Занятие 7. Систематика растений
1. Водоросли – низшие споровые растения.
2. Высшие споровые растения.
3. Отдел Голосеменные растения.
4. Отдел Покрытосеменные (цветковые) растения.
1. Водоросли (низшие споровые растения) – сборная группа фотосинтезирующих автотрофных эукариот.
Выделяют несколько отделов (красные, бурые, золотистые, жёлтые, диатомовые, зелёные и др.), которые отличаются организацией клеток, набором пигментов, запасных веществ, строением жгутиков (при их наличии) и т. д. (таблица). Среди водорослей есть одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы. Тело водорослей называется слоевищем (таллом).
Среда обитания. Обитают в разных водоёмах (ближе к поверхности распространены водоросли с зелёной окраской, а на глубинах – бурые и красные), ряд видов встречается на суше (на почве, камнях, коре деревьев). Могут жить в снегах, льдах, на известняковых субстратах. Могут вступать в симбиотические отношения с представителями других царств (лишайники).
Размножение. Многие водоросли способны к вегетативному размножению фрагментами таллома. Одноклеточные способны к простому делению пополам. Бесполое размножение осуществляется с помощью спор, служащих для размножения и расселения. Половое размножение заключается в слиянии двух гамет с образованием зиготы. Жизненные циклы состоят из чередования полового и бесполого поколений.
Таблица. Систематика водорослей
Отдел, количество видов | Характеристика | Примеры |
Зелёные, 15-17 000 видов | Основной фотосинтезирующий пигмент – хлорофилл, запасное вещество – крахмал, включают организмы, различные по строению слоевища | Хламидомонада, хлорелла, спирогира, улотрикс, ульва |
Диатомовые, 4 000 видов | Группа микроскопических, преимущественно одноклеточных водорослей. Населяют пресные и солёные водоёмы, образуя значительную часть планктона и бентоса | Пинулярия, навикула |
Бурые, 1500 видов | Исключительно морские многоклеточные организмы, в основном макроскопические – до 60 м в длину. В холодных морях образуют вдоль берегов большие заросли. Таллом окрашен в различные оттенки бурого цвета. Наиболее высокоорганизованные имеют трёхмерную структуру (имеется подобие тканей). Запасное вещество – ламинарин | Саргассум, ламинария, макроцистис, фукус |
Красные, 4 000 видов | Преимущественно морские высокоорганизованные водоросли. Слоевище имеет сложное строение, цвет варьируется от розово-красного до голубовато-зелёного и жёлтого. | Порфира, калитамнион, делессерия, батрахоспермум |
Значение в природе и жизни человека. Водоросли являются основными продуцентами в водоёмах, они выделяют кислород, необходимый для дыхания водных организмов. Некоторые водоросли участвуют в процессах естественного очищения вод. Многие из них являются индикаторами загрязнения среды. Почвенные водоросли участвуют в почвообразовании.
Водоросли используют как корм для многих промысловых рыб. Белки, углеводы и другие вещества, полученные из искусственно культивируемых одноклеточных водорослей, используют для производства комбикормов. Некоторые водоросли употребляют в пищу (ламинария или морская капуста).
Из морских водорослей получают агар-агар, который применяется в пищевой, бумажной, фармацевтической, текстильной отраслях, в биологических исследованиях при культивировании организмов.
2. Высшие споровые растения.
В жизненном цикле растений имеет место чередование поколений. При этом на смену друг другу приходят:
- гаметофит – половое поколение, размножается половым путём, т. е. с образованием половых клеток (гамет) и последующим оплодотворением. Гаметы образуются в органах полового размножения: мужских – антеридиях (производят сперматозоиды) и женских – архегониях (производят яйцеклетки). Гаметы сливаются с образованием диплоидной зиготы (происходит оплодотворение). Из зиготы вырастает спорофит;
- спорофит – бесполое поколение, размножается бесполым путём, т. е. с образованием спор. Споры образуются путём мейоза в спорангиях, они гаплоидны. Из спор прорастают гаметофиты.
Спорофит и гаметофит совершенно непохожи друг на друга. Как правило, одно из этих поколений существенно преобладает над другим – растения этого поколения больше, сложнее устроены, дольше живут и т. п. У мхов преобладает половое поколение (гаметофит), а у других групп высших растений, напротив, преобладает спорофит, а гаметофит сильно уменьшен.
Отдел Мохообразные
Мохообразные – группа высших споровых растений, широко распространённых во влажных местообитаниях. Количество видов составляет около 25 000. Наука, изучающая мхи, называется бриологией.
Мохообразные лишены механической (а иногда и проводящей) ткани, поэтому их размеры, как правило, составляют от 1 мм до 3 см, редко они достигают 20–25 см. Растут группами (куртинками) либо образуют сплошной покров на земле, камнях или стволах деревьев.
В жизненном цикле мохообразных доминирует гаметофит (он фотосинтезирует, осуществляет поглощение воды и минеральное питание). Корней у мхов нет, их заменяют волосковидные выросты покровов стебля – ризоиды. Спорофит, представляющий собой коробочку (спорангии) на ножке, развивается прямо на гаметофите и получает от него питательные вещества и воду. Листостебельный зелёный мох кукушкин лён растёт во влажных лесах и на кочках болот. Его гаметофит – миниатюрные зелёные растеньица, на котором располагаются буроватые коробочки на ножках (спорофит). Каждая коробочка выбрасывает до 50 миллионов спор.
Рисунок. Цикл развития мхов
Сфагновые мхи образуют обширные торфяные болота. Это желтовато-зелёные растения, с пучковидно расположенными ветвями, не прикреплённые к субстрату (нижние части отмирают). В их листьях находятся «бочковидные» мёртвые клетки, накапливающие во время дождя большое количество воды, поэтому почва, на которой растут эти мхи, переувлажняется и заболачивается.
Значение мхов
1. Одни из первых (наряду с лишайниками) заселяют голые скалы и другие места, в которых нет никакой растительности.
2. Участвуют в почвообразовании.
3. Участвуют в регуляции водного баланса, гак как способны задерживать воду.
4. Обеспечивают образование торфа, который используется в качестве удобрения и для улучшения свойств тяжелых глинистых почв; в качестве топлива; как сырье для промышленного производства древесного спирта, воска, карболовой кислоты, смолы и других соединений; в качестве теплоизолирующего материала в строительстве; в фязелечении.
5. Сфагнум обладает бактерицидными свойствами и хорошо впитывает влагу, что позволило использовать его во время Второй мировой войны в качестве перевязочного материала.
Отдел Плаунообразные
Плауны – многолетние растения, густо покрытые мелкими листьями, похожими на заострённые чешуйки. Число видов составляет около 1000.
|
Плаун булавовидный |
Часто это наземные формы со стелющимся стеблем, на котором развиваются настоящие дополнительные корни, реже – эпифиты (растут на стволах деревьев) либо водные растения. В основном плауны – жители тропиков, в умеренных широтах они встречаются в хвойных и смешанных лесах, реже – на заболоченных лугах.
Плаун булавовидный стелется по земле, а боковые веточки поднимаются вертикально вверх. На концах вертикальных побегов располагаются стробилы – спороносные колоски. Стробилы состоят из листочков (спорофиллов), на которых расположены органы бесполого размножения (спорангии), образующие споры. В них созревают споры, они высыпаются и прорастают в мелкие (2–3 мм).
Отдел Хвощеобразные
Хвощи – небольшие (до 1 м) травянистые растения с многолетним корневищем, от которого отходят тонкие, ветвящиеся корни и членистые (состоящие из узлов и междоузлий) надземные побеги.
|
Количество видов составляет около 30. Растут обычно во влажных местах, на кислых почвах, встречаются в разных климатических условиях – от тропиков до полярных областей (кроме Австралии).
Хвощи часто селятся там, где нарушен естественный растительный покров. Некоторые из них – трудноискоренимые сорняки, несъедобные и даже ядовитые для скота. Зелёные побеги хвощей применяются в народной медицине как мочегонное и кровоостанавливающее средство. Надземные побеги хвощей содержат кремнезём. Это позволяет использовать их в быту как полировочный материал.
Отдел Папоротникообразные
Папоротники – травянистые растения с крупными перистыми (точнее, двоякоперистыми) листьями; реже – деревья (в тропиках) или плавающие водные растения. Количество видов составляет около 10 000.
Наиболее обычны во влажных местах, хотя заселили и многие другие местообитания: пустыни, сухие сосновые леса, болота, озёра, солоноватые водоёмы. Широко распространёнными являются орляк, щитовник мужской, страусник, водный папоротник сальвиния.
Листья папоротников называются вайи, они нарастают верхушкой. Надземных стеблей у многих видов папоротников нет.
В жизненном цикле преобладает спорофит. Летом на нижней стороне вай появляются сорусы (группы спорангиев), в которых образуются и созревают споры. Споры разносятся ветром и прорастают в гаметофит – крошечную сердцевидную пластинку (2–4 мм). На нижней стороне гаметофита образуются архегонии и антеридии. Созревают половые клетки, и при наличии капельной влаги (дождь, обильная роса) происходит оплодотворение. Из зиготы развивается зародыш. Вначале он прикреплён к гаметофиту и получает от него питательные вещества, а затем укрепляется в почве и даёт начало взрослому растению. Папоротники способны размножаться и вегетативным путём – при помощи выводковых почек.
Значение. Папоротники используют как декоративные растения. Отвары и настойки корневищ применяют в медицине как болеутоляющие, противовоспалительные, противоглистные средства, для лечения рахита, желудочных расстройств.
3. Отдел Голосеменные растения.
У семенных растений в жизненном цикле присутствует спорообразование. Но споры семенных растений не рассеиваются в окружающую среду – из них прорастают гаметофиты прямо на породивших их растениях спорофитах. Из более мелких микроспор вырастают мужские гаметофиты, а из более крупны мегаспор – женские. Они сильно упрощены – это группы клеток, фактически слившиеся со спорофитом в единое целое.
Мужской гаметофит – это пыльца (не вся целиком, а каждая пылинка в отдельности), женский – семязачаток (вернее, 8 клеток зародышевого мешка) (см. также «Цветок»). Все семенные растения, которые нас окружают, бесполые. Но их бесполое размножение скрыто от наших глаз, замаскировано половым размножением их потомков – гаметофитов.
Семя – это зародыш спорофита (образуется из зиготы и даёт начало взрослому растению), укрытый защитной оболочкой и снабжённый запасом питательных веществ.
Ещё одним преимуществом семенных растений является независимость при оплодотворении от условий внешней среды. Споровым растениям необходима капельно-жидкая среда. Семенные растения эту преграду преодолели. Их мужские половые клетки – спермии – транспортируются в составе пыльцы по воздуху. А через ткани спорофита (внутри которого находится женский гаметофит с яйцеклеткой) они проходят по пыльцевой трубке (её образует одна из вспомогательных клеток пыльцы
Особенности строения и размножения голосеменных. Шишки – это спороносные колоски (стробилы). На них формируются споры, из которых развиваются гаметофиты (пыльца – в мужских шишках, а зародышевые мешки – в женских). В женских шишках происходит оплодотворение (образование зиготы) и формирование семян.
Стебель голосеменных нарастает в толщину за счёт камбия. Большая часть его толщины приходится на древесину (ксилему). Примечательно, что настоящих сосудов (трахей) в ксилеме нет. Вода транспортируется по трахеидам – отдельным веретенообразным клеткам, соединяющимся своими концами.
Разнообразие голосеменных довольно велико. Тропические саговники напоминают пальмы, но с гигантской (до 1–2 м) шишкой на верхушке. Гинкго двулопастный – высокое (до 30 м) дерево, его семена имеют мясистый придаток серебристо-оранжевого цвета. Вельвичия удивительная выглядит как небольшой пенёк, от вершины которого отходят два лентовидных листа огромных размеров (до 9–10 м), изорванные на полоски ветром. Американские секвойи (в том числе мамонтово дерево) – долгожители (достигают возраста до 3–4 тыс. лет). Это одни из самых высоких современных деревьев (до 120 м).
Самая многочисленная группа голосеменных – хвойные (около 560 видов). Деревья и кустарники особенно широко распространены в умеренных и полярных зонах. Своё название эти растения получили за хвою – жёсткие игловидные, реже чешуйчатые (у можжевельника, туи) листья с плотной кутикулой и погружёнными вглубь устьицами (для уменьшения испарения воды). Как правило, это вечнозелёные растения, но некоторые из них, например лиственница, сбрасывают хвою на зиму.
Корневая система хвойных обычно стержневая. Короткие боковые корни образуют микоризу. В коре и древесине есть смоляные ходы – каналы из межклетников, заполненных эфирными маслами и смолой, которые защищают растение от проникновения микроорганизмов и насекомых.
Рисунок. Строение голосеменных растений
Значение голосеменных. Хвойные леса покрывают огромную территорию суши. Это своего рода «лёгкие планеты». Флора и фауна хвойных лесов беднее, чем в лиственных. Одной из причин тому являются выделяемые хвойными особые вещества – фитонциды, которые обладают не только антибактериальным действием, но и угнетают рост других растений.
Хвойные широко используются в хозяйственной деятельности человека. Древесина используется как строительный материал, для изготовления мебели и производства бумаги; часто её используют как топливо. Из хвои получают каротин и витамин С. Смола используется для получения скипидара и камфары, лаков, канифоли, сургуча. Семена сосны сибирской (кедровые орешки) используются в пищу, из них также получают пищевое масло. Шишки можжевельника применяют в качестве лекарственного средства. Многие хвойные культивируют как декоративные растения и выращивают в парках и скверах.
4. Отдел Покрытосеменные (цветковые) растения.
Покрытосеменные, или цветковые – это наиболее распространённая группа растений, количество видов – около 250 000.
Цветковые доминируют во всех наземных экосистемах (кроме тайги). Они образуют основную массу растительного вещества биосферы и являются важнейшими продуцентами органики на суше. Это довольно молодая и наиболее высокоорганизованная группа среди растений, обладающая большой эволюционной гибкостью и большими возможностями приспособления к различным условиям среды. Некоторые виды освоили пресные и морские воды. Небольшое количество видов лишены хлорофилла и являются сапрофитами (подъельник) или паразитами (повилика).
Особенности покрытосеменных растений, обусловившие их процветание:
1. Максимальная редукция (упрощение строения) гаметофитов, полностью отсутствуют архегонии и антеридии.
2. Наличие особого генеративного органа – цветка, гомологичного стробилам голосеменных; специальные приспособления позволяют «использовать» для опыления различных животных (насекомых, птиц, летучих мышей и др.), а также потоки воздуха и воды.
3. Процесс полового размножения сопровождается двойным оплодотворением, в результате чего образуется диплоидная зигота и закладывается триплоидная питательная ткань – эндосперм.
4. Семязачатки защищены стенками завязи (отсюда и название – покрытосеменные); расселение осуществляется при помощи семени, расположенного внутри плода, помогающего распространять семена.
5. Вегетативные органы достигают наибольшей сложности и разнообразия.
6. Хорошо развита проводящая система, у большинства ксилема представлена сосудами, а не трахеидами; ситовидные элементы флоэмы имеют клетки-спутницы.
7. Фотосинтезирующий аппарат устойчив к действию прямых лучей света и позволяет заселять открытые, сильно освещённые места.
8. Большое разнообразие жизненных форм – древесные, полудревесные, травянистые и др., для некоторых характерно быстрое протекание процессов развития и роста (однолетние формы и эфемеры).
9. Могут образовывать сложные многоярусные сообщества.
Основываясь на строении цветка, а также на количестве семядолей выделяют классы однодольные и двудольные растения. Однодольные же произошли от примитивных двудольных и развивались параллельно с ними.
Основные различия между представителями представлены в таблице.
