植物學(生物學的分支學科)

植物學是生物學的分支學科，是從人類文明開始的生物學分支出來的一個學科，主要研究植物的形態、分類、生理、生態、分布、發生、遺傳、進化等。目的在於開發、利用、改造和保護植物資源，讓植物為人類提供更多的食物、纖維、藥物、建築材料等。由於大部分資料仍採用二元分類法，故廣義上的植物學包括細菌、真菌、藻類、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物、被子植物等。

基本介紹

• 中文名：植物學
• 外文名：Botany
• 學科領域：生物學
• 研究方向：物的形態、分類、生理等
• 拼音：zhí wù xué
• 創始人：提奧夫拉斯圖

學科歷史

人類對植物的認識最早可以追溯到舊石器時代，人類在尋找食物的過程中採集了植物的種子、莖、根和果實。植物學的創始人是提奧夫拉斯圖(Theophrastus），在他的著作《植物歷史》（也稱《植物調查》）中將植物進行了分類。1世紀希臘醫生迪奧斯克里德斯（Dioscorides）的著作《藥物論》（De Materia Medica）為以後藥用植物的使用奠定了基礎。1593年中國明朝的李時珍也完成了《本草綱目》的編寫。17世紀末英國生物學家雷確立了現代植物分類的基本原理。17世紀，出現了各式各樣的顯微鏡，開創了植物解剖學的研究，隨後植物生理學和植物胚胎學也得到進一步的發展。

中國近代植物植物分類學的奠基人是胡先驌，編寫了中國第一部中文《高等植物學》，發現了中國的“活化石”水杉，並將其命名。

生物學

植物學研究對象

從前以植物為研究對象。早期人類的食、住、衣、藥、裝飾物、工具等乃至巫術用品無不取自植物。綠色植物藉助光合作用製造食物，養育了一切生物，人類及許多生物所需的氧氣全系35億年以來植物借光合作用所產生。原始人先是採集植物，以後進而種植植物，自農業人口定居之後才出現了人類文明。人類在這些活動中積累的知識便構成植物科學的基礎。

常稱亞里斯多德的弟子泰奧弗拉斯托斯（Theophrastus,300BC）為植物學創立者。西元1世紀，希臘的迪奧斯科里斯（Pedanius Dioscorides）將植物分為芳香、烹飪及藥用3類。西元1世紀，老普林尼的《博物志》中也記載不少植物知識，但謬誤甚多。中國的藥草書出現甚早，但對西方植物學無直接貢獻。印刷術流傳後，西方的草藥志（herbal）才於15～16世紀逐漸出現。

林奈

植物學研究歷程

16世紀研製出光學鏡頭和複式顯微鏡，開創了一個新紀元。

17世紀的植物學家不再偏重於研究藥草，鮑欣（Gaspard Bauhin）提出許多有效的新概念。胡克(Robert Hooke）、格魯（Nehemiah Grew）及馬爾皮基(Marcello Malpighi）等人的工作創立了植物解剖學。胡克創「細胞」一詞。

18世紀，實驗生理學初步證明，植物在陽光下吸收水和二氧化碳，並放出氧氣。1753年林奈(Carolus Linnaeus）發表《植物種志》一書，確立了雙名制，並將生殖性狀（花）用為重要分類根據。

19世紀達爾文和孟德爾(Gregor Johann Mendel）的工作為植物進化觀奠定了基礎。

至20世紀植物學進展更為迅速，這包括：光合作用機理的闡明；光敏色素的發現；植物激素的發現；微量元素作用的研究；遺傳育種技術的進步；同位素計年法的建立；前寒武紀岩石中藻樣及細菌樣化石的發現；抗生物質的分離等。

研究領域

主要領域

植物學有下面4個主要領域：

⑴形態學研究植體（由細胞到器官各個層次）的結構及形狀。分支學科有細胞學、解剖學、組織學、生殖形態學、實驗形態學等。

⑵生理學研究植物功能，與生物化學及生物物理學密切相關。

⑶生態學研究生物與環境間的互動作用，在某些方面與生理學相近。

⑷系統學研究植物的鑑定和分類。

特別分支

此外，還有些特別分支，如細菌學、真菌學、藻類學、苔蘚植物學、蕨類植物學、古植物學、孢粉學、植物病理學、經濟植物學、人種植物學等。在形態研究方面，顯微鏡及相應的製片技術具決定性作用。相差顯微鏡使人們得以觀察活組織，而電子顯微鏡則將人帶進超微領域。組織培養法可用於研究植物的形態發生。在生理學領域，生物化學及生物物理技術大量套用，這包括超離心、電泳、層析、放射性同位素技術、各種電子儀器以及各種光譜波譜技術。X線衍射則有助於了解大分子的構造。生態學將許多生理學方法套用於戶外研究，常需精確測量大量環境參數，而且可能需要電腦幫助來處理數據。群落生態學則採用統計方法來測度群體的分布和豐度。現代植物分類學家已能在植物園及溫室、環境室中利用有對照的實驗方法來輔助分類。植物標本及圖志仍是重要的分類參考資料。電子顯微鏡、細胞學及遺傳學方法、植物化學方法都為分類學提供了新的武器。電腦的出現還使數量分類技術得以實現。20世紀後半葉還採用大分子分析來判斷植物間的親緣關係。

相關學科

植物學與許多科學密切相關。醫學和有機化學常取材於植物，而農、林、藥等套用學科直接建基於植物學。園林藝術一直為各種文明所重視。農業產品則為人民生活所不可缺。歷史上，至少有300種植物曾用作食物，約100種已馴化或曾大量種植，但僅約200種的產量大到可進入國際商業市場。稻、麥、玉米、甘蔗、甜菜、馬鈴薯、甘薯、大豆、蠶豆、椰子和香蕉是世界上最主要的12種食物，都由原始民族培養而成。茶、咖啡以及酒也都是歷史悠久的飲料。植物纖維不僅提供服裝原料，還可用於制繩、造紙等等。林業一直是建材、燃料、纖維、化工原料等的重要來源，在水土保持、野生動物保護、狩獵動物及漁類生息、提供遊憩場所等方面也具很大作用。但森林資源也被大量浪費。森林的這些價值才開始受到重視。重要植物產品還有藥材、芳香油等。

世界許多國家都有植物學會和植物學雜誌，植物園也很普遍。

所有的動物都要依靠綠色植物的光合作用能力把日光能轉化為化學能，釋放出氧氣來維持其生活。植物是人類衣、食、用、住、行原料的直接或間接來源，是維持生物圈生態平衡的重要環節。

早期人類就能分辨出他們所接觸到的植物，並給以命名。隨科學的發展，人們開始把對植物的知識系統化，並且記錄下來成為植物學。以後，進一步注意到它們的結構、化學組成、各部分的功能和繁殖方式。而且自從人類懂得了栽培植物，研究內容更包括了其營養生長和繁殖，以及選育良種和對病蟲害的處理。

微觀植物學

20世紀植物學研究一方面走向微觀，試求把植物的各種活動，物質、能量、信息的轉化還原到細胞水平、分子水平、甚至電子水平，並創造了“細胞工程”、“基因工程”等方法以求迅速繁殖和創建植物新品種。另一方面特別是70年代以來，又趨向巨觀，研究“環境保護”、“生態工程”等課題，甚至擴大到地球生物圈的組成及其調控的研究等。所以植物學已發展為包括眾多分支的知識體系。70年代以來又常稱之為植物生物學。

學科發展

至少在舊石器時代，人類在採集植物塊根和果實種子供食用的時候就認識了某些植物。希臘、埃及、巴比倫、中國、印度等文明古國對植物知識都有記述。如中國《詩經》就已經講究“多識於鳥獸草木之名”。

古希臘亞里士多德的學生提奧夫拉斯圖（公元前371年~公元前286年）被視為植物學的創始人。他在公元前300年寫的《植物歷史》或稱《植物調查》一書，在哲學原理基礎上將植物分類，描繪其各部分、習性和用途。羅馬的老普林尼則把當時所有的植物學知識寫在37冊的《博物志》書中，開以後黑暗中世紀“百科全書學派”的先河，但謬誤很多。

後陸續出現許多有關植物方面的著述。如公元1世紀希臘醫生迪奧斯科里德斯在其著作《藥物論》中記述了600種植物及其醫藥用途的引證，成為以後描述藥用植物的基礎。15～16世紀本草著作中最有價值的是日耳曼的布龍費爾斯，義大利的馬蒂奧利、英國的特納等的著作。此時期約與中國明代中葉以後李時珍完成《本草綱日》同時。總之至17世紀前植物學幾乎全限於描述（包括木刻畫）和定性藥用植物。

17世紀的初期自然科學從以“機械哲學”為主導思想進入到“實驗科學”階段。植物學也從描述為主轉到更有目的。有計畫、有系統的收集資料，觀測現象，以至於在控制條件下進行試驗，並提出和考驗理論與學說。這期間物理學、化學的發展及新工具如顯微鏡的套用也起了很大作用。

現代植物分類基本原理為英國生物學家雷在17世紀末確立，他把有花植物分為單子葉和雙子葉，進一步再分就包括迄今還沿用的許多植物科。雷堅持必須用植物的所有特徵來判定他們的親絛而不能只用單一部分的特徵。這恰是自然分類和人為分類的區別所在。

1753年瑞典植物學家林奈發表“植物種志”，確立了雙名制。他將生殖性狀（花）用作重要分類依據，他確立的24綱主要建立在花的雄蕊數目上；每個綱再用花柱的數目分成目。這個系統的簡單性使人容易接受因而促進了植物的採集和調查，但由於此法含糊了自然分類而有害於植物學。如按林奈系統使百合和小檗同在一目，而鼠尾草和同類的薄荷卻分了家。

林奈的貢獻還在於把約6000種植物歸入各屬，仔細描寫，並校勘了他所知的種和以前植物學家的命名和描寫，再按雙字命名法命名。此法立即被其他植物學者所接受。只有從1753年開始，從一個學者到另一個學者去跟蹤一種植物才比較容易和可能。此後與分類學進展相併行的植物解剖學、植物生理學、植物胚胎學等的研究也就發展起來了。

自16世紀光學顯微鏡問世，瑞典人揚斯和揚森兄弟在1590年做成複合顯微鏡，17世紀名種型式顯微鏡出現後，由胡克、格魯、馬爾皮基開創了植物解剖學。

1670～1674年，英國人格魯和義大利人馬爾皮基已能分辨木質部、導管和纖維髓細胞和樹脂道的內部。英國人胡克發現細胞，他的細胞概念是一個由實心物質包圍的空間（小室）。從那以後很久，植物學家才理解這些蜂房樣的小室至少在幼期是含有生活物質的。第一個植物形態學家構想植物是由多種成分，包括導管、纖維、“囊”等組成的。日耳曼人施萊登和他的同伴動物學家施萬在1839年首次提出細胞學說。從此細胞學成為一個獨立的學科。

在格魯和雷的時代，生理學也開始了。雷做過樹液運動、種子發芽和其他功能的實驗。再早些年，荷蘭人黑爾蒙特通過著名的桶栽柳技試驗證明植物從水中取得物質。1742年英國人黑爾斯在所著的植物靜力學中記載了關於樹液流動和壓力、蒸騰作用、失水和空氣交換氣體等方面的124個實驗，他被認為是植物生理學的創始人。

1774年英國人工普里斯特利指出植物在陽光下釋放氧氣。這些氣體（氧氣、二氧化碳）和植物的相互關係進一步由英恩豪斯(1779）和法國人索緒爾(1804）闡明。後者將定量方法引入研究，並示明水和二氧化碳一樣被吸收。自此關於綠色植物在光下吸收水分和二氧化碳增重（製造食物）的光合作用被發現。

17～18世紀，卡梅拉里烏斯及布爾哈夫等人觀察到植物的性別、花粉及受精作用等現象，推動了植物胚胎學等的發展。

到19世紀中期植物學各分支學科已基本形成。達爾文、孟德爾的工作更為植物進化觀和遺傳機制的確立打下了基礎。

20世紀特別是50年代以來，植物學又有了飛速發展，主要是植物生理學、生物化學和遺傳學等的成就，如光合作用機理的闡明，光敏素、植物激素的發現，微量元素的發現，遺傳育種技術、同位素計年法建立，以及抗生物質的分離等，使植物學在經濟上更為重要，成為園藝學、農業和環境科學的重要理論基礎。

學科分支

植物分類學和系統學

植物分類學（Plant Taxonomy）和植物系統學（Plant Systematics）：是根據植物的特徵，植物間的親緣關係、演化的順序，對植物進行分類的科學，並在研究的基礎上建立和逐步完善植物各級類群的進化系統。兩者常常混用，但植物系統學更強調植物間的系統關係，即譜系。50年代以來，隨著其他學科的發展，已產生出植物化學分類學、植物細胞分類學、植物超微結構分類學和植物數值分類學等進一步的分支學科；尤其80年代後期發展起來的分子系統學（Molecular Systematics）為植物的系統發育研究提供了新的手段。另外，對具體某一類群植物分類的研究也產生相應的分支學科，如：細菌學、真菌學、藻類植物學、苔蘚植物學。

植物形態學

植物形態學（Plant Morphology）：是研究植物個體構造、發育及系統發育中形態建成的科學，它已發展為植物器官學、植物解剖學、植物胚胎學及植物細胞學。

植物生理學

植物生理學（Plant Physiology）：是研究植物生命活動及其規律性的科學。近代植物生理學中各分支學科,如細胞生理、種子生理、光合生理、呼吸生理、水分生理、營養生理、開花或生殖生理及生態生理等已有很大發展。有的已形成專門學科如植物分子生理學、植物代謝生理學、植物發育生理學等。與植物生理學密切相關的學科有植物生物化學。

植物遺傳學

植物遺傳學（Plant Genetics）：是研究植物的遺傳和變異規律性的科學。因和細胞學和分子生物學密切相關，已發展出植物細胞遺傳學和分子遺傳學。

植物生態學

植物生態學（Plant Ecology）：是研究植物與環境間相互關係的科學。又可分成植物個體生態學、植物種群生態學、植物群落生態學及生態系統生態學。

植物化學

植物化學（Phytochemistry）： 研究的主要內容是植物代謝產物的成分、結構、分布規律的科學，與中藥有效成分、植物系統分類有密切關係，如植物化學分類學就是一個交叉學科。

植物資源學

植物資源學(plant resourses): 是研究自然界所有植物的分布、數量、用途及其開發的科學，與藥用植物學、植物分類學和保護生物學有密切關係。

分子植物學

分子植物學（molecular botany）：是近30年隨著生物大分子（核酸、蛋白質）結構以及基因結構和功能的研究而發展起來的；指專門研究和揭示植物材料的核酸、蛋白質等大分子的結構和功能，以及基因的結構和功能規律的科學。它是當今植物學各領域研究的前沿，其分子生物學研究使用的方法已被植物各分支學科所採用。

現代植物科學已進入實驗階段，因而，出現一些實驗的學科分支，如實驗分類學，研究植物物種及種系形成；實驗形態學，研究形態發生及器官建成；實驗胚胎學，研究植物細胞、組織或器官在培養條件下胚胎的發生及建成；實驗生態學，研究人工實驗條件處理下，植物生理生化及內部結構的變化；而實驗植物群落學是以人工生態環境或營造人工植物群落研究植物群落結構動態變化的科學。