Многообразие высших растений

К высшим растениям относятся мхи, риниофиты (полностью вымершие), плауны, хвощи, папоротники, голосеменные и покрытосеменные (цветковые). В циклах развития всех высших растений существует два поколения — половое (гаметофит) и бесполое (спорофит). Это явление называется сменой поколений.

Отдел Моховидные. Мхи — древняя, наиболее примитивная группа высших растений. Возраст ископаемых остатков 400 млн лет. Моховидных около 27 тыс. видов, на территории Беларуси из них встречается около 400 видов.

Мхи — низкорослые растеньица, произрастающие на болотных кочках, сырых лугах, в хвойных лесах, на стволах деревьев, в горах.

Моховидные — это небольшие (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), преимущественно многолетние фотосинтезирующие растения. Тело их состоит из простых или разветвленных стеблей с листочками; у печеночных мхов тело представляет собой слоевище. Моховидные не имеют корней и прикрепляются к субстрату с помощью ризоидов. Ризоидами (это вытянутая клетка или несколько клеток в нижней части стебля) мхи поглощают из почвы воду и минеральные соли.

У моховидных формируются покровные и проводящие ткани, но нет механических тканей, нет настоящих сосудов. Моховидные имеют многоклеточные органы полового размножения.

Различают листостебельные и печеночные мхи. Листостебельные мхи подразделяются на Зеленые мхи и Сфагновые.

Представителем зеленых мхов является кукушкин лен.

Растение кукушкин лен достигает в высоту 12—20 см. Стебель тонкий, направлен вверх. На стебле густо расположены узкие зеленые листья.

Кукушкин лен — раздельнополое растение. Мужские растения имеют на верхушке красноватые листочки, между которыми находятся мешочки — мужские органы полового размножения — антеридии. В них развиваются сперматозоиды, имеющие по два, жгутика. На верхушке стебля женского растения между листьями расположены архегоний. Архегоний имеет колбообразную форму, в расширенной части находится яйцеклетка — неподвижная округлая женская гамета. Растение, на котором образуются половые клетки — гаметы, называется гаметофитом.

Мужские и женские растения растут рядом. При наличии капель воды (дождя, росы) сперматозоиды передвигаются в воде и достигают архегониев, где мужские и женские гаметы сливаются. Образуется зигота. Это — половое размножение.

На следующий год зигота, не выходя из архегония, начинает делиться и из нее на верхушке женского растения на длинной безлистной ножке развивается коробочка, покрытая волосистым колпачком. В нижней части ножки образуется присоска, которая поглощает из женского растения органические вещества. Коробочка представляет собой спорангий. Внутри — множество мелких спор. Коробочка с ножкой называется спорофитом. Когда споры созревают, они высыпаются и рассеиваются ветром. Попав в благоприятные условия, споры прорастают. Это — бесполое размножение.

В почве из проросшей споры развивается длинная тонкая ветвящаяся нить зеленого цвета, напоминающая зеленую водоросль — протонема. В дальнейшем на нитях образуются почки, из которых вырастают покрытые листьями молодые растения кукушкина льна.

У мохообразных доминирует поколение гаметофитов, у всех остальных наземных растений — поколение спорофитов (рис.1).

Гаметы у растений образуются не в результате мейоза, как у животных, а в результате митоза; мейотическое деление происходит при образовании спор.

Отдел Риниофиты. Риниофиты — первые наземные сосудистые растения. Они жили более 400 млн лет тому назад и затем вымерли. Ископаемые остатки этих растений были найдены недалеко от деревни Райни в Шотландии. На латинском языке название деревни Риние (Rhynie).

Отдел Риниофиты включает споровые растения, представляющие собой простые ветвящиеся веточки со спорангиями на верхушках. Листья отсутствуют. Представитель — риния. Это кукушкин лен — раздельнополое растение. Мужские расте­ния имеют на верхушке красноватые листочки, между которыми находятся мешочки — мужские органы полового размножения — антеридии. В них развиваются сперматозоиды, имеющие по два, жгутика. На верхушке стебля женского растения между листьями расположены архегоний. Архегоний имеет колбообразную фор­му, в расширенной части находится яйцеклетка — неподвижная округлая женская гамета. Растение, на котором образуются по­ловые клетки — гаметы, называется гаметофитом. Мужские и женские растения растут рядом. При наличии ка­пель воды (дождя, росы) сперматозоиды передвигаются в воде и достигают архегониев, где мужские и женские гаметы сливают­ся. Образуется зигота. Это — половое размножение. На следующий год зигота, не выходя из архегония, начинает делиться и из нее на верхушке женского растения на длинной безлистной ножке развивается коробочка, покрытая волосистым колпачком. В нижней части ножки образуется присоска, которая поглощает из женского растения органические вещества. Коро­бочка представляет собой спорангий. Внутри — множество мел­ких спор. Коробочка с ножкой называется спорофитом. Когда споры созревают, они высыпаются и рассеиваются ветром. По­пав в благоприятные условия, споры прорастают. Это — беспо­лое размножение.

В почве из проросшей споры развивается длинная тонкая вет­вящаяся нить зеленого цвета, напоминающая зеленую водоросль — протонема. В дальнейшем на нитях образуются почки, из которых вырастают покрытые листьями молодые растения кукушкина льна. У мохообразных доминирует поколение гаметофитов, у всех остальных наземных растений — поколение спорофитов (рис.1). Гаметы у растений образуются не в результате мейоза, как у животных, а в результате митоза; мейотическое деление про­исходит при образовании спор.

Отдел Риниофиты.Риниофиты — первые наземные сосуди­стые растения. Они жили более 400 млн лет тому назад и затем вымерли. Ископаемые остатки этих растений были найдены неда­леко от деревни Райни в Шотландии. На латинском языке назва­ние деревни Риние (Rhynie). Отдел Риниофиты включает споровые растения, представ­ляющие собой простые ветвящиеся веточки со спорангиями на верхушках. Листья отсутствуют. Представитель — риния. Стебель дихотомически ветвился. Нижняя часть стебля представляла собой корневище с пучками ризоидов. Наземные стебли ринии высотой 20—50 см, толщиной 3—6 мм были покрыты кутикулой и являлись органами фотосин­теза. По внутреннему строению риния похожа на современные высшие сосудистые растения. На верхушке стебля развивались спорангии, в которых образовывались споры. Папоротниковидные. Папоротники — травянистые расте­ния, реже — деревья с большими раскидистыми листьями. Папо­ротники, как и мхи, принадлежат к высшим споровым растениям: они имеют корни, стебли и листья (вайи). По строению папорот­ники сложнее мхов, так как они состоят из тканей. В проводящих тканях есть трахеиды; в стебле — механическая ткань. Некоторые древовидные папоротники тропиков достигают в высоту 25—30 м. Распространяются они спорами. В настоящее время известно около 10 тыс. видов папоротников. Наиболее многочисленны и разнообразны они в Юго-Восточной Азии. В европейских стра­нах известно около 150 видов папоротниковых.

В нашей стране встречаются в тенистых лиственных и сме­шанных лесах щитовник мужской, в сосновых лесах — орляк, в еловых — щитовник Линнея и игольчатый папоротник, на забо­лоченных берегах рек — болотный щитовник, по оврагам — страусник и женский папоротник, на воде — сальвиния и азолла.

Щитовник мужской растет в тенистых лиственных и смешанных лесах. Его подземный стебель — корневище. От корневища отходят придаточные корни и листья. Молодые листья папоротников растут верхушкой, как и побег. Листья папоротников соответствуют целым веточкам и их называют вайи.

Щитовник мужской — многолетнее растение. Осенью его листья отмирают, а корневище с задатками новых листьев перезимовывают под снегом. Весной на верхушке стебля появляются новые листья.

Во второй половине лета на нижней стороне папоротника можно увидеть маленькие бугорки. Каждый бугорок — группа мелких мешочков-спорангиев, покрытых общим покрывальцем. В спорангиях развиваются споры. В сухую жаркую погоду спорангии раскрываются, споры высыпаются и разносятся ветром. Споры -прорастают. Из споры путем деления образуется заросток — тонкая зеленая многоклеточная пластинка сердцевидной формы с ризоидами. На его нижней поверхности формируются органы полового размножения. Заросток — это половое поколение папоротника — гаметофит. В антеридиях образуются многожгутиковые сперматозоиды, а в архегониях — яйцеклетки. Во время дождя или обильной росы сперматозоиды подплывают к яйцеклеткам и сливаются с ними. Происходит оплодотворение. Из зиготы путем деления развивается зародыш. Постепенно из зародыша вырастает молодое растение папоротника — спорофит с корневищем, корнями и мелкими листьями.

В цикле развития папоротника, по сравнению с мхами, преобладает спорофит, который представлен мощным растением с корневищем, корнями и листьями. Гаметофит живет самостоятельно и представляет собой маленькую пластинку величиной в несколько миллиметров.

Эти растения называют также криптогамными, т. е. «тайнобрачными», поскольку прежде ботаники не знали, как у папоротникообразных осуществляется половой процесс: эти растения не образуют пыльцы, плодов и семян.

Голосеменные. Кроме высших споровых растений существуют семенные растения. Они возникли 300 млн лет тому назад. Группа семенных растений в настоящее время представлена двумя отделами — Голосеменные и Покрытосеменные. У голосеменных семена защищены только семенной кожурой. У покрытосеменных семена развиваются в плодах.

Рис. 1. Схема жизненного цикла папоротника Dryopteris filix-mas

Отдел Голосеменные включает в себя всего около 650 видов. Обычны для флоры Беларуси сосна обыкновенная, ель европейская, можжевельник обыкновенный. В озеленении городов применяют тисс ягодный, разные виды лиственниц, кедровые сосны высаживают на вырубках. У большинства голосеменных есть шишки, а у тиса и можжевельника — шишкоягоды.

Для семенных характерно чередование поколений — бесполого (спорофита) и полового (гаметофита). Спорофит — взрослое многолетнее древесное или кустарниковое растение. Гаметофиты формируются в шишках.

Оплодотворение у голосеменных, в отличие от папоротников, происходит без наличия воды.

В отличие от других групп высших растений, у голосеменных развивается главный корень, который способен сохраняться в течение всей жизни. От него отходят боковые корни. У многих голосеменных листья игольчатые. Только некоторые хвойные являются листопадными (лиственница), у остальных хвоя живет на стебле от 3 до 7 лет.

Древесина голосеменных устроена примитивнее, чем у цветковых растений. В ней нет сосудов, поэтому движение по стволу происходит медленнее. В древесине нет и специальной механической ткани — древесных волокон. Трахеиды (длинные клетки) выполняют функцию и проводящей и механической ткани.

У многих хвойных в древесине и в коре расположены смоляные ходы, в которых образуется смола, или живица. Живица — это смесь твердых (канифоль) и жидких веществ, которые, пропитывая стенки трахеид, повышают устойчивость древесины к гниению.

Род Сосна. Деревья сосны обыкновенной достигают 50 м в высоту. Корневая система мощная. Сосны светолюбивы. У сосны ветви собраны в мутовки и каждый год формируется одна мутовка. Игловидные листья (хвоинки) прикреплены к укороченным побегам. В пучке может быть две хвоинки (сосна обыкновенная), три или пять (многохвойные), как у кедровой сосны.

Род Ель. Хвоя елей одиночная и сидит на удлиненных побегах. В поперечном сечении она четырехгранная, длиной до 3 см, живет до 7 лет. Это теневыносливый род.

Род Лиственница. Это очень ценная древесная порода. Древесина прочная, твердая, долговечная, хорошо противостоит гниению. Порода светолюбивая. Хвоя однолетняя, опадающая. В силу этого лиственница хорошо переносит загазованную городскую атмосферу.

Род Пихта. Крона узкая, пирамидальная. Хвоя одиночная, но плоская и мягкая. В Беларуси небольшие участки пихты белой находятся в Беловежской пуще.

В лесах Беларуси широко распространен можжевельник обыкновенный — кустарник или небольшое деревце. Хвоя короткая. Семена находятся внутри синих шишкоягод.

В южных районах Европы широко распространены кипарисы. В озеленении городов Беларуси применяется туя западная. Встречается и тисе ягодный (стебель, шишкоягоды, хвоя его ядовиты).

Самой большой продолжительностью жизни отличается секвойя (мамонтово дерево) — живет 3000 лети более. Произрастает секвойя в Америке.

Размножение голосеменных. На ветке сосны обыкновенной из верхушечной почки развиваются побеги текущего года и на их вершине расположены маленькие (не более 5 мм длиной) красноватые шишечки. Каждая шишечка состоит из оси, к которой прикреплены чешуи. В основании каждой чешуи лежат два семязачатка — семяпочки. Семязачатки — особые образования, из которых развиваются семена. Семязачаток представляет собой спорангий, окруженный покровами. Покровы на вершине семязачатка не смыкаются и образуют пыльцевход. В спорангии формируется одна мегаспора, которая увеличивается в размерах и прорастает в женский гаметофит. На нем формируются два архегония с яйцеклетками — женскими гаметами. Женский гаметофит никогда не покидает пределов спорангия. Шишки, в которых формируются семязачатки, называются женскими.

Мужские шишки зеленовато-желтого цвета. На нижней стороне их чешуек располагаются по два пыльцевых мешка, в которых созревает гаплоидная пыльца. Пыльцевое зерно имеет овальную форму. Его оболочка образует два воздушных пузырька, что облегчает перенос пыльцы ветром.

Опыление у сосны происходит в конце мая — начале июня. Созревшая пыльца разносится ветром и попадает на семенные чешуйки, после чего они смыкаются и склеиваются смолой. От опыления до оплодотворения у сосны проходит 12 месяцев.

Пыльца — микроспора — прорастает и дает начало мужскому гаметофиту. Его вегетативная клетка образует пыльцевую трубку, а генеративная — два спермия.

Образовавшаяся после слияния половых клеток зигота дает начало зародышу, а семязачаток — семени.

Эндосперм формируется в ходе развития семени из клеток спорангия.

Особенности образования семян у голосеменных растений:

а) в оплодотворении участвует один спермий, поэтому оно называется простым;

б) эндосперм образуется в семязачатке до оплодотворения и зародыш имеет питательные вещества, а поэтому семена сохраняются дольше, чем споры. Следовательно, повышается гарантия появления новых организмов;

в) для оплодотворения не требуется вода, поскольку спермин передвигаются по пыльцевой трубке.

После оплодотворения мужские шишки усыхают и опадают, а женские начинают усиленно расти (шишки второго года). Сначала они зеленые, затем становятся бурыми. В декабре шишки раскрываются и семена выпадают из них. Таким образом, у сосны обыкновенной от опыления до созревания семян проходит один год и восемь месяцев. У елей, лиственниц, пихт семена созревают в год опыления, т. е. осенью, а у лиственницы уже в августе семена высеваются из шишек.

Цветковые, или Покрытосеменные растения

Это самый большой отдел растительного мира, насчитывающий 250 ООО видов. Произрастают в различных условиях. Многообразны по величине, внешнему и внутреннему строению, продолжительности жизни.

Общие черты (характерные черты покрытосеменных).

1. Наличие цветка — основная особенность. В цветке образуются и прорастают споры, формируются мужские и женские гаме-тофиты с гаметами, происходит опыление, оплодотворение и развитие семян.

2. Покрытосемянность — вторая особенность растений этого отдела. В отличие от голосеменных семязачатки у них образуются внутри пестика и защищены от неблагоприятных условий. После оплодотворения из семязачатка формируется семя, а нижняя часть пестика превращается в плод. Таким образом, семена всегда скрыты внутри плода и хорошо защищены от неблагоприятных условий. Поэтому повышается гарантия сохранения потомства.

3. Двойное оплодотворение — третья особенность покрытосеменных. В оплодотворении участвуют два спермия: один сливается с яйцеклеткой и образуется зигота, из которой развивается зародыш, а второй сливается с диплоидной клеткой женского гаметофита. После слияния из такой клетки формируется эндосперм — питательная ткань. Таким образом, у покрытосеменных эндосперм образуется после оплодотворения, а у голосеменных — до оплодотворения.

4. Сложность внутреннего строения — четвертая особенность растений этого отдела. В древесине этих растений, кроме трахеид, имеются более совершенные проводящие элементы — сосуды. Прочность стеблю придает специализированная механическая ткань (волокна), которая расположена в коре и древесине. Отток сахаров, крахмала от листьев во все органы происходит не по ситовидным клеткам, а по ситовидным трубкам.

5. У многих покрытосеменных формируются видоизмененные органы, благодаря которым растения переносят неблагоприятные условия.

6. Только у покрытосеменных появилась группа растений, у которых весь цикл развития происходит в течение одного вегетационного сезона, — однолетние растения. Это является одним из приспособлений к суровым условиям обитания.

7. Для покрытосеменных характерно вегетативное размножение, которое способствует расселению растений и быстрому освоению новых территорий.