Высшие растения обычно подразделяют на 9 отделов, два из которых объединяют только вымершие формы - риниофиты, зостерофиллофиты; семь отделов представлены ныне живущими растениями - моховидные, плауновидные, псилотовидные, хвощевидные, папоротниковидные, голосеменные и цветковые (покрытосеменные) растения.
Отдел Моховидные (Bryophyta)
Моховидные - вечнозеленые, автотрофные, в основном многолетние растения. Они насчитывают около 25 000 видов и известны с карбона. Эта группа высших растений происходит, по-видимому, от древних зеленых водорослей.Тело моховидных представляет собой либо слоевище (таллом), прижатое к субстрату, либо стебелек с листьями; корней нет, есть только ризоиды. Это небольшие растения, размеры их колеблются от 1 мм до нескольких десятков сантиметров. Моховидные имеют сравнительно простую внутреннюю организацию. В их теле имеется ассимиляционная ткань, но слабо выражены по сравнению с другими высшими растениями проводящие, механические, запасающие и покровные ткани.
В отличие от всех других отделов высших растений, вегетативное тело моховидных представлено гаметофитом, который доминирует в их жизненном цикле, спорофит же занимает подчиненное положение, развиваясь на гаметофите.
На гаметофите моховидных развиваются половые органы - мужские (антеридии) и женские (архегонии). В антеридиях образуется большое число двужгутиковых сперматозоидов. В каждом из архегониев образуется одна яйцеклетка. В сырую погоду (во время дождя) сперматозоиды, продвигаясь в воде, проникают к яйцеклетке, находящейся внутри архегония. Один из них сливается с ней, производя оплодотворение. Из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) вырастает спорофит, т. е. бесполое поколение, представленное коробочкой, сидящей на ножке. В коробочке образуются споры.
При прорастании споры возникает протонема - тонкая разветвленная нить (реже пластинка). На протонеме образуются многочисленные почки, дающие начало гаметофитам - облиственным побегам или талломам в виде пластинки.
Гаметофиты моховидных способны к вегетативному размножению, и цикл развития их длительное время может происходить без образования спорофита.
Моховидные объединяют 3 класса: Антоцеротовые, Печеноч ники и Листостебельные мхи.
В классе Антоцеротовые (Antocerotae) насчитывается около 300 видов. Они распространены главным образом в тропических и умеренно теплых областях земного шара. В нашей стране встречается только род Антоцерос, представленный 3-4 видами.
Гаметофит антоцеротовых представляет собой слоевище (таллом). У видов рода антоцерос слоевище розетковидное, в диаметре 1-3 см, реже листовидное, темно-зеленое, плотно прилегающее к почве. Коробочки (спорогоны) многочисленные, слегка изогнутые, щетинковидные. Они придают антоцеротовым мхам своеобразный вид.
В классе Печёночники (Heraticae) насчитывается свыше 6 тысяч видов. Печёночники широко распространены. В отличие от других моховидных, у большинства печёночников протонема слабо развита и недолговечна. Гаметофит имеет слоевищную форму или форму листостебельного растения. Строение гаметофита у печёночных мхов отличается большим разнообразием, спорофит же однотипен.
В качестве примера можно рассмотреть представителя подкласса Маршанциевые (Marchantiidae) - маршанцию обыкновенную (Marchantia polymorpha). Это один из наиболее распространенных в нашей флоре печёночников (на болотах и в лесах на месте пожарищ). Тело маршанции представлено слоевищем в виде пластинки темно-зеленого цвета.
Маршанция - двудомное растение. На одних экземплярах образуются архегонии, на других - антеридии. Архегонии развиваются на особой подставке, верхушка которой напоминает многолучевую звездочку. Мужская подставка с антеридиями имеет вид плоского диска.
В подклассе Юнгерманниевые (Jungermanniidae) есть как талломные, так и листостебельные растения. Большинство юнгерманниевых имеет лежачие дорзовентральные побеги. Форма листьев растений и их прикрепление к стеблю разнообразны, форма коробочки - от шаровидной до цилиндрической, она обычно раскрывается 4-мя створками.
К классу Листостебельные мхи (Musci) относятся 3 подкласса: Сфагновые, андреевые и бриевые мхи; из них рассмотрим два подкласса: Сфагновые и Бриевые.
Подкласс Сфагновые мхи (Sphagnidae) представлен одним семейством Сфагновые (Sphagnaceae) с единственным родом сфагнум (Sphagnum). В нашей стране встречается 42 вида. Сфагновые мхи широко распространены в умеренных и холодных областях Северного полушария, образуя сплошной покров на болотах и во влажных лесах.
Стебли сфагновых мхов прямостоячие, с пучковидно расположенными олиственными ветвями. На верхушке ветви укорочены и собраны в довольно плотную головку.
Листья однослойные, имеют клетки двух типов - хлорофиллоносные и водоносные (гиалиновые). Хлорофиллоносные клетки узкие, червеобразной формы, в них содержатся хлоропласты. Они расположены между широкими, бесцветными водоносными клетками, лишенными клеточного содержимого. Благодаря множеству водоносных клеток сфагнум может быстро всасывать большое количество воды (почти в 40 раз более своего сухого веса).
В верхней части стеблей образуются антеридии и архегонии. После оплодотворения яйцеклетки из архегония вырастает коробочка.
Подкласс Бриевые, или Зеленые мхи (Bryidae) представлен у вас в стране примерно 2 тысячам видов. Зеленые мхи - это чаще всего многолетние растения высотой от 1 мм до 50 см. Окраска их обычно зеленая. Они имеют широкое распространение и образуют сплошной покров на болотах, в хвойных лесах, на лугах, в горах в тундрах.
Для зеленых мхов характерна хорошо развитая, часто нитчатая, ветвящаяся протонема. По строению вегетативных органов зеленые мхи очень разнообразны.
В качестве примера, отражающего важнейшие признаки растений этого подкласса, рассмотрим мох кукушкин лён обыкновенный (Polytrichum commune), широко распространенный во влажных хвойных лесах и по окраинам болот. Стебель этого мха прямостоячий, неразветвленный, достигает высоты 30-40 см. Он густо покрыт листьями линейно-ланцетной формы.
Кукушкин лён - растение двудомное. На верхушке стеблей одних растений образуются архегонии, на других - антеридии. После оплодотворения из зиготы развивается коробочка, сидящая на ножке. В коробочке созревают споры. Спора, попав на влажную почву, прорастает, давая начало нитчатой протонеме. На протонеме образуются почки, из которых вырастают стебли растений с листьями.
Значение мхов в природе велико. Представители моховидных растут почти повсеместно. Исключение составляют засоленные пустыни, местообитания с подвижным субстратом, неизвестны морские моховидные. Мхи обильны на болотах и в лесах. Они часто доминируют в напочвенном покрове хвойных лесов (ельников, сосняков и др.). Мхи обильны в тундре, высоко в горах. Тундровую зону и влажные высокогорья справедливо называют царством мхов и лишайников.
Свойство моховидных быстро впитывать воду и прочно удерживать ее обуславливает оторфовывание моховой дерновины снизу, слабое ее разложение. Моховой покров может способствовать заболачиванию территорий. Сфагновые мхи обладают антибиотическими свойствами и находят применение в медицине. Участвуя в сложении мохового покрова на верховых болотах, они являются торфообразователями. Сфагновый торф широко используется как топливо и в сельском хозяйстве.
Многие зеленые мхи формируют сплошной ковер на низинных болотах, где образуют залежи низинного торфа, богатого питательными веществами. Низинный торф широко используется в сельском хозяйстве как удобрение. Мхи имеют и отрицательное значение. Произрастая сплошным плотным ковром, они затрудняют аэрацию почвы, вызывая ее закисание. Это неблагоприятно влияет на жизнь многих растений. Роль печёночников в растительном покрове в общем значительно меньше, чем роль сфагновых и зеленых мхов.
Отдел Плауновидные (Lycopodiophyta)
Плауновидные - одна из наиболее древних групп растений. Первые плауновидные были травянистыми растениями. В каменноугольном периоде появились древовидные виды, но они вымирали, и остатки их образовали залежи каменного угля. Большинство плауновидных к настоящему времени вымерли. Сохранились лишь некоторые виды плаунов и селагинелл.Все современные представители плауновидных - многолетние травянистые, обычно вечнозеленые растения. Некоторые из них по внешнему виду напоминают зеленые мхи. Листья плауновидных сравнительно мелкие, это типично для данной группы растений. Для плауновидных характерно также дихотомическое (вильчатое) ветвление. На верхушке стеблей многих плауновидных образуются колоски (стробилы), в которых созревают споры. Среди плауновидных встречаются равноспоровые и разноспоровые растения. У равноспоровых споры морфологически не различаются; при их прорастании образуются обоеполые гаметофиты; у разноспоровых мелкие споры дают начало мужским гаметофитам, несущим антеридии, а крупные - женским, несущим архегонии. В антеридиях образуются дву- или многожгутиковые сперматозоиды, в архегониях - яйцеклетки. После оплодотворения из образовавшейся зиготы вырастает новое поколение - спорофит.
Отдел Плауновидные включает два класса: Плауновые и Полушниковые. Из класса Плауновых рассмотрим порядок Плауновых и из класса Полушниковых - порядок Селагинелловые, представители которых живут в настоящее время.
Порядок Плауновые (Lycopodiales) характеризуется равноспоровостью. Он представлен одним семейством - Плауновые (Lycopodiaceae). В это семейство входит род Плаун (Lycopodium), насчитывающий около 400 видов. В нашей стране встречается 14 видов плаунов.
Многие плауны - небольшие травянистые растения. Листья их сравнительно мелкие. Вдоль листа проходит срединная жилка, состоящая из трахеид и паренхимных клеток.
Рассмотрим один из видов плауна - плаун булавовидный (Lycopodium clavatum). Этот вид имеет широкое распространение, встречается в хвойных (чаще сосновых) лесах на бедных почвах. Плаун - вечнозеленое многолетнее травянистое растение со стелющимся стеблем длиной до 1-3 м. На этом стебле образуются приподнимающиеся надземные побеги высотой до 20 см, заканчивающиеся спороносными колосками. Все побеги густо покрыты маленькими шиловидными листьями. В колосках находятся почковидной формы спорангии, в которых образуется большое количество одинаковых мелких спор желтого цвета.
Споры после созревания опадают на почву. При их прорастании образуется заросток (гаметофит). Заросток плауна многолетний, имеет вид маленького клубенька (2-5 мм в поперечнике) с ризоидами. Он бесцветный, лишен хлорофилла и самостоятельно питаться не может. Его развитие начинается только после проникновения в тело гиф гриба (эндотрофная микориза).
На верхней поверхности заростка, в глубине его ткани образуются антеридии и архегонии. Оплодотворение происходит при наличии воды. Из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш, вырастающий в многолетнее вечнозеленое растение - спорофит.
У плауновых наблюдается ясно выраженная смена поколений. В цикле развития преобладает спорофит. Редукционное деление происходит в спорангии при образовании спор.
Стебли и листья плаунов содержат алкалоиды, которые применяются в медицине. Споры используют в качестве порошка для присыпок, а также для обсыпки пилюль. Для охраны запасов плаунов необходимо при заготовках спор аккуратно отрезать лишь спороносные колоски.
Порядок Селагинелловые (Selaginellales), относящийся к классу Полушниковые, характеризуется разноспоровостью. Он представлен одним семейством Селагинелловые (Selaginellaceae). В роде селагинела (Selaginella) насчитывается почти 700 видов, в основном произрастающих в тропических и субтропических областях. В нашей стране встречается 8 видов этого рода. Селагинеллы очень разнообразны по внешнему виду. Большинство их - небольшие, обычно ползучие травянистые растения. Листья простые, цельные, мелкие, длиной до 5 мм. Бесполое размножение с помощью спор является основным способом размножения селагинелл.
Рассмотрим подробнее Селагинел лу селаговидную (Selaginella selaginoides). Это растение имеет короткие ползучие стебли, покрытые удлиненно-яйцевидными листьями. На верхушке побега образуются спороносные колоски. Основное отличие селагинеллы от плаунов то, что в одном и том же колоске имеются спорангии двух типов. Одни из них более крупные (мегаспорангии) и содержат 4 крупные споры (мегаспоры). Другие спорангии мельче (микроспорангии), в них содержатся многочисленные микроспоры.
Микроспора при прорастании образует сильно редуцированный мужской заросток, на котором развивается один антеридий. Из мегаспоры вырастает женский заросток, на котором развиваются немногочисленные архегонии. Передвижение сперматозоидов происходит в воде после дождя или росы. Из оплодотворенной яйцеклетки со временем вырастает взрослое растение.
Таким образом, у селагинеллы образуются споры двух видов - микроспоры и мегаспоры - и развиваются однополые заростки. Заростки, особенно мужские, сильно редуцированы, что является основным направлением эволюции высших растений. Это хорошо прослеживается в других отделах высших растений. Селагинеллы мало используются человеком.
Отдел Хвощевидные (Equisetophyta)
Для хвощевидных характерно расчленение на четко выраженные междоузлия и узлы с мутовчато расположенными листьями.В настоящее время хвощевидные представлены на Земле одним классом Хвощёвые (Equisetopsida), включающим один порядок Хвощёвые (Equisetales) и одно семейство Хвощёвые (Equisetales). В этом семействе только один род - Хвощ (Equisetum), включающий около 30 видов, из них 17 встречаются в нашей флоре (на болотах, в лесах, на лугах, на пашнях и др.).
Хвощевидные достигли наибольшего развития в каменноугольном периоде. Тогда многие из них были представлены крупными деревьями. Позже древовидные формы вымерли. Отмершие остатки их дали начало залежам каменного угля. Вымерли также и многие травянистые формы.
Современные хвощи - многолетние корневищные травы, имеющие стебель высотой до нескольких десятков сантиметров. В узлах стебля имеются мутовки ветвей. Мелкие чешуевидные листья срастаются влагалищами в трубку, функцию фотосинтеза выполняют зеленые побеги. Некоторые побеги заканчиваются спороносным колоском (стробилом), состоящим из спорангиев. Современные хвощи - растения равноспоровые.
Половое поколение (гаметофит) у современных хвощей представлено одно- или обоеполыми недолговечными, очень маленькими, зелеными заростками величиной в несколько миллиметров. На них образуются антеридии и архегонии. В антеридиях развиваются многожгутиковые сперматозоиды, а в архегониях - яйцеклетки. Оплодотворение происходит при наличии капельножидкой воды, из зиготы вырастает новое бесполое поколение - спорофит.
Строение хвощей и их жизненный цикл можно рассмотреть на примере хвоща полевого (Equisetum arvense). Это многолетнее корневищное растение, произрастающее на полях, лугах, залежах. От корневища ранней весной появляются розовато-бурые, короткие, прямые побеги, на верхушке которых образуется спороносный колосок. На оси колоска расположены спорофиллы, имеющие вид шестигранных щитков. На спорофиллах располагаются спорангии, внутри которых находятся споры.
Внешне все споры одинаковы. Каждая имеет два придатка в виде узких лент, носящих название элатер. Морфологически споры одинаковы, но отличаются физиологически. Одни из них, прорастая, дают мужские заростки, другие - женские.
Мужской заросток представляет собой маленькую зеленую пластинку, расчлененную на лопасти и прикрепленную ризоидами к почве. На концах лопастей развиваются антеридии, содержащие многожгугиковые сперматозоиды. Женский заросток крупнее, он несет архегонии. Оплодотворение происходит при наличии влаги. Из зиготы развивается многолетний спорофит. Псиной от корневищ хвоща полевого развиваются зеленые вегетативные побеги, лишенные колосков.
Другие виды хвоща имеют только один тип побега. Он одновременно и спороносный, и ассимилирующий. Практическое значение хвощей невелико.
Отдел Папоротниковидные (Polypodiophyta)
Папоротниковидные - древние растения. Значительная часть их к настоящему времени вымерла. В наши дни папоротниковидные намного превосходят по числу видов все другие группы современных споровых сосудистых растений; их известно более 12 тысяч видов. В нашей флоре насчитывается около 100 видов из этой группы.Представители этого отдела очень разнообразны по внешнему виду, жизненным формам, условиям обитания. Среди них много травянистых многолетних растений, есть и деревья. Тропические древовидные папоротники бывают до 25 м высотой, а диаметр ствола достигает 50 см. Среди травянистых видов есть очень мелкие растения размером в несколько миллиметров.
В отличие от плауновидных и хвощевидных, для папоротниковидных характерна «крупнолистность». «Листья» папоротников имеют стеблевое происхождение и носят название «вайи». Их происхождение подтверждается верхушечным ростом.
Размеры вай папоротников колеблются от нескольких миллиметров до 30 см. Разнообразны их форма и строение. Вайи многих папоротников совмещают функции фотосинтеза и спороношения. У некоторых видов (например, страусника) бывает два типа вай - фотосинтезирующие и спороносные. Пластинки вай довольно часто перистые, нередко многократно рассечённые. Большинство лесных папоротников умеренных областей имеют мясистые корневища, образующие каждый год новые розетки вай, которые обычно у папоротников по массе и размерам преобладают над стеблем.
Почти все папоротники, за исключением водных,- растения равноспоровые. Спорангии их часто располагаются на нижней поверхности вай и собраны в группы - сорусы. Споры папоротников дают начало свободноживущим обоеполым заросткам (гаметофитам), несущим антеридии и архегонии. Для оплодотворения необходимо наличие капельножидкой воды, в которой могут передвигаться многожгутиковые сперматозоиды.
Из оплодотворенной яйцеклетки развивается спорофит. По мере роста спорофит становится независимым, а гаметофит отмирает.
Отдел Папоротниковидные разделяют на 7 классов. Из них 4 класса представлены исключительно ископаемыми формами, которые по своему облику отличались от типичных папоротников.
Подробнее рассмотрим папоротник щитовник мужской (Dryopteris filix-mas), который по общему плану строения и циклу развития типичен для папоротников. Он образует толстое ползучее корневище, на конце которого ежегодно появляется розетка крупных, дваждыперисторассечённых «листьев». Молодые листья на конце улиткообразно свернуты, они растут верхушкой (как стебель). От корневищ отходят придаточные корни.
На нижней поверхности вай летом образуются округлые сорусы. Внутри спорангия образуются одинаковые споры. Щитовник мужской - типично равноспоровый папоротник. Попав на землю, спора прорастает, и образуется заросток. Он представляет собой сердцевидную зеленую пластинку размером около 1 см. На нижней поверхности заростка образуются архегонии и антеридии. В антеридиях развиваются спирально закрученные многожгутиковые сперматозоиды. Оплодотворение происходит при наличии воды. Из оплодотворенной яйцеклетки постепенно вырастает многолетний крупный спорофит.
Водные папоротники - разноспоровые растения. Это немногочисленная группа. Примером может служить сальвиния плавающая (Salvinia natans), относящаяся к порядку сальвиниевых (Salviniales). Это маленькое плавающее на воде растение.
Мужские и женские гаметофиты развиваются из микро- и мегаспор, которые образуются в микро- и мегаспорангиях. Мужской гаметофит, развивающийся из микроспоры, сильно редуцирован.
Женский гаметофит развивается внутри мегаспоры, он многоклеточный. После оплодотворения развивается многолетний спорофит. Процесс прорастания спор, оплодотворение и развитие спорофита происходят в воде.
Практическое значение папоротников невелико. Молодые листья некоторых травянистых, а также сердцевину древовидных папоротников употребляют в пищу. Некоторые папоротники являются лекарственными растениями.
У папоротниковидных, хвощей и плаунов половое размножение может осуществляться лишь при наличии воды в момент оплодотворения.
Дальнейшая эволюция высших растений пошла по пути обеспечения независимости полового размножения от наличия воды.
Эта возможность реализовалась у семенных растений. Здесь продолжается общее направление эволюционного развития спорофитной линии - прогрессивное развитие спорофита и дальнейшая редукция гаметофита. Наиболее сложного строения спорофит достигает у покрытосеменных растений.
Среди высших растений только два отдела характеризуются наличием семени: голосеменные и покрытосеменные. Семя определило господство семенных растений в современном растительном покрове, поскольку внутри него уже находится зародыш спорофита и оно содержит значительный запас питательных веществ.
Семенные растения являются разноспоровыми. У них образуются микроспоры, дающие начало мужскому гаметофиту, и мегаспоры, дающие начало женскому гаметофиту.
Мегаспоры семенных растений развиваются в особых образованиях - семязачатках (семяпочках), которые представляют собой видоизмененные мегаспорангии. Мегаспора остается постоянно заключенной в мегаспорангии. В мегаспорангии происходят развитие женского гаметофита, процесс оплодотворения и развития зародыша. Все это обеспечивает независимость оплодотворения от капельножидкой воды.
В процессе развития семязачаток превращается в семя. В семени содержится зародыш - молодой, зачаточный, очень маленький спорофит. У него есть корешок, почечка и зародышевые листья (семядоли). Достаточный запас питательных веществ в семе-пи обеспечивает первые стадии развития зародыша. Таким образом, семена обеспечивают более надежное расселение растений, чем споры.
Отдел Голосеменные (Pinophyta, или Gymnospermae)
Голосеменные - это вечнозеленые, реже листопадные деревья или кустарники, редко лианы. Листья голосеменных сильно варьируются по форме, размерам, по морфологическим и анатомическим особенностям. Так, по форме листья бывают чешуевидными, игольчатыми, перистыми, дваждыперистыми и др.Для голосеменных характерны открытое расположение семяпочек (отсюда название отдела - Голосеменные), размножение посредством семян, дальнейшая редукция гаметофита, наличие архегониев.
Голосеменные относятся к разноспоровым растениям. Микроспоры образуются в микроспорангиях, находящихся на микроспорофиллах, а мегаспоры - в мегаспорангиях, образующихся на мегаспорофиллах. Микро- и мегаспорофиллы, прикрепленные к оси, представляют собой укороченный спороносный побег (стробил, или шишку). Строение стробилов у голосеменных разнообразно.
Отдел Голосеменные включает 6 классов, причем классы Семенные папоротники (Pteridospermae) и Беннеттитовые (Bennettitopsida) полностью вымерли. Ныне живущие голосеменные, насчитывающие около 700 видов, относятся к классам Саговниковых (Cycadopsida), Гнетовых (Gnetopsida), Гинкговых (Ginkgoopsida) и Хвойных (Pinoposida).
Класс Семенные папоротники достиг наибольшего развития в каменноугольный период. Эти растения полностью вымерли в триасовом периоде. Они были представлены деревьями и лианами. Древовидные формы их напоминали современные древовидные папоротники. В отличие от современных папоротников, они размножались посредством семян.
Семенные папоротники имели крупные, преимущественно перистые листья. Ассимилирующие листья резко отличались от спороносных (спорофиллов). Последние были двух типов: микроспорофиллы и мегаспорофиллы.
От семенных папоротников произошли примитивные группы голосеменных растений, которые характеризуются настоящими стробилами, или шишками (беннеттитовые, саговниковые).
Класс Беннеттитовые - полностью вымершие растения. Они были в основном представлены древовидными формами. Многие из них имели стройные высокие стволы, увенчанные наверху крупными перистыми листьями.
У многих беннеттитовых были обоеполые стробилы, напоминающие по строению цветок современных покрытосеменных растений. Микроспорофиллы в большом количестве располагались по периферии стробила, а редуцированные мегаспорофиллы - в центре стробила. Каждый мегаспорофилл имел по одному семязачатку. В семенах беннеттитовых находился зародыш, заполнявший все семя. По внешнему виду беннеттитовые сходны с саговниковыми, и считается, что эти два класса произошли от семенных папоротников.
Класс Саговниковые - некогда широко распространенная группа растений. В настоящее время этот класс насчитывает около 120 видов из 10 родов, встречающихся в тропических и субтропических районах земного шара. Саговниковые - это древовидные растения, похожие на пальмы. Листья их крупные, жесткие, вечнозеленые. У большинства саговниковых спорофиллы собраны в стробилы (шишки), которые образуются на конце ствола среди листьев. Саговниковые - растения двудомные. Мужские и женские стробилы образуются на разных особях.
Один из типичных представителей класса - Саговник поникающий (Cycas revoluta), широко распространенный в Восточной Азии. Это дерево с колоннообразным стволом высотой до 3 м. Наверху ствола - крона перистых листьев длиной до 2 м. У мужских экземпляров образуются мужские стробилы длиной 50-70 см.
Микроспоры высыпаются из микроспорангиев и переносятся метром на семяпочку, где идет дальнейшее развитие мужского заростка.
Мегаспорофиллы у всех видов рода Саговник располагаются м небольшом числе на верхушке стебля, чередуясь с вегетативными листьями. Мегаспорофиллы перистые, отличаются от вегетативных листьев меньшей величиной, окрашены в желтый или красноватый цвет. В нижней части мегаспорофилла, на его разветвлениях, расположены мегаспорангии (семяпочки). Они крупные, длиной до 5-6 см.
В центре семяпочки находится многоклеточная ткань - эндосперм (видоизмененный женский заросток), в верхней части его образуются два архегония с крупными яйцеклетками. Оплодотворение производят подвижные сперматозоиды, имеющие многочисленные жгутики. Из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш. Он имеет все части, присущие взрослому растению: первые листья (семядоли) и зачаточный стебель (подсемядольное колено), переходящий в корень.
Таким образом, у саговниковых половое поколение сильно редуцировано. Мужской гаметофит сведен до трех клеток, две из которых представляют собой антеридий. Женский гаметофит - это мелкое образование, находящееся внутри макроспорангия на спорофите. Женский гаметофит потерял способность существовать самостоятельно.
К классу Гнетовые относятся представители трех родов: Эфедра (Ephedra), Вельвичия (Welwitschia) и Гнетум (Gnetum).
Класс характеризуется следующими общими признаками: наличием покровов, похожих на околоцветник, вокруг микроспорофиллов и мегаспорофиллов; дихазиальным ветвлением собраний стробилов; двусемядольными зародышами; наличием сосудов во вторичной ксилеме; отсутствием смоляных ходов.
В роде Эфедра насчитывается 40 видов, произрастающих в засушливых и пустынных областях земного шара. Большинство видов представлено низкими, сильно ветвистыми кустарниками, напоминающими хвощи.
Эфедры - растения двудомные, реже однодомные. На мужских экземплярах образуются микростробилы, на женских - мегастробилы. На верхушке мегастробила находится семязачаток, или семяпочка (мегаспорангий). Из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш, а из семязачатка - семя, окруженное сочным, окрашенным в красный цвет наружным покровом.
В роде Вельвичия имеется единственный вид - вельвичия удивительная (Welwitschia mirabilis), обитающая в пустынях юго-западной Африки. Она имеет довольно длинный корень, короткий и толстый стебель. В верхней части от стебля отходят два супротивных лентовидных листа длиной до 2-3 м, лежащих на земле и растущих в течение всей жизни. Вельвичия - растение двудомное. Микро- и мегастробилы, образуя сложные ветвистые собрания, возникают непосредственно над основаниями листьев, как бы в их пазухе. Зрелый зародыш окружен эндоспермом и имеет две семядоли, подсемядольное колено, первичный корень и ножку.
Род Гнетум насчитывает около 30 видов. Они произрастают во влажных тропических лесах. Это небольшие деревья, кустарники и лианы. Они имеют широкие кожистые листья, расположенные супротивно. Растения двудомные. Микростробилы серёжковидные сложные. На оси мегастробила, имеющего вид удлиненной серёжки, расположены семяпочки (мегаспорангий). После оплодотворения развивается зародыш, имеющий две семядоли. Семяпочки превращаются в ярко-розовые семена.
Единственным современным представителем класса Гинкговых является древнее реликтовое растение - гинкго двулопастный (Ginrgo biloba). Это листопадное дерево, достигающее высоты более 30 м и имеющее диаметр ствола более 3 м. Листья гинкго черешковые, пластинка вееровидной формы, на верхушке обычно двулопастная. Гинкго - растение двудомное. Микростробилы серёжковидные. Семязачатки (обычно в числе двух) развиваются на мегастробилах. Внутри каждого семязачатка образуются два архегония. Сперматозоиды подвижные. Один из них оплодотворяет яйцеклетку. Из семязачатка образуется семя, которое по своему строению напоминает плод сливы. Наружный слой оболочки, покрывающий семя, сочный, под ним расположены твердая каменистая оболочка и внутренний тонкий слой. Зародыш состоит из корешка, стебелька и двух семядолей.
Класс Хвойные включает два подкласса: Кордаитовые (Cordaitales) и Хвойные (Pinidae). Кордаитовые - давно вымершие растения. Наибольшего развития они достигали в каменноугольный период. Кордаиты были крупными деревьями с моноподиально ветвящимся стеблем и высоко расположенной кроной. Между листьями на ветвях находились репродуктивные органы - сложные серёжковидные собрания стробилов.
Хвойные - наиболее обширный и богатый представителями подкласс среди всех голосеменных. По своему значению в природе и в жизни человека эта группа занимает второе место после цветковых растений. В настоящее время хвойные насчитывают около 610 видов, относящихся к 56 родам и 7 семействам. Они образуют леса на обширных пространствах Северной Евразии и Северной Америки, встречаются в умеренных областях Южного полушария. По своей древности хвойные превосходят все ныне живущие группы семенных растений, они известны с
и т.д.................
К высшим относятся все наземные листостебельные растения, размножающиеся спорами или семенами. Современный растительный покров Земли состоит из высших растений, общая биологическая черта которых - автотрофное питание. В процессе длительной приспособительной эволюции автотрофных растений в воздушноназемной среде обитания выработалась общая структура высших растений, выражающаяся в их морфологической расчлененности на листостебельный побег и корневую систему и в сложном анатомическом строении их органов. У высших растений, приспособившиеся к жизни на суше, возникают специальные органы поглощения минеральных растворов из субстрата -ризоиды (у гаметофита) или корневые волоски (у спорофита). Ассимиляция углекислого газа из воздуха осуществляется листьями, состоящими главным образом из хлорофиллоносных клеток. Из проводящей ткани, связывающей два важнейших концевых аппарата - корневой волосок и зеленую клетку листа,-и из опорной ткани, обеспечивающей устойчивое положение растения в почве и в воздухе, сформировалась протостела первичного стебля и корня. Стебель своим ветвлением и листорасположением обеспечивает наилучшее размещение листьев в пространстве, чем достигается наиболее полное использование световой энергии, а ветвлением корня - эффект размещения огромной всасывающей поверхности корневых волосков в сравнительно малом объеме почвы. Первичные высшие растения унаследовали от своих предков-водорослей высшую форму полового процесса - оогамию и двухфазный цикл развития, характеризующийся чередованием двух взаимозависимых поколений: гаметофита, несущего половые органы с гаметами, и спорофита, несущего спорангии со спорами. Из зиготы развивается только спорофит, а из споры гаметофит. На ранних этапах появились два направления эволюции высших растений: 1) гаметофиту принадлежит преобладающая роль в жизни организма, 2) преобладающим «взрослым» растением является спорофит. Современные высшие растения делят на следующие типы: 1)Мохообразные, 2) Папоротникообразные, 3) Голосеменные, 4)Покрытосеменные, или Цветковые.
Важнейшие отличия высших и низших растений
Наиболее распространенная теория происхождения высших растений связывает их с зелеными водорослями. Это объясняется тем, что и для водорослей, и для высших растений характерны следующие признаки: основной фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл а; основной запасной углевод — крахмал, который откладывается в хлоропластах, а не в цитоплазме, как у других фотосинтезирующих эукариот; целлюлоза — важнейший компонент клеточной стенки; наличие пиреноидов в матриксе хлоропласта (не у всех высших растений); образование фрагмопласта и клеточной стенки при клеточном делении (не у всех высших растений). И для большинства водорослей, и для высших растений характерно чередование поколений: диплоидного спорофита и гаплоидного гаметофита.
Основные отличия высших и низших растений:
Среда обитания: у низших — вода, у высших — в основном, суша.
Развитие у высших растений разнообразных тканей — проводящей, механической, покровной.
Наличие у высших растений вегетативных органов — корня, листа и стебля — разделение функций между различными участками тела: корень — закрепление и водно-минеральное питание, лист — фотосинтез, стебель — транспорт веществ (восходящий и нисходящий токи).
Высшие растения обладают покровной тканью — эпидермисом, выполняющей защитные функции.
Усиленная механическая устойчивость стебля высших растений за счет толстой клеточной стенки, пропитанной лигнином (придает жесткость целлюлозному остову клетки).
Органы размножения: у большинства низших растений — одноклеточные, у высших растений — многоклеточные. Стенки клеток высших растений надежнее защищают развивающиеся гаметы и споры от высыхания.
Высшие растения появились на суше в силурийском периоде в виде примитивных по строению риниофитов. Оказавшись в новой для них воздушной среде риниофиты постепенно адаптировались к необычной обстановке и на протяжении многих миллионов лет дали громадное разнообразие наземных растений различных размеров и сложности строения.
Одним из ключевых событий раннего этапа выхода растений на сушу было появление спор с прочными оболочками, позволяющими переносить засушливые условия. Споры высших растений способны распространяться ветром.
Высшие растения обладают различными тканями (проводящая, механическая, покровная) и вегетативными органами (стебель, корень, лист). Проводящая система обеспечивает передвижение воды и органических веществ в сухопутных условиях. Проводящая система высших растений состоит из ксилемы и флоэмы. Высшие растения имеют защиту от высыхания в виде покровной ткани — эпидермиса и нерастворимой в воде кутикулы или же пробки, образующейся при вторичном утолщении. Утолщение клеточной стенки и пропитывание ее лигнином (придает жесткость целлюлозному остову клеточной оболочки) придало высшим растениям механическую устойчивость.
Высшие растения (почти все) обладают многоклеточными органами полового размножения. Органы размножения высших растений формируются на разных поколениях: на гаметофите (антеридии и архегонии) и на спорофите (спорангии).
Чередование поколений свойственно для всех высших наземных растений. В ходе жизненного цикла (т.е. цикла от зиготы одного поколения до зиготы следующего поколения) один тип организма сменяется другим.
Гаплоидное поколение называется гаметофитом, поскольку оно способно к половому размножению и образует гаметы в многоклеточных органах полового размножения — антеридиях (образуются мужские подвижные гаметы — сперматозоиды) и архегониях (образуется женская неподвижная гамета — яйцеклетка). При созревании клетки архегоний вскрывается на верхушке и происходит оплодотворение (слияние одного сперматозоида с яйцеклеткой). В результате образуется диплоидная зигота, из которой вырастает поколение диплоидного спорофита. Спорофит способен к бесполому размножению с образованием гаплоидных спор. Последник дают начало новому гаметофитному поколению.
Одно из этих двух поколений всегда преобладает над другим, и на его долю приходится большая часть жизненного цикла. В жизненном цикле мхов преобладает гаметофит, в цикле голо- и покрытосеменных растений — спорофит.
3. Эволюция гаметангиев и жизненных циклов высших растений. Работы В. Гофмейстера. Биологическое и эволюционное значение гетероспории
Свой жизненный цикл - чередование спорофита и гаметофита - высшие растения унаследовали, вероятно, от своих водорослевых предков. Как известно, у водорослей наблюдаются самые различные взаимоотношения диплоидной и гаплоидной фаз жизненного цикла. Но у водорослевого предка высших растений диплоидная фаза была, возможно, развита больше, чем гаплоидная. В этой связи представляет большой интерес тот факт, что от древнейших и наиболее примитивных высших растений вымершей группы риниофитов в ископаемом состоянии достоверно сохранились только спорофиты. Скорее всего это можно объяснить тем, что гаметофиты у них были более нежные и менее развитые. Это характерно также для огромного большинства ныне живущих растений. Исключение составляют только моховидные, у которых гаметофит преобладает над спорофитом.
Эволюция жизненного цикла высших растений шла в двух противоположных направлениях. У моховидных она была направлена в сторону возрастания самостоятельности гаметофита и его постепенного морфологического расчленения, потери самостоятельности спорофита и его морфологического упрощения. Самостоятельной, вполне автотрофной фазой жизненного цикла моховидных стал гаметофит, а спорофит низведен до степени органа гаметофита. У всех остальных высших растений самостоятельной фазой жизненного цикла стал спорофит, а гаметофит у них в течение эволюции постепенно уменьшался и упрощался. Максимальная редукция гаметофита связана с разделением полов. Миниатюризация и упрощение однополых гаметофитов происходили весьма ускоренными темпами. Гаметофиты очень быстро теряли хлорофилл, и развитие все чаще осуществлялось за счет питательных веществ, накопленных спорофитом.
Наибольшая редукция гаметофита наблюдается у семенных растений. Бросается в глаза, что как среди низших, так и среди высших растений все крупные и сложно устроенные организмы представляют собой спорофиты (ламинарии, фукусы, лепидодендроны, сигиллярии, каламиты, древовидные папоротники, голосеменные и древесные покрытосеменные).
Таким образом, всюду вокруг нас, будь то на поле или в саду, в лесу, в степи или на лугу, мы видим исключительно или почти исключительно одни только спорофиты. И лишь с трудом и обычно после долгих поисков мы найдем на влажной почве крошечные гаметофиты папоротников, плаунов и хвощей. Более того, гаметофиты многих плаунов подземные, и поэтому их чрезвычайно трудно обнаружить. И только печеночники и мхи заметны своими гаметофитами, на которых развиваются гораздо более слабые, упрощенные спорофиты, заканчивающиеся обычно одним верхушечным спорангием. А рассмотреть гаметофит любого из многочисленных цветковых растений, как и гаметофиты хвойных или других голосеменных, можно только под микроскопом.
Работы В. Гофмейстера.
Наиболее значительные результаты Гофмейстер получил в области сравнительной морфологии растений. Описал развитие семяпочки и зародышевого мешка (1849), процессы оплодотворения и развития зародыша у многих покрытосеменных растений. В 1851 была опубликована его работа Сравнительные исследования роста, развития и плодоношения у высших тайнобрачных растений и образования семян у хвойных деревьев, итог исследований Гофмейстера по сравнительной эмбриологии архегониальных растений (от мохообразных до папоротникообразных и хвойных). В ней он сообщил о сделанном им открытии - наличии у этих растений чередования поколений, бесполого и полового, установил родственные связи между споровыми и семенными растениями. Эти работы, проводившиеся за 10 лет до появления учения Ч.Дарвина, имели большое значение для становления дарвинизма. Гофмейстер - автор ряда работ по физиологии растений, посвященных в основном изучению процессов поступления воды и питательных веществ через корни.
Биологическое и эволюционное значение гетероспории
Гетероспория— разноспоровость, образование спор различной величины у некоторых высших растений (например, водных папоротников, селагинелловых и др.). Крупные споры - мегаспоры, или макроспоры, - дают при прорастании женские растения (заростки), мелкие - микроспоры - мужские. У покрытосеменных растений микроспора (пылинка), прорастая, даёт мужской заросток - пыльцевую трубку с вегетативным ядром и двумя спермиями; мегаспора, образующаяся в семяпочке, прорастает в женский заросток - зародышевый мешок.
Биологич. значение:
—Стремление к разделении полов, т.е. двудомность:
—разделение во времени: протандрия(плауны)-вначале на гаметофите развив. муж., а затем жен. пол. гаметы.
—протогиния
—физиологическая разноспоровость.
Эволюционное значение гетероспории привело к возникновению семени, а это позволило семен. раст. полностью потерять зависимость от внеш. среды и господств. на Земном шаре.
Читайте также:
Отличие высших растений от водорослей.
Высшие растения — это жители наземно-воздушной среды, которое коренным образом отличается от водного.
Наземно- воздушная среда резко отличается от водного по газовому составу. Эти среды различаются между собой также по влажности, температурном режиме, плотности, удельному весу, по свойству изменять силу и спектральный состав солнечного света. Экологические условия наземно-воздушной среды появились причиной изменений в морфологической и анатомической строении вегетативных и репродуктивных органов высших растений в течение длительного процесса эволюции. Это привело к выработке у высших растений приспособлений к наземного образа жизни.
Высшие растения, зародышевые растения (Embryobionta, Embryophyta, от греч. Embryon — зародыш и phyton — растение), порослевые, листостеблевые (Сormophyta, от греч. Kormos — стебель, phyton — растение), таломные растения (Telomophyta, Telomobionta, талом — надземный осевой цилиндрический орган древних высших растений и phytа — растение) отличаются от низших растений (Thallophyta, от греч.thallos — слоевищ, талом и phyton — растение). Высшие растения — это сложные дифференцированные многоклеточные организмы, приспособленные к жизни в наземной среде (за исключением немногих явно вторичных форм) с правильным чередованием двух поколений — полового (гаметофита) и бесполого (спорофита). Органы высших растений имеют сложную анатомическое строение. Проводящих система первых наземных растений представлена специальными клетками-трахеид, элементами флоэмы, а в более поздних групп — сосудами и сито подобными трубками. Проводящие элементы группируются в закономерные сочетания — сосудисто-волокнистые пучки. У высших растений возникает центральный цилиндр-стела. Сначала центральный цилиндр прост — пратастэла (от греч. Рrotos — простой, stela — колонка, столбец). Затем возникают более сложные стелы: актынастэла (от греч. Actis — луч), плектастэла (от греч. Plectos — сплетенный, скрученная), сифонастэла (от греч. Siphon — трубка), артрастэла (от лат. Arthrus — членисты), дыктыястэла (от греч. diktyon — сеть), эвстэла (от греч. eu — настоящий), атактастэла (от греч. atactos — хаотический) — элементы центрального цилиндра мерыстэли на поперечном разрезе стебля равномерно расположены в основной его паренхиме. Схема маркуемай эволюции стел показано на рисунке 1.
У высших растений имеется сложный вусцейкавы аппарат. В условиях наземного жизни у высших растений возникают сильно развитые механические ткани. Половые органы высших растений — гаметангии и спарангии Многоклеточные (или гаметангии редуцированы). В совершенных высших растений они получили название антэрыдыяв (мужских) и архигонияв (женских). Зигота высших растений превращается в типичный шматклетачны зародыш. Половые органы высших растений, вероятно, взяли начало от многокамерная гаметангияв типа современных хетафорафых зеленых водорослей. Характерной чертой высших растений является чередование поколений в цикле развития — гаметафита (полового) и спарафита (бесполого) и соответствующая им изменение ядерных фаз (гаплоидном и диплоидном). Переход от гаплоидном ядерной фазы к диплоидном происходит при оплодотворении яйцеклетки сперматозоиды или спермием. Переход от диплоидном ядерной фазы к гаплоидном происходит при образовании спор со спарагеннай ткани — археспорыя путем мейоза из редукции числа хромосом. Схема общего жизненного цикла споровой сосудистой растения приведена на рисунке 2.
Происхождение высших растений. Предками высших растений, вероятно, были какие-то морские водоросли, в которых в связи с переходом на сушу, в новое окружение вырабатывались специальные приспособления для водоснабжения, для охраны гаметангияв от высыхания и для обеспечения полового процесса. Высказывается мнение и о возникновении высших растений от зеленых шматклетачных водорослей с гетэратрыхальными таломами типа современных хетафоравых со многокамерная гаметангиями. Такие водоросли имели изоморфны чередование поколений в цикле развития. Связывают происхождение высших растений и с группой стрэптафитавых водорослей, близких к калеахетавых или хоровых. Точные ископаемые остатки высших растений (рините, харнэя, харнеяфитон, спораганитэс, псилафит и др.) Известен с силуру (435-400 млн. Лет назад). С момента выхода на сушу высшие растения развивались в двух основных направлениях и образовали две большие эволюционные отрасли — гаплоидном и диплоидном. Гаплоидном ветвь эволюции высших растений представлена отделом мохообразных (Bryophyta). В цикле развития мхов преобладает гаметафит, половое поколение (само растение), а спарафит редуцирован и представлены спарагонам в виде коробочки на ножке. Развитие мохообразных шло от таломных форм к листасцябловых. Вторая эволюционная ветвь высших растений с преобладанием спарафита в цикле развития представлена остальными отделами высших растений. Спарафит в наземных условиях оказался более приспособленным и живой. Эта группа высших растений с преобладанием спарафита в цикле развития достигла наибольшего успеха в завоевании суши. Спарафит достигает крупных размеров, имеет сложную внутреннюю и внешнюю строение, гаметафит этой группы высших растений, наоборот, потерпел редукцию.
В более примитивных высших растений — хвошча-, моха-, папарацепадобных и других некоторые фазы развития зависят от воды, без которой невозможно активное перемещение сперматозоидов. Значительная влагу субстрата, атмосферы необходимо для существования гаметафитав. В семенных, как наиболее высокоорганизованных растений, приспособление к наземного образа жизни выразилось в независимости полового процесса размножения от капельно-жидкой среды. Схема эволюционных изменений растений в направлении увеличения размеров бесполого (2n) и редукции полового (n) поколений показано нарисунке 3.
Постепенно шло совершенствование высших растений, их адаптация к разнообразным экологических условий жизни на Земле. В настоящее время высших растений насчитывается свыше 300 тысяч видов. Они господствуют на Земле, обитают ее от арктических областей до экватора, от влажных тропиков до сухих пустынь. Высшие растения образуют различные типы растительности — леса, луга, болота, заполняют водоемы. Многие из них достигают гигантских размеров (секвойи — до 110 м и более); другие — маленькие, в несколько миллиметров (ряски, некоторые пячоначники, мхи). При всей большого разнообразия внешнего вида высшие растения сохраняют определенное единство в строении. Высшие растения разделяют на 9 отделов: рынияфиты, зостэрафилафиты, мохообразных, деразападобныя, псилотападобныя, хвошчападобныя, папарацепадобныя, голосеменные и покрытосеменные (цветковые). Они сравнительно легко увязываются друг с другом, что свидетельствует о единстве их происхождения.
Описание высших растений. Их происхождение и характеристика
Место высших растений в органическом мире
Современная наука об органическом мире делит живые организмы на два надцарства: доядерные организмы (Procariota) и ядерные организмы (Eucariota). Надцарство доядерных организмов представлено одним царством – дробянки (Mychota) с двумя подцарствами: бактерии (Bacteriobionta) и цианотеи , или сине-зеленые водоросли (Cyanobionta) .
Надцарство ядерных организмов включает три царства: животные (Animalia), грибы (Mycetalia , Fungi , или Mycota) и растения ( Vegetabilia , или Plantae) .
Царство животных делится на два подцарства: простейшие животные (Protozoa) и многоклеточные животные (Metazoa).
Царство грибов подразделяется на два подцарства: низшие грибы (Myxobionta) и высшие грибы (Mycobionta).
Царство растений включает три подцарства: багрянки (Rhodobionta), настоящие водоросли (Phycobionta) и высшие растения (Embryobionta).
Таким образом, предметом систематики высших растений являются высшие растения, которые входят в состав подцарства высших растений, царства растений, надцарства ядерных организмов.
Общая характеристика высших растений и их отличие от водорослей
Высшие растения – это жители наземно-воздушной среды, которая коренным образом отличается от водной среды.
Клетки высших растений:
а, б - меристематические клетки; в - крахмалоносная клетка из запасающей паренхимы; г - клетка эпидермиса; д - двуядерная клетка секреторного слоя пыльцевого гнезда; е - клетка ассимиляционной ткани листа с хлоропластами; ж - членик ситовидной трубки с клеткой-спутницей; з - каменистая клетка; и - членик сосуда.
Высшие растения являются листостебельными растениями, многие имеют корни. По этим признакам на латинском языке их называют Cormophyta (от греч. kormos –ствол, стебель, phyton – растение) в отличие от водорослей – Thallophyta (от греч. thallos – слоевище, таллом, phyton – растение).
Органы высших растений имеют сложное строение. Проводящая система у них представлена специальными клетками – трахеидами, а также сосудами, ситовидными трубками. Проводящие элементы группируются в закономерные сочетания – сосудисто-волокнистые пучки. У высших растений появляется центральный цилиндр – стела.
Сначала центральный цилиндр простой — протостела (от греч. protos – простой, stela – колонка, столб). Затем появляются более сложные стелы: актиностела (от греч. actis – луч), плектостела (от греч. plectos – скручивать, вить), сифоностела (от греч. siphon – трубка), артростела (от греч. arthrus — членистый), диктиостела (от греч. diktyon – сеть), эвстела (от греч. eu – настоящий), атактостела (от греч. ataktos – беспорядочный).
У высших растений имеется сложная система покровных тканей (эпидерма, перидерма, корка), появляется сложный устьичный аппарат. В условиях наземно-воздушной жизни у высших растений появляются мощно развитые механические ткани.
Половые органы высших растений – многоклеточные антеридии (мужские) и архегонии (женские) – взяли начало, вероятно, от многоклеточных гаметангие в водорослей типа диктиоты и эктокорпуса (из бурых водорослей).
Характерной чертой высших растений является чередование поколений в цикле развития – гаметофита (полового) испорофита (бесполого) и соответствующая смена ядерных фав (гаплоидной и диплоидной). Переход от гаплоидной ядерной фазы к диплоидной происходит при оплодотворении яйцеклетки сперматовоидом или спермием. И наоборот, переход от диплоидной ядерной фазы к гаплоидной происходит при образовании спор из спорогенной ткани — археспория путем мейоза с редукцией числа хромосом.
Происхождение высших растений
Гаплоидная ветвь эволюции высших растений представлена отделом моховидные ( Bryophyta)
У более протых форм (споровые растения) гаметофит еще имеет самостоятельное существование и представлен автотрофным или симбиотрофным заростком ( Lycopodiophyta , Equisetophyta , Polypodiophyta) , а у разноспоровых представителей этих отделов он значительно упрощен, редуцирован. У более организованных – семенных растений – гаметофит утратил самостоятельный способ жизни и развивается на спорофите, а у покрытосеменных (цветковых) сведен до нескольких клеток.
Высшие растения, вероятно, произошли от каких-либо водорослей. Об этом свидетельствует то, что в геологической истории растительного мира высшим растениям предшествовали водоросли. В пользу этого предположения свидетельствуют и следующие факты: сходство наиболее древней вымершей группы высших растений — риниофитов – с водорослями, очень сходный характер их ветвления; сходство в чередовании поколений высших растений и многих водорослей; наличие жгутиков и способность к самостоятельному плаванию у мужских половых клеток многих высших растений; сходство в строении и функции хлоропластов.
Предполагают, что высшие растения произошли скорее всего от зеленых водорослей, пресноводных или солоноватоводных. Они имели многоклеточные гаметангии, изоморфное чередование поколений в цикле развития.
Первыми наземными растениями, найденными в ископаемом состоянии, были риниофиты (риния, хорнея, хорнеофитон, спорогонитес, псилофит и др.).
После выхода на сушу высшие растения развивались в двух основных направлениях и образовали две большие эволюционные ветви – гаплоидную и диплоидную.
Гаплоидная ветвь эволюции высших растений представлена отделом моховидные (Bryophyta) . В цикле развития мхов преобладает гаметофит, половое поколение (само растение), а спорофит, бесполое поколение, редуцирован и представлен спорогоном в виде коробочки на ножке. Развитие моховидных шло в сторону возрастания самостоятельности гаметофита и его постепенного морфологического расчленения, потери самостоятельности спорофита и его морфологического укрощения. Самостоятельной, вполне автотрофной фазой жизненного цикла моховидных стал гаметофит, а спорофит низведен до степени органа гаметофита.
Мхи как представители гаплоидной ветви эволюции высших растений оказались менее жизнеспособными и адаптированными к условиям жизни на Земле. Их распространение связано с наличием свободной капельно-жидкой воды, необходимой не только для ростовых процессов, но и для полового процесса. Этим объясняется их экологическая приуроченность к местам, где имеется постоянное или периодическое увлажнение.
Вторая эволюционная ветвь высших растений представлена всеми остальными высшими растениями.
Спорофит в наземных условиях оказался более жизнеспособным и адаптированным к разнообразным экологическим условиям. Эта группа растений более успешно завоевывала сушу. Спорофит у них часто имеет большие размеры, сложное внутреннее и внешнее строение. Гаметофит, наоборот, претерпел упрощение, редукцию.
У более протых форм (споровые растения) гаметофит еще имеет самостоятельное существование и представлен автотрофным или симбиотрофным заростком (Lycopodiophyta, Equisetophyta, Polypodiophyta) , а у разноспоровых представителей этих отделов он значительно упрощен, редуцирован.
У более организованных – семенных растений – гаметофит утратил самостоятельный способ жизни и развивается на спорофите, а у покрытосеменных (цветковых) сведен до нескольких клеток.
В новых условиях шло постепенное усложнение наземных растений с преобладанием в цикле развития спорофита. Они дали начало ряду самостоятельных групп (отделов) растений, приспособленных к разнообразным условиям жизни на суше.
В настоящее время высшие растения насчитывают свыше 300 000 видов. Они господствуют на Земле, населяют ее от арктических территорий до экватора, от влажных тропиков до сухих пустынь. Они образуют различные типы растительности – леса, луга, болота, заполняют водоемы. Многие из них достигают гигантских размеров (секвойядендрон – 132 м при обхвате 35 м, эвкалипт гигантский – 152 м (Флиндт, 1992), вольфия бескорневая – 0,1-0,15 см (Определитель растений Беларуси, 1999).
При всем огромном разнообразии внешнего вида и внутреннего строения все высшие растения сохраняют определенное единство в строении. Высшие растения подразделяют на 9 отделов. Однако они сравнительно легко увязываются между собой, что свидетельствует о единстве происхождения высших растений.
Дата публикования: 2015-02-17; Прочитано: 2096 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…
Общая характеристика подцарства высших растений. Укажите основные отделы на рус. и лат. языке. Опишите происхождение и основные прогрессивные признаки.
Включают следующие ныне существующие отделы: моховидные (Bryophyta ), плауновидные (Lycopodiophyta ), псилотовидные (Psilotophyta ), хвощевидные (Equisetophyta ), папоротниковидные (Polypodiophyta ).
Споровые растения появились в конце силурийского периода, более 400 млн. лет тому назад. Первые представители споровых были небольших размеров и имели простое строение, но уже у примитивных растений наблюдалась дифференциация на элементарные органы. Усовершенствованию органов соответствовало усложнение внутреннего строения и онтогенеза. В жизненном цикле происходит чередование полового и бесполого способов размножения и связанное с этим чередование поколений. Бесполое поколение представлено диплоидным спорофитом , половое – гаплоидным гаметофитом .
На спорофите образуются спорангии, внутри которых в результате мейотического деления образуются гаплоидные споры. Это мелкие, одноклеточные образования, лишенные жгутиков. Растения, у которых все споры одинаковые, называются равноспоровыми. У более высокоорганизованных групп споры двух типов: микроспоры (формируются в микроспорангиях), мегаспоры (формируются в мегаспорангиях). Это разноспоровые растения. При прорастании споры образуется гаметофит.
Полный жизненный цикл (от зиготы до зиготы) состоит из гаметофита (период от споры до зиготы) и спорофита (период от зиготы до образования спор). У плаунов, хвощей и папоротников эти фазы представляют собой как бы отдельные физиологически самостоятельные организмы. У мхов гаметофит является самостоятельной фазой жизненного цикла, а спорофит сведен до его своеобразного органа – спорогона (спорофит живет на гаметофите).
На гаметофите развиваются органы полового размножения: архегонии и антеридии . В архегониях , похожих на колбу, образуются яйцеклетки, а в мешковидных антеридиях — сперматозоиды. У равноспоровых растений гаметофиты обоеполые, у разноспоровых – однополые. Оплодотворение происходит лишь при наличии воды. При слиянии гамет образуется новая клетка – зигота с двойным набором хромосом (2n).
Мхи. Дайте общую характеристику (классификация на рус. и лат. языке, преобладающее поколение, особенности строения гаметофита и спорофита, местообитание, роль в образовании растительности).
Укажите представителей (на рус. и лат. языке), значение.
В жизненном цикле доминирует гаметофит. Спорофит самостоятельно не существует, развивается и всегда находится на гаметофите. Спорофит представляет собой коробочку, где развивается спорангий, на ножке, связывающей ее с гаметофитом. Размножаются мхи спорами, могут размножаться и вегетативным путем – отдельными участками тела. Отдел делится на три класса : Антоцеротовые, Печеночные и Листостебельные мхи. Гаметофит имеет темно-зеленое слоевище , дихотомически разветвленное. Сверху и снизу слоевище покрыто эпидермой, с многочисленными устьицами. К субстрату слоевище прикрепляется ризоидами . Талломы раздельнополые, органы полового размножения развиваются на особых вертикальных ветвях-подставках. Мужские гаметофиты имеют восьмилопастные подставки, на верхней стороне которых находятся антеридии . На женских гаметофитах подставки со звездчатыми дисками, на нижней стороне лучей звездочки расположены (шейкой вниз) архегонии. При наличии воды сперматозоиды перемещаются, попадают в архегоний и сливаются с яйцеклеткой. После оплодотворения из зиготы развивается спорогон. Внутри коробочки, в результате мейоза, образуются споры. В благоприятных условиях споры прорастают, из них развивается протонема в виде небольшой нити, из верхушечной клетки которой развивается таллом маршанции.
Плауны. Дайте общую характеристику (классификация на рус. и лат. языке, преобладающее поколение, особенности строения гаметофита и спорофита, местообитание, роль в образовании растительности). Укажите представителей (на рус. и лат. языке), значение.
Стелющиеся побеги плауна булавовидного достигают до 25 см в высоту и более 3 м в длину. Стебли покрыты спирально расположенными ланцетно-линейными мелкими листьями. В конце лета на боковых побегах образуется обычно два спороносных колоска. Каждый колосок состоит из оси и мелких тонких спорофиллов – видоизмененных листьев, в основании которых расположены спорангии почковидной формы. В спорангиях после редукционного деления клеток спорогенной ткани образуются одинаковой величины, одетые толстой желтой оболочкой гаплоидные споры. Они прорастают после периода покоя через 3-8 лет в обоеполые заростки, представляющие собой половое поколение и живущие сапротрофно в почве, в виде клубенька. От нижней поверхности отходят ризоиды. Через них в заросток врастают гифы гриба, образуя микоризу . В симбиозе с грибом, который обеспечивает питание, живет заросток, лишенный хлорофилла и неспособный к фотосинтезу. Заростки многолетние, развиваются очень медленно, лишь через 6-15 лет на них образуются архегонии и антеридии. Оплодотворение совершается при наличии воды. После оплодотворения яйцеклетки двужгутиковым сперматозоидом образуется зигота, которая без периода покоя прорастает в зародыш, развивающийся во взрослое растение. В официнальной медицине споры плауновприменялись в качестве детской присыпки и обсыпки для пилюль. Побеги баранца обыкновенного используют для лечения больных, страдающих хроническим алкоголизмом.
Хвощи. Дайте общую характеристику (классификация на рус. и лат. языке, преобладающее поколение, особенности строения гаметофита и спорофита, местообитание, роль в образовании растительности). Укажите представителей (на рус. и лат. языке), значение.
У всех видов хвоща стебли имеют членистое строение с выраженным чередованием узлов и междоузлий. Листья редуцированы до чешуй и располагаются мутовками в узлах. У хвоща полевого (Equisetum arvense) боковые ветви корневища служат местом отложения запасных веществ, а также органами вегетативного размножения. Весной на обычных или специальных спороносных стеблях образуются колоски, состоящие из оси, которая несет особые структуры, имеющие вид шестигранных щитков (спорангиофоры ). Последние несут 6-8 спорангиев. Внутри спорангиев образуются споры, одетые толстой оболочкой, снабженной гигроскопичными лентовидными выростами – элатерами. Благодаря элатерам споры сцепляются вместе в комки, хлопья.
Заростки имеют вид небольшой длинно-лопастной зеленой пластинки с ризоидами на нижней поверхности. Мужские заростки меньше женских и несут по краям лопастей антеридии с многожгутиковыми сперматозоидами. На женских заростках в средней части развиваются архегонии. Оплодотворение происходит при наличии воды. Из зиготы развивается зародыш нового растения – спорофита.
Вегетативные побеги хвоща полевого (E. arvense) в официнальной медицине применяют: в качестве мочегонного средства при отеках на почве сердечной недостаточности; при заболеваниях мочевого пузыря и мочевыводящих путей; как кровоостанавливающее средство при маточных кровотечениях; при некоторых формах туберкулеза.
Папоротники. Дайте общую характеристику (классификация на рус. и лат. язьтке, преобладающее поколение, особенности строения гаметофита и спорофита, местообитание, роль в образовании растительности). Укажите представителей (на рус. и лат. языке), значение.
От корневища отходят придаточные корни и крупные листья (вайи ), имеющие стеблевое происхождение и длительно нарастающие верхушкой. Среди существующих в настоящее время папоротников имеются как равноспоровые, так и разноспоровые. В середине лета на нижней стороне зеленых листьев в виде коричневых бородавочек появляются группы спорангиев (сорусы) . Сорусы у многих папоротников прикрыты сверху своеобразным покрывалом — индузием. Спорангии образуются на особом выросте листа (плаценте). Споры, При созревании они разносятся током воздуха и в благоприятных условиях прорастают, образуя сердцевидную зеленую многоклеточную пластинку (заросток), прикрепляющуюся к почве ризоидами. Заросток представляет собой половое поколение папоротников (гаметофит). На нижней стороне заростка образуются антеридии (со сперматозоидами) и архегонии (с яйцеклетками). При наличии воды сперматозоиды проникают в архегонии и оплодотворяют яйцеклетки. Из зиготы развивается зародыш, имеющий все основные органы (корень, стебель, лист и особый орган – ножку, прикрепляющую его к заростку)Из корневищпапоротника мужского (Dryopteris filix-mas), получают густой экстракт, который является эффективным противоглистным средством (ленточные черви).
Дайте общую характеристику семенным растениям (классификация на рус. и лат. языке, основные отличия от высших споровых растений). Опишите строение семяпочки и семени. Укажите отличия семени от споры, эволюционное значение семени.
Биосфера Земли включает не менее 5 (скорее 20 и возможно даже 50) млн. различных видов живых существ. Богат и разнообразен растительный мир (свыше 500 тыс. видов). Нередко царство Растения (Vegetabilia, Plantae или Phytobiota) подразделяет на три подцарства: Красные водоросли, или Багрянки (Rhodobionta), Настоящие водоросли (Phycobionta) и Высшие растения, или Зародышевые организмы (Embryobionta). Два первых подцарства относят к низшим растениям (слоевищным, или талломным растениям – Thallophyta). Эта группа объединяет наиболее просто организованные растения (одноклеточные, колониальные и многоклеточные), обитающие в водной среде, особенно в морях и океанах. В некоторых современных системах органического мира она имеет лишь историческое значение, поскольку ранее эукариотические одноклеточные, подвижные формы, а сейчас и все низшие растения нередко включают в царство Протисты (Protista).
Высшие растения называют также побеговые, или листостебельные (Cormobionta, Cormophyta); теломные (Telobionta, Telomophyta); наземные растения.
Для подцарства Высшие растения характерны следующие основные особенности.
Преимущественно наземный образ жизни. Высшие растения – обитатели воздушной среды. В ходе длительного эволюционного процесса возникли новые виды, приспособленные к жизни в наземных условиях. Наличие водных форм среди высших растений (рдест, элодея, водокрас и другие) – явление вторичное.
Выход в условия наземного обитания дал мощный толчок к перестройке всей организации растения. В наземных условиях улучшилось освещение растений, что активизировало процесс фотосинтеза, привело к увеличению ассимилятов, объема растений в целом, вызвало необходимость их дальнейшего морфологического расчленения. Вегетативное тело растения оказалось разделенным на две части (наземную и подземную), выполняющие различные функции. Таким образом, для высших растений характерно морфологическое расчленение на два основных вегетативных органа: корень и побег. Стебель и листья являются компонентами побега (как бы органами одного порядка). Все листостебельные высшие растения относятся к морфологической группе – побеговые. Среди современных растений этой группы преобладают высокоорганизованные формы, хорошо приспособленные к разнообразным жизненным условиям суши. Для них характерны многочисленные видоизменения основных органов и их компонентов (клубни, столоны, колючки, усы, чешуйки, луковицы и другие). Имеется и целый ряд примитивных представителей с более простой организацией, у которых нет корней. Листостебельные мохообразные (кукушкин лен и другие) – первично бескорневые растения. Для поглощения воды у них формируются ризоиды. Пузырчатка – вторично бескорневое растение (живет в верхних слоях воды).
Не у всех высших растений также надземная часть расчленена на вегетативные органы. Печеночные мхи часто представлены стелющейся по земле и прикрепленной к ней ризоидами зеленой дихотомически ветвящейся пластинкой. Они составляют морфологическую группу талломных, или слоевищных растений.
Для высших растений характерна более сложная анатомическая дифференциация тканей. Воздушная среда отличается большим непостоянством многих экологических факторов, их большей контрастностью. В наземных условиях у растений развилась сложная система покровных тканей. Важнейшей специализированной покровной тканью, без которой невозможно освоение суши, является эпидерма. В эволюционном плане она имеет очень древнее происхождение. Тело уже первых известных наземных растений (риниофитов) было покрыто эпидермой, имеющей устьица для регуляции газообмена и транспирации. В дальнейшем сформировались вторичные (перидерма) и третичные покровные (ритидом) ткани.
В наземной среде у большинства высших растений наиболее сложное развитие получили также комплексы проводящих, механических, выделительных, внутренних пограничных и других типов тканей.
Для нормального функционирования подземных и надземных органов необходимо быстрое передвижение воды, минеральных и органических веществ. Это достигается развитием специальных проводящих тканей внутри тела высших растений: ксилемы, или древесины, флоэмы, или луба. В восходящем направлении, по ксилеме, передвигается вода с растворенными в ней минеральными веществами, поглощаемыми из почвы корнями и органическими, вырабатываемыми самими корнями. В нисходящем направлении, по флоэме, перемещаются продукты ассимиляции, преимущественно углеводы. Формируются специализированные водопроводящие элементы ксилемы – трахеиды, а затем трахеи, или сосуды. Кольчатые и спиральные трахеиды и сосуды составляют протоксилему, поровые, с разными типами боковой поровости (лестничной, супротивной, очередной, иногда беспорядочной) – метаксилему. Наиболее древний тип поровых трахеид – лестничные. Они свойственны метаксилеме большинства высших споровых растений.
Среди споровых растений лестничные сосуды имеются в метаксилеме некоторых папоротников (например, у орляка). Сосуды встречаются также во вторичной ксилеме высокоорганизованных голосеменных (эфедры, гнетума и вельвичии). Однако у отмеченных папоротников и голосеменных сосуды немногочисленны и основную функциональную нагрузку несут трахеиды. Они были обнаружены уже у риниофитов.
Полагается, что элементы, транспортирующие продукты ассимиляции в процессе эволюции растительного мира появились раньше водопроводящих. У ринии обнаружены удлиненные тонкостенные клетки с плазмодесменными канальцами и порами, которые, возможно, участвовали в проведении растворов органических веществ. У листостебельных мхов эту функцию выполняют длинные тонкостенные клетки, слегка расширенные на концах. Несколько таких клеток составляют продольный однорядный тяж. Остальным высшим споровым и голосеменным свойственно образование ситовидных клеток. Только у покрытосеменных растений формируются ситовидные трубки, членики которых возникли из ситовидных клеток. Процесс их преобразования аналогичен процессу преобразования трахеид в членики сосудов. Ситовидные трубки более эффективно, чем ситовидные клетки проводят продукты фотосинтеза. Кроме того, каждый членик их сопровождается одной или несколькими клетками-спутницами.
Проводящие элементы, механические ткани и паренхима группируются в закономерные сочетания – сосудисто-волокнистые пучки (радиальные, концентрические, коллатеральные, биколлатеральные). Наиболее распространенными являются коллатеральные, открытого (двудольные) и закрытого типов (однодольные) растения. Возникает центральный цилиндр – стель, сначала в виде простейшей протостели. В дальнейшем, в связи с увеличением и усложнением структуры стебля, формируются сифоностела, диктиостела, эустела и атактостела.
У высших растений мощное развитие получили также механические ткани. При жизни в водной среде потребность в этих тканях была невелика, поскольку вода хорошо поддерживала их тела. В воздушной среде, плотность которой во много раз меньше водной, механические ткани обеспечивают сопротивление растения статическим (сила тяжести) и динамическим (т. е. быстро меняющимся) нагрузкам (порывы ветра, удары ливня, воздействия животных и т. д.). В процессе эволюции специализированные механические ткани (склеренхима и колленхима) возникли и развились в связи с прогрессирующим расчленением и увеличением массы растений.
Как и органы, ткани появились и развились не сразу. Талломные высшие растения лишены развитой проводящей системы. Механические ткани также плохо развиты. Имея небольшие размеры, обитая во влажных условиях, прочность этих растений в большой степени обеспечивается упругостью оболочек, составляющих их живых клеток, насыщенных водой. Изучение вымерших ископаемых растений открывает целые ряды промежуточных форм, показывающих возникновение и этапы развития тех или иных органов и тканей.
Споры высших растений имеют более сложное строение, чем у низших растений (водорослей). Они неподвижны, без жгутиков. Споры высших споровых растений (мохообразных, плаунообразных, хвощеобразных, папоротникообразных и псилотообразных) покрыты многослойной клеточной оболочкой (спородермой). Она состоит из двух главных слоев: твердого наружного (экзоспорий) и тонкого внутреннего (эндоспорий). Характерной особенностью экзоспория, состоящего из целлюлозы, является наличие спороллинина – высокомолекулярного соединения, обладающего исключительной стойкостью; близкого по физическим и химическим свойствам к кутину. У низших растений формируются зооспоры и апланоспоры (лишены жгутиков). Они не имеют полисахаридной оболочки. Экзоспорий отличается чрезвычайной прочностью, водонепроницаемостью, устойчивостью к высоким температурам, химическим веществам, воздействию микроорганизмов. Поэтому споры наземных растений длительное время могут оставаться жизнеспособными (иногда десятилетиями). Это содействует переживанию неблагоприятных для прорастания периодов, что особенно важно в условиях наземного обитания. Благодаря микроскопическим размерам они нередко переносятся на значительные расстояния. Таким образом, резкие адаптивные изменения структуры споры были необходимы в условиях жизни на суше. При помощи спор осуществляется расселение видов и перенесение неблагоприятных условий. Оболочки спор (особенно ее наружные слои) также хорошо сохраняются в геологических пластах, в ископаемом состоянии. Многие давно вымершие растения известны только по остаткам их спородермы.
Более примитивные высшие растения продуцируют одинаковые споры (изоспоры) как по размерам, так и по физиологическим особенностям (морфологически равноспоровые растения). В благоприятных условиях изоспоры «прорастают» – делятся, формируются обоеполые заростки (гаметофиты). У плаунов, хвощей, папоротников и псилотов они проживают самостоятельно, независимо от спорофита. Питаются различно: автотрофно, (наземные, зеленые), микотрофно – симбиоз с грибами (подземные, бесцветные) и миксотрофно (полуподземные) заростки.
Однако среди наземных растений немало морфологически разноспоровых форм, у которых образуются споры, различающиеся по размерам и всегда по функциональным особенностям (гетероспоры). Мелкие по размерам споры (микроспоры) при прорастании дают начало мужским заросткам, крупные (мегаспоры) – женским. Образуются они на одной или на разных особях, соответственно в микро– и мегаспорангиях.
Для современных хвощей характерно физиологическая разноспоровость. Одинаковые споры на различных по трофности и водообеспеченности субстратах формируют различные типы заростков – мужские (при плохих условиях роста), женские и обоеполые (при благоприятных). Это связано с тем, что яйцеклетка накапливает питательные вещества, необходимые для развивающегося после оплодотворения зародыша. Физиологическая разноспоровость современных хвощей является «отголоском» морфологической разноспоровости предков.
В процессе эволюции разноспоровость сопровождается редукцией заростков, особенно мужских. Часто они состоят только из единственной клетки вегетативного тела и одного антеридия. Женский заросток, помимо образования яйцеклетки, должен обеспечить сохранность зиготы и развитие зародыша, который на ранних этапах не способен к самостоятельному проживанию. У разноспорвых плаунообразных и папоротникообразных заростки развиваются внутри мегаспоры или частично выступают за пределы оболочки. Они более надежно защищены, чем обоеполые заростки морфологически равноспоровых растений. Мегаспоры плаунообразныых и папоротникообразных осуществляют также функцию расселения видов. У семенных растения мегаспора никогда не покидает материнского спорофита.
Для наземных растений характерно формирование принципиально новых многоклеточных репродуктивных органов, или органов бесполого и полового процессов (т. е. спорангиев и гаметангиев). Это связано с защитой спор и гамет от внешнего воздействия в условиях сложной наземной среды обитания. Происходит стерилизация наружных слоев (формируется стенка); только внутренние ткани способны к образованию спор и гамет. Стенка прочно удерживает влагу и предохраняет развивающиеся споры и гаметы от высыхания. Эта особенность является одной из важнейших в условиях наземного существования.
Стенка спорангия бывает однослойной или многослойной. Количество спор в спорангиях различно. У равноспоровых высших растений в спорангии очень редко образуется только 8 спор, обычно – не менее 32 спор. У многих – вдвое или вчетверо больше, У некоторых примитивных папоротников – до 15000 спор. У разноспоровых форм в каждом микроспорангии также формируется не меньше 32 микроспор. Однако, в мегаспорангии обычно образуется одна мегаспора.
Органы полового процесса высших растения всегда двух типов: мужские – антеридии и женские – архегонии. В антеридии образуются мужские половые клетки (мужские гаметы) – сперматозоиды, а в архегонии – женские половые клетки (женские гаметы) – яйцеклетка. Антеридии имеют овальную или шаровидную форму. Под однослойной стенкой антеридия формируется сперматогенная ткань, из клеток которой формируются жгутиковые сперматозоиды. Ко времени их созревания при наличии влаги стенка вскрывается, и сперматозоиды с помощью жгутиков передвигаются по направлению к архегониям.
Архегонии имеют колбовидную форму. Верхняя узкая часть – шейка, нижняя расширенная – брюшко. Под защитой однослойной стенки внутри шейки развиваются шейковые канальцевые клетки, в брюшке – одна–две брюшные канальцевые клетки и крупная шарообразная яйцеклетка. Ко времени созревания яйцеклетки шейковые, брюшные канальцевые клетки, а также верхние клетки стенки ослизняются. Часть слизи выделяется за пределы архегония. Слизи содержат вещества, оказывающие положительное хемотаксическое действие на сперматозоиды. Они подплывают к архегонию по слизи шейки и двигаются по направлению к яйцеклетке.
В жизненном цикле спорангии и гаметангии приурочены к его разным фазам развития (формам, или поколениям). Наблюдается также редукция гаметангиев у разноспоровых форм. У всех голосеменных редуцируются антеридии, архегонии – у гнетума, вельвичии. У всех покрытосеменных гаметангии вовсе не образуются.
У высших растения не образуются изогаметы и гетерогаметы (различающиеся по размерам подвижные половые клетки разных полов), встречающиеся у низших растений. Половая дифференциация у высших растений усилилась и привела к резкому диморфизму гамет. Яйцеклетки накапливают питательные вещества и поэтому более крупные и неподвижные. Сперматозоиды и спермии почти лишены запасных питательных веществ. Таким образом, для высших растений характерны анизогаметы, различающиеся по размерам, степени подвижности.
Диморфизм гамет имеет большое биологическое значение. Неравномерное распределение питательных веществ между мужскими и женскими гаметами обеспечивает большее число слияний гамет, чем при равномерном распределении между гаметами одной и той же массы питательных веществ. В процессе эволюции растений диморфизм гамет усиливался.
С усилением половой дифференциации количество мужских гамет в гаметангии возросло, а количество женских гамет, напротив, уменьшилось. Возник архегоний с одной большой и неподвижной яйцеклеткой. Большое количество яйцеклеток в архегонии может быть только в аномальных случаях. Увеличение количества сперматозоидов повысило вероятность полового процесса. Оно сопровождалось уменьшением их размеров, что способствовало передвижению сперматозоидов в самых тонких пленках воды. Концентрация питательных веществ в одной крупной яйцеклетке способствует развитию более полноценного потомства.
Для наземных растений характерна оогамия. Процесс оплодотворения (сингамия) происходит внутри архегония. У примитивных высших растений оплодотворение совершается в сырую погоду, во время дождя или обильной росы. Подвижные мужские гаметы со жгутиками (сперматозоиды) передвигаются самостоятельно в пленке воды и достигают архегониев. У большинства голосеменных и у всех покрытосеменных растений, как результат приспособления к жизни в условиях суши, возникла особая разновидность оогамии – сифоногамия. Мужские гаметы теряют подвижность. Процесс оплодотворения происходит без наличия капельно-жидкой среды. Функцию доставки и защиты мужских гамет осуществляет сам гаметофит (пыльцевое зерно), благодаря формированию пыльцевой трубки. Эти достигается большая надежность осуществления процесса оплодотворения.
В результате полового процесса образуется зигота, которая дает начало многоклеточному зародышу высших растений. Как и зигота, все клетки зародыша характеризуются диплоидным набором хромосом, содержащим наследственный материал родителей нетождественной генетической природы. Это обеспечивает появление более разнородного в генетическом отношении потомства благодаря перекомбинации родительских генов. Создаются благоприятные условия для естественного отбора. Именно в этом и состоит биологическая роль полового процесса.
Зародыш – молодой спорофит следующего поколения. В дальнейшем постепенно формируется взрослый спорофит. Особенность высших растений – наличие многоклеточного зародыша – дало возможность немецкому ботанику В. Циммерману, советскому – А. Тахтаджяну и американскому – А. Кронквисту назвать подцарство высших растений – зародышевые организмы (Embryobionta).
У высших растений на критически ранних стадиях молодой зародыш (спорофит) развивается внутри женского гаметангия под защитой материнской особи. У высших споровых материнским организмом является гаметофит, а у семенных растений – сам спорофит (поскольку гаметофит крайне редуцирован).
Для высших растений характерен гетероморфный жизненный цикл (рис. 1). У споровых растений он продолжается от споры до споры, у семенных – от семени до семени. Включает два репродуктивных процесса: бесполый (спорообразование) и половой. Характерной чертой высших растений является наличие правильной смены фаз развития, или чередования поколений: полового (гаметофита = заростка = гаплонта = гаплофазы) и бесполого (спорофита = диплонта = диплофазы). Как отмечено выше, у многих высших растений (плауны, хвощи, папоротники и др.) эти поколения представляют собой как бы отдельные физиологически самостоятельные организмы, а репродуктивные процессы разобщены не только пространственно, но и во времени.
Рис. 1. Схема жизненного цикла морфологически равноспорового растения – плауна булавовидного (Lycopodium clavatum): 1 – спорофит (взрослое растение); 2 – спорофилл со спорангием; 3–6 – развитие спор из материнской клетки (спороцита) путем мейоза; 7 – спора; 8 – прорастание споры; 9 – обоеполый гаметофит (заросток); 10 – антеридий; 11 – сперматозоид; 12 – архегоний с яйцеклеткой; 13 – архегоний с яйцеклеткой и сперматозоидом; 14 – деления зиготы (развитие зародыша); 15 – остатки заростка; 16 – молодой спорофит.
1–7,14,16 – органы и структуры спорофита; 8–13,15 – органы и структуры заростка.
У мхов и, особенно у семенных растений одно из поколений соподчинено другому и в физиологическом отношении как бы сведено к его органу. У мхов доминирует гаметофит, у всех остальных высших растений – спорофит, достигающий нередко крупных размеров. У всех высших растений место редукционного деления (мейоза) – при образовании спор. Из одной диплоидной материнской клетки спор образуется тетрада гаплоидных спор (4 мейоспоры).
Сапрофит завершает онтогенетическое развитие образованием многоклеточного спорангия со спорами. У большинства высших растений, за исключением мохообразных, спорангии возникают на специальных органах – спорангофорах (носителях спорангиев). Происхождение, строение и форма спорангиофоров разнообразно. Чаще они имеют плоскую листовидную форму, их называют спорофиллами.
После прорастания гаплоидных спор формируется гаплоидное половое поколение – гаметофит. Только у мохообразных из спор развивается протонема (предросток) – нитчатое или пластинчатое образование, которое дает начало гаметофиту. Цикл повторяется.
В отличие от низших растений, споры у высших растений не осуществляют процесс размножения («воспроизведение себе подобных»). Даже в тех случаях, когда споры (у морфологически равноспоровых) и мегаспоры (у морфологически разноспоровых) растений выполняют функцию расселения из них формируются обоеполые, или женские гаметофиты (заростки) – поколения, которые по своим морфологическим, цитологическим и функциональным особенностям резко отличаются от спорофита, в спорангиях которого оно сформировались.
Несвойственно высшим растениям и половое размножение. Из зиготы не развивается особь, подобная родительским, а следующее поколение гетероморфного жизненного цикла – спорофит.
Появление новых особей вида осуществляется только в результате сочетания двух репродуктивных процессов – спорообразования и полового процесса. У высших споровых растений размножение осуществляется в результате гамето-спории (если доминируем гаметофит – мохообразные) или споро-гамии (если доминирует спорофит – остальные споровые), (Сауткина, Поликсенова, 2001). У высших споровых растений спорообразование и половой процесс разобщены пространственно и протекают на разных поколениях.
В процессе эволюции семенных растений возникает крупный ароморфоз – появляется мегаспорангий (мегасинангий) особого типа – семязачаток (семяпочка). Процессы образования мегаспор, женского гаметофита, формирования гамет (яйцеклеток), процесс оплодотворения, развития зародыша протекают в едином органе. В итоге сама семяпочка превращается в семя. Спорообразование и половой процесс уже не отделимы, и на их основе возникает особый тип размножения – семенное. У покрытосеменных растений эти процессы совмещены не только пространственно но и во времени. Оба процесса очень быстро следуют друг за другом, практически без перерыва. Заростки сильно редуцированы, резко сокращены периоды их развития. Покрытосеменные растения ярко демонстрируют конечный результат разноспоровости – сокращение продолжительности жизненного цикла. Мегаспора также утратила способность к расселению вида, эту функцию выполняет семя.
Большинству высших растений свойственно вегетативное размножение. Исключение составляют многие голосеменные, а из покрытосеменных – однолетние и двулетние растения. Формы естественного вегетативного размножения крайне разнообразны и часто специализированы, особенно у покрытосеменных растений. Высшие растения могут размножаться при помощи вегетативных органов (талломов, корней, побегов) и их частей. Широко распространена неспециализированная форма вегетативного размножения – фрагментация, как результат воздействия случайных механических факторов (влияние ветра, течений, передвижения и погрызы животных и др.), так и в результате отмирания части клеток. Специализированные формы вегетативного размножения также широко свойственны гаплоидному и диплоидному поколениям, при их доминировнии. У споровых растений формируются выводковые почки, веточки, листья, выводковые тельца, укореняющиеся побеги, адвентивные (придаточные) почки (папоротники), подземные корневища и другие приспособления. Дочерние организмы покрытосеменных растений всегда развиваются из почек, которые закладываются на различных частях вегетативных органов (корнях, стеблях, листьях). Их заложение часто связано с механическим повреждением органа (естественным и искусственным). Широко распространенными специализированными органами вегетативного размножения цветковых растений являются корневища, подземные и надземные столоны (усы), луковицы, клубнелуковицы, клубни, корневые шишки и другие.
Высшие растения произошли от водорослей, поскольку в геологической истории растительного мира эре высших растений предшествовала эра водорослей. Эти гипотезы появились в конце Х1Х века (Ф. Боуэр, Ф. Фрич, Р. Веттштейн). Первые достоверные наземные растения известны только по спорам и датируются началом силурийского периода палеозойской эры (430 млн. лет назад). По сохранившимся микроостаткам или по отпечаткам органов наземные растения были описаны из верхнесилурийских и нижнедевонских отложений. Первые высшие растения объединены в группу риниофитов. Несмотря на морфологическую и анатомическую простоту строения, они были типичными наземными растениями. Имели кутинизированную эпидерму с устьицами, развитую проводящую систему, многоклеточные спорангии со спорами с прочными защитными оболочками. Поэтому можно предположить, что процесс освоения суши начался значительно раньше – в раннем палеозое (в ордовикском или в кембрийском периодах).
Высшие растения обладают комплексом общих особенностей, что позволяет предположить о единстве их происхождения от одной предковой группы (монофилетическое происхождение). Однако, немало последователей взглядов о полифилетическом происхождении, в том числе и в рамках отдельных групп высших растений (мохообразных, покрытосеменных). Согласно их взглядов, исходная группа водорослей обладала разными типам цикла воспроизведения и дала две независимые линии эволюции.
Длительное время в качестве исходной группы высших растений рассматривались бурые водоросли (Г. Шенк, Г. Потонье). Сторонником этих взглядов был также К.И. Мейер. Для них характерны сложные циклы развития, в том числе и гетероморфный. Имеются все типы чередования поколений. Это одна из наиболее сложноустроенных групп водорослей, как внешне, так и внутренне. Характерен многоклеточный, нередко сложно расчлененный таллом на стеблевидные и листовидные органы. Многие бурые водоросли имеют тканевое строение (выделяются ассимиляционные, запасающие, механические и проводящие ткани). У представителей этого отдела встречаются многоклеточные спорангии и гаметангии. Однако, в природе часто действует закон «неспециализированного предка». К тому же, первые высшие растения характеризовались примитивным внешним и внутренним строением. Одним из затруднений для принятия этой гипотезы являются также различия пигментного состава и запасных питательных веществ: бурые водоросли имеют хлорофилл А и С (последний у растений не выявлен), добавочный пигмент фукоксантин, продуктами запаса являются ламинарин и шестиатомный спирт манит (у них нет крахмала). Бурые водоросли являются также исключительно морскими, а не пресноводными организмами. Среди архегониальных растений нет представителей морской флоры. Только среди покрытосеменных 20–30 видов обитают в соленых водах. Несомненно, что это вторичноводные высокоорганизованные растения.
С появлением новых сведений во второй половине ХХ века снова стали рассматривать зеленые водоросли в качестве предков высших растений (Л. Стеббинс; М. Шафедо и др.). Как для высших растений, так и для зеленых водорослей характерно наличие сходных пигментов (главный фотосинтетический пигмент – хлорофилл А, вспомогательные – хлорофилл В, α- и β-каротин, сходные ксантофиллы), их пластиды имеют хорошо выраженную систему внутренних мембран. Продуктом ассимиляции (основным запасным углеводом) является крахмал, который откладывается в хлоропластах, а не в цитоплазме, как у других фотосинтезирующих эукариот. У высших растений и некоторых зеленых водорослей важнейшим компонентом клеточной стенки является целлюлоза. Наблюдается также сходство некоторых риниофитов с некоторыми зелеными водорослями по характеру ветвления. У отдельных современных хетофоровых (порядок Chaetophorales) имеются многокамерные гаметангии. Наблюдается также сходство по жизненным циклам некоторых представителей. Наряду с подвижными зооспорами, у зеленых водорослей имеются и неподвижные апланоспоры, столь характерные для высших растений. Обитают они преимущественно в пресноводных водоемах, встречаются и на суше. Морфологическое и экологическое разнообразие, разнообразие их жизненных стратегий позволило им эволюционировать в разных направлениях. Итак, по мнению большинства современных ботаников, вероятными предками высших растений могли быть пресноводные или солоновановодные многоклеточные зеленые водоросли с гетеротрихальной (разнонитчатой) структурой таллома.
Широкое распространение получила также гипотеза происхождения высших растений от организмов, сходных с ныне живущими харовыми. Обе группы сближает характер формирования межклеточной пектиновой пластинки (участвует фрагмоплат – система микротрубочек, располагающихся в экваториальной плоскости митотического веретена). Одинаковы и направления развития – от центра к периферии (центробежно). Сходный тип формирования межклеточной пластинки встречается и среди некоторых представителей класса Улотриксовые, характеризующихся разннобразием структуры таллома (нитчатый, реже пластинчатый или трубчатый).
Наряду со сложным морфологическим расчленением структуры таллома, харофитам свойственны многоклеточные органы полового размножения, как и высшим растениям. Важными особенностями их является также наличие стадии протонемы, или предростка, в процессе развития, гаплоидный характер таллома (зиготическая редукция). Обитают они в водоемах с пресной и солоноватой водой. Некоторые приурочены к наземным влажным местообитаниям. Остатки ископаемых харовых водорослей известны из отложений силурийского периода палеозойской эры. Предполагают также, что произойти они могли от каких-то высокоорганизованных мутовчатых зеленых водорослей, похожих на современные хетофоровые.
В литературе переведены и другие взгляды на происхождение высших растений. Полагают, что предками их могла быть какая-то гипотетическая группа, сочетающая признаки бурых и зеленых водорослей. Известны и другие менее распространенные гипотезы.
Высказано также предположение, что переходу водорослевого предка высших растений в условия наземного существования значительно способствовал симбиоз с грибами (теория симбиогенеза). Как известно, симбиоз с грибами широко распространен в природе. На внутриклеточном уровне с подземными органами (эндомикориза) он характерен для большинства высших растений. В начале палеозойской эры сложно устроенные многоклеточные водоросли начали заселять прибрежную сушу в составе эндомикоризной ассоциации. Исследования остатков древнейших высших растений показало, что этдомикориза встречалась у них не реже, чем у современных. Наличие гиф гриба в тканях подземного органа, вероятно, способствовало более интенсивному использованию минеральных веществ, особенно фосфатов, заключенных в бедных питательными веществами, субстратах начала палеозойской эры. Кроме того, предполагают, что это могло также обеспечивать лучшие поглощения воды, способствовать повышению устойчивости высшего растения к засыханию, что крайне важно в условиях жизни на суше. Аналогичные взаимоотношения можно наблюдать на примере современных растений, первыми заселяющие крайне бедные почвы. Виды с эндомикоризой имеют в таких условиях гораздо больше шансов на выживание. Таким образом, не исключено, что первым поселился на суше не один организм, а целый симбиотический комплекс.
Предпосылок для появления наземных растений было несколько. Независимый ход эволюции растительного мира подготовил появление новых и более совершенных форм. В результате фотосинтеза морских водорослей в атмосфере планеты увеличилось содержание кислорода, что позволило развиваться жизни на суше. В протерозойскую эру (900 млн. лет назад) концентрация кислорода в атмосфере составляла лишь 0,001 от современного уровня, в кембрии (первый период палеозойской эры) – 0,01, а в силуре – уже 0,1. Увеличение содержания кислорода коррелировало с образованием озонового слоя, задерживающего часть ультрафиолетовой радиации. На начальных этапах развития жизни на Земле она способствовала формированию биологических макромолекул и в то же время выступала в качестве фактора, ограничивающего эволюцию при отсутствии в атмосфере достаточного количества кислорода. Оно необходимо в первую очередь для деления ядра и клетки.
Появление наземных растений совпадает по времени с развитием процесса метаболизма фенольных соединений, в том числе дубильных веществ, антоцианов, флавоноидов и др. Они регулируют ростовые процессы, способствуют развитию защитных реакций растений, в том числе от мутагенных факторов – ионизирующей радиации, ультрафиолетового излучения, некоторых химических веществ.
В последнее время все больше сторонников приобретает гипотеза о том, что первыми сушу освоили низшие организмы – различные водоросли, грибы и бактерии, образовав вместе наземные экосистемы. Они подготовили субстрат, освоенный позже растениями. Палеопочвы известны уже с раннего докембрия.
По мнению известного знатока ископаемой флоры С.В. Мейена (1987) более вероятно, что процесс формирования высших растений происходил не во время выхода водорослей на сушу, а в водорослевом населении суши. Время их формирования следует отнести на предшествующие периоды силура.
В начале палеозойской эре на обширных территориях происходили крупные горообразовательные процессы. Возникли Скандинавские горы, Саяны, Алтай, северная часть Тянь-Шаня и др. Это вызвало постепенное обмеление многих морей и появление суши на месте бывших мелководных водоемов. По мере обмеления морей, многоклеточные водоросли, заселявшие мелководья более длительные периоды пребывали на суше. Выжили лишь те растения, которые смогли приспособиться к новым условиям жизни. Предкам высших растений необходимо было сначала приспособиться к жизни в солоноватой, затем в пресной воде, в эстуариях, на мелководьях или на влажных берегах водоемов.
Новая среда обитания принципиально отличалась от первоначальной водной. Для нее характерны: солнечная радиация, дефицит влаги, сложные контрасты двухфазной почвенно-воздушной среды. Одним из ключевых моментов раннего этапа выхода на сушу было формирование спор с прочными защитными покровами, поскольку дефицит влаги являлся главнейшим критическим фактором для освоения земной поверхности. Споры смогли распространяться по поверхности суши ветром и переносить засушливые условия. Для рассеивания спор необходимо, чтобы спорангии были подняты над субстратом. Поэтому развитие спорофита сопровождалось увеличением его размеров. Это требовало большего количества продуктов воздушного и минерального питания. Обусловленное этим увеличение поверхности растения достигалось его расчленением наиболее простым способом – вильчатым ветвлением надземных и подземных осей. С увеличением размеров растений и их дифференциацией появились структуры, способствующие более эффективному высвобождению и рассеиванию спор. Еще одними важными эволюционными процессами способствующими освоению суши были биосинтез растениями кутина и формирование в целом сложной специализированной ткани – эпидермы с устьицами. Она способна защитить наземные растения от высыхания и осуществлять газообмен. Высшие растения стабилизировали содержание влаги и стали относительно независимыми от колебания влажности в атмосфере и почве. У низших наземных растений водный обмен не стабилизирован. Интенсивность их жизненных процессов полностью зависит от присутствия влаги в среде обитания. При наступлении засухи они теряют влагу и впадают в анабиоз.
Морфологическое расчленение наземных растений происходило от гетеротрихального таллома зеленых водорослей. Полагают, что их стелющиеся части дали начало слоевищным (талломным) формам, а восходящие – радиальным. Пластинчатые талломы в биологическом отношении оказались малоперспективными, поскольку вызвали бы обостренную конкуренцию за свет. Восходящие участки, наоборот, получили дальнейшее развитие и в дальнейшем сформировали радиальные ветвящиеся осевые структуры.
Со времени выхода высших растений на сушу, они развивались в двух основных направлениях и образовали две главные эволюционные ветви: гаплоидную и диплоидную.
Гаплоидная ветвь эволюции высших растений характеризуется прогрессивным развитием гаметофита и представлена мохообразными. Наряду с обеспечением полового процесса гаметофит выполняет основные функции вегетативных органов – фотосинтеза, водоснабжения и минерального питания. Они постепенно совершенствовались, усложнялись, увеличивая ассимиляционную поверхность, морфологически расчленялись для обеспечения питания и образования спор развивающимся спорофитом. Спорофит, наоборот, претерпевал редукцию. В основном он ограничился спорообразованием и не является самостоятельно живущим поколением. Для лучшего рассеивания спор у него вырабатывались различные приспособления.
Половой процесс у мохообразных осуществляется при наличии капельно-жидкой влаги (мужские гаметы подвижные – двужгутиковые сперматозоиды). Поэтому гаметофит часто связан с влажными местообитаниями и не может достигнуть больших размеров. Гаплоидный гаметофит также обладает меньшим генетическим потенциалом, чем диплоидный спорофит. Поэтому линия эволюции высших растений с доминированием гаметофита является боковой, тупиковой.
У всех остальных высших растений в цикле воспроизведения доминирует спорофит. Диплоидный набор хромосом, наряду с активизацией ассимиляции, расширил возможности формообразовательных процессов. Спорофит в наземных условиях оказался значительно более жизнеспособным.
Поворотным моментом эволюции наземных растения было появление способности клеток к синтезу лигнина. Они образовали проводящие и опорные ткани. Начиная с девонского периода, подземные части спорофита превратились в корни, выполняющие функции поглощения и закрепления. На надземных частях высших растений сформировались листья. Итак, по мере увеличения размеров тела высших растений анатомическая и морфологическая дифференцировка привела к формированию сложных специализированных тканей и органов. Это упрочило положение высших растений в наземной среде и способствовало более эффективному фотосинтезу. Обильное ветвление и создание крупных размеров спорофита неоднократно приводило к колоссальной продуктивности диаспор и к их эффективному расселению. В большинстве растительных сообществ суши доминируют спорофиты.
Гаметофит, наоборот, в ходе эволюции постепенно уменьшался и упрощался. У равноспоровых плаунов, хвощей, папоротников гаметофиты имеют вид крошечного недифференцированного или слабо дифференцированного зеленого таллома, получившего названое заростка, или проталлиума (prothallium). Максимальная редукция гаметофитов связана с разделением полов. Назначение их ограничивается в осуществлении основной функции – обеспечение полового процесса. Оба типа однополых гаметофитов (мужской и женский) гораздо мельче гаметофитов равноспоровых наземных растений. У разноспоровых они развиваются под оболочкой споры, а у равноспоровых – вне ее.
Уменьшение и упрощение однополых гаметофитов происходили в процессе эволюции ускоренными темпами. Они теряли хлорофилл и развитие их происходило за счет питательных веществ спорофита. Наибольшая редукция гаметофита наблюдается у семенных растений. Мужской гаметофит представлен пыльцевым зерном, женский гаметофит у голосеменных – первичным гаплоидным эндоспермом, у покрытосеменных – зародышевым мешком семяпочки.
На первых этапах освоения суши наземными растениями на было конкуренции. Однообразие и обилие спор в геологических отложениях свидетельствует о их незначительном разнообразии и быстром освоении ими суши. В девонское время (400–345 млн. лет назад) высшие споровые растения диплоидной линии эволюции стали более многочисленны и разнообразны. Впервые возникает морфологическая разноспоровость. В дальнейшем она возникает неоднократно в различных неродственных группах сосудистых растений. Разноспоровость имеет важное биологическое значение. У более высоко организованных растений только на основе гетероспории возникают семязачатки, семена и др.
Резкая дифференциация растительных форм произошла в среднем девоне. Низкорослые риниофиты сменяются древовидными высокорослыми (до 40 м высотой) формами плаунообразных и хвощеобразных. В поздне девонское время древовидные растения образуют настоящие леса. В течение относительно короткого периода (поздний девон – карбон (каменноугольный период)) появляются представители многих таксономических групп папоротникообразных. Они стали господствовать на пригодной для обитания части суши. Планета начала зеленеть. Этот период по праву называют временем папоротникообразных. Наиболее пышного развития растительный покров достиг в конце каменноугольного периода. Высокие древовидные плаунообразные (лепидодендроны, сигиллярии и др.), хвощеобразные (каламиты), папоротникообразные и семенные папоротники формировали пышные растительные сообщества, во многом похожие на растительный мир современных тропиков. В это время появились сосноподобные.
В конце палеозойской эры (пермский период) почти повсеместно на суше стали преобладать голосеменные. Они вытеснили господствовавших до тех пор папоротникообразных. Наибольшее разнообразие форм голосеменных существовало в мезозое (эра голосеменных). Полагают, что резкая смена флор в значительной мере связана с усилением сухости климата. Голосеменные с более развитой проводящей системой оказались более приспособленными к изменившимся условиям обитания. Важными адаптационными особенностями характеризуется процесс внутреннего оплодотворения с помощью пыльцевой трубки, свойственный многим представителям. И, наконец, у них возникли семязачатки и семена, питающие зародыш спорофита и предохраняющие его от превратностей сухопутной жизни. Это главные биологические преимущества семенных растений
Еще более адаптированными к условиям окружающей среды являются цветковые, или покрытосеменные растения. Поражает разнообразие их размеров, жизненных форм, приспособлений к опылению, к распространению диаспор, к перенесению неблагоприятных климатических периодов и т. д. Все эти особенности дают возможность цветковым растениям в полной мере реализовать свой эволюционно-адаптационный потенциал. Они оказались единственной группой растений, способной к образованию сложных многоярусных сообществ (особенно в равнинных лесах тропиков), состоящих главным образом, а иногда почти полностью из их представителей. Это способствовало более интенсивному и полному использованию среды обитания, а также более успешному завоеванию территорий. Ни одна группа растений не смогла выработать такого разнообразия приспособлений к определенным экологическим факторам. Только они сумели вторично освоить морскую среду – в соленых водах морских мелководий вместе с водорослями произрастают десятки представителей покрытосеменных. Появившись в начале мелового периода мезозойской эры (об этом судят по достоверно определяемым их ископаемым остаткам), к концу мела они обычно доминируют в большинстве экосистем. За сравнительно короткий период геологического времени, исчисляемого десятком – двумя миллионами лет они прошли основную эволюционную дифференциацию и широко распространились по всему земному шару, быстро достигнув Арктики и Антарктиды. Их господство в растительном покрове суши продолжается до настоящего времени. От их жизнедеятельности зависит ход биосферных процессов обмена веществ и трансформации энергии, газовый состав атмосферы, климат, водный режим суши, характер почвенных процессов. Большинство наземных животных существуют только благодаря покрытосеменным. Они формируют их среду обитания, связаны с ними разнообразными трофическими и другими консортивными связями. Многие группы животных возникли только когда цветковые стали доминировать на суше. Для многих членистоногих (особенно насекомых) и некоторых позвоночных (особенно птиц) характерна сопряженная с покрытосеменными эволюция. Человек как биологический вид смог возникнуть и существовать только благодаря обилию покрытосеменных.
Как и в растительном мире, параллельное направление эволюции наблюдается и в животном мире – от яйцекладущих до живородящих. У растений – от спорообразующих до семяобразующих. Семенные растения вытеснили споровые. Ведь громадное большинство спор, не находя благоприятных условий, погибает. Споры не имеют достаточного запаса питательных веществ. Развитие гаметофита, процесс оплодотворения у споровых требуют также определенных условий, которые далеко не всегда могут быть обеспечены на суше. Семена обычно имеют запас питательных веществ (у голосеменных это первичных гаплоидный эндосперм, у покрытосеменных – вторичный триплоидный эндосперм, перисперм или в самом зародыше). Семенная кожура, формирующаяся чаще из тканей интегумента (интегументов) является надежной защитой от неблагоприятного воздействия среды. Семя намного более приспособлено, чем спора (одна клетка). Для большинства семян характерен более или менее длительный период покоя. Период покоя имеет большое биологическое значение, так как дает возможность пережить неблагоприятное время года, а также способствует более далекому расселению. Семя – наиболее приспособленный орган растения для расселения.
Тем временем гаметофитное поколение постепенно уменьшалось в размерах и становилось все более зависимым от спорофита в отношении питания и защиты.
Таким образом, появление наземных, или высших растений ознаменовало начало новой эры в жизни планеты. Освоение растениями суши сопровождалось появлением новых видов животных. Сопряженная эволюция растений и животных привела к колоссальному разнообразию форм жизни на Земле, изменило ее облик. Высшие растения также широко используются человеком в хозяйстве и быту. Более того, почти все культурные растения, за исключением отдельных красных (порфира и др.) и зеленых водорослей (хлорелла, сценедесмус и др.) являются высшими растениями.
Подцарство высшие растения объединяет не менее 350 тыс. видов. Большинство систематиков подразделяют их на 8 отделов: Мохообразные, Риниеобразные, Плаунообразные, Хвощеообразные, Папоротникообразные, Псилотообразные, Голосеменные, Покрытосеменные, или Цветковые растения. Однако в современных академических изданиях количество отделов изменяется от 5 до 14. Изучая ископаемые растения, палеоботаники (С.В. Мейен и др.) отмечают, что между плаунообразными, хвощеобразными и папоротникообразными имеются не единичные роды, которые занимают промежуточное положение, сочетают признаки различных отделов, сближая их. Поэтому нередко их объединяют в один отдел. Кроме того, общей спецификой их цикла воспроизведения является последовательное чередование самостоятельно живущих гетероморфных поколений. Риниеобразные, наоборот, нередко разделяют на 2 или 3 самостоятельных отдела, мохообразные – на 3, 4 отдела. Это касается и голосеменных, разделяемых на 5 отделов (А.Л. Тахтаджян). Недавно выделены два новых отдела древнейших семенных растений – Archaeopteridophyta и Archaeospermatophyta (Н.С. Снигиревская).
По наличию сосудов и (или) трахеид представители всех отделов, за исключением мохообразных, нередко называют высшими сосудистыми растениями (Tracheophyta). У мохообразных развитой внутренней проводящей системы нет. Голосеменные и покрытосеменные относят к семенным растениям, остальные отделы – к высшим споровым. Кроме мохообразных и семенных, представители остальных отделов иногда объединяют в группу споровых сосудистых растений. Из-за редукции архегониев, покрытосеменные противоставляются всем остальным отделам – архегониальным растениям.
Анализ мест обитания растений, приведенных в «Определителе высших растений Беларуси» показал, что во флоре Беларуси около 1220 местных, или аборигенных сосудистых растений. В результате нарушения целостности растительного покрова, из-за активной хозяйственной деятельности человека, происходит обеднение природной флоры и одновременно ее обогащение за счет заносных, или адвентивных видов. Одни виды заносятся случайно, особенно при транспортных перевозках (железнодорожных, автомобильных, водных, авиационных). Около трети территории Беларуси занято культивируемыми растениями (пищевыми, кормовыми, лекарственными, декоративными, техническими). Многие из них проникают в синантропные местообитания (на пустыри, свалки, обочины железных, шоссейных, и полевых дорог и т. д.). По результатам исследований Д. И. Третьякова адвентивная фракция флоры включает более 800 видов. Кроме сосудистых растений во флоре Беларуси около 430 видов мохообразных (Г.Ф. Рыковский, О.М. Масловский). Таким образом, в настоящее время во флоре Беларуси свыше 2450 видов высших растений.
В условиях интенсивного использования природных ресурсов все более актуальна проблема охраны растительного мира. Она является составной частью охраны окружающей природной среды. Это комплексная система мер по рациональному использованию, восстановлению и умножению ресурсов природы. На современном этапе развития общества хозяйственная деятельность человека является одним из решающих факторов, определяющих состояние ресурсов природы. Создание научной системы мероприятий, которая соответствует основным закономерностям развития природы и общества и внедрение их в практику и составляет предмет охраны природы. Красная книга является основным документом, в соответствии с которым осуществляется юридическая охрана редких и исчезающих видов. В Красную книгу Беларуси занесен 171 вид высших растений (в т. ч. 15 – мохообразных, 12 – споровых сосудистых и 144 – семенных: 1 вид – голосеменных, 143 – покрытосеменных). Начиная с 2000 года проводится работа по подготовке третьего издания Красной книги Беларуси, в которую планируется включить 200 видов высших сосудистых растений. Проводится работа по созданию Зеленой книги Беларуси, определяющей стояние редких и исчезающих растительных сообществ. Существующая система особо охраняемых природных территорий Беларуси на 1.06.2004 г. включает около 1500 объектов (в т.ч. 1 биосферный заповедник, 5 национальных парков, заказники республиканского и местного значения и др.). Они занимают около 8 % территории Беларуси, что близко к оптимальному уровню по международным рекомендациям.
По внешнему виду, по строению и биологическим особенностям высшие растения очень разнообразны. Ныне живущие высшие растения - это мхи, плауны, хвощи, папоротники, голосеменные и покрытосеменные (цветковые) растения. Общее число их видов превышает 285 тысяч.
В отличие от «низших растений», высшие характеризуются рядом признаков более высокой организации. Тело их расчленено на органы: побег и корень (за исключением моховидных). В состав этих органов входит много различных тканей.
У высших растений хорошо развита проводящая система, представленная ксилемой (трахеидами или сосудами) и флоэмой (ситовидными трубками с сопровождающими клетками). Наряду с проводящей системой имеется сложная система покровных тканей, сложный устьичный аппарат; сильное развитие получили механические .
Характерная черта высших растений - правильная смена поколений (гаметофита и спорофита) в цикле их развития. Гаметофит - половое поколение, на котором образуются антеридии и архегонии,- сменяется бесполым поколением спорофита, на котором формируются спорангии со спорами. Гаметофит всегда гаплоидное растение, спорофит - диплоидное.
У моховидных гаметофит доминирует в жизненном цикле, а спорофит занимает подчиненное положение и живет на гаметофите. Плауны, хвощи и папоротники характеризуются биологической самостоятельностью как спорофита, так и гаметофита, но спорофит преобладает в жизненном цикле, а гаметофит в разной степени редуцирован. У наиболее высоко организованных высших растений (голосеменные, покрытосеменные) наблюдается наибольшая редукция гаметофита.
Отделы высших растений
Высшие растения обычно подразделяют на 9 отделов, два из которых объединяют только вымершие формы - риниофиты, зостерофиллофиты; семь отделов представлены ныне живущими растениями - моховидные, плауновидные, псилотовидные, хвощевидные, папоротниковидные, голосеменные и .
Отдел Риниофиты (Rhyniophyta)
Риниофиты (псилофитовые) вымерли в среднем девоне. Эти первые высшие растения имели очень простое строение. Они размножались спорами, имели дихотомически ветвящиеся теломы с верхушечными спорангиями. Дифференциация на корни, стебли и листья отсутствовала.
Считают, что риниофиты - исходная предковая группа, от которой произошли моховидные, плауновидные, хвощевидные и папоротниковидные.
Отдел Зостерофиллофиты (Zosterophyllophyta)
К этому отделу относится небольшая группа растений, существовавших в раннем и среднем девоне. Они имели много общего c риниофитами. Возможно, растения этой группы обитали в воде. Как и риниофиты, они не имели листьев, их надземные побеги дихотомически ветвились. Спорангии зостерофиллофитов, имевшие шаровидную или бобовидную форму, располагались латерально на коротких ножках, в этом их отличие от риниофитов.
Отдел Моховидные (Bryophyta)
Моховидные - вечнозеленые, автотрофные, в основном многолетние растения. Они насчитывают около 25 000 видов и известны с карбона. Эта группа высших растений происходит, по-видимому, от древних зеленых водорослей.
Тело моховидных представляет собой либо слоевище (таллом), прижатое к субстрату, либо стебелек с листьями; корней нет, есть только ризоиды. Это небольшие растения, размеры их колеблются от 1 мм до нескольких десятков сантиметров. Моховидные имеют сравнительно простую внутреннюю организацию. В их теле имеется ассимиляционная ткань, но слабо выражены по сравнению с другими высшими растениями проводящие, механические, запасающие и покровные .
В отличие от всех других отделов высших растений, вегетативное тело моховидных представлено гаметофитом, который доминирует в их жизненном цикле, спорофит же занимает подчиненное положение, развиваясь на гаметофите.
На гаметофите моховидных развиваются половые органы - мужские (антеридии) и женские (архегонии). В антеридиях образуется большое число двужгутиковых сперматозоидов. В каждом из архегониев образуется одна яйцеклетка. В сырую (во время дождя) сперматозоиды, продвигаясь в , проникают к яйцеклетке, находящейся внутри архегония. Один из них сливается с ней, производя оплодотворение. Из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) вырастает спорофит, т. е. бесполое поколение, представленное коробочкой, сидящей на ножке. В коробочке образуются споры.
При прорастании споры возникает протонема - тонкая разветвленная нить (реже пластинка). На протонеме образуются многочисленные почки, дающие начало гаметофитам - облиственным побегам или талломам в виде пластинки.
Гаметофиты моховидных способны к вегетативному размножению, и цикл развития их длительное время может происходить без образования спорофита.
Моховидные объединяют 3 класса: Антоцеротовые , Печеночники и Листостебельные мхи .
В классе Антоцеротовые (Antocerotae) насчитывается около 300 видов. Они распространены главным образом в тропических и умеренно теплых областях земного шара. В нашей стране встречается только род Антоцерос, представленный 3-4 видами.
Гаметофит антоцеротовых представляет собой слоевище (таллом). У видов рода антоцерос слоевище розетковидное, в диаметре 1-3 см, реже листовидное, темно-зеленое, плотно прилегающее к почве. Коробочки (спорогоны) многочисленные, слегка изогнутые, щетинковидные. Они придают антоцеротовым мхам своеобразный вид.
В классе Печёночники (Heraticae) насчитывается свыше 6 тысяч видов. Печёночники широко распространены. В отличие от других моховидных, у большинства печёночников протонема слабо развита и недолговечна. Гаметофит имеет слоевищную форму или форму листостебельного растения. Строение гаметофита у печёночных мхов отличается большим разнообразием, спорофит же однотипен.
В качестве примера можно рассмотреть представителя подкласса Маршанциевые (Marchantiidae) - маршанцию обыкновенную (Marchantia polymorpha). Это один из наиболее распространенных в нашей флоре печёночников (на болотах и в лесах на месте пожарищ). Тело маршанции представлено слоевищем в виде пластинки темно-зеленого цвета.
Маршанция - двудомное растение. На одних экземплярах образуются архегонии, на других - антеридии. Архегонии развиваются на особой подставке, верхушка которой напоминает многолучевую звездочку. Мужская подставка с антеридиями имеет вид плоского диска.
В подклассе Юнгерманниевые (Jungermanniidae) есть как талломные, так и листостебельные растения. Большинство юнгерманниевых имеет лежачие дорзовентральные побеги. Форма и их прикрепление к стеблю разнообразны, форма коробочки - от шаровидной до цилиндрической, она обычно раскрывается 4-мя створками.
К классу Листостебельные мхи (Musci) относятся 3 подкласса: Сфагновые, андреевые и бриевые мхи; из них рассмотрим два подкласса: Сфагновые и Бриевые.
Подкласс Сфагновые мхи (Sphagnidae) представлен одним семейством Сфагновые (Sphagnaceae) с единственным родом сфагнум (Sphagnum). В нашей стране встречается 42 вида. Сфагновые мхи широко распространены в умеренных и холодных областях Северного полушария, образуя сплошной покров на болотах и во влажных лесах.
Стебли сфагновых мхов прямостоячие, с пучковидно расположенными олиственными ветвями. На верхушке ветви укорочены и собраны в довольно плотную головку.
Листья однослойные, имеют клетки двух типов - хлорофиллоносные и водоносные (гиалиновые). Хлорофиллоносные клетки узкие, червеобразной формы, в них содержатся хлоропласты. Они расположены между широкими, бесцветными водоносными клетками, лишенными клеточного содержимого. Благодаря множеству водоносных клеток сфагнум может быстро всасывать большое количество воды (почти в 40 раз более своего сухого веса).
В верхней части стеблей образуются антеридии и архегонии. После оплодотворения яйцеклетки из архегония вырастает коробочка.
Подкласс Бриевые, или Зеленые мхи (Bryidae) представлен у вас в стране примерно 2 тысячам видов. Зеленые мхи - это чаще всего многолетние растения высотой от 1 мм до 50 см. Окраска их обычно зеленая. Они имеют широкое распространение и образуют сплошной покров на болотах, в хвойных лесах, на лугах, в горах в тундрах.
Для зеленых мхов характерна хорошо развитая, часто нитчатая, ветвящаяся протонема. По строению вегетативных органов зеленые мхи очень разнообразны.
В качестве примера, отражающего важнейшие признаки растений этого подкласса, рассмотрим мох кукушкин лён обыкновенный (Polytrichum commune), широко распространенный во влажных хвойных лесах и по окраинам болот. Стебель этого мха прямостоячий, неразветвленный, достигает высоты 30-40 см. Он густо покрыт листьями линейно-ланцетной формы.
Кукушкин лён - растение двудомное. На верхушке стеблей одних растений образуются архегонии, на других - антеридии. После оплодотворения из зиготы развивается коробочка, сидящая на ножке. В коробочке созревают споры. Спора, попав на влажную почву, прорастает, давая начало нитчатой протонеме. На протонеме образуются почки, из которых вырастают с листьями.
Значение мхов в природе велико. Представители моховидных растут почти повсеместно. Исключение составляют засоленные , местообитания с подвижным субстратом, неизвестны морские моховидные. Мхи обильны на болотах и в лесах. Они часто доминируют в напочвенном покрове хвойных лесов (ельников, сосняков и др.). Мхи обильны в тундре, высоко в горах. Тундровую зону и влажные высокогорья справедливо называют царством мхов и лишайников.
Свойство моховидных быстро впитывать воду и прочно удерживать ее обуславливает оторфовывание моховой дерновины снизу, слабое ее разложение. Моховой покров может способствовать заболачиванию территорий. Сфагновые мхи обладают антибиотическими свойствами и находят применение в медицине. Участвуя в сложении мохового покрова на верховых болотах, они являются торфообразователями. Сфагновый торф широко используется как топливо и в сельском хозяйстве.
Многие зеленые мхи формируют сплошной ковер на низинных болотах, где образуют залежи низинного торфа, богатого питательными веществами. Низинный торф широко используется в сельском хозяйстве как удобрение. Мхи имеют и отрицательное значение. Произрастая сплошным плотным ковром, они затрудняют аэрацию почвы, вызывая ее закисание. Это неблагоприятно влияет на жизнь многих растений. Роль печёночников в растительном покрове в общем значительно меньше, чем роль сфагновых и зеленых мхов.
Отдел Плауновидные (Lycopodiophyta)
Плауновидные - одна из наиболее древних групп растений. Первые плауновидные были травянистыми растениями. В каменноугольном периоде появились древовидные виды, но они вымирали, и остатки их образовали залежи каменного угля. Большинство плауновидных к настоящему времени вымерли. Сохранились лишь некоторые виды плаунов и селагинелл.
Все современные представители плауновидных - многолетние травянистые, обычно вечнозеленые растения. Некоторые из них по внешнему виду напоминают зеленые мхи. Листья плауновидных сравнительно мелкие, это типично для данной группы растений. Для плауновидных характерно также дихотомическое (вильчатое) ветвление. На верхушке стеблей многих плауновидных образуются колоски (стробилы), в которых созревают споры.
Среди плауновидных встречаются равноспоровые и разноспоровые растения. У равноспоровых споры морфологически не различаются; при их прорастании образуются обоеполые гаметофиты; у разноспоровых мелкие споры дают начало мужским гаметофитам, несущим антеридии, а крупные - женским, несущим архегонии. В антеридиях образуются дву- или многожгутиковые сперматозоиды, в архегониях - яйцеклетки. После оплодотворения из образовавшейся зиготы вырастает новое поколение - спорофит.
Отдел Плауновидные включает два класса: Плауновые и Полушниковые. Из класса Плауновых рассмотрим порядок Плауновых и из класса Полушниковых - порядок Селагинелловые, представители которых живут в настоящее время.
Порядок Плауновые (Lycopodiales) характеризуется равноспоровостью. Он представлен одним семейством - Плауновые (Lycopodiaceae). В это семейство входит род Плаун (Lycopodium), насчитывающий около 400 видов. В нашей стране встречается 14 видов плаунов.
Многие плауны - небольшие травянистые растения. Листья их сравнительно мелкие. Вдоль листа проходит срединная жилка, состоящая из трахеид и паренхимных клеток.
Рассмотрим один из видов плауна - плаун булавовидный (Lycopodium clavatum). Этот вид имеет широкое распространение, встречается в хвойных (чаще сосновых) лесах на бедных почвах. Плаун - вечнозеленое многолетнее травянистое растение со стелющимся стеблем длиной до 1-3 м. На этом стебле образуются приподнимающиеся надземные побеги высотой до 20 см, заканчивающиеся спороносными колосками. Все побеги густо покрыты маленькими шиловидными листьями. В колосках находятся почковидной формы спорангии, в которых образуется большое количество одинаковых мелких спор желтого цвета.
Споры после созревания опадают на почву. При их прорастании образуется заросток (гаметофит). Заросток плауна многолетний, имеет вид маленького клубенька (2-5 мм в поперечнике) с ризоидами. Он бесцветный, лишен хлорофилла и самостоятельно питаться не может. Его развитие начинается только после проникновения в тело гиф гриба (эндотрофная микориза).
На верхней поверхности заростка, в глубине его ткани образуются антеридии и архегонии. Оплодотворение происходит при наличии воды. Из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш, вырастающий в многолетнее вечнозеленое растение - спорофит.
У плауновых наблюдается ясно выраженная смена поколений. В цикле развития преобладает спорофит. Редукционное деление происходит в спорангии при образовании спор.
Стебли и листья плаунов содержат алкалоиды, которые применяются в медицине. Споры используют в качестве порошка для присыпок, а также для обсыпки пилюль. Для охраны запасов плаунов необходимо при заготовках спор аккуратно отрезать лишь спороносные колоски.
Порядок Селагинелловые (Selaginellales), относящийся к классу Полушниковые, характеризуется разноспоровостью. Он представлен одним семейством Селагинелловые (Selaginellaceae). В роде селагинела (Selaginella) насчитывается почти 700 видов, в основном произрастающих в тропических и субтропических областях. В нашей стране встречается 8 видов этого рода. Селагинеллы очень разнообразны по внешнему виду. Большинство их - небольшие, обычно ползучие травянистые растения. Листья простые, цельные, мелкие, длиной до 5 мм. Бесполое размножение с помощью спор является основным способом размножения селагинелл.
Рассмотрим подробнее Селагинеллу селаговидную (Selaginella selaginoides). Это растение имеет короткие ползучие стебли, покрытые удлиненно-яйцевидными листьями. На верхушке побега образуются спороносные колоски. Основное отличие селагинеллы от плаунов то, что в одном и том же колоске имеются спорангии двух типов. Одни из них более крупные (мегаспорангии) и содержат 4 крупные споры (мегаспоры). Другие спорангии мельче (микроспорангии), в них содержатся многочисленные микроспоры.
Микроспора при прорастании образует сильно редуцированный мужской заросток, на котором развивается один антеридий. Из мегаспоры вырастает женский заросток, на котором развиваются немногочисленные архегонии. Передвижение сперматозоидов происходит в воде после дождя или росы. Из оплодотворенной яйцеклетки со временем вырастает взрослое растение.
Таким образом, у селагинеллы образуются споры двух видов - микроспоры и мегаспоры - и развиваются однополые заростки. Заростки, особенно мужские, сильно редуцированы, что является основным направлением эволюции высших растений. Это хорошо прослеживается в других отделах высших растений. Селагинеллы мало используются человеком.
Отдел Псилотовидные (Psilotophyta)
Отдел Псилотовидные насчитывает 12 видов. Он включает два рода: псилот (Psilotum) и тмезиптерис (Tmesipteris). Представители этих родов распространены вне пределов нашей страны в тропиках и субтропиках. Они просто устроены и напоминают риниофиты. В их строении сохранились чрезвычайно примитивные черты, которые свидетельствуют об их очень древнем происхождении.
Спорофит псилота не имеет корней и листьев. Он состоит из дихотомически ветвящейся надземной части с мелкими чешуевидными выростами и разветвленной системы корневищ с многочисленными ризоидами.
Псилот - растение равноспоровое. Споры образуются в спорангиях, расположенных на концах коротких боковых ветвей. Из споры вырастает подземный гаметофит, на поверхности которого расположены антеридии и архегонии. Сперматозоиды многожгутиковые, и, чтобы достичь яйцеклетки, им необходима вода.
Тмезиптерис сходен с псилотом, отличаясь от него более крупными листовидными придатками.
Отдел Хвощевидные (Equisetophyta)
Для хвощевидных характерно расчленение на четко выраженные междоузлия и узлы с мутовчато расположенными листьями.
В настоящее время хвощевидные представлены на Земле одним классом Хвощёвые (Equisetopsida), включающим один порядок Хвощёвые (Equisetales) и одно семейство Хвощёвые (Equisetales). В этом семействе только один род - Хвощ (Equisetum), включающий около 30 видов, из них 17 встречаются в нашей флоре (на болотах, в лесах, на лугах, на пашнях и др.).
Хвощевидные достигли наибольшего развития в каменноугольном периоде. Тогда многие из них были представлены крупными деревьями. Позже древовидные формы вымерли. Отмершие остатки их дали начало залежам каменного угля. Вымерли также и многие травянистые формы.
Современные хвощи - многолетние корневищные травы, имеющие стебель высотой до нескольких десятков сантиметров. В узлах стебля имеются мутовки ветвей. Мелкие чешуевидные листья срастаются влагалищами в трубку, функцию фотосинтеза выполняют зеленые побеги. Некоторые побеги заканчиваются спороносным колоском (стробилом), состоящим из спорангиев. Современные хвощи - растения равноспоровые.
Половое поколение (гаметофит) у современных хвощей представлено одно- или обоеполыми недолговечными, очень маленькими, зелеными заростками величиной в несколько миллиметров. На них образуются антеридии и архегонии. В антеридиях развиваются многожгутиковые сперматозоиды, а в архегониях - яйцеклетки. Оплодотворение происходит при наличии капельножидкой воды, из зиготы вырастает новое бесполое поколение - спорофит.
Строение хвощей и их жизненный цикл можно рассмотреть на примере хвоща полевого (Equisetum arvense). Это многолетнее корневищное растение, произрастающее на полях, лугах, залежах. От корневища ранней весной появляются розовато-бурые, короткие, прямые побеги, на верхушке которых образуется спороносный колосок. На оси колоска расположены спорофиллы, имеющие вид шестигранных щитков. На спорофиллах располагаются спорангии, внутри которых находятся споры.
Внешне все споры одинаковы. Каждая имеет два придатка в виде узких лент, носящих название элатер. Морфологически споры одинаковы, но отличаются физиологически. Одни из них, прорастая, дают мужские заростки, другие - женские.
Мужской заросток представляет собой маленькую зеленую пластинку, расчлененную на лопасти и прикрепленную ризоидами к почве. На концах лопастей развиваются антеридии, содержащие многожгугиковые сперматозоиды. Женский заросток крупнее, он несет архегонии. Оплодотворение происходит при наличии влаги. Из зиготы развивается многолетний спорофит. Псиной от корневищ хвоща полевого развиваются зеленые вегетативные побеги, лишенные колосков.
Другие виды хвоща имеют только один тип побега. Он одновременно и спороносный, и ассимилирующий. Практическое значение хвощей невелико.
Отдел Папоротниковидные (Polypodiophyta)
Папоротниковидные - древние растения. Значительная часть их к настоящему времени вымерла. В наши дни папоротниковидные намного превосходят по числу видов все другие группы современных споровых сосудистых растений; их известно более 12 тысяч видов. В нашей флоре насчитывается около 100 видов из этой группы.
Представители этого отдела очень разнообразны по внешнему виду, жизненным формам, условиям обитания. Среди них много травянистых многолетних растений, есть и деревья. Тропические древовидные папоротники бывают до 25 м высотой, а диаметр ствола достигает 50 см. Среди травянистых видов есть очень мелкие растения размером в несколько миллиметров.
В отличие от плауновидных и хвощевидных, для папоротниковидных характерна «крупнолистность». «Листья» папоротников имеют стеблевое происхождение и носят название «вайи». Их происхождение подтверждается верхушечным ростом.
Размеры вай папоротников колеблются от нескольких миллиметров до 30 см. Разнообразны их форма и строение. Вайи многих папоротников совмещают функции фотосинтеза и спороношения. У некоторых видов (например, страусника) бывает два типа вай - фотосинтезирующие и спороносные. Пластинки вай довольно часто перистые, нередко многократно рассечённые.
Большинство лесных папоротников умеренных областей имеют мясистые корневища, образующие каждый год новые розетки вай, которые обычно у папоротников по массе и размерам преобладают над стеблем.
Почти все папоротники, за исключением водных,- растения равноспоровые. Спорангии их часто располагаются на нижней поверхности вай и собраны в группы - сорусы. Споры папоротников дают начало свободноживущим обоеполым заросткам (гаметофитам), несущим антеридии и архегонии. Для оплодотворения необходимо наличие капельножидкой воды, в которой могут передвигаться многожгутиковые сперматозоиды.
Из оплодотворенной яйцеклетки развивается спорофит. По мере роста спорофит становится независимым, а гаметофит отмирает.
Отдел Папоротниковидные разделяют на 7 классов. Из них 4 класса представлены исключительно ископаемыми формами, которые по своему облику отличались от типичных папоротников.
Подробнее рассмотрим папоротник щитовник мужской (Dryopteris filix-mas), который по общему плану строения и циклу развития типичен для папоротников. Он образует толстое ползучее корневище, на конце которого ежегодно появляется розетка крупных, дваждыперисторассечённых «листьев». Молодые листья на конце улиткообразно свернуты, они растут верхушкой (как стебель). От корневищ отходят придаточные корни.
На нижней поверхности вай летом образуются округлые сорусы. Внутри спорангия образуются одинаковые споры. Щитовник мужской - типично равноспоровый папоротник. Попав на , спора прорастает, и образуется заросток. Он представляет собой сердцевидную зеленую пластинку размером около 1 см. На нижней поверхности заростка образуются архегонии и антеридии. В антеридиях развиваются спирально закрученные многожгутиковые сперматозоиды. Оплодотворение происходит при наличии воды. Из оплодотворенной яйцеклетки постепенно вырастает многолетний крупный спорофит.
Водные папоротники - разноспоровые растения. Это немногочисленная группа. Примером может служить сальвиния плавающая (Salvinia natans), относящаяся к порядку сальвиниевых (Salviniales). Это маленькое плавающее на воде растение.
Мужские и женские гаметофиты развиваются из микро- и мегаспор, которые образуются в микро- и мегаспорангиях. Мужской гаметофит, развивающийся из микроспоры, сильно редуцирован.
Женский гаметофит развивается внутри мегаспоры, он многоклеточный. После оплодотворения развивается многолетний спорофит. Процесс прорастания спор, оплодотворение и развитие спорофита происходят в воде.
Практическое значение папоротников невелико. Молодые листья некоторых травянистых, а также сердцевину древовидных папоротников употребляют в пищу. Некоторые папоротники являются лекарственными растениями.
У папоротниковидных, хвощей и плаунов половое размножение может осуществляться лишь при наличии воды в момент оплодотворения.
Дальнейшая эволюция высших растений пошла по пути обеспечения независимости полового размножения от наличия воды.
Эта возможность реализовалась у семенных растений. Здесь продолжается общее направление эволюционного развития спорофитной линии - прогрессивное развитие спорофита и дальнейшая редукция гаметофита. Наиболее сложного строения спорофит достигает у покрытосеменных растений.
Среди высших растений только два отдела характеризуются наличием семени: голосеменные и покрытосеменные. Семя определило господство семенных растений в современном растительном покрове, поскольку внутри него уже находится зародыш спорофита и оно содержит значительный запас питательных веществ.
Семенные растения являются разноспоровыми. У них образуются микроспоры, дающие начало мужскому гаметофиту, и мегаспоры, дающие начало женскому гаметофиту.
Мегаспоры семенных растений развиваются в особых образованиях - семязачатках (семяпочках), которые представляют собой видоизмененные мегаспорангии. Мегаспора остается постоянно заключенной в мегаспорангии. В мегаспорангии происходят развитие женского гаметофита, процесс оплодотворения и развития зародыша. Все это обеспечивает независимость оплодотворения от капельножидкой воды.
В процессе развития семязачаток превращается в семя. В семени содержится зародыш - молодой, зачаточный, очень маленький спорофит. У него есть корешок, почечка и зародышевые листья (семядоли). Достаточный запас питательных веществ в семе-пи обеспечивает первые стадии развития зародыша. Таким образом, семена обеспечивают более надежное расселение растений, чем споры.
Отдел Голосеменные (Pinophyta, или Gymnospermae)
Голосеменные - это вечнозеленые, реже листопадные деревья или кустарники, редко лианы. Листья голосеменных сильно варьируются по форме, размерам, по морфологическим и анатомическим особенностям. Так, по форме листья бывают чешуевидными, игольчатыми, перистыми, дваждыперистыми и др.
Голосеменные относятся к разноспоровым растениям. Микроспоры образуются в микроспорангиях, находящихся на микроспорофиллах, а мегаспоры - в мегаспорангиях, образующихся на мегаспорофиллах. Микро- и мегаспорофиллы, прикрепленные к оси, представляют собой укороченный спороносный побег (стробил, или шишку). Строение стробилов у голосеменных разнообразно.
Отдел Голосеменные включает 6 классов, причем классы Семенные папоротники (Pteridospermae) и Беннеттитовые (Bennettitopsida) полностью вымерли. Ныне живущие голосеменные, насчитывающие около 700 видов, относятся к классам Саговниковых (Cycadopsida), Гнетовых (Gnetopsida), Гинкговых (Ginkgoopsida) и Хвойных (Pinoposida).
Класс Семенные папоротники достиг наибольшего развития в каменноугольный период. Эти растения полностью вымерли в триасовом периоде. Они были представлены деревьями и лианами. Древовидные формы их напоминали современные древовидные папоротники. В отличие от современных папоротников, они размножались посредством семян.
Семенные папоротники имели крупные, преимущественно перистые листья. Ассимилирующие листья резко отличались от спороносных (спорофиллов). Последние были двух типов: микроспорофиллы и мегаспорофиллы.
От семенных папоротников произошли примитивные группы голосеменных растений, которые характеризуются настоящими стробилами, или шишками (беннеттитовые, саговниковые).
Класс Беннеттитовые - полностью вымершие растения. Они были в основном представлены древовидными формами. Многие из них имели стройные высокие стволы, увенчанные наверху крупными перистыми листьями.
У многих беннеттитовых были обоеполые стробилы, напоминающие по строению цветок современных покрытосеменных растений. Микроспорофиллы в большом количестве располагались по периферии стробила, а редуцированные мегаспорофиллы - в центре стробила. Каждый мегаспорофилл имел по одному семязачатку. В семенах беннеттитовых находился зародыш, заполнявший все семя.
По внешнему виду беннеттитовые сходны с саговниковыми, и считается, что эти два класса произошли от семенных папоротников.
Класс Саговниковые - некогда широко распространенная группа растений. В настоящее время этот класс насчитывает около 120 видов из 10 родов, встречающихся в тропических и субтропических районах земного шара. Саговниковые - это древовидные растения, похожие на пальмы. Листья их крупные, жесткие, вечнозеленые. У большинства саговниковых спорофиллы собраны в стробилы (шишки), которые образуются на конце ствола среди листьев. Саговниковые - растения двудомные. Мужские и женские стробилы образуются на разных особях.
Один из типичных представителей класса - Саговник поникающий (Cycas revoluta), широко распространенный в Восточной Азии. Это дерево с колоннообразным стволом высотой до 3 м. Наверху ствола - крона перистых листьев длиной до 2 м. У мужских экземпляров образуются мужские стробилы длиной 50-70 см.
Микроспоры высыпаются из микроспорангиев и переносятся метром на семяпочку, где идет дальнейшее развитие мужского заростка.
Мегаспорофиллы у всех видов рода Саговник располагаются м небольшом числе на верхушке стебля, чередуясь с вегетативными листьями. Мегаспорофиллы перистые, отличаются от вегетативных листьев меньшей величиной, окрашены в желтый или красноватый цвет. В нижней части мегаспорофилла, на его разветвлениях, расположены мегаспорангии (семяпочки). Они крупные, длиной до 5-6 см.
В центре семяпочки находится многоклеточная ткань - эндосперм (видоизмененный женский заросток), в верхней части его образуются два архегония с крупными яйцеклетками. Оплодотворение производят подвижные сперматозоиды, имеющие многочисленные жгутики. Из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш. Он имеет все части, присущие взрослому растению: первые листья (семядоли) и зачаточный стебель (подсемядольное колено), переходящий в корень.
Таким образом, у саговниковых половое поколение сильно редуцировано. Мужской гаметофит сведен до трех клеток, две из которых представляют собой антеридий. Женский гаметофит - это мелкое образование, находящееся внутри макроспорангия на спорофите. Женский гаметофит потерял способность существовать самостоятельно.
К классу Гнетовые относятся представители трех родов: Эфедра (Ephedra), Вельвичия (Welwitschia) и Гнетум (Gnetum).
Класс характеризуется следующими общими признаками: наличием покровов, похожих на околоцветник, вокруг микроспорофиллов и мегаспорофиллов; дихазиальным ветвлением собраний стробилов; двусемядольными зародышами; наличием сосудов во вторичной ксилеме; отсутствием смоляных ходов.
В роде Эфедра насчитывается 40 видов, произрастающих в засушливых и пустынных областях земного шара. Большинство видов представлено низкими, сильно ветвистыми кустарниками, напоминающими хвощи.
Эфедры - растения двудомные, реже однодомные. На мужских экземплярах образуются микростробилы, на женских - мегастробилы. На верхушке мегастробила находится семязачаток, или семяпочка (мегаспорангий). Из оплодотворенной яйцеклетки развивается зародыш, а из семязачатка - семя, окруженное сочным, окрашенным в красный цвет наружным покровом.
В роде Вельвичия имеется единственный вид - вельвичия удивительная (Welwitschia mirabilis), обитающая в пустынях юго-западной Африки. Она имеет довольно длинный корень, короткий и толстый стебель. В верхней части от стебля отходят два супротивных лентовидных листа длиной до 2-3 м, лежащих на земле и растущих в течение всей жизни. Вельвичия - растение двудомное. Микро- и мегастробилы, образуя сложные ветвистые собрания, возникают непосредственно над основаниями листьев, как бы в их пазухе. Зрелый зародыш окружен эндоспермом и имеет две семядоли, подсемядольное колено, первичный корень и ножку.
Род Гнетум насчитывает около 30 видов. Они произрастают во влажных тропических лесах. Это небольшие деревья, кустарники и лианы. Они имеют широкие кожистые листья, расположенные супротивно. Растения двудомные. Микростробилы серёжковидные сложные. На оси мегастробила, имеющего вид удлиненной серёжки, расположены семяпочки (мегаспорангий). После оплодотворения развивается зародыш, имеющий две семядоли. Семяпочки превращаются в ярко-розовые семена.
Единственным современным представителем класса Гинкговых является древнее реликтовое растение - гинкго двулопастный (Ginrgo biloba). Это листопадное дерево, достигающее высоты более 30 м и имеющее диаметр ствола более 3 м. Листья гинкго черешковые, пластинка вееровидной формы, на верхушке обычно двулопастная. Гинкго - растение двудомное. Микростробилы серёжковидные. Семязачатки (обычно в числе двух) развиваются на мегастробилах. Внутри каждого семязачатка образуются два архегония. Сперматозоиды подвижные. Один из них оплодотворяет яйцеклетку. Из семязачатка образуется семя, которое по своему строению напоминает плод сливы. Наружный слой оболочки, покрывающий семя, сочный, под ним расположены твердая каменистая оболочка и внутренний тонкий слой. Зародыш состоит из корешка, стебелька и двух семядолей.
Класс Хвойные включает два подкласса: Кордаитовые (Cordaitales) и Хвойные (Pinidae). Кордаитовые - давно вымершие растения. Наибольшего развития они достигали в каменноугольный период. Кордаиты были крупными деревьями с моноподиально ветвящимся стеблем и высоко расположенной кроной. Между листьями на ветвях находились репродуктивные органы - сложные серёжковидные собрания стробилов.
Хвойные - наиболее обширный и богатый представителями подкласс среди всех голосеменных. По своему значению в природе и в жизни человека эта группа занимает второе место после цветковых растений. В настоящее время хвойные насчитывают около 610 видов, относящихся к 56 родам и 7 семействам. Они образуют леса на обширных пространствах Северной Евразии и Северной Америки, встречаются в умеренных областях Южного полушария. По своей древности хвойные превосходят все ныне живущие группы семенных растений, они известны с карбона.
Анатомическое строение стеблей хвойных довольно однообразно. Древесина на 90-95% состоит из трахеид. В коре и древесине многих видов хвойных содержится много горизонтальных и вертикальных смоляных ходов.
Стробилы хвойных исключительно раздельнополые. Растения бывают однодомные, реже двудомные. По форме и величине стробилы сильно варьируются.
Основные черты жизненного цикла хвойных можно рассмотреть на примере сосны обыкновенной (Pinus sylvestris). Это стройное дерево, достигающее высоты 40 м. На концах ветвей сосны находятся почки, которые ежегодно дают начало новым побегам.
Весной у основания некоторых молодых побегов образуются собрания зеленовато-желтых мужских шишек - стробилов. На оси мужской шишки расположены микроспорофиллы, на нижней поверхности каждого находятся два микроспорангия (пыльцевых мешка). Внутри микроспорангиев после редукционного деления образуются микроспоры. Микроспора начинает прорастать внутри микроспорангия и в конечном счете превращается в пыльцевое зерно, имеющее две клетки: вегетативную и генеративную (из последней развиваются две мужские гаметы - спермии). Пыльцевое зерно (пыльца) покидает микроспорангий (пыльник). Зрелая пыльца сосны имеет две оболочки: наружную - экзину, внутреннюю - интину. Экзина образует два воздушных мешка, способствующих переносу пыльцы ветром.
Мегастробилы называются женскими шишками. Они собраны по 1-3 на концах молодых побегов. Каждая шишка представляет собой ось, от которой во все стороны отходят чешуи двух типов: бесплодные (кроющие) и семенные. На каждой семенной чешуе с внутренней стороны образуется по два семязачатка. В центре семязачатка развивается эндосперм или заросток (женский гаметофит). Он образуется из мегаспоры, и его клетки имеют гаплоидный набор хромосом. В верхней части эндосперма закладываются два архегония с крупными яйцеклетками.
После процесса опыления начинается процесс оплодотворения. Период между опылением и оплодотворением длится около года. Из пыльцевого зерна вырастает длинная пыльцевая трубка, продвигающаяся к архегонию. Два спермия по пыльцевой трубке перемещаются к яйцеклетке. Кончик пыльцевой трубки, достигший яйцеклетки, разрывается и освобождает спермин. Один из спермиев сливается с яйцеклеткой, а другой погибает. В результате оплодотворения образуется диплоидная зигота, а из нее возникает зародыш.
Зрелый зародыш состоит из подвеска, первичного корешка, стебелька и семядолей. Образование подвеска - одна из отличительных особенностей всех хвойных. Параллельно с развитием зародыша происходит превращение покрова (интегумента) семязачатка в кожуру семени. Весь же семязачаток превращается в семя. После созревания семян чешуйки шишек расходятся и семена высыпаются. Зрелое семя имеет прозрачное крылышко.
Подкласс Хвойные включает семь порядков, два из них вымерли. В настоящее время существуют следующие: Араукариевые, Ногоплодниковые, Сосновые, Кипарисовые и Тиссовые. Три последних порядка имеют наибольшее распространение.
Порядок Сосновые (Pinales) представлен одним семейством - Сосновые (Pinaceae). В этом семействе 11 родов и около 260 видов. Наиболее крупные роды - Сосна (Pinus), Ель (Picea), Пихта (Abies) и Лиственница (Larix).
Самым большим в этом семействе является род Сосна, включающий около 100 видов. В нашей стране широко распространена сосна обыкновенная, хвоинки которой собраны в пары. В азиатской части страны довольно широко распространена сосна сибирская (так называемый «сибирский кедр»), у которой хвоинки собраны в пучки по пять. Сосна сибирская дает ценную древесину и съедобные семена - кедровые орешки.
К роду Ель относится около 50 видов, обитающих в Северном полушарии. Это высокие стройные деревья. Для елей характерна пирамидальная форма кроны. Хвоинки четырехгранные, на конце заостренные. В нашей стране наиболее распространены два вида: ель европейская (Picea abies) и ель сибирская (Picea obovata).
Род Пихта насчитывает 40 видов, обитающих в Северном полушарии. Это крупные высокие деревья. Внешне похожи на ель, но их хвоинки плоские, мягкие, с двумя полосками устьиц на нижней стороне. В России широко распространена пихта сибирская (Abies sibirica). Она растет преимущественно в южных районах Западной Сибири и на северо-востоке европейской части страны.
Род Лиственница представлен 15 видами, которые обитают в Северном полушарии. Это крупные прямоствольные деревья, на зиму сбрасывающие свою хвою. Хвоинки лиственниц мягкие, плоские. Они располагаются пучками на укороченных побегах и поодиночке на удлиненных побегах. В нашей стране наиболее распространены лиственница сибирская (Larix sibirica) и лиственница даурская (Larix dahurica).
Порядок Кипарисовые (Cupressales) представлен двумя семействами. Семейство Таксодиевые (Taxodiaceae) в настоящее время включает 10 родов и 14 видов. Современные таксодиевые - крупные деревья, реже кустарники. Среди них следует упомянуть секвойядендрон (Sequojadendron giganteum), или «мамонтово дерево» - одно из самых крупных и долгоживущих растений мира. Интересен также таксодиум двурядный, или «болотный кипарис» (Taxodium distichum). Он произрастает по берегам рек и на болотах юго-востока Северной Америки. У этого дерева горизонтальные корни образуют вертикальные выросты конической или бутылковидной формы - дыхательные корни высотой до 0,5 м.
Семейство Кипарисовые (Cupressaceae) включает 19 родов и около 130 видов, широко распространенных в Южном и Северном полушариях. Кипарисовые - вечнозеленые кустарники и деревья. Листья их чешуевидные или игловидные, мелкие, расположены супротивно или в мутовках по три, редко по четыре.
Довольно много видов содержат роды Кипарис и Можжевельник (соответственно 20 и 55 видов). Виды кипариса - однодомные вечнозеленые деревья с пирамидальной или раскидистой кроной, реже кустарники. В культуре наиболее известен пирамидальный кипарис вечнозеленый. Род Можжевельник представлен небольшими вечнозелеными деревьями или кустарниками, иногда стелющимися. Листья игловидные или чешуевидные. У можжевельников после оплодотворения чешуи мегаспорофиллов становятся мясистыми, срастаются между собой, образуя так называемую «шишкоягоду». Можжевельники широко распространены. Они светолюбивы, засухоустойчивы, морозостойки и нетребовательны к почвенным условиям.
Порядок Тиссовые (Taxales) включает вечнозеленые деревья и кустарники из двух семейств, 6 родов и 26 видов. Наиболее известен род Тисс, он представлен 8 видами. В нашей стране наиболее распространен Тисс ягодный, или обыкновенный (Taxus baccata), имеющий плоские хвоинки. Это дерево имеет твердую и тяжелую древесину, почти не поддающуюся гниению. Семена окружены ярко-красной мясистой кровелькой, что делает их похожими на ягоды. Тисс ягодный - самое теневыносливое дерево из всех хвойных.
Тема: Высшие растения. Происхождение высших наземных растений. Отдел Моховидные
Основные вопросы :
1. Сравнительная характеристика высших и низших растений. Типичные признаки высших растений. Жизненный цикл высших растений.
2. Происхождение высших растений. Отдел Риниофиты.
3. Отдел Моховидные – характерные признаки, особенности жизненного цикла, экологические особенности, классификация Моховидных.
Высшие растения в большинстве живут на суше, т. е. в принципиально других условиях по сравнению с водорослями (низшими растениями). Когда первые растения вышли на сушу (приблизительно 400 млн. лет назад), они сразу были вынуждены приспосабливаться совсем к другим экологическим режимам. Все значимые для растений экологические факторы на суше меняются гораздо в больших пределах, чем в водной среде.
Лимитирующим фактором для большинства наземных растений становится обеспеченность водой. Поэтому появляются покровные ткани (тем совершеннее, чем засушливее условия), проводящие ткани (сначала примитивные - трахеиды и ситовидные клетки, потом - весьма сложно устроенные - сосуды и ситовидные трубки). Формируется развитая корневая система. Возникают мутуалистические взаимоотношения с грибами (микориза) и азотфиксирующими бактериями.
Растение, выйдя на сушу, теряет опору водной среды для своих надземных частей. Как результат формируются механические ткани, противодействующие давлению ветра, дождя и снега.
Тело растений усложняется, образуются две системы органов - корневая, отвечающая за снабжение растений водой и минеральными веществами, и побеговая - несущая фотосинтезирующие листья и репродуктивные органы.
В силу большего разнообразия наземной среды по сравнению с водной, наземные растения гораздо сложнее и разнообразнее по сравнению с водорослями. Количество видов наземных организмов (с учетом представителей всех царств) в 5 раз больше, чем водных организмов. Высших, преимущественно наземных, растений известно около 300 тысяч видов, а низших (водорослей) - около 3- тысяч видов.
Сравним водоросли и высшие растения по основным характеристикам.
Т а б л и ц а 1 (по Миркин и др., 2001 с некоторыми изменениями )
Сравнение низших и высших растений
|
Характеристика |
Низшие растения |
Высшие растения |
|
Время появления на Земле |
Одноклеточные - 1,8 млрд. лет назад, многоклеточные - 700 млн. |
споровые 400 млн. лет назад, покрытосеменные - 200 млн. |
|
Высшие таксоны |
Отделы Бурые, Красные, Зеленые водоросли и пр. |
Моховидные, Папоротниковидные, Хвощевидные, Плауновидные, Голосеменные, Покрытосеменные |
|
Среда обитания и роль в экосистемах |
Преимущественно водная, основные продуценты водных экосистем |
преимущественно наземная, продуценты наземных экосистем |
|
Вклад в биологическую продукцию (первичную) биосферы | ||
|
Доля в фитомассе биосферы | ||
|
Жизненный цикл |
преобладание n, 2n; чередование n и 2n, изоморфная и гетероморфная смена поколений |
в жизненном цикле чередуются гаплоидный гаметофит и диплоидный спорофит |
|
Корм северного оленя. В России все виды занесены в Красную книгу РФ. Род Селагинелла, или Плаунок (Selaginella ) включает около 700 видов. Преимущественно тропические и субтропические. В России – 8 видов. Селагинеллы - очень теневыносливые растения (могут расти при освещенности 0,2% солнечного света). В основном влаголюбивые растения. Способны к анабиозу (криптобиозу) при временном пересыхании. Внешне напоминают мелкие плауны. Есть крупные растения до 1 м высотой. Стебли, в отличие от плаунов, имеют дорзовентральное строение (крупные боковые, мелкие спинные листья). Спороносные колоски на верхушках боковых веточек. В колосках – круглые макроспорагнии и овальные микроспорангии (разноспоровость!!!). Заростки эндоспорические. Селагинеллы применяются в современном фитодизайне как почвопокровные растения. Отдел Хвощевидные (Equisetophyta ) Хвощи появились в девоне, расцвет отдела пришелся на каменноугольный период. Произошли от риниофитов. Среди ископаемых представителей отдела обычны древовидные формы, например, каламиты В настоящее время представлен одним классом хвощовые (Equisetopsida) и только одним родом - хвощ (Equisetum ) , насчитывающим около 30 видов. Все современные хвощи –многолетние травы. Для хвощей характерно расчленение на междоузлия и узлы с мутовчато расположенными срастающимися листьями. Функцию фотосинтеза выполняют побеги. В клеточной оболочке много SiO2. В ксилеме обычны трахеиды, могут быть и сосуды; во флоэме – ситовидные трубки. Обычны длинные гипогеогенные корневища, часто с запасающими клубеньками. Для спороносных колосков характерны спорангиофоры, на которых расположены спорангии. Хвощи – равноспоровые растения. Гаметофит одно - или обоеполый. Гаметофит автотрофный, зеленый. Оплодотворение только в каплях воды. Распространение: различные природные зоны и растительные сообщества, как правило, близко от воды. Могут быть трудноискоренимыми сорняками. Лекарственные (могут использоваться как мочегонные). Пихта сибирская встречается в Евразии на огромной площади; пихтовые леса типичны для Западной Сибири. 3) Род Ель - Picea Около 50 видов. В России – 7 видов. Наиболее широко распространены ель сибирская (Picea obovata) и ель европейская (Picea abies) (граница примерно по Уралу). Серебристые ели в культуре – североамериканские виды ель канадская, ель колючая и ель Энгельмана. Теневыносливые деревья до 60 м в высоту и 1,5 – 2 м в диаметре. Доживают до 500-600 лет. Хвоинки четырехгранные или плоские, заостренные, держатся на дереве до 7 лет. 4) Род Сосна - Pinus Около 100 видов в лесах умеренного пояса и горах субтропиков Северного полушария. До 50-75 м в высоту, 120 см в диаметре. Побеги двух типов – длинные, покрытые бурыми чешуевидными листьями, в пазухе которых укороченные побеги с пучком хвоинок (2-8 шт.). Сосна обыкновенная предпочитает легкие почвы (пески). Светолюбива. Сосна сибирская теневынослива. Используют древесину, сосновое эфирное масло, хвою и ее экстракт. Поучают скипидар, канифоль, деготь, древесный уголь . Pinus sibirica – сосна сибирская, кедровая сосна сибирская имеет укороченные побеги с 5 хвоинками. Семена без крыльев. (Сибирь) Pinus strobus – сосна веймутова (восток Северной Америки) Pinus pinea - Сосна пиния, сосна домашняя – неотъемлемая часть средиземноморского пейзажа. Выращивали ради «орешков» на территории Италии с 1 тысячелетия до нашей эры. 5) Род Лиственница - Larix Около 20 видов. Листопадные. Листья мягкие, расположены пучками на укороченных побегах. Древесина твердая, тяжелая, смолистая, очень долговечная. Среди лесных пород в России лиственницы занимают самую большую площадь.
|
