Pteridophyta (отдел папоротникообразные): общие сведения. Папоротникообразные растения. Признаки, строение, классификация и значение

Общая характеристика папоротникообразных

Определение 1

Папоротникообразные (Polipodiophita ) - это отдел высших споровых растений, насчитывающий более 10 тыс. видов. Они встречаются в пустынях, сухих сосновых лесах, на болотах, озёрах, в солёных водоёмах.

Среди ископаемых папоротникообразных были большие деревья, кустарники и травянистые растения.

Папоротникообразные, как и другие высшие растения, характеризуются чередованием поколений. В цикле развития доминирует спорофит - в основном многолетнее травянистое или деревянистое растение со стеблем, листками и придаточными корнями. Листья, которые часто называют вайями, перистые, реже простые или пальчатые, длиной от 2-4 мм до 30 м.

Среди представителей отдела есть и крохотные растения длиной всего несколько миллиметров, и тропические древовидные гиганты высотой 25-30 м. В горных лесах преобладают лиановидные папоротники и эпифиты, которые растут на стволах и ветвях деревьев.

Для представителей папоротникообразных характерны несколько особенностей:

• в жизненном цикле преобладает фаза диплоидного спорофита (спорофит - типично сухопутное растение);
• спорангии размещены на нижней стороне листовой пластинки в сорусах;
• гаметофит приспособлен к проживанию в условиях чрезмерной влажности.

Бесполое размножение осуществляется спорами.

Современные папоротникообразные представлены равноспоровыми (щитовник мужской, папоротник женский, орляк, многоножка обычная, вудсия альпийская, адиантум венерин волос) и разноспоровыми (сальвиния плавающая, марсилия четырёхлистная, азола).

Большинство видов - равноспорые, то есть у них образуются морфологически одинаковые споры.

У разноспоровых папоротников формируются микро- и мегаспоры.

Половое поколение (гаметофит) равноспоровых видов имеет вид пластинки, ленточки, разветвлённой нити или клубенька, бывает одно- и многолетним.

У разноспоровых папоротников раздельнополовые гаметофиты очень редуцированы.

Оплодотворение происходит лишь при наличии воды.

Из зиготы вырастает новый спорофит.

Часто на корнях папоротника образуются выводковые почки, с помощью которых так же происходит бесполое размножение.

Замечание 1

Отдел Папоротникообразные делится на семь классов, из которых четыре объединяют ископаемые формы, а современные - представлены тремя классами:

• Ужовниковые;
• Мараттиевые,
• Полиподиевые (Папоротниковые).

Особенности жизненного цикла щитовника мужского

Щитовник (дриоптерис) мужской - многолетнее травянистое растение с толстым чёрно - бурым корневищем и 5 - 7 большими дважды перисторассечёнными листьями.

Листья у щитовника растут медленно. Закладываются они на верхушке корневища и на протяжении первого года остаются зачаточными. На следующее лето молодые листики имеют вид спиралей, густо покрытых коричневыми чешуйками. Весной третьего года улиткоподобно свёрнутые листики, нарастая верхушкой, освобождаются от чешуек и быстро разворачиваются.

Лист папоротника совмещает функции фотосинтеза и спороношения. Летом на их нижней стороне образуются кучки спорангиев - сорусы. Сверху они покрыты тонким покрывальцем - индузием. Однослойный спорангий имеет гребневидную полоску клеток с утолщёнными оболочками, что обеспечивает его раскрывание. Чаще всего в каждом спорангии формируется по 64 одинаковых споры. Каждая из них имеет по две оболочки: тонкую внутреннюю и толстую внешнюю.

На влажной почве спора прорастает и образует заросток (гаметофит). Он имеет вид небольшой серцевидной зелёной пластинки, которая прикрепляется к земле одноклеточными ризоидами. Половые органы формируются с нижней стороны заростка - архегонии возле выемки, а антеридии между ризоидами. Во влажную погоду спиральные многожгутиковые сперматозоиды выходят из антиридиев и, проникнув в брюшко архегониев, оплодотворяют яйцеклетки.

Из зиготы без периода покоя развивается зародыш - спорофит. Некоторое время он питается за счёт гаметофита, а через некоторое время образует корешок, стебель и первый листик и переходит к самостоятельному существованию.

Осенью большие листья щитовника отмирают, оставляя на корневище основы свои черешки.

Роль папоротникообразных в природе и жизни человека

В природе папоротникообразны учавствуют в формировании растительных сообществ лесных и горных районов, образуют значительную органическую массу (особенно в тропических и субтропических лесах). Они играют заметную роль в образовании земных ландшафтов.

Вымершие древовидные папоротники сыграли проводящую роль в формировании залежей каменного угля. Каменный уголь используется как топливо и сырьё в разных отраслях промышленности. Из него получают бензин, керосин, горючий газ, разнообразные красители, лаки, пластмассы, ароматические, лекарственные вещества и т. п.

Много современных видов культивируют как оранжерейные, комнатные и садово-парковые декоративные растения (адиантум венерин волос, нефролепис, птерис, асплений, страусиное перо и др.) Молодые листья орляка употребляют в пищу в свежем, солёном и маринованном виде.

Тропический водяной папоротник азолу используют как азотное удобрение на рисовых полях.

Среди папоротников встречаются и ядовитые виды.

Многие виды используют в народной медицине и гомеопатии для лечения разнообразных заболеваний (лёгочных, кишечных расстройств, рахита), их препараты имеют болеутоляющее, противовоспалительное действие, но наибольшее значение они имеют как антигельминтное средство.

Пожалуй, первое, что приходит на ум при упоминании папоротниковидных, - это загадочный, волшебный цветок. Никогда не цветущий в реальной жизни, но при этом являющийся одним из самых красивых растений, которые существуют в природе, папоротник уже давно стал героем сказок и легенд. Каким же он является на самом деле? Что правда, а что вымысел?

Папоротники, или, как их принято называть в научном мире, полиподиофиты, являются представителями высших сосудистых многолетних растений, к тому же весьма и весьма древними.

Первые из них появились на планете приблизительно четыреста миллионов лет назад, когда цветковых культур еще не было и в помине. Эпоха процветания папоротниковидных приходится на давно прошедшие эры - Палеозой и Мезозой. В этот период большинство древних папоротников были огромными деревьями, похожими на пальмы. Эти громадные растения занимали определяющую позицию в облике Земли. Впоследствии древесина древних папоротников послужила базисом, на котором образовался каменный уголь.

Папоротниковые преодолели долгий путь от возникновения на планете до настоящего момента. В числе немногих древних растений им удалось сохранить широкое разнообразие, сравнимое с тем, что было прежде. Пока другие представители флоры исчезали с земного шара, папоротники эволюционировали и образовывали новые виды. И, тем не менее, им есть куда прогрессировать.

Галерея: папоротники (25 фото)

Строение растения

По своему строению папоротниковые растения даже отдаленно не походят на цветковые. Органы папоротника уступают в развитии органам высших растений из других групп. Но именно эта своеобразная «недоразвитость» делает его уникальным и необычайно красивым.

Главная особенность строения папоротниковых заключается в том, что у них нет листьев. То, что у этих растений кажется листом, на самом деле является системой ветвей, которые расположены в одной плоскости. Называется эта система «вайя», или, по-простому, плосковетка. Вайя не делится на лист и стебель - если это разделение случится, папоротниковидные перешагнут на следующую ступень своего развития.

Хотя эволюция пока не наградила папоротниковых настоящими листьями, листовые пластины у них уже имеются. Они появились благодаря произошедшему уплощению плосковеток древних папоротников. Основа для листа уже существует. Но даже при тщательном рассмотрении вайи нельзя понять, где предполагаемый «стебель» переходит в «лист». Контуров, внутри которых листовые пластины могли бы объединиться в настоящий лист, еще не возникло.

Общее описание

Тело папоротниковых растений состоит из следующих органов:

• вайи, или листовые пластинки;
• черешки;
• видоизмененный побег;
• вегетативный корень;
• придаточный корень.

Эти представители флоры имеют коротковатый стебель, который представляет собой корневище, располагающееся в земле. Вайи произрастают из почек корневища и разворачиваются над почвенной поверхностью. Этим органам свойственен верхушечный рост, благодаря чему они способны достигать довольно крупных размеров. Но это уже зависит от конкретного растения - некоторые виды выделяются своей миниатюрностью.

Размножение

Размножение осуществляется несколькими способами:

• бесполым,
• половым.

На протяжении жизненного цикла растения эти способы чередуются. В результате этого по очереди возникают бесполое поколение (спорофит) и половое (гаметофит). Причем бесполая фаза преобладает.

Бесполое размножение у папоротниковидных происходит как вегетативно (корневищами, вайями и другими органами), так и при помощи спор. Последнее происходит так: споры образуют в нижней части листьев своеобразные скопления - сорусы, покрытые слоем пленки. Затем споры самостоятельно падают в почву, после чего из них прорастает небольшая листовая пластинка, производящая половые клетки. Размножение спорами - это довольно сложный процесс, поэтому на практике он осуществляется не так уж часто.

Виды папоротников

Папоротниковые растения разительно отличаются друг от друга по многим характеристикам - таким, как размер и строение, жизненные циклы и форма и т. д. Но какими бы разными они ни были, из-за характерного внешнего облика люди называют «папоротниками» все виды этих растений.

Мало кто знает, что это название объединяет в себе наибольшую группу споровых растений. Поэтому ответить на вопрос о том, сколько видов папоротников существует, невозможно абсолютно точно. Известны приблизительно три сотни родов, которые включают в себя свыше десяти тысяч видов папоротников.

Эти удивительные, уникальные растения распространены по всему миру. Самое широкое разнообразие папоротниковых встречается в тропиках и субтропиках, или, иначе говоря, в местностях с теплым и сырым климатом. Но все же в любой точке земного шара можно без труда отыскать представителей папоротников какого-либо вида.

По местам обитания эти растения можно разделить на три типа:

Помимо всего прочего, папоротниковидные часто встречаются на дорожных обочинах, а также на землях сельхозназначения в качестве сорной травы.

Из-за такого распространения и разнообразия внешнего облика весьма часто возникает путаница - одни считают растение кустарником, а другие - травой. Надо отметить, что обе версии верны. Папоротник имеет и травянистые формы жизни, и древесные. Поэтому на вопрос «кустарник или трава?» правильнее всего ответить, что он - и то и другое.

Папоротниковые растения бывают и редких сортов, и распространенных. О ярких представителях первых и последних пойдет речь далее.

Как известно, папоротниковидными интересуются не только натуралисты, но и садоводы - в качестве украшения своего участка. Ниже приведены виды и названия папоротников, относящихся к редким и распространенным сортам, которые, несмотря на свою непохожесть, способны преобразить и украсить любой сад - и как самостоятельные растения, и как оформление цветочных клумб.

Представитель редких видов - дебрянка колосистая

Данная разновидность в некоторых европейских государствах находится под охраной закона.

Происхождение названия этого сорта легко объяснимо. «Дебрянка» - из-за того, что этот вид произрастает главным образом в густых тенистых лесах, или, иначе говоря, в дебрях. «Колосистая» - за выходящие прямо из корневища колосовидные вайи.

Дебрянка - довольно крупное растение, внешне напоминающее небольшую пальму. Стебель этой «пальмы» на деле является видоизмененным корневищем, покрытым темно-коричневыми чешуйками. У пожилых растений высота стебля может доходить до 50 см.

Вайи дебрянки имеют перистую, рассеченную форму. Длина листьев даже у самых старых представителей вида обыкновенно не превышает 60 см, но у некоторых растений может разрастаться в пределах 1 метра.

Выращивание папоротника данного вида - дело весьма хлопотное. Дебрянка - очень капризное растение. Ее необходимо оберегать от сквозняков и низких температур. Кроме того, этот вид требует постоянной повышенной степени увлажненности, но ни в коем случае не в форме опрыскивания. Так что, для того чтобы украсить свой сад этим редким видом папоротникового растения, придется изрядно повозиться.

Представитель распространенных видов - «Страусово перо»

Свое название этот сорт приобрел из-за сильного сходства листьев с перьями страуса. Данный вид также называют «страусником обыкновенным» и «черным папоротником». Это одно из самых красивых папоротниковых растений. Вайи у этого вида вырастают весьма высокими - длина может доходить до полутора метров. Их соединяет короткое и очень прочное корневище.

«Страусово перо» бывает двух типов - со стерильными листьями и спороносными. Отличить их можно по внешнему виду. Спороносящий папоротник в центре воронки, образованной многочисленными перьевыми вайями, имеет несколько листьев меньшего размера и отличных по форме. У папоротника с вайями стерильного типа таких дополнительных листьев нет.

Представители этого вида не являются прихотливыми. Но все же кое-какие ограничения существуют. Почва, в которой растет данный папоротник, должна быть хорошо увлажненной, но без застоя. При условии обильного полива страусник разрастается невероятно быстро.

В общем и целом папоротниковидные любят тень, но в чересчур затененном месте обитания это растение может зачахнуть от недостатка света. Болезни и вредители не затрагивают «Страусово перо».

Этот вид является одним из самых излюбленных для применения в ландшафтном дизайне. На садовом участке или в горшке, отдельно или меж цветов - это растение смотрится более чем эффектно в любых обстоятельствах.

Узнать больше об этих и многих других видах, а также о том, каковы внешние особенности папоротниковидных растений всевозможных сортов, можно из различных печатных и электронных изданий. Специально для интересующихся природой в целом и папоротниковыми растениями в частности созданы своеобразные подобия каталогов, где названия и характеристики папоротников дополнены картинками с изображением описываемого вида.

Основные признаки Filicinophyta перечислены в табл. 2.9. Папоротники обычно встречаются только в тенистых влажных местах. Немногие папоротники могут расти на открытом месте, хо­тя самый обычный орляк (Pteridium ) составляет исключение. Папоротники широко распростра­нены в тропических дождевых лесах, где темпе­ратура, освещенность и влажность наиболее бла­гоприятны для них.

Папоротники – растения сосудистые; иными словами у них имеется проводящая ткань , которая состоит из ксилемы и флоэмы, выполняющих функцию транслокации (пере­носа) воды и питательных веществ в теле рас­тения. По сосудам ксилемы осуществляется перенос в основном воды и минеральных со­лей, тогда как флоэма переносит главным образом растворы органических веществ, таких как сахара. Проводящие ткани являются серь­езным эволюционным преимуществом по сравнению с простыми проводящими клетка­ми некоторых моховидных и водорослей. Эти ткани обнаружены только в спорофитном по­колении и именно поэтому спорофиты стано­вятся доминирующими у всех сосудистых рас­тений.

Таблица 2.9. Общие признаки отдела Filicinophyta (папоротниковидные)

Проводящие ткани выполняют две важные функции. Во-первых они образуют транспортную систему , переносящую питательные веще­ства и воду по многоклеточному телу, обеспечи­вая возможность развития крупного сложного тела. Во-вторых, они выполняют и опорную функцию , поскольку ксилема, будучи проводя­щей тканью, содержит лигнифицированные клетки – очень прочные и твердые. У сосудистых растений развивается и другая лигнифицированная ткань – склеренхима. Она усиливает механическую роль ксилемы (разд. 6.2.1).

Спорофитное поколение имеет настоящие корни, стебли и листья. Корни проникают в по­чву, что облегчает поступление в растение воды и растворенных веществ. По ксилеме они поступа­ют в другие части растения.

Как только тело растения, получив поддержку, смогло возвыситься над поверхностью земли, сразу же должна была возникнуть кон­куренция за свет, и в результате появилась тен­денция к развитию все более высоких форм. Папоротники и древовидные папоротники до­минировали на суше в течение примерно 70 млн. лет, начиная с девонского периода до пермского. Затем они были в значительной степени вытеснены сначала хвойными, а позд­нее и цветковыми растениями (см. т. 3, прило­жение 4).

Несмотря на существенные прогрессивные адаптации спорофитного поколения к воздуш­ной среде, гаметофит папоротниковидных, на­зываемый заростком , все еще сталкивался с большими проблемами. Он еще меньше по раз­мерам и менее стоек к обезвоживанию, чем га­метофит у моховидных. На заростках образуют­ся спермии, которые, как и у моховидных, мо­гут достичь женских гамет, только подплыв к ним.

Щитовник мужской (Dryopteris filix-mas)

Рис. 2.37. Внешний вид и основные признаки спорофитного поколения мужского папоротника Dryopteris filixmas . А. Схема и детали строения одной пары листочков; все другие листочки имеют такое же строение. Б. Листья (вайи) папоротника. В. Нижняя поверхность листа с видимыми на ней сорусами (некоторые сорусы покрыты индузием). Г. Продольный срез соруса в световом микроскопе. Д. Продольный срез соруса в схематическом изображении; показаны детали строенияспорангия и рассеивающиеся споры.

Это, пожалуй, самый распространенный в Ве­ликобритании папоротник; он встречается по всей стране в сырых лесах, лесопарках и дру­гих тенистых местах. Вайи (листья) спорофита, достигающие в высоту до 1 м и более, рас­тут от толстого горизонтального стебля, или корневища . На корневище находятся прида­точные корни . От основного корневища могут отламываться отдельные ветви и давать начало новым растениям. Это – одна из форм вегетативного размножения. У основания корневи­ще покрыто сухими бурыми чешуйками, защищающими молодые листья от заморозков и от засухи. Молодые листья плотно закручены в характерные для папоротников завитки. Вы­ше на черешке листа размеры чешуек посте­пенно уменьшаются, и расстояния между ни­ми увеличиваются. Черешок вайи называется главным черешком , а листочки, отходящие от него в обе стороны, – листочками перистого листа. Небольшие округлые выступы на лис­точках называются вторичным листочками . С внешними признаками спорофита Dryopteris filix-mas можно познакомиться на рис. 2.37; спорофит показан на рис. 2.38.

Рис. 2.38. Внешний вид гаметофитного поколения, или заростка, Diyopteris . А. Заросток имеет зеленый цвет и способен к фотосинтезу, У него нет ни проводящих тканей, ни кутикулы. Б. Заросток с растущим от не­го первым слоевищем спорофитного поколения. Внача­ле образующийся спорофит зависит от гаметофита, обеспечивающего его водой и минеральными вещества­ми, однако вскоре спорофит становится независимым растением, а гаметофит отмирает.

Споры образуются в конце лета в специаль­ных структурах, называемых спорангиями .

Спорангии находятся на нижней стороне вторичных листочков в особых скоплениях, получивших название сорусов (рис. 2.37, В, Г и Д). Каждый сорус покрыт защитным покры­валом – индузием. Внутри каждого спорангия происходит мейотическое деление диплоид­ных материнских клеток спор с образованием в результате гаплоидных спор. Созрев, инду­зий сморщивается и отпадает, а открывшиеся стенки спорангия начинают подсыхать. В кон­це концов стенка разрывается и споры «вы­стреливают» из спорангия как из катапульты (рис. 2.37, Д).

Споры прорастают, давая начало гамето­фитному поколению. Гаметофит представляет собой тонкую сердцевидную пластинку клеток диаметром около 1 см (рис. 2.38). Эта пластин­ка имеет зеленый цвет, способна к фотосинте­зу и прикрепляется к почве одноклеточными ризоидами. Поскольку у такого нежного заро­стка нет кутикулы, он быстро высыхает и, сле­довательно, может жить только во влажной среде.

На нижней стороне гаметофита (заростка) образуются простые архегонии и антеридии. Эти репродуктивные органы защищают нахо­дящиеся в них гаметы. Гаметы возникают в результате митоза из материнских половых клеток; при этом, как и у моховидных, в анте­ридиях образуются спермии, а в каждом архе­гонии – по одной яйцеклетке. Спермии снаб­жены жгутиками. Во влажных условиях созревшие спермии высвобождаются из анте­ридиев и по водной пленке подплывают к архегониям. В результате оплодотворения об­разуется диплоидная зигота. Обратите внима­ние, что оплодотворение у папоротниковид­ных, также как и у моховидных, все еще зави­сит от наличия воды.

Зиготы дают начало спорофитному поколе­нию. Молодой зародыш поглощает питательные вещества из гаметофита до тех пор, пока эту фун­кцию не возьмут на себя собственные листья и корни (рис. 2.38, Б). Гаметофит вскоре увядает и отмирает.

1. Общие признаки папоротникообразных.

Папоротникообразные имеют корни и побеги (стебли с листьями), размножаются спорами. Споры образуются в спораниях в результате редукционного деления. В жизнен-ном цикле преобладает спорофит (диплоидное поколение), половые органы (архегонии и антеридии) образуются на заростках (гаметофитах) небольших размеров (гаплоидное поколение).

2. Каковы особенности строения и размножения папорот-ников?

Папоротники — травянистые растения, у них нет кам-бия, поэтому среди них не встречаются деревья. Папорот-ники средней полосы России — многолетние травянистые корневищные растения. Листья — крупные сильно рассе-ченные, отходят от корневища. Черешки покрыты бурова-тыми чешуйками. Листья нарастают верхушкой (как побе-ги), молодые листья образуют на верхушке завитки — «улитки», которые защищают верхушечную меристему. Из-за этих особенностей, не свойственных листьям, их называ-ют вайями. На корневище образуются придаточные корни.

Папоротники — преимущественно лесные растения. Особенно много их во влажных лесах тропиков. Листья тропических папоротников разнообразны по форме и раз-мерам: могут быть сильно рассеченные и цельные, от 3-4 мм (2-4 см) до 2 м (самые крупные 5-6 м). Некоторые представляют собой лианы с выдающимися стеблями и ли-стьями, иногда до 30 м.

Среди тропических папоротников есть древовидные формы до 10 м высотой и более. Некоторые представляют собой лианы с вьющимися стеблями или листьями, есть растения, напоминающие деревья, со стволами до 10 м высотой и более. Особенно много среди папоротников эпифитов, поселяющихся на стволах и ветвях деревьев. В умеренных широтах папоротников немного. Самые обычные для сред-ней полосы папоротники: мужской папоротник, женский папоротник, орляк, страусопер и некоторые другие. Материал с сайта

Размножение папоротников. У папоротников нет спо-роносных колосков. На нижней стороне листа (но не каждо-го листа) образуются спорангии, собранные в сорусы и часто прикрытые покрывальцами или краем пластинки листа. По форме спорангий похож на двояковыпуклую линзу. Стенки образованы одним слоем клеток. Все они тонкостенные, за исключением клеток, расположенных по гребню — кольца. У этих клеток утолщены внутренняя и боковая стенки. Кольцо занимает 2/3 гребня, 1/3 клеток с тонкими стенками — устье. При созревании спор происходит разрыв стенки спорангия в устье, а кольцо, подобно пружине, разбрасывает споры. Из споры вырастает новое поколение — гаметофит (или заросток). Это небольшая пластинка (несколько мм) сердцевидной формы, которая прикрепляется к почве ри-зоидами. Гаметофит зеленого цвета и может фотосинтези-ровать. На его нижней стороне образуются антеридии и архегонии. В антеридиях образуются сперматозоиды, в архегониях — яйцеклетки. В результате оплодотворения об-разуется зигота, из нее развивается зародыш, а потом и мо-лодое растение папоротника.

Самые древние папоротникообразные известны нам по ископаемым отпечаткам конца Силурийского периода, их возраст составляет примерно 380 млн. лет. Неизвестно, произошли ли эти растения от мохообразных или независимо от водорослей, но это самые первые из известных нам сосудистых растений. Сосудистые растения - это растения, у которых имеется сосудистая или проводящая ткань , т. е. проводящие ткани ксилемы и флоэмы. Чтобы подчеркнуть, насколько крупным достижением по сравнению с простыми проводящими клетками некоторых мохообразных является возникновение проводящей ткани, все сосудистые растения иногда включают в один отдел Tracheophyta с двумя подотделами - папоротникообразных и более прогрессивных семенных растений.

Наличие проводящих тканей - это один из признаков спорофитного поколения, т. е. поколения, которое у мохообразных относительно невелико и зависит от гаметофита. Именно наличие проводящей ткани не у гаметофитного, а у спорофитного поколения является единственной причиной, по которой у всех сосудистых растений доминирует спорофит.

Для нас здесь важны два свойства проводящей ткани. Во-первых, она образует транспортную систему , которая разносит питательные вещества и воду по всем клеткам тела, что позволяет растениям достигать больших размеров и сложной организации. Во-вторых, тело растения получает внутреннюю опору , так как ксилема не только служит проводящей тканью, но и содержит лигнифицированные клетки, которые обладают большой прочностью и жесткостью. У некоторых вымерших папоротникообразных за счет вторичного роста интенсивно развивалась ксилема, образуя древесину - основную опорную ткань современных деревьев и кустарников. У сосудистых растений развита и другая лигнифицированная ткань - склеренхима, которая дополнительно увеличивает механическую прочность ксилемы (разд. 8.2.1). Проводящие ткани папоротникообразных примитивнее по своему строению, чем проводящие ткани цветковых растений. Так, ксилема папоротникообразных образована не сосудами, а трахеидами, а флоэма - не ситовидными трубками, а ситовидными клетками (разд. 8.2.2).

У самых первых сосудистых растений - псилофитов (эта группа сейчас почти целиком вымерла) - не было корней, которые появились только позднее у других папоротникообразных. Корни проникают глубоко в почву, что облегчает добывание воды, которая разносится по ксилеме ко всем остальным частям растения. В процессе эволюции возникли три явно отличающиеся друг от друга группы папоротникообразных - плауны, хвощи и папоротники; все они дожили до наших дней.

Как только тело растения получило возможность возвышаться над землей, сразу же возникла конкуренция за свет и проявилась тенденция к развитию все более высоких форм. Последовавший за силурийским девонский период отмечен появлением "древовидных" папоротников, одревесневшие стволы которых имели толщину до 2 м и достигали 30 м в высоту. К следующему, каменноугольному периоду повсюду были распространены громадные заболоченные леса из гигантских плаунов и хвощей; из этих "деревьев" в конце концов возникли современные залежи каменного угля. В этих лесах достигли расцвета насекомые и земноводные. Повсюду встречались и папоротники, и древовидные папоротники (у которых не было древесины). Папоротникообразные доминировали среди растительности около 70 млн. лет, начиная с девонского периода и вплоть до пермского периода, когда их вытеснили сначала голосеменные, а затем и цветковые растения (см. геохронологическую шкалу в приложении 5).

Несмотря на большой прогресс в приспособлении спорофитного поколения в сухопутной среде, адаптация практически не затронула гаметофита. Гаметофит у папоротникообразных еще меньше и еще менее стойкий к обезвоживанию, чем у мохообразных; он называется заростком и отмирает тотчас же, как только из него образуется новый спорофит. На заростках развиваются сперматозоиды, которые, плавая в каплях воды, достигают женских гамет.

Разноспоровость

У некоторых папоротникообразных гаметофит защищен и остается внутри споры предшествующего спорофитного поколения. В этом случае образуются споры двух разных типов, поэтому растения с такими особенностями называют разноспоровыми . Растения, у которых все споры одинаковые, как у мохообразных, называют равноспоровыми .

У разноспоровых растений образуются крупные споры, которые называются мегаспорами , и мелкие споры, называемые микроспорами . Структуры, которые участвуют в образовании спор, имеют разные названия, что отражено в табл. 3.6 и на рис. 3.26.

Таблица 3.6. Словарь терминов, применяемых при описании процесса спорообразования

Стробил или спороносная шишка - собранные вместе спорофиллы. Спорофилл лист, на котором образуются спорангии (от греч. Phyllon - лист). Мегаспорофилл - лист, несущий мегаспорангии. Микроспорофилл - лист, несущий микроспорангии. Спорангий - структура, в которой у растений образуются споры; спорангии участвуют в бесполом размножении. Мегаспорангии спорангий, в котором образуются мегаспоры. Микроспорангий спорангий, в котором образуются микроспоры. Мегаспора - сравнительно крупная спора, которая прорастая образует женский гаметофит. Микроспора - относительно мелкая спора, которая прорастая образует мужской гаметофит. Равноспоровое (гомоспоровое) растение-растение, образующее споры только одного типа, например Pellia, Funaria, Dryopteris. Разноспоровое (гетероспоровое) растение-растение, образующее споры двух разных типов, т. е. мегаспоры и микроспоры, например Selaginella и все тайнобрачные растения.

Из мегаспор вырастают женские гаметофиты (женские заростки), на которых развиваются архегонии, а микроспоры дают начало мужским гаметофитам (мужским заросткам), на которых развиваются антеридии. Сперматозоиды, образующиеся в антеридиях, затем мигрируют к женским заросткам. И мужские, и женские заростки остаются спрятанными внутри спор. Микроспоры очень мелкие, образуется их очень много, и они легко разносятся ветром; вместе с микроспорами рассеиваются и мужские заростки, находящиеся в них. Появление разноспоровости - очень важный этап эволюции семенных растений, о чем мы поговорим ниже.

3.4.1. Систематика и основные признаки Pteridophyta

Систематика и основные признаки современных папоротникообразных представлены в табл. 3.7. Опущен класс Psilopsida, который почти полностью вымер.

3.4.2. Класс Pteropsida - папоротники

Основные признаки Pteropsida перечислены в табл. 3.7. Папоротники обычно встречаются только во влажных тенистых местах. Немногие папоротники могут расти на открытом месте; таким исключением является самый обычный папоротник-орляк (Pteridium). Папоротники широко распространены в тропических дождевых лесах, где условия (температура, освещение и влажность) для них наиболее подходящие.

Мужской папоротник (Dryopteris filix-mas), пожалуй, наиболее распространен в Великобритании; он встречается по всей стране в сырых лесах, лесополосах и других тенистых местах. Вайи (листья) спорофита достигают высоты до 1 м и более и растут от толстого горизонтального стебля или корневища . На корневище находятся придаточные корни . От основного стебля могут отламываться отдельные ветви и давать начало новым растениям, это - одна из форм вегетативного размножения. У основания слоевище покрыто сухими бурыми чешуйками, которые защищают молодые листья от заморозков и от засухи. Молодые листья плотно закручены в характерные для папоротников "завитки". Выше по слоевищу размеры чешуек постепенно уменьшаются, и они все дальше отходят друг от друга. Главная ось слоевища называется главным черешком , а листочки, отходящие от нее в обе стороны, называются листочками перистого листа . Небольшие округлые выступы на листочках называются вторичными листочками . С внешним видом и основными признаками спорофита Dryopteris filix-mas можно познакомиться на рис. 3.27.

Жизненный цикл

Жизненный цикл Dryopteris представлен в виде схемы на рис. 3.28.

Бесполое размножение . Споры образуются в конце лета в специальных структурах, которые называются спорангиями . Спорангии находятся на нижней поверхности листа в особых скоплениях, которые называются сорусами (рис. 3.28, А). Каждый сорус закрыт округло-сердцевидным покрывалом, которое называется индузием . Внутри каждого спорангия происходит мейотическое деление диплоидных материнских клеток спор и образуются гаплоидные споры. Все споры совершенно одинаковы, поэтому Dryopteris относится к равноспоровым растениям. После созревания индузий высыхает, сморщивается и отпадает, а открывшийся при этом спорангий начинает подсыхать. В стенке каждого спорангия располагается кольцо - гребневидная полоска клеток, внутренние и радиальные стенки которых утолщены (рис. 3.28, Б). Такие клетки окружают не весь спорангий; часть клеток кольца имеет тонкие стенки. Несколько тонкостенных клеток образуют особый участок, называемый стомиумом. По мере высыхания клеток кольца их тонкие наружные стенки начинают втягиваться внутрь сморщенной цитоплазмы. Возникающее при этом напряжение заставляет лопаться всю полоску тонкостенных клеток, и при этом кольцо закручивается назад. Когда клетки лопаются, споры "выстреливают" из спорангия, как из катапульты. В конце концов цитоплазма тоже выталкивается из клеток кольца, в результате чего в нем резко снимается напряжение, и оно снова возвращается в исходное положение, выбрасывая наружу последние остатки спор.

Прорастание. Споры остаются в состоянии покоя недолго, и если условия позволяют, то они прорастают и дают начало новому гаметофитному поколению. Гаметофит представляет собой тонкую сердцевидную пластинку диаметром около 1 см (рис. 3.28, А). Пластинка зеленая, способна к фотосинтезу и прикрепляется к почве одноклеточными ризоидами. У такого очень нежного заростка нет кутикулы, он быстро высыхает и поэтому может жить только там, где достаточно влаги.

Половое размножение. На нижней поверхности гаметофита (заростка) образуются простые антеридии и архегонии (рис. 3.28, А). Эти репродуктивные органы защищают находящиеся в них гаметы. Гаметы возникают путем митоза из материнских клеток гамет; при этом, как и у мохообразных, в антеридиях образуются сперматозоиды, а в архегониях - по одной яйцеклетке. У каждого сперматозоида имеется пучок жгутиков. Если влаги хватает, то из антеридиев выходят созревшие сперматозоиды, которые подплывают к архегониям. Движение сперматозоидов обусловлено ответной реакцией хемотаксиса на яблочную кислоту (2-гидроксибутан-дикарбоновую кислоту), выделяемую клетками шейки архегония. Оплодотворение обычно перекрестное, потому что антеридии созревают раньше архегониев. После оплодотворения образуется диплоидная зигота. Запомните, что оплодотворение, как и у мохообразных, все еще зависит от наличия воды.

Развитие зиготы . Из зиготы развивается спорофит. У молодого зародыша образуется ножка, через которую он поглощает питательные вещества гаметофита, пока эту функцию не возьмут на себя собственные корни и листья спорофита. Гаметофит вскоре увядает и отмирает.

Жизненный цикл папоротника схематически представлен на рис. 3.29.

3.7. В чем выражается более совершенная, чем у печеночников и мхов, адаптация папоротников к жизни на суше?

3.8. Какие поколения папоротникообразных могут полностью обеспечивать себя питательными веществами?

Выберите правильные ответы:

а) взрослые печеночники и гаметофиты мхов;

б) взрослые печеночники и спорофиты мхов;

в) взрослые гаметофиты папоротников;

г) взрослые спорофиты папоротников.

3.9. В чем выражается недостаточная адаптация мхов, печеночников и папоротников к жизни на суше?

3.10. Как распространяются папоротники?

3.11. а) Чем защищена зигота печеночников (или мхов) и папоротников? б) Как она снабжается питательными веществами?

3.4.3. Класс Lycopsida - плауны

Основные признаки Lycopsida перечислены в табл. 3.7. Обратите внимание на то, что, несмотря на некоторое внешнее сходство с мхами, эти растения принадлежат к папоротникообразным и более высоко организованы, чем настоящие мхи, которые относятся к мохообразным. Когда-то Lycopsida были распространены гораздо шире, чем в наши дни; среди них было много древовидных, о чем говорилось на с. 76. По своей приспособленности к жизни на суше плауны занимают промежуточное положение между папоротниками и семенными растениями.

Представители рода Selaginella (плаунки) распространены главным образом в тропиках, а в Великобритании встречается всего один вид - S. selaginoides. Это растение довольно обычно в горных областях на северо-западе Великобритании, где его можно найти в благоприятных для него влажных условиях, на мокрых скалах, пастбищах и вблизи воды. Для S. selaginoides характерен стелющийся стебель, который обычно плоско лежит на земле, и от него отходят короткие прямостоячие ветви. Внешний вид самой обычной селагинеллы, часто встречающейся в теплицах, - S. Kraussiana - показан на рис. 3.30. У этого растения четыре ряда небольших листьев, которые расположены супротивно парами, при этом каждая пара состоит из большого (нижнего) и малого (верхнего) листьев. У основания каждого листа имеется язычок (лигула) - небольшой пленчатый вырост. Вниз от стебля отходят похожие на корни образования, которые называются ризофорами . Ризофоры ветвятся и дают придаточные корни.

При размножении образуются вертикальные ветви, которые называются стробилами или шишками . Стробилы состоят из четырех вертикальных рядов листьев одинакового размера, на дорсальной поверхности которых образуются спорангии; поэтому их называют спорофиллами .

Жизненный цикл

Жизненный цикл Selaginella изображен схематически на рис. 3.31. Если вам не известно значение терминов, которые мы будем использовать дальше, обратитесь к табл. 3.6.

Бесполое размножение . Как сказано выше, Selaginella образует стробилы, или шишки. Нижние листья представляют собой мегаспорофиллы, на которых образуются мегаспорангии, верхние листья - микроспорофиллы, на которых образуются микроспорангии (рис. 3.32). В каждом мегаспорангии образуются по четыре мегаспоры, а в каждом микроспорангии - множество микроспор; и в том и в другом случае происходит мейотическое деление материнских клеток спор. Поскольку образуются споры двух разных типов, Selaginella относят к разноспоровым растениям.

Развитие спор и половое размножение . микроспоры дают начало мужским гаметофитам. В процессе развития микроспоры высвобождаются и рассеиваются или же высыпаются вниз на мегаспорофиллы. Содержимое микроспоры превращается в мужской заросток, состоящий из одной вегетативной клетки и одиночного антеридия, внутри которого после митоза образуются сперматозоиды со жгутиками. Заросток - редуцированное гаметофитное поколение - не способен к фотосинтезу и целиком зависит от запаса питательных веществ в микроспоре. Можно проследить, что эти вещества образовались еще у предыдущего спорофитного поколения.

Из мегаспор развиваются женские гаметофиты. Снова развитие начинается задолго до рассеивания спор, причем содержимое мегаспоры превращается в женский заросток - редуцированный гаметофит. После раскрывания споры заросток выходит наружу. Он образует ризоиды, частично зеленеет, и в нем начинаются процессы фотосинтеза. Однако, как и у мужских гаметофитов, основная часть питательных веществ поступает из запасов споры, которые образовались еще у предшествующего спорофитного поколения. На поверхности женского заростка появляются архегонии, внутри которых находится по одной яйцеклетке, образовавшейся путем митоза.

Обратите внимание на то, что зрелые гаметофиты плаунов не отделены от спорофита и этим отличаются от всех уже рассмотренных нами сухопутных растений. Это очень важное эволюционное достижение - одно из приспособлений к жизни на суше, которое привело к тому, что легко уязвимый гаметофит стал хотя бы отчасти защищен спорой. Гаметофитное поколение не способно жить самостоятельно, оно питается за счет веществ, которые запасло в споре предшествующее спорофитное поколение.

Вместе с преимуществами проявились и сопутствующие им недостатки, связанные с тем, что сперматозоиды должны путешествовать от мужского заростка, находящегося внутри микроспоры, к женскому заростку, лежащему внутри мегаспоры. Самооплодотворение гаметофита становится совсем невозможным, а споры (а следовательно, и гаметофиты) при рассеивании могут быть отнесены далеко друг от друга.

Оплодотворение . Стенки микроспор разрушаются, и сперматозоиды выходят наружу. Для того чтобы это произошло, нужна вода, поскольку только тогда сперматозоиды смогут подплыть к архегониям на женском заростке. Заросток все еще находится в мегаспоре, а она либо по-прежнему прикреплена к родительскому спорофиту, либо же отделяется от него. Сперматозоиды проникают в шейку архегония, один из них сливается с яйцеклеткой, и образуется диплоидная зигота.

Развитие зиготы . Зигота развивается в зародыш спорофита. Верхняя часть зародыша превращается в удлиненную структуру, называемую подвеском, которая проталкивает зародыш к запасу питательных веществ гаметофита и мегаспоры. У зародыша образуются корень, стебель и листья. До тех пор, пока он не станет самостоятельным фотосинтезирующим растением, он питается через ножку.

Обратите внимание на то, что более крупные по сравнению с микроспорой размеры мегаспоры связаны с наличием в ней запасов питательных веществ. Этими запасами снабжается не только женский гаметофит, но и зародыш следующего за ним спорофитного поколения. Таким образом, питательные вещества, запасенные одним спорофитным поколением, используются на ранних этапах развития следующего спорофитного поколения. Жизненный цикл Selaginella показан на рис. 3.32.

3.4.4. Класс Sphenopsida - клинолистовидные, или членистые (хвощи)

Основные признаки Sphenopsida представлены в табл. 3.7. Единственный дошедший до нас род Equisetum включает в себя около 25 видов * , распространенных по всему земному шару (кроме Австралии) ** . Многие из них обитают во влажных и сырых местах, вблизи прудов и на болотах. Однако обыкновенный, или полевой, хвощ (Equisetum arvense) обычен по всей Великобритании и встречается даже в более сухих местах: на полях, по обочинам дорог, на пустошах и в садах.

* (32 вида. - Прим. перев. )

** (И Новой Зеландии. - Прим. перев. )

У спорофитов имеются горизонтальные подземные стебли (корневища), а высота надземных побегов обычно не превышает 1 м. От узлов отходят мутовки мелких заостренных листьев, похожих на чешуйки. Воздушные побеги бывают двух типов - "стерильные" вегетативные побеги и "плодущие" побеги, несущие спороносные шишки (стробилы). Стерильные побеги зеленые; от узлов у них отходят не только мутовки чешуевидных листьев, но и мутовки ветвей. Плодущие побеги у большинства видов бесцветные или бледнобурые, не ветвятся, и на верхушке у них сидит по одному спороносному стробилу; у некоторых видов эти побеги зеленые и ветвятся. Междоузлия (участки между узлами) всех составных частей растения в середине полые, а снаружи покрыты рядом продольных низбегающих бороздок. Внешний вид и некоторые признаки Е. arvense изображены на рис. 3.33.

Рис. 3.33. Внешний вид и характерные особенности спорофитного поколения Equisetum arvense. "Плодущие" (спорангиеносные) побеги высотой 10-25 см красно-коричневого цвета появляются в марте. Спорофилл представляет собой плоский диск на короткой ножке, на нижней стороне которого располагается 5-10 спорангиев. Стерильные вегетативные побеги достигают в высоту 20-80 см. На каждом узле побега располагается мутовка мелких, похожих на чешуйки зеленых листьев (микрофиллов). Корневище представляет собой горизонтальный подземный стебель с хорошо выраженными узлами и междоузлиями; на каждом узле корневища развиваются хорошо разветвленные придаточные корни . Клубень - это короткая округлая ветвь длиной в одно междоузлие; предназначен для зимовки и вегетативного размножения