Меню

Как образуется семя у голосеменных растений



Голосеменные: размножение и строение. Особенности размножения голосеменных растений

Голосеменные — это самые древние семенные растения нашей планеты. Они сыграли важную роль в развитии живой природы и продолжают занимать значимую позицию в жизни Земли. Хорошо известные нам ель, сосна, пихта, туя, тис или лиственница и малоизвестные вельвичия, сага или гинкго — все это представители группы, именуемой «Голосеменные растения». Строение и размножение их мы и рассмотрим далее в статье.

Происхождение и возраст

Возраст голосеменных — 350 млн лет. Они появились в верхнем девоне (Палеозой) и к началу мезозойской эры уже достигли расцвета. Предположительно их происхождение связывают с постепенной эволюцией споровых — папоротников. По сравнению с ними, новый вид растений уже имел семяпочки и пыльцевые зерна, непосредственно участвовавшие в формировании семени. Налицо был ряд преимуществ, которыми обладали голосеменные:

  • размножение происходило без участия воды;
  • семенная кожура и запас питательных веществ обеспечивали сохранность проростка.

По этим причинам спустя короткое время зеленый покров планеты уже составляли большей частью голосеменные, строение и размножение которых способствовало успешному освоению новых территорий и экологических ниш.

Особенности строения

В основном названные растения произрастают в форме деревьев и кустарников, чаще — вечнозеленых, и редко — листопадных. Иногда они могут достигать огромных размеров (секвойя, кедр). Листья в подавляющем большинстве у них игловидные либо имеют вид чешуек. Они называются хвоей и содержат смоляные ходы.

Древесина составляет большую часть ствола. В ней содержатся полые омертвевшие клетки с перфорированными стенками — трахеиды. Их наличие — признак, специфичный для этой группы растений. Именно по ним осуществляется восходящий ток воды от корня к листьям.

Помимо трахеид, древесина голосеменных содержит также смоляные ходы. Поэтому представителей растений этой группы легко узнать по душистому хвойному запаху. Смола пропитывает древесину, что препятствует ее загниванию. Благодаря этому, среди хвойных деревьев очень много долгожителей. Например, возраст некоторых секвой насчитывает около 3 тыс. лет.

Наиболее важное эволюционное преимущество, которым обладают голосеменные, — размножение без участия капельной влаги и наличие образований, выполняющих роль органов размножения.

Органы размножения голосеменных растений

Отсутствие цветов — ключевая особенность, которой обладают голосеменные. Размножение этих растений происходит при участии шишек, или стробил. Эти образования легко распознать на сосне, ели, пихте, лиственнице и других представителях хвойных. Их можно назвать органами полового размножения.

Обычно шишки разнополые — они могут быть мужскими и женскими и располагаться либо на одном растении (однодомные), либо на разных (двудомные), отличаясь размерами и окраской.

Мужские шишки называют микростробилами, а женские — мегастробилами. Стробила представляет собой укороченный и видоизмененный побег, на котором располагаются спорофиллы — видоизмененные листья. В микростробилах созревает пыльца. В мегастробилах — семязачатки.

Особенности размножения голосеменных

Обычно процесс размножения голосеменных растений рассматривают на примере сосны обыкновенной. Это однодомное растение, т. е. мужские и женские шишки у него развиваются на одном дереве. Первые из них более крупные, красноватой окраски. Вторые — мелкие, зеленоватые или сизые.

Схема размножения голосеменных растений достаточно проста. Когда в микростробилах созревает пыльца, она высыпается, распространяется ветром и может преодолевать большие расстояния. Для этого каждое пыльцевое зерно снабжено специальными приспособлениями — пыльцевыми мешками. Пылинки попадают на семязачатки, развивающиеся на мегастробилах. Так происходит опыление.

Обычно оно приходится на конец весны или начало лета. Опылившиеся женские шишки смыкаются, их чешуйки склеиваются смолой. Оплодотворение происходит в семязачатках внутри сомкнувшихся шишек.

Как происходит процесс оплодотворения

Внутри семязачатка находится женский гаметофит, или зародышевый мешок, который предварительно проходит несколько стадий созревания. Пыльца попадает на пыльцевход семязачатка, она начинает прорастать в пыльцевую трубку по направлению к архегонию (от греческого arche — «начало», gone — «материнская утроба»). Данное образование содержит в себе яйцеклетку. Всего в семязачатке их развивается два, но оплодотворению подвергается только один.

К тому моменту в пыльцевом зерне уже созрели два спермия и начали продвижение по растущей трубке. Когда один из спермиев достигает яйцеклетки, происходит оплодотворение. Второй спермий при этом отмирает. После слияния двух половых клеток образуется зародыш семени — зигота. Сам же семязачаток преобразуется в семя. Прорастая, оно будет пользоваться запасом питательных веществ.

Именно так происходит размножение голосеменных растений. Схема этого процесса приведена на фотографии.

Созревание и распространение семян

После того как произошло оплодотворение, начинается созревание семени. У сосны обыкновенной оба эти процесса длятся в течение 2 лет. Созревая, шишки одревесневают и меняют окраску. Постепенно их чешуйки размыкаются, и из них высыпаются семена.

Читайте также:  Семя это живое или неживое тело 3 класс ответы гдз

Голосеменные растения не образуют плодов. Но для того чтобы распространятся на большие расстояния, семена имеют специальные приспособления — крыловидные пленчатые выросты, легко переносимые ветром.

Численность видов и представители

Описываемая группа насчитывает около 600-700 видов. Не все из них сохранились до наших дней, некоторые представители существуют только в ископаемом виде. Например:

  • кордаитовые;
  • беннетитовые;
  • семенные папоротники.

Остальные представители распространены по всему земному шару и произрастают во всех климатических зонах: от южных тропических (саговые пальмы) до холодных северных широт (кедр, лиственница, ель, сосна).

Самый древний представитель голосеменных, существующий по сей день, — Гинкго Билоба (двулопастное). Это растение названо живым ископаемым, так как оно произрастает на планете с мезозойской эры, о чем свидетельствуют многочисленные отпечатки в отложениях древних горных пород.

Эволюционное развитие

Первые голосеменные, возникшие в Палеозойской эре, обладали целым рядом преимуществ, позволявших им в то время занять доминирующую позицию на планете. Эти эволюционно новые признаки носят название ароморфозов и позволяют выйти на новый уровень в освоении новых территорий и экологических ниш. Выделяют несколько таких особенностей, которыми обладают голосеменные:

  1. Размножение осуществляется без участия водной среды. Это позволило заселить большие территории на суше.
  2. Оплодотворение происходит внутри семязачатка и защищено от внешних воздействий — такие особенности размножения голосеменных растений обеспечивают большую сохранность будущего растения.
  3. Появление семени позволило обеспечить будущий зародыш защитными покровами (семенная кожура) и запасом питания (эндосперм), что, в свою очередь, увеличило численность растений этой группы.

Именно эти черты отличали их от предков — папоротникообразных. Следующим, и на сегодняшний день последним, этапом эволюционного развития растительного мира является появление покрытосеменных растений.

Значение голосеменных

Роль голосеменных растений трудно переоценить. Именно они наполняют около трети лесов земного шара, участвующих в очистке воздуха и постоянном обновлении кислорода. Кроме того, появление и широкое распространение на планете растений, продуцирующих большое количество кислорода, привело к появлению других организмов, способных использовать этот газ в процессе своего дыхания.

Хвойные — основные поставщики древесины для различных сфер жизни человека. Это сырье активно используют в изготовлении мебели, строительстве, производстве судов и в других стратегически важных областях хозяйственной деятельности. Волокна древесины ели особенно ценны при изготовлении высококачественных сортов бумаги.

Голосеменные нашли широкое применение в медицине. Особые вещества — фитонциды, выделяемые практически всеми хвойными деревьями, способны очищать воздух от болезнетворных микробов. По этой причине большинство санаториев и здравниц строят на территории хвойных лесов. Такая терапия способна значительно облегчить или устранить многие легочные заболевания.

Источник

Голосеменные

Спешу обрадовать, мы добрались до изучения семенных растений! К ним относятся голосеменные и покрытосеменные (цветковые). До этого размножение шло только с помощью спор: у мхов, папоротников, хвощей и плаунов — высших споровых растений. Настало время открыть новую интересную главу этой книги, посвященную растениям, которые размножаются с помощью удивительного изобретения природы — семени.

Голосеменные — распространенная древняя группа растений, включающая небольшое число видов. Главной особенностью данной группы являются «голо» (то есть открыто) лежащие семяпочки и, в дальнейшем, развивающиеся из них семена. Иными словами, у голосеменных растений отсутствуют замкнутые вместилища для семян.

На примере типичного представителя — сосны обыкновенной, относящейся к классу хвойных, поговорим о характерных чертах данного класса и голосеменных растений в целом.

Общие признаки

Все голосеменные представлены древесными формами: деревьями и кустарниками. Травы отсутствуют.

Хвоинки (хвоя) — игольчатые видоизменения листьев. Сохраняются долгие годы, у некоторых сосен до 45 лет. Хвоя лиственниц опадает ежегодно.

Древесина голосеменных обладает большим запасом механической прочности. Это связано с ее особенностями: она состоит из трахеид с окаймленными порами, паренхима развита слабо. Либриформ (древесные волокна) и настоящие сосуды отсутствуют (исключение — гнетовые, имеют сосуды). Клетки-спутницы во флоэме также отсутствуют.

В древесине и коре имеются каналы, заполненные смолой. Однако, есть исключения — у гинкго смола не образуется вовсе.

Несколько веков назад в России целенаправленно создавались и охранялись, так называемые, корабельные рощи. Это, прежде всего, требовалось для флота, так как мачты кораблей изготавливали из сосен, отвечающих всем требованиям — корабельных (гладкий, твердый и прочный прямой ствол с минимальным количеством сучков и смолы).

Семяпочки и развивающиеся из них семена лежат «голо», открыто, для них нет закрытых вместилищ, отсутствует завязь. В сравнении с высшими споровыми растениями, размножение семенами ставит голосеменных на более высокий уровень организации.

Читайте также:  Полив комнатных растений подкисленной водой

Голосеменным растениям для размножения не требуется вода, опыление у них происходит с помощью ветра. Этот процесс перестал быть зависимым от капельно-жидкой среды, как было у мхов и у папоротников. Благодаря этому голосеменные получили большое преимущество и смогли расселиться по всей Земле, в том числе в засушливых районах. Они господствовали в юрском периоде, когда климат стал более сухим и жарким.

Обитают голосеменные в местах с холодным климатом и достаточным количеством влаги. Имеются виды, обитающие в жарких странах: растение вельвичия удивительная обитает в пустынях южной Африки.

Строение и жизненный цикл

Жизненный цикл голосеменных состоит из чередования бесполого поколения — спорофита (диплоиден, 2n), и полового поколения — гаметофита (гаплоиден, n). Господствует (доминирует) в цикле спорофит (2n) — это взрослое растение сосны.

Голосеменные относятся к разноспоровым, как и все семенные растения. Они образуют разные споры: крупные женские (мегаспоры) и мелкие мужские (микроспоры). Образуются они в спорангиях, расположенных на спорофиллах, которые собраны в стробилы (шишки) — от лат. strobilus — сосновая шишка.

Мужские шишки (стробилы)

К концу весны у основания молодых побегов образуются мужские шишки (стробилы) — мелкие, собранные в тесные группы, желтого цвета. Чешуи мужских шишек представляют собой микроспорофиллы. Микроспорофиллы — гомологи тычинок, которые крепятся к оси каждой шишки спирально, с нижней стороны, и имеют два пыльцевых мешка — микроспорангия.

Образование мужского гаметофита

Из материнских клеток (2n) в микроспорангии путем мейоза образуются 4 микроспоры (n). Строение микроспоры следующее: она покрыта экзиной (от гр.exo снаружи, вне) — наружная оболочка, изнутри интиной (от лат. intus внутри) — внутренней оболочкой. В составе микроспоры имеются также два воздухоносных мешка, образованных в результате отслоения экзины от интины и возникновения полости между ними.

Микроспора делится, не покидая спорангия, преобразуется в заросток. При делении из ядра микроспоры образуются две клетки. Одна из них превращается в две заростковые клетки (протоллиальные — от греч. проталлиум — заросток) — быстро отмирают и исчезают. Их функция до конца не изучена.

Из другой клетки в ходе митоза также образуются две: антеридиальная, из которой развиваются мужские половые клетки — спермии (неподвижные, без жгутиков в отличие от сперматозоидов), и более крупная вегетативная клетка, из которой в дальнейшем формируется пыльцевая трубка.

Мужской гаметофит сильно упрощен, антеридии отсутствуют. Формируется он прямо внутри микроспоры, которая в итоге превращается в пыльцевое зерно. Совокупность пыльцевых зерен называется пыльца.

При вскрытии (нарушении целостности) микроспорангия, или пыльцевого мешка, пыльца высыпается во внешнюю среду и достигает женской шишки, где, в результате опыления, внутри семязачатка происходит дальнейшее развитие мужского гаметофита.

Образование женского гаметофита

На тех же самых соснах, где расположены мужские шишки, лежат и женские. Весной на верхушке молодого побега появляются мелкие (около 5 мм) красноватые шишки — это женские шишки (стробилы). Состоят они из оси (стержня) , на котором располагаются две чешуи: кроющая и семенная. На верхней стороне у основания семенной чешуи лежат два семязачатка.

Кроющая чешуя представляет собой видоизмененный лист, в его пазухе находится семенная чешуя. Семенная чешуя — видоизмененный боковой побег.

Женские шишки (стробилы)

Именно открыто расположенные семязачатки (семяпочки) служат причиной, по которой этот отдел растений называется — голосеменные.

В женских шишках, в отличие от мужских, каждая чешуя гомологична целой мужской шишке (стробилу). То есть одна чешуя — целой мужской шишке, а не отдельным ее микроспорофиллам (чешуям)!

Молодой семязачаток состоит из нуцеллуса, интегумента и фуникулуса. Нуцеллус (от лат. nucella — орешек) — центральная часть семяпочки, соответствующая мегаспорангию. Интегумент (от лат. integumentum покрывало) — покров семяпочки, вырастающий из ее центральной части — нуцеллуса. В зрелом семени интегумент преобразуется в семенную кожуру. Фуникулус (от лат. funiculus канатик, верёвка) или семяножка — часть семязачатка, соединяющая его с мегаспорофиллом (семенным чешуями).

На интегументе около вершины располагается микропиле (пыльцевход) — через него после опыления пыльцевая трубка проникает в нуцеллус. Между интегументом и нуцеллусом имеется густая жидкость, выступающая из микропиле. Подсыхая, она втягивается внутрь семязачатка и затягивает вместе с собой пыльцу, осевшую на ней.

Образование женского гаметофита

В средней части обособляется спорогенная клетка (2n) (археспориальная — от греч. arche начало и sporá семя). В результате ее митотического деления образуются материнские клетки спор — спороциты (2n), однако и сама археспориальная клетка может выступать в роле спороцита, минуя стадию митоза. Спороциты (2n) делятся мейозом на четыре гаплоидные (n) мегаспоры.

Читайте также:  Что не обязательно для распространения семян

Три мегаспоры отмирают, остается одна, которая многократно делится митозом и формирует эндосперм — запасное питательное вещество. Обратите на этот факт особое внимание: у голосеменных эндосперм гаплоидный (n) и образуется до оплодотворения. Такой эндосперм называется — первичный, он соответствует женскому гаметофиту.

Как и мужской, женский гаметофит весьма упрощен и заключен внутри мегаспоры. На верхушке женского гаметофита (мегагаметофита) образуется архегоний с яйцеклеткой (n). У гнетовых архегонии отсутствуют.

Жизненный цикл

На спорофите (2n) в микроспорангиях из материнских клеток (2n) путем мейоза образуются микроспоры (n). Из микроспоры формируется пыльцевое зерно. Пыльца (пыльцевые зерна (n)) с помощью ветра попадает в женские шишки, где улавливается густой жидкостью между интегументом и нуцеллусом, выступающей из микропиле. Жидкость засасывает пыльцу внутрь семязачатка на нуцеллус (в пыльцевую камеру). После того, как опыление произошло, микропиле зарастает. Чешуи шишки смыкаются и склеиваются смолой.

Семязачатки в этот момент еще не готовы к оплодотворению, так что от момента опыления до оплодотворения проходит около 13 месяцев. За это время в семязачатке формируется эндосперм, женская шишка увеличивается до 3-4 см и приобретает зеленую окраску.

Оказавшись на мегаспорангии, наружная оболочка пыльцевого зерна (экзина) разрывается, из вегетативной клетки в направлении архегония начинает расти пыльцевая трубка. Антеридиальная клетка делится на генеративную (спермагенную) и клетку-ножку антеридия (функция последней до сих пор не изучена). Спермагенная клетка попадает в пыльцевую трубку, а из нее — в архегоний.

Непосредственно перед оплодотворением спермагенная клетка делится на два спермия (n), один из которых отмирает, а другой сливается с яйцеклеткой (n). Образуется зигота (2n), из которой формируется и растет зародыш благодаря эндосперму — запасу питательных веществ.

Окончательно созревают семена к осени на второй год после опыления, к этому моменту женские шишки увеличиваются в размерах до 6 см. Зеленая окраска меняется на серую, чешуйки расходятся, и семена, образовавшиеся из семязачатков, высыпаются. Из семени прорастает взрослое растение — спорофит (2n). Цикл замыкается.

Строение семени

Семя голосеменных состоит из:

    Семенной кожуры

Семенная кожура, защищающая семя от пересыхания и неблагоприятных факторов внешней среды, образована разросшимся интегументом.

Зародыш (2n) формируется в результате митотического деления образовавшейся зиготы. Состоит из зародышевого корешка, стебелька и почечки.

Число семядолей у голосеменных различается — от 2 до 15. Семядоли имеют доступ к запасным питательным вещества (эндосперму).

Запас питательных веществ

Запасные питательные вещества накапливаются в эндосперме (n). Особенностью в строении семени голосеменных, по сравнению с семенем покрытосеменных (цветковых) является наличие гаплоидного эндосперма (n). Не забывайте, что эндосперм у голосеменных это производное мегагаметофита (n), исходя из этого становится понятно, почему ткань гаплоидна. У цветковых, в отличие от голосеменных, эндосперм триплоиден (3n).

Фитонциды

Фитонциды (от греч. phyton — растение и лат. caedo — убиваю) — образуемые растениями, биологически активные вещества, убивающие или приостанавливающие размножение других организмов, главным образом — микробов. Обычно выделяются растениями в газообразном виде, к примеру, аллицин у лука и чеснока. Наличие фитонцидов играет крайне важную роль в формировании устойчивости растения к грибным заболеваниям.

Фитонциды имеют медицинское значение, из них изготавливаются некоторые препараты. За лето гектар лиственного леса выделят 2 кг фитонцидов, хвойного — 5 кг, можжевельника — 30 кг! Санатории часто располагаются в сосновых борах, где наблюдается повышенная концентрация фитонцидов. Вдыхание такого воздуха очень полезно при заболеваниях дыхательной системы инфекционной природы (когда возбудителями являются бактерии, грибы).

Значение голосеменных

Трудно переоценить значение голосеменных для человека, они очень важны. Голосеменные — источники высококачественной древесины, продуктов ее переработки. Являются звеном в цепи питания (продуцентами), основой многих биоценозов. Хвойные растения в больших количествах выделяют фитонциды, имеющие медицинское значение. Из смолы хвойных получают канифоль, скипидар, лаки. Кедровых орехи — это семена нескольких видов растений из рода сосна, которые употребляют в пищу.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник