Разнообразие растений - Организменный уровень организации жизни

Водоросли. Характеристика и систематика

Водоросли — сборная группа фотосинтезирующих автотрофных эукариот, которая насчитывает около 21 000 видов. Выделяют несколько отделов (красные, бурые, золотистые, желтые, диатомовые, зеленые и др.), которые отличаются организацией клеток, набором пигментов, запасных веществ, строением жгутиков (при их наличии) и т. д. Среди водорослей есть одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы.

Обитают в разных водоемах, ряд видов распространен на суше (на почве, камнях, коре деревьев), хотя и там водоросли напрямую зависят от капельной влаги. Встречаются водоросли в снегу, во льдах, известняковых субстратах. Могут вступать в симбиотические отношения с представителями других царств (лишайники — симбиоз водорослей с грибами).

Тело водорослей называется слоевищем (таллом). Оно может быть представлено единственной клеткой (неподвижной или плавающей с помощью жгутика). колонией клеток, многоклеточной нитчатой структурой, пластом и т. д. Хлоропласты водорослей (также называются хроматофорами), кроме хлорофилла и каротиноидов, могут содержать дополнительные пигменты бурого, синего и красного цвета, которые помогают максимально улавливать солнечную энергию на разной глубине водоемов. Ближе к поверхности находятся водоросли с зеленой окраской, а на глубине — бурые и красные.

Многие водоросли способны к вегетативному размножению фрагментами таллома. Одноклеточные водоросли способны к простому делению пополам. Бесполое размножение осуществляется с помощью спор — специализированных клеток, служащих для размножения и расселения. Половое размножение заключается в слиянии двух гамет с образованием зиготы. Гаметы могут быть одинаковыми (изогамия), отличаться (анизогамия) или сильно отличаться (оогамия — женская гамета большая и неподвижная, мужская — мелкая и подвижная). Жизненные циклы бывают с чередованием полового и бесполого поколений.

Разнообразие водорослей:

1 — макроцистис; 2 — саргассум; 3 — хламидомонада; 4 — ламинария; 5 — фукус; 6 — пинулярия

В водоемах водоросли являются продуцентами, составляют первое звено многих пищевых цепочек водоемов; определяют уровень биологической продуктивности водоемов. Они выделяют кислород, необходимый для дыхания водных организмов. Некоторые водоросли участвуют в процессах естественного очищения вод. Многие 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, он применяется в пищевой, бумажной, фармацевтической, текстильной отраслях, в биологических исследованиях при культивировании организмов. Возможности практического использования водорослей далеко не исчерпаны.

Отдел Зеленые водоросли — один из самых многочисленных отделов водорослей, насчитывает до 20 000 видов. Фотосинтезирующие пигменты — хлорофилл, запасное вещество — крахмал, включают организмы, различные по строению слоевища: одно- (хламидомонада, хлорелла), многоклеточные (спирогира, улотрикс, ульва), колониальные (вольвокс).

Одноклеточные могут двигаться благодаря наличию жгутиков и могут переходить на гетеротрофный тип питания (на этом основано использование зеленых водорослей для очистки воды). Благодаря наличию светочувствительного глазка (стигмы) происходит движение к источнику или от источника света — фототаксис. Бесполое размножение происходит или делением на части таллома (митотическим путем), или образованием спор (зооспор). При половом размножении характерны изогамия (хламидомонада), анизогамия (эударина), оогамия (вольвокс). Для некоторых характерен только половой процесс — конъюгация (спирогира).

Отдел Диатомовые водоросли — группа микроскопических, преимущественно одноклеточных водорослей, насчитывает до 40 000 современных и ископаемых видов. Населяют пресные и соленые водоемы, образуя значительную часть планктона и бентоса. Являются кормом для многих водных организмов (в частности, для мальков рыб). Отмирая, диатомеи дают массу детрита и растворимых органических веществ, которые используются для питания бактерий и простейших. Панцири диатомовых скапливаются в большом количестве на дне, образуя диатомовые илы; горная порода диатомит на 50-80% состоит из панцирей диатомовых водорослей.

Характерный признак — наличие кремнеземного панциря на поверхности клетки. Панцирь состоит из двух створок, которые вставляются друг в друга, и пронизан мелкими отверстиями, обеспечивающими обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Хлоропласты бурого цвета содержат хлорофиллы и фукоксантин. Бесполое размножение происходит путем деления клетки надвое. Иногда размножаются половым путем. К ним относятся пинулярия, навикула, мелозира и др.

Отдел Бурые водоросли — исключительно морские многоклеточные организмы, в основном макроскопические — до 60 м в длину. В холодных морях образуют вдоль берегов большие заросли. Насчитывается около 1,5 тыс. видов бурых водорослей. Таллом окрашен в различные оттенки бурого цвета. Наиболее высокоорганизованные имеют трехмерную структуру (имеется подобие тканей). Запасное вещество — ламинарин.

Размножаются вегетативно, спорами, зооспорами и половым путем. Характерно чередование поколений с преобладанием спорофита. Наиболее известные представители: саргассум, ламинария, макроцистис, фукус.

Отдел Красные водоросли — преимущественно морские высокоорганизованные водоросли (хотя есть и пресноводные виды). Слоевище имеет сложное строение, цвет изменяется от розово-красного до голубовато-зеленого и желтого. Пигменты — хлорофилл и фикобилины, благодаря которым они могут находиться на больших глубинах. Обычно прикрепляются к камням или другим водорослям. Не имеют жгутиковых стадий. Для красных водорослей характерны сложные жизненные циклы. Размножаются вегетативно, спорами и половым путем. Наиболее известными являются порфира, калитамнион, делессерия. В пресных водах изредка встречается батрахоспермум.

Отдел Моховидные

Древняя группа небольших растений (до 20 см высотой), насчитывает около 25 000 видов. Считается самостоятельной тупиковой ветвью эволюции растений. Встречаются почти на всех континентах, широко распространены во влажных местах, хотя могут распространяться и в засушливых районах (стели, саванны).

Схема жизненного цикла моховидных (на примере кукушкиного льна):

1 — коробочка; 2 — крышечка; 3 — колпачок; 4 — споры; 5 — протонемы; 6 — гаметофиты; 7 — архегоний с яйцеклеткой; 8 — антеридии со сперматозоидами; 9 — гаметофит со спорофитом

В жизненном цикле наблюдается чередование поколений с доминированием гаметофита. Он гаплоидный, имеет вид слоевища или разделен на стебель и листья. Внутреннее строение простое, имеют частично отделенные ткани (проводящая, механическая и основная). Выполняют основные функции - фотосинтез, водоснабжение, минеральное питание. Прикрепление к субстрату осуществляется ризоидами (корней не имеют). На гаметофитах развиваются антеридии и архегонии.

Оплодотворение связано с наличием капельной влаги. На гаметофите из оплодотворенной яйцеклетки развивается диплоидный спорофит, состоящий из коробочки (спорангия) на ножке. Он получает воду и питательные вещества от гаметофита, гаплоидные споры образуются путем мейоза. Их количество может достигать десятков миллионов. Из них прорастает протонема, из которой развивается гаметофит.

Многолетний листостебельный мох кукушкин леи растет во влажных лесах, на кочках болот, образуя густые дерновины. Сфагновые мхи образуют большие торфяные болота. Белый цвет их сухого слоевища связан с наличием множества мертвых клеток, способных к накоплению большого количества воды. Поэтому почва, на которой растут эти мхи, переувлажняется и заболачивается. Стебли сфагнума растут верхушками, в то время как их нижние части отмирают и разлагаются при малом доступе кислорода, образуя торф. В слое торфа постоянно поддерживается низкая температура, развивается высокая кислотность, процессы гниения идут очень медленно, что способствует длительному сохранению растительных остатков. Сфагновый торф накапливается очень медленно (1 м за 1 000 лет).

Мхи — одни из первых обитателей голых скал, способствующие их разрушению и почвообразованию.

Быстро впитывая и накапливая воду, мхи часто вызывают заболачивание — образование болот на месте лесов и других растительных сообществ. Это препятствует восстановлению лесов и затрудняет сельскохозяйственное использование угодий. В то же время торф, образованный сфагновыми мхами, является ценным полезным ископаемым. Он используется как топливо, сырье для химической промышленности (для получения парафина, фенолов, древесного спирта и т. д.), как удобрение, компост, для изготовления теплоизоляционных плит. Сфагновые мхи обладают также бактерицидными свойствами.

Отдел Плауновидные

Включает многолетние вечнозеленые наземные или эпифитные растения, а также водные формы. Современные виды (около 400) — травянистые растения с ползучим стеблем до 10 м длиной. В основном распространены в тропиках; в наших широтах встречаются в хвойных и смешанных лесах, реже — на заболоченных лугах.

В жизненном цикле преобладает спорофит. Он имеет вид разветвленного корневища, от которого отходят придаточные корни и надземные побеги со спирально расположенными мелкими листьями. Спорангии расположены по одному на верхней поверхности специальных листочков — спорофилов. Они могут быть собраны в стробилы (спороносные колоски).

Гаметофит плаунов — зеленая пластинка или бесцветная ветвистая структура. Оплодотворение происходит при наличии капельной влаги, из зиготы вырастает спорофит.

Значение современных плауновидных в экосистемах невелико. Вымершие виды доминировали среди растений каменноугольного периода. Плауны — ядовитые, используются как лекарственные растения.

Отдел Хвощевидные

Большинство представителей отдела вымерли, современные представлены одним родом, насчитывающим около 30 видов. Это травянистые растения высотой до 1 м. Встречаются от ('тропиков до полярных областей (кроме Австралии), чаще во влажных местностях, на кислой почве.

Спорофит хвощей состоит из разветвленного подземного корневища, от которого отходят тонкие, разветвленные придаточные корни и членистые надземные побеги (жесткие из-за отложения кремнезема). От каждого узла отходят несколько веточек. Листья мелкие, клиновидные, срастаются в трубочки, охватывающие стебель. Фотосинтез проходит в стебле.

У некоторых (хвощ полевой) формируются два типа побегов: вегетативные и спороносные. Из спор вырастают гаметофиты, имеющие вид небольших зеленых рассеченных пластинок, с ризоидами на нижней стороне. Для оплодотворения необходима вода. Из зиготы развивается спорофит.

Хвощи входят в состав пионерных растительных сообществ и занимают территории с нарушенным растительным покровом. Среди них встречаются сорняки, с которыми трудно бороться. Некоторые виды вызывают отравление животных. Применяются в народной медицине.

Из-за наличия в тканях хвощей кремнезема их используют как полировочный материал.

Отдел Папоротниковидные, или Папоротники

Ископаемые папоротники известны с каменноугольного периода. Современные виды (более 10 000) — в основном многолетние травянистые растения (('тропические древовидные папоротники достигают в высоту 20 м).

В жизненном цикле преобладает спорофит. Он представлен многолетним мясистым корневищем, на котором каждый год формируются новые листья, от него отходят также дополнительные корни. Листья, кроме фотосинтеза, участвуют в бесполом размножении.

На нижней стороне листа появляются бурые сорусы (группы спорангиев), в которых образуются и созревают гаплоидные споры. Споры разносятся ветром, из них прорастает гаметофит, на нижней стороне которого образуются архегонии и антеридии. Оплодотворение происходит при наличии влаги. Из зиготы развивается спорофит. Кроме того, папоротники способны к бесполому размножению с помощью выводковых почек, образующихся на корнях.

Папоротники используются как декоративные растения. Молодые листья отдельных видов употребляют в пищу. Отвары корневищ и настойки папоротников применяют в медицине как болеутоляющие, противовоспалительные, противоглистные средства, для лечения рахита, желудочных расстройств. Вымершие папоротниковидные сыграли огромную роль в образовании каменного угля, а современные участвуют в формировании травяного покрова леса.

Жизненный цикл папоротника:

1 — сорусы; 2 — высыпание и прорастание спор; 3 — заросток; 4 — антеридии; 5 — архегонии; 6 — развитие спорофита

Отдел Голосеменные

Голосеменные — семенные растения, не имеющие настоящих цветков и плодов. Название они получили благодаря тому, что семенные зачатки открыто лежат на чешуях женских шишек. Часто вечнозеленые (реже листопадные — лиственница, гинкго) деревья высотой до 100 м, иногда кустарники, травянистых форм нет. В отдел входят около 800 видов. Включает 4 современных масса; Гинкговые, Гнетовые, Саговниковые и Хвойные. Последняя группа — самая многочисленная, насчитывает около 560 видов. Они широко распространены в умеренной и полярной зонах.

Вегетативные органы представлены корнем и побегом, состоящим из стебля и листьев. Стебель деревянистый, утолщается за счет камбия. У хвойных в коре находятся смоляные ходы, заполненные эфирными маслами и смолой, которая защищает растение от проникновения вредителей. Листья различной формы и строения (например у хвойных — иглообразные, часто многолетняя хвоя). Корень развивается из зародышевого корешка; корневая система — стержневая.

В жизненном цикле преобладает спорофит. На нем развиваются мужские и женские шишки. На их чешуях находятся соответственно микро- и мегаспорангии. Из них развиваются гаметофиты. Они очень редуцированные, представлены мужской — пыльцевым зерном (содержит 2 спермия), а женский — семенным зачатком (состоит из эндосперма с архегонием). Опыляются ветром. Пыльцевое зерно при попадании на чешуи женских шишек прорастает. При этом чешуи шишки плотно смыкаются, защищая семязачатки. По пыльцевой трубке спермии достигают яйцеклетки, там происходит оплодотворение. Второй спермий при этом погибает. От попадания пыльцы на семенной зачаток до оплодотворения проходит около полугода. При созревании семян шишки становятся деревянистыми, реже мясистыми или ягодообразными. Семена часто имеют приспособления для распространения (ель).

Схема жизненного цикла голосеменного растения (на примере сосны обыкновенной):

1 — женская шишка с семяпочками; 2 — мужская шишка; 3 — опыление; 4 — образование семени; 5 — прорастание семени

Подобно другим зеленым растениям, голосеменные образуют органические вещества, поглощающие СО₂ и выделяющие О₂. Важнейшее значение среди них имеют хвойные, которые образуют леса, покрывающие огромную территорию суши. Они замедляют таяние снега и обогащают почву влагой. В них живет большое количество организмов.

Хвойные широко используются в хозяйственной деятельности человека. Древесина применяется как строительный материал, для изготовления мебели часто ее используют как топливо. Из древесины ели изготавливают бумагу. В хвое содержится много витаминов, из нее получают каротин, витамин С; ею подкармливают животных. Смола хвойных используется для получения скипидара, канифоли, сургуча, лаков, камфары. Семена сосны сибирской используются в пищу, из них также получают пищевое масло. Голосеменные используют в медицине. В хвойных лесах строят санатории для лечения болезней дыхательной системы (выделяют фитонциды — летучие антибактериальные вещества), «шишки» можжевельника применяют как лекарственное средство и т. д. Многие голосеменные культивируют как декоративные растения и выращивают в парках и скверах.

Отдел Покрытосеменные, или Цветковые

Самая многочисленная группа в царстве растений, включает около 300 тыс. видов. Они известны с юрского периода и уже в меловом периоде становятся господствующей группой. Цветковые — наиболее высокоорганизованная группа среди растений, имеют большую эволюционную пластичность и широкие возможности приспособления к различным условиям среды. Представители отдела распространены почти повсеместно: от арктических и антарктических тундр до влажных тропических лесов и саванн, от морских побережий до границы снегов и льдов в горах. Некоторые виды освоили пресные и морские воды. Покрытосеменные образуют основную массу растительного вещества биосферы и являются важнейшими продуцентами органики на суше.

Особенности покрытосеменных растений, которые обусловили их процветание:

1) максимальная редукция гаметофита, полностью отсутствуют архегонии и антеридии;

2) наличие особого генеративного органа — цветка, который является укороченным видоизмененным побегом. Имеет специальные приспособления для опыления разными путями (животные, воздух, вода);

3) процесс полового размножения сопровождается двойным оплодотворением, в результате чего образуется диплоидная зигота и закладывается триплоидная питательная ткань — эндосперм;

4) семязачатки, дающие начало потомству, защищены стенками завязи, из которой образуется плод. Плод часто способствует распространению семян;

5) вегетативные органы достигают наибольшей сложности и разнообразия;

6) хорошо развита проводящая система;

7) фотосинтетический аппарат устойчив к воздействию прямых солнечных лучей и позволяет заселять открытые, сильно освещенные места;

8) большое разнообразие жизненных форм — деревья, кустарники, травянистые и др. Благодаря этому могут образовывать сложные многоярусные сообщества;

9) наличие растений с быстрым течением процессов развития и роста (однолетние формы и эфемеры).

Основываясь на строении цветка, а также на количестве семядолей, выделяют два класса покрытосеменных: Однодольные (с одной семядолей) и Двудольные (с двумя). Впрочем, представителей этих классов можно различить и по другим признакам.

Класс Двудольные	Класс Однодольные
Две семядоли в семени	Одна семядоля в семени
Характерны все жизненные формы	В основном травянистые, встречаются деревья
У большинства стержневая корневая система, у некоторых травянистых — мочковатая	Мочковатая корневая система
Листья простые и сложные, часто с черешками	Листья часто сидячие, удлиненные
Жилкование в основном сетчатое или перистое	Жилкование дуговое или параллельное
Листорасположение часто супротивное, поочередное	Листорасположение супротивное
Имеют вторичное утолщение побега за счет камбия	Не имеют вторичного роста
Количество частей цветка кратно 4-5, редко 3	Количество частей цветка кратно 3, редки 2
Как правило, опыляются животными (в основном насекомыми)	Как правило, опыляются ветром

Класс Двудольные

Объединяет около 180 тыс. видов; более древняя группа, чем однодольные. Основным признаком двудольных является строение зародыша: он имеет симметричное строение, две семядоли, а почка занимает верхушечное положение.

Семейство Крестоцветные, или Капустные. Включает около 3 000 видов травянистых растений, реже кустарников; многолетние и однолетние, опыляются насекомыми. Листья простые, расположены поочередно или образуют прикорневую розетку. Тип соцветия - кисть. Формула цветка Ч₂Л₄Т₄₊₂. Плод — стручок (редька, капуста) или орешек. Практическое значение имеют пищевые (сорта капусты, репа, редька, редис), кормовые (редька дикая, брюква, турнепс), масличные (рапс, горчица) и декоративные (левкой, маттиола) растения, многие из них — хорошие медоносы.

Семейство Розоцветные. Объединяет около 3 000 видов, включающие деревья, кустарники и многолетние травы. Листья простые и сложные, располагаются очередно и имеют прилистники. Цветки часто одиночные, правильной формы. Типы соцветия: кисть (черемуха), щиток (рябина), зонтик (вишня). Формула цветка — Ч₅Л₅Т_∞П_{(3_5) или ∞}. Плоды: яблоко (груша, яблоня, боярышник), костянка (вишня), сборная костянка (малина), орешек (лапчатка). Они богаты сахарами, витаминами, органическими кислотами, благодаря чему имеют лечебные свойства (шиповник, черемуха, лапчатка). Также их используют как декоративные (роза, боярышник). Эфирные масла розоцветных используют в парфюмерии.

Семейство Бобовые. Включает около 12 000 видов одно- и многолетних трав, кустарников и деревьев. Листья очередные с прилистниками. Типы соцветия: головка (клевер), кисть (люпин). Цветки могут быть и единичными. Формула цветка — Ч₍₅₎Л_(2)+2+1Т₍₉₎. Лепестки венчика разные по размеру и форме и формируют «челнок»: верхний (парус), 2 боковых (весла), 2 сросшихся нижних (челнок). Плод — боб. На корнях могут поселяться клубеньковые бактерии, связывающие свободный азот воздуха. Симбиоз корней с бактериями обогащает растение белками, а грунт после его отмирания — азотными солями. Бобовые — важный источник растительных белков для человека и животных. Как пищевые культуры человек использует горох, фасоль, сою, чечевицу, арахис. Как декоративные — белую и желтую акации, душистый горошек и др. Среди бобовых есть медоносы (донник) и лекарственные растения (термопсис, солодка).

Семейство Пасленовые. Объединяет около 2 000 видов, в основном травянистых растений. Листья простые, с цельной или порезанной листовой пластиной. Часто все части растения имеют специфический запах. Цветки правильной формы: Ч₍₅₎Л₍₅₎Т₍₅₎П₍₂₎. Плоды: ягода (томат, картофель, паслен), коробочка (табак, петуния). Из культурных растений важнейшие картофель, томат, баклажан, перец. Ценным лекарственным средством служат дикорастущие пасленовые — белена, дурман, красавка. Все они являются ядовитыми растениями. Некоторые пасленовые используют как декоративные (петуния, душистый табак).

Семейство Сложноцветные, или Астровые. Многочисленное семейство покрытосеменных, насчитывает более 20 000 видов. В основном это травянистые растения, реже кустарники и деревья. Листья часто простые, разные по форме, иногда опушенные. Листорасположение очередное, иногда супротивное. Тип соцветия — корзинка. Группа мелких цветков расположена в корзинке на общем цветоложе, которое может быть плоским (подсолнечник), выпуклым (пижма), конусовидным (ромашка). Внешне корзинка окружена оберткой из видоизмененных листьев. Цветки 4 типов. По форме венчика выделяют: трубчатые (ромашка, осот) — лепестки образуют длинную трубочку, чашечка представлена волосками; воронкообразные (краевые цветки василька) — венчик имеет вид косо срезанной воронки с краевыми зубчиками, тычинки и пестик отсутствуют, служат для привлечения насекомых; настоящие язычковые (одуванчик, осот) — венчик из лепестков, сросшихся в виде язычка с пятью зубчиками по краю; псевдоязычковые (краевые цветки подсолнечника и ромашки) — венчик в виде плоского язычка с тремя зубчиками, тычинки всегда отсутствуют, могут иметь пестик и тогда формируют плоды. Плод — семянка (подсолнечник, астра), семянка-летучка с челкой (одуванчик, осот). Наибольшее значение имеют подсолнечник, топинамбур, цикорий и растения-каучуконосы, из декоративных — георгины, ромашки и др., из лекарственных — мать-и-мачеха, полынь и др.

Класс Однодольные

Более молодая группа цветковых растений. Происходит от примитивных двудольных и развивались параллельно с ними. Отличительный признак однодольных — наличие одной семядоли (щитка), поставляющей питательные вещества от эндосперма.

Семейство Лилейные. Объединяет около 4 000 видов, большинство из которых многолетние травянистые растения с видоизмененными подземными побегами (луковицами или корневищами). Листья крупные, цельные, по форме ланцетные или линейные. Опыляются ветром или насекомыми. Соцветия: зонтик (лук, чеснок), кисть (лилия, ландыш) или одиночные (тюльпан). обычно крупные, ярко окрашенные. Формула цветка — О₃₊₃Т₃₊₃П₍₃₎. Плод — ягода (ландыш). коробочка (тюльпан). Лилейные используют как овощные культуры (лук, чеснок, спаржа). лекарственное сырье (ландыш, чемерица, алоэ и др.), декоративные растения (тюльпан, лилия, гиацинт).

Семейство Злаковые. Включает 10 000 видов, большинство из них травы, реже древовидные формы (бамбук). Стебель — соломина, имеет плотные утолщенные узлы, от которых отходят листья и полые междоузлия. Листья линейные с параллельным жилкованием. Хорошо развитая мочковатая корневая система. Соцветия: сложный колос (пшеница), кисть (просо), початок (кукуруза). Формула цветка — О₂₊₂Т₃П₁. Опыляется ветром. Плод — зерновка. Хлебные (пшеница, рожь, ячмень, овес) и кормовые (пырей, тимофеевка, мятлик, кукуруза) злаки — основа питания человека и животных, сырье для химической промышленности (получение спирта, целлюлозы, синтетического каучука). Ряд растений используется как лекарственные.

Семейство Луковые. Включает около 650 видов травянистых многолетников, большинство которых имеют луковицу или корневище. Листья простые сидячие, расположены поочередно. Формула цветка — О₃₊₃Т₃₊₃П₍₃₎. Опыляются насекомыми. Плод — коробочка. Содержат эфирные масла и ряд витаминов, благодаря чему широко используются в пищу (лук), в медицине (чеснок) и как декоративные (нарцисс).