Строение зрелого семени

Папоротники относятся к числу наиболее древних групп высших растений. По своей древности они уступают только риниофитам и плауновидным и имеют приблизительно один геологический возраст с хвощами. Но в то время как риниофиты давно вымерли, а плауновидные и хвощевидные играют в современном растительном покрове очень скромную роль, папоротники продолжают процветать, их насчитывают около 10000 видов. Хотя сейчас в растительном покрове Земли они играют несколько меньшую роль, чем в прошлые геологические эпохи.

По сравнению со мхами, папоротники значительно лучше приспособлены к сухопутному образу жизни: они имеют крупные листья, настоящие придаточные корни и достаточно развитую проводящую систему.

И все-таки, наибольшее разнообразие папоротников отмечается в тенистых и сырых лесах, особенно тропических.

Среди современных папоротников преобладают травянистые формы с крупными листьями и неразвитым стеблем. Деревянистые формы встречаются исключительно в тропиках, отдельные экземпляры достигают 25м высоты.

Спорофит является господствующей фазой в жизненном цикле папоротников. Особенности жизненного цикла равноспоровых папоротников мы рассмотрим на примере Щитовника мужского (Dryopteris filix-mass).

Щитовник мужской - травянистое бесстебельное растение с крупными листьями, которые называют вайами. В отличие от обычных листьев, вайи нарастают не основанием, а верхушкой, как побеги, и развиваются достаточно долго. Два года они сидят под землей и лишь на третий год на дневную поверхность выходят весьма своеобразные молодые улитковидно-свернутые листочки. В дальнейшем они стремительно расправляются и превращаются в типичные крупные листья-вайи.

Во второй половине лета на нижней стороне листовых пластинок появляются скопления спорангиев, именуемые сорусами. На поперечном срезе через сорус видны многочисленные булавовидные спорангии на ножках. Спорангии крепятся к плаценте и сверху прикрыты своеобразным защитным зонтиковидным покрывалом - индузиумом.

Со временем в спорангиях из диплоидной спорогенной ткани в результате мейоза образуются тетрады гаплоидных спор. Стенка спорангия однослойна и состоит из тонкостенных клеток, только по ее гребню проходит ряд клеток, выделяющийся мощными подкововидно-утолщенными оболочками - это так называемое колечко. Однако колечко у щитовника неполное и в нижней его части остается неохваченный кольцом участок - устье спорангия. Именно в этом тонком месте в дальнейшем и происходит разрыв спорангия.

Колечко является приспособлением, при помощи которого происходит разрывание спорангия и рассеивание спор. При подсыхании в клетках кольца создается большое напряжение, стремящееся разогнуть кольцо. Рано или поздно спорангий не выдерживает и разрывается в области устья. Освободившееся от напряжения кольцо разгибается, а затем резко возвращается в исходное положение, отбрасывая споры как катапульта.

Попав в благоприятные условия, например, на влажную почву, спора прорастает и развивается в небольшую (диаметром около 1 см) сердцевидную зеленую пластиночку, именуемую заростком. Заросток является своеобразным гаметофитом папоротников.

На нижней стороне, которой заросток крепится к почве, развиваются многочисленные ризоиды. Кроме того, здесь же формируются многочисленные половые органы: антеридии и архегонии.

Под пластинкой заростка всегда скапливается испаряющаяся из почвы влага, поэтому вышедшие из антеридиев сперматозоиды обычно без труда подплывают к архегониям, проникают внутрь и оплодотворяют яйцеклетку.

Возникшая в результате оплодотворения диплоидная зигота дает начало молодому спорофиту, который некоторое время остается прикрепленным к заростку и частично питается за его счет. Однако очень скоро заросток отмирает, а окрепший молодой спорофит начинает самостоятельное существование.

Таким образом, папоротники представляют собой ярчайший пример растений, у которых спорофит и гаметофит являются самостоятельно существующими организмами, лишь на непродолжительное время совмещающимися в жизненном цикле.

Отдел Голосеменные (Pinophyta или Gymnospermae)

Семенные растения, как голосеменные, так и цветковые, отличаются от всех остальных представителей растительного мира тем, что размножаются посредством семян, а не с помощью спор.

Что же такое семя и каково его биологическое значение?

Может показаться странным, но все семенные растения, как голосеменные, так и цветковые, являются в то же самое время растениями - разноспоровыми. Это значит, что споры у них двух разных типов - микроспоры (мужские споры) и мегаспоры (женские споры). Первые дают начало мужскому гаметофиту, а вторые - женскому. В этом отношении семенные растения не отличаются от таких разноспоровых бессеменных растений, как Марсилия и Сальвиния. Тем не менее, между ними имеются весьма существенные различия.

В то время как процесс оплодотворения у всех бессеменных высших растений происходит в воде, у семенных растений размножение оказалось независимым от воды. Благодаря этому семенные растения могут размножаться половым путем даже в пустыне и даже в бездождное время года. Как же это происходит?

В то время как у огромного большинства бессеменных высших растений мегаспоры освобождаются из мегаспорангия, у семенных растений их единственная зрелая мегаспора остается постоянно заключенной внутри мегаспорангия и здесь же, внутри мегаспорангия, происходит развитие женского гаметофита и процесс оплодотворения.

Мегаспорангий у семенных растений окружен особым защитным покровом, называемым интегументом. Мегаспорангий с окружающим его интегументом называется семязачатком. Это действительно зачаток семени (его почка) из которой после оплодотворения развивается семя. Как мы уже знаем, развитие мегаспоры, так же как и развитие женского гаметофита происходит внутри мегаспорангия, а следовательно, внутри семязачатка. Внутри же семязачатка происходит процесс оплодотворения и развитие зародыша. Это обеспечивает независимость оплодотворения от воды, его автономность.

мегаспорангий + интегумент = семязачаток

В процессе развития зародыша семязачаток превращается в семя - основную единицу расселения семенных растений. У подавляющего большинства семенных растений это превращение семязачатка в зрелое, готовое к прорастанию семя происходит на самом материнском растении. Но у примитивных растений семязачатки могут опадать еще до образования зародыша и даже до оплодотворения и тогда оплодотворение и развитие зародыша происходит на поверхности почвы. Совершенно очевидно, что эти семена представляют собой более раннюю стадию эволюции семени. Но, тем не менее, будь то на материнском растении или на земле, зародыш рано или поздно формируется, и в обоих случаях семязачаток превращается в семя.

Для примитивных семян, в том числе для семян саговниковых, характерно также отсутствие периода покоя. Для большинства же семенных растений характерен более или менее длительный период покоя. Период покоя имеет большое биологическое значение, т.к. он дает возможность пережить неблагоприятное время года, а также способствует более далекому расселению.

Внутреннее оплодотворение, развитие зародыша внутри семязачатка и появление новой, чрезвычайно эффективной единицы расселения - семени - являются главными биологическими преимуществами семенных растений, давшими им возможность полнее приспособиться к наземным условиям и достигнуть более высокого развития, чем папоротники и другие бессемянные высшие растения.

Если при размножении спорами каждый раз образуется огромное их число, обычно миллионы, то семян требуется сравнительно небольшое количество. Это вполне понятно, т.к. семя несравненно более надежная единица расселения, чем спора. В семени уже содержится, причем в очень хорошей, надежной упаковке зародыш - крошечный спорофит с корешком, почечкой и зародышевыми листьями - семядолями. Стоит ему высвободиться из семенной кожуры - он легко укореняется и начинает самостоятельную жизнь. Кроме того, в семени содержится запас питательных веществ и необходимый ферментативный аппарат для его утилизации. В этом есть что-то отдаленно напоминающее заботу о потомстве в животном мире.

Семя - это поистине маленький шедевр эволюции.