Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 8. Рослини

Рослини — це багатоклітинні фотосинтезувальні організми, які обжилися в наземному середовищі існування

Рослини є однією з найуспішніших груп еукаріотів. їхні хлоропласти, утворені в результаті первинного ендосимбіозу, мають оболонку яка складається із двох мембран. їхні клітини вкриті щільною клітинною стінкою, основу якої становить целюлоза. Всі рослини є багатоклітинними організмами. Перші їхні представники були родичами сучасних зелених водоростей, що освоїли наземні місця існування. Багато рослин, зокрема такі як елодея і кушир (рис. 8.1), вторинно повернулися до водного способу життя, однак їх не варто плутати з водоростями, а краще називати «водними рослинами».

Рис. 8.1. Елодея (А) і кушир (Б)

Ці водні рослини часто використовують в акваріумістиці. їхні предки були сухопутними рослинами, що повернулися до водного способу життя. Називати їх водоростями некоректно, оскільки рослини не належать до водоростей.

Життєвий цикл рослин включає стадію гаплоїдного гаметофіту і диплоїдного спорофіту

Особливістю життєвого циклу рослин є послідовна зміна двох поколінь: статевого — гаметофіту і нестатевого — спорофіту (рис. 8.2). Гаметофіт є гаплоїдним і виробляє статеві клітини — гамети — шляхом мітозу. Гамети зливаються одна з одною та формують диплоїдну зиготу, з якої розвинеться диплоїдний спорофіт. Своєю чергою, спорофіт утворює гаплоїдні спори шляхом мейозу. Неважко здогадатися, що гаплоїдні спори дають початок гаметофіту та замикають життєвий цикл. Найімовірніше, у перших рослин гаметофіт і спорофіт мали приблизно однакову будову й займали рівні частини життєвого циклу. Однак, упродовж еволюції одні рослини пішли шляхом зменшення гаметофіту і домінування спорофіту — вони дали початок судинним рослинам. У життєвому циклі інших, навпаки, став домінувати гаметофіт. Ці рослини дали початок сучасним мохам.

Рис. 8.2. Схема життєвого циклу рослин

Мохоподібні — рослини, у яких у життєвому циклі домінує гаметофіт

Мохи є давньою екологічно й еволюційно успішною групою, що налічує не менше 18000 видів1. Мохи віддають перевагу вологим місцям проживання і часто оселяються в лісовій підстилці й на каменях, займаючи екологічні ніші, недоступні іншим рослинам (рис. 8.3, А, Б). Особливістю мохів є те, що в їхньому життєвому циклі домінує гаплоїдний гаметофіт — він становить собою зелену рослину, водночас як спорофіт живе на гаметофіті й харчується за його рахунок, тобто веде «паразитичний» спосіб життя (рис. 8.3, В). У деяких мохів простежується чітка відмінність між гаметофітом і спорофітом: спорофіт становить собою довгу ніжку з коричневою коробочкою, яка містить спори. Гаметофіт може мати різну будову. У печіночників він зазвичай виглядає як плоска пластинка, яка стелиться поверхнею, а у листкостеблових мохів — невелику прямостійку рослину зі стеблом і листям. Варто зазначити, що стебло і листки в цих мохів є органами гаметофіта, тому вони не відповідають стеблу і листкам, скажімо, соняшника. Це цілковито інші органи, незалежно розвинені в процесі еволюції.

1 Раніше мохи розглядали як відділ рослин, однак нові дані дають змогу зробити висновок, що це збірна поліфілетична група, яка складається як мінімум із трьох самостійних монофілетичних відділів: Листкостеблові мохи, Печіночники, Антоцеротоподібні мохи.

Рис. 8.3. Мохоподібні

А. Бріум — широко поширений представник листостеблових мохів, який зустрічається в лісах на пнях і стовбурах дерев. Спорофіт цього моху має вигляд коробочки на ніжці та живе за рахунок гаметофіту. Б. Маршанція є печіночним мохом. Її гаметофіт має вигляд розгалуженої пластинки, що росте на поверхні. В. Життєвий цикл мохів.

Судинні рослини мають розвинені провідні тканини, і в їхньому життєвому циклі домінує спорофіт

У судинних рослин, на відміну від мохів, у життєвому циклі домінує спорофіт. Загалом, він має два обов’язкові органи: пагін і корінь. Пагін відповідає за здійснення фотосинтезу й розмноження, водночас корінь — за прикріплення до субстрату і поглинання з нього води та мінеральних речовин. Гаметофіт хоча й наявний у життєвому циклі, але розвинений значно менше. У найпростішому випадку гаметофіт становить собою багатоклітинний вільноживний організм, але в найпрогресивніших груп судинних рослин (насінних рослин) гаметофіт редукований до кількох клітин і ніколи не залишає оболонки спори, з якої він розвинувся. Понад те, у них гаметофіт повністю залежить від спорофіту. Ще однією особливістю судинних рослин є наявність розвиненої системи провідних тканин, які забезпечують ефективний транспорт води, мінеральних солей і продуктів фотосинтезу по всьому рослинному організму. Це дозволило судинним рослинам освоїти більш посушливі місця існування, а також збільшити свій розмір. На сьогодні до судинних рослин належать три групи: Плауноподібні, Папоротеподібні та насінні рослини.

Плауноподібні — найпримітивніша група судинних рослин, у яких відсутнє справжнє листя

Найдавніша і найпримітивніша група судинних рослин — плауноподібні. Вони, зазвичай, мають пагін, укритий простими листками, який стелиться або трохи підіймається над землею. Такі листки розвинулися зі складок пагону і тому більш подібні на справжні листки прогресивніших груп рослин. Гаметофіт є підземною багатоклітинною масою, яка живиться гетеротрофно за рахунок симбіозу з грибами. На кінчиках пагонів багатьох плаунів формуються спороносні колоски, у яких утворюються спори (рис. 8.4, А).

Рис. 8.4. Плауноподібні

А. Плаун баранець. Б. Селагінела.

Рис. 8.5. Папоротеподібні

А. Папороть щитник чоловічий часто зустрічається в лісах. Його величезні листки - вайї - потрібні не лише для фотосинтезу, а й для поширення спор, які формуються на їхньому нижньому боці Б. Хвощі мають сильно редуковане листя, а фотосинтез здійснюють стебла. Вони мають почленовану будову, за що хвощів ще називають членистостебловими рослинами. Спори формуються у спеціалізованих колосках на верхівках пагонів. В. Життєвий цикл папороті.

Найскладнішу будову мають інші плауноподібні — селагінели: у них є листки двох типів, а пагони нагадують маленькі дерева (рис. 8.4, Б). Зараз у багатьох квіткових магазинах можна придбати селагінелу. Колись їхні родичі домінували в рослинних спільнотах і формували величезні ліси. їхні рештки відіграли неабияку роль у формуванні покладів кам’яного вугілля.

Папоротеподібні — надзвичайно різноманітна група спорових рослин

На відміну від плауноподібних, папоротеподібні розвинули справжнє листя, яке сформувалося зі сплощених та зрощених пагонів (рис. 8.5, А). Таке листя набагато ефективніше здійснює фотосинтез. У більшості сучасних папоротей є великі листки — вайї, на нижньому боці яких формуються спорангії зі спорами. Спори, зазвичай, проростають у крихітний гаметофіт, здатний до фотосинтезу заросток, що має вигляд пластинки. Після запліднення на гаметофіті виростає спорофіт, який швидко починає існувати самостійно (рис. 8.5, В).

Окремою спеціалізованою групою папоротеподібних є хвощі1 (рис. 8.5, Б). Вони мають спрощене листя і почленоване стебло. Як і у випадку зі звичайними папоротями, у хвощів зі спори формується невеликий гаметофіт, який бере участь у статевому розмноженні й дає початок спорофіту.

1 Раніше хвощі виділяли в окремий відділ у царстві Рослини, однак нещодавні дослідження виявили, що вони належать до відділу Папоротеподібні.

Насінина — унікальна структура, яка розвивається із насіннєвого зачатку

Близько 300 млн років тому найрозвиненіші папоротеподібні дали початок першим насінним рослинам. На відміну від спорових, у насінних на спорофіті утворюється спеціальна структура — насіннєвий зачаток. Він містить у собі жіночий гаметофіт, що виробляє яйцеклітини. Водночас чоловічий гаметофіт зменшився до стану кількох клітин і не залишає оболонки спори, з якої він формується. Мініатюрний чоловічий гаметофіт набув здатності переноситися вітром або за допомогою комах-запилювачів — так сформувався пилок. Після потрапляння пилку на жіночий гаметофіт відбувається запліднення, яке призводить до формування зиготи, а разом із нею і спорофіту. Однак жіночий гаметофіт продовжив розвиватися і разом зі структурами насіннєвого зачатку перетворився на особливий орган рослини — насінину. Насінина містить у собі тканини трьох різних поколінь: її оболонка формується із тканин материнського спорофіту, під нею розташовується жіночий гаметофіт, який тепер має назву ендосперм, а всередині нього — ембріональний спорофіт. Насіннєва оболонка захищає ембріон від висихання і дії несприятливих чинників довкілля, водночас ендосперм слугує запасом поживних речовин, які молодий спорофіт використовує під час проростання. Завдяки такій структурі ймовірність того, що насіння житиме і дасть життєздатний паросток, стала значно вищою, ніж у спори. Дійшла черга насінних рослин визначати зовнішній вигляд Землі!

Голонасінні рослини мають насіння, захищене виключно шкіркою

Перші насінні рослини були голонасінними. їхній ендосперм — запас поживних речовин для розвитку зародка — становить собою гаплоїдний гаметофіт, а єдиним покривом насіння слугує насінна шкірка. Найпоширеніші голонасінні рослини — хвойні (рис. 8.6, А). Вони формують величезні рослинні угруповання, такі як тайга. Листя хвойних рослин зазвичай жорстке, вкрите щільною восковою кутикулою. Така структура листя добре підходить для рослин, які зростають у посушливих місцях. Либонь, саме там розташовувався центр походження сучасних хвойних рослин. Однак, як виявилося, така структура листя також підходить і для рослин, які мешкають у регіонах із холодними суворими зимами. Таким чином, адаптація, що виникла для полегшення проживання в сухих і спекотних екосистемах, дозволила хвойним освоїти нові місця проживання в північних регіонах.

Рис. 8.6. Голонасінні рослини

А. Сосна. Б. Гінкго. В. Саговник. Г. Вельвічія. Д. Будова насінини сосни. Пам’ятайте, що насіннєва шкірка сформувалася з тканин материнської рослини, а ендосперм — це гаплоїдний жіночий гаметофіт.

Хвойні — не єдині представники голонасінних, які населяють нашу планету. Реліктова рослина гінкго також належить до голонасінних, оскільки має характерну будову насіння (рис. 8.6, Б). Доволі популярні серед квітникарів саговники, які ззовні нагадують пальми, також є голонасінними рослинами (рис. 8.6, В). І нарешті, унікальна рослина — вельвічія дивна, що росте в дуже посушливих умовах, — також є представницею цієї групи (рис. 8.6, Г).

Колись різноманіття голонасінних було набагато більшим, ніж зараз. Вони формували ліси по всій планеті до середини мезозойської ери. Однак наприкінці мезозою в екосистемах почала домінувати нова група насінних рослин, яка сформувала унікальні репродуктивні структури — квітку і плід.

Покритонасінні рослини мають особливі репродуктивні структури — квітки і плоди

На відміну від голонасінних, покритонасінні набули низку еволюційних нововведень. Це явище було відкрите українським ученим Сергієм Навашиним. По-перше, у них з’явилося подвійне запліднення, яке призводить до формування триплоїдного ендосперму. По-друге, листки із насіннєвими зачатками видозмінилися і перетворилися на замкнені структури — плодолистки, які захищають зародок зусібіч. Плодолистики разом з іншими листками перетворилися на особливий тип пагону — квітку, яка слугує для приваблювання запилювачів. І нарешті, після запилення і запліднення квітка перетворюється на нову структуру — плід, який потрібний для розповсюдження насіння. Ці та інші еволюційні надбання дозволили покритонасінним рослинам витіснити голонасінних і зайняти багато нових екологічних ніш (рис. 8.7). Нині покритонасінні рослини переважають у наземних екосистемах і визначають їхнє функціонування.

8.7. Покритонасінні рослини

А. Березовий гай — як дерева, так і трава в цьому гаю є покритонасінними рослинами. Б. Соняшник — суцвіття, що складається з безлічі мініатюрних квіток. Деякі з них лише приваблюють увагу запилювачів, а інші розвиваються у плоди соняшника — сім’янки.

Цікаве життя

Як мертві рослини забезпечують нас енергією

Близько 80 % усієї енергії, що використовує людство, виробляється внаслідок спалювання пальних корисних копалин. Основними такими копалинами є нафта, різні види вугілля і природний газ. Усі вони мають біогенне походження, тобто утворилися з відмерлих решток організмів.

Пальні копалини утворювалися в різний час, але за однаковою схемою. Спочатку рослинні рештки осідали на дно водойми, де не розкладалися через брак кисню і, як правило, підвищену кислотність середовища. З часом відбувалося нашарування осадових порід над рослинними рештками. У процесі ущільнення решток відбувалася їх дегазація й зневоднення. Ба більше, що глибше опинявся шар решток, то більші були тиск і температура. Тому процеси розкладу і виділення газів йшли інтенсивніше, а вміст Карбону зростав.

Нафтою і природнім газом ми завдячуємо водній рослинності і планктону, що століттями осідали на дно водойм. На глибині у 3-4 км за температури близько +150 °С відбувалося руйнування органічних речовин до низькомолекулярних вуглеводнів, що складають основу нафти. Якщо рештки опинялися ще глибше, то висока температура і тиск призводили до їх розпаду із утворенням природного газу. Основні поклади нафти і природного газу мають вік від 30 до 150 млн років.

Вугілля утворювалося із решток в основному наземних рослин. Стовбури, гілки і листя дерев накопичувалися в заболочених місцях чи ґрунті, що заливався водою. Залежно від епохи залягання джерелом решток могли бути гігантські деревні хвощі, плауни і папороті в ранні епохи (300—400 млн років тому), тоді як «молодше» вугілля має походження від голо- чи покритонасінних рослин або утворене рештками болотяних мохів. Нерозкладені рослинні рештки з часом заглиблювалися й ущільнювалися, а їх молекули розщеплювалися. У результаті спочатку із покладів торфу формувалося буре вугілля, потім кам’яне, далі антрацит і, зрештою, графіт. При цьому, вміст Карбону в копалинах зростав від 50 до 99 %, що й збільшувало теплотворність вугілля.

Кам'яне вугілля — це в основному спресовані рештки давно відмерлих наземних рослин

Тож теплими будинками, звареною їжею, електрикою і транспортом ми завдячуємо решткам померлих мільйони років тому рослин!

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Заповніть пропуски у твердженні про вищі рослини. Спорофіт вищих рослин має (1) набір хромосом, розмножується за допомогою (2) і переважає над гаметофітом у (3).

А 1 — гаплоїдний, 2 — спор, 3 — судинних рослин

Б 1 — диплоїдний, 2 — гамет, 3 — судинних рослин

В 1 — гаплоїдний, 2 — спор, 3 — мохоподібних

Г 1 — диплоїдний, 2 — гамет, 3 — мохоподібних

Д 1 — гаплоїдний, 2 — гамет, 3 — мохоподібних

• 2. Стебло є основною фотосинтезувальною частиною організму хвощів, оскільки

А хвощі належать до судинних рослин

Б хвощі розмножуються спорами

В у клітинах листків хвощів нема хлоропластів

Г у хвощів нема листків

Д у хвощів замала площа листків

• 3. Гаметофіт папоротеподібних рослин формується з

А заростка

Б спорангія

В спори

Г зиготи

Д вайї

• 4. Жіночий гаметофіт у покритонасінних рослин представлений

А пилком

Б квіткою

В маточкою

Г плодолистком

Д насіннєвим зачатком

• 5. Виберіть правильну характеристику плоду.

А плід виконує ті ж функції, що й насінина

Б плід є органом спорофіту насінних рослин

В усередині плоду утворюються гамети

Г плід — це видозмінений листок

Д вперше плоди з’явилися в голонасінних рослин

• 6. Увідповідніть рослину з систематичною групою, до якої вона належить.

1. вельвічія

2. маршанція

3. мак

4. хвощ польовий

А голонасінні

Б покритонасінні

В мохоподібні

Г папоротеподібні

Д плауноподібні

У житті все просто

• 7. Порівняйте у вигляді таблиці за розробленими власноруч критеріями судинні спорові рослини (хвощі, папороті, плауни) і насінні рослини.

• 8. Чи подібне місце займає мейоз у життєвому циклі рослин порівняно із тваринами? Чим це зумовлено?

• 9. Схарактеризуйте ознаки голонасінних рослин, що дозволили їм заселити посушливі місця суходолу.

У житті все не так просто

• 10. Що спільного в будові та життєдіяльності хвощів і папоротей? Чому хвощів віднесли до відділу Папоротеподібні?

• 11. Чому складні структури, що беруть участь у розмножені покритонасінних рослин (насінний зачаток, плодолистки, квітка), зумовили їхній еволюційний успіх? Які переваги надає наявність таких структур?

Проект для дружної компанії

• 12. Уявіть, що ви з класом маєте бажання заснувати агропідприємство з вирощування певної культури. Які рослини вигідно вирощувати у вашому регіоні? У що вам прийдеться вкласти гроші для започаткування виробництва?