。通俗地说，生物多样性就是地球上植物、动物、真菌、原核生物等所有的生物及其与环境形成的生态复合体，以及与此相关的各种生态过程的总和。
　　图1.3 植物界系统树
　　生物多样性包括多个层次或水平，如基因、细胞、组织、器官、种群、物种、群落、生态系统、景观等。每一层次都具有丰富的变化，即都存在着多样性。其中研究较多、意义较大的主要有4个层次，即遗传多样性(genetic diversity)、物种多样性(species diversity)、生态系统多样性(ecological system diversity)和景观多样性(landscape diversity)。
　　遗传多样性又称基因多样性，广义的概念是指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和。狭义的概念是指种内个体之间或一个群体内不同个体遗传变异的总和。
　　物种多样性是指一定地区内物种的多样化。就全球而言，已被定名的生物种类约为140万种(或170万种)，但对地球上的生物物种数至今尚未弄清。
　　生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化，以及生态系统内生境差异、生态过程变化的惊人的多样性。
　　景观多样性是指由不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化或多样性。