Профільний рівень 10 клас 2018-2019 н.р. Вищі спорові рослини ЖИТТЄВІ ЦИКЛИ

Вивчаючи давні викопні рештки рослин і тварин, учені дійшли висновку, що клімат Землі, її атмосфера, обриси материків і океанів багато разів змінювалися. Поява атмосферного кисню й озонового шару дала змогу живим організмам вийти на суходіл. Вихід рослин на суходіл привів до появи групи вищих рослин і став новим етапом у розвитку рослинного світу нашої планети.

Вважають, що перші наземні рослини з’явилися близько 450 млн років тому на мілині водойм. За скам’янілими залишками вчені відновили їх вигляд. Вони мали тіло, яке ще не було чітко розчленоване на кореневу і стеблову частини. Роль листків виконували луски, гілки вилчасто галузилися. Таке галуження характеризується постійним роздвоєнням осі стебла при утворенні нових гілок, і, як вважають учені, є примітивною ознакою. На верхівках деяких гілок розміщувалися спорангії, у яких дозрівали спори. Як і сучасні, перші наземні рослини мали покривну, провідну та основну тканини, але ще не мали механічної, тому заввишки були не більше як півметра.

Подібні за будовою вимерлі організми належать до відділу Риніофіти і вважаються перехідною ланкою до вищих рослин.

До сучасних спорових рослин належать представники відділів Мохоподібні, Плауноподїбні, Хвощеподібні та Папоротеподібні. Це наземні організми, і лише деякі з них пристосувалися до життя у водному середовищі. 

При величезній різноманітності зовнішнього вигляду ці рослини мають спільні риси будови. Тіло спорових (крім мохів) поділяється на корінь та пагін. У зв’язку з переходом до наземного способу існування у спорових рослин виникають покривні, механічні та провідні тканини. Покривні тканини захищають рослини від висихання, вони мають продихи для газообміну і випаровування. Під покривною тканиною розташована механічна, яка забезпечує рослині опору. Рух речовин від кореня до листків і навпаки здійснюється за допомогою провідних тканин. Простір між покривною, механічною та провідною тканинами у спорових заповнений основною тканиною, що виконує фотосинтезуючу та запасаючу функції. Розмножуються ці рослини спорами, що і визначило їх назву.

У спорових рослин розвиток відбувається шляхом низки перетворень зі зміною поколінь - статевого та нестатевого.

Зміна статевого покоління нестатевим у циклі розвитку рослин називається чергуванням поколінь. Воно виникло ще у деяких водоростей (бурих, зелених), а для вищих рослин є обов’язковим.

Нестатеве покоління, або спорофіт, для розмноження утворює нестатеві клітини - спори. Зі спори виростає заросток (ГАМЕТОФІТ), на якому формуються жіночі та чоловічі статеві органи. В них визрівають гамети. Покоління, що утворює гамети, буде статевим поколінням у життєвому циклі розвитку спорових рослин, або гаметофітом. Гамети беруть участь у заплідненні. Запліднення відбувається лише у водно-краплинному середовищі, тому спорові рослини поширені на вологих ділянках суходолу, хоча деякі існують навіть у пустелях. Із зиготи, яка утворюється після запліднення, виростає спорофіт. Цикл розвитку починається знову. В рослин різних систематичних груп гаметофіт і спорофіт мають різний вигляд.

ДЖЕРЕЛО: Електронний гербарій вищих рослин України.

Відділ Мохоподібні (Bryophyta)

На земній кулі цей відділ об’єднує близько 35 тисяч видів рослин, зокрема в Україні - близько 600. Більшість мохоподібних - багаторічні рослини, що мають розміри від міліметра до декількох сантиметрів. Найбільших розмірів сягає водяний мох фонтіналіс - до 60 см, а також деякі мохи-епіфіти, які поселяються на поверхні дерев. Більшість мохоподібних живе у помірному та холодному кліматі обох півкуль. Ростуть вони б лісах - на ґрунті, піску, стовбурах дерев (епіфіти), на болотах, є серед них і водяні рослини. Зустрічаються мохоподібні навіть у сухих степах та пустелях, чимало їх і в тропіках. Можемо побачити мохи вздовж асфальтових доріжок на дахах та фундаментах будинків, але царством мохів уважають тундру та вологі високогір’я тропіків.

Мохоподібні - це група вищих спорових рослин. Їх називають живими викопними, тому що багато сучасних видів цих рослин існували на нашій планеті ще за часів мамонтів і навіть динозаврів. Як удалося цим тендітним і невеликим рослинкам пережити всі природні катаклізми? Напевне, це тому, що мохоподібні досить невибагливі до умов існування, мають просту будову. 

За посушливих умов мохоподібні можуть висихати, а потім у вологому середовищі відновлювати свою життєдіяльність. Вони здатні до фотосинтезу і при незначній кількості світла. Зустрічаються мохи, які живуть навіть у темряві печер.

М’які подушки моху, які ми бачимо у себе під ногами в лісі, оксамитові килимки, що вкривають камені та стіни будинків, складаються з окремих рослинок. На верхівках тонких зелених стебел моху формуються чоловічі та жіночі статеві органи. В них утворюються статеві клітини, або гамети. Тому зелені фотосинтезуючі рослини моху і є його статевим поколінням - гаметофітом. Це покоління переважає у життєвому циклі мохоподібних. Розглянемо процес розмноження мохів на прикладі зозулиного льону.

Зозулин льон - рослина дводомна, це означає, що на одній рослині формуються жіночі статеві органи (жіночий гаметофіт), а на іншій - чоловічі статеві органи (чоловічий гаметофіт).

Для того, щоб чоловіча гамета (сперматозоїд) потрапила до жіночої гамети (яйцеклітини) і відбувся процес запліднення, необхідна наявність вологи (краплі дощу, роси). Із заплідненої яйцеклітини - зиготи - на верхівці стебла розвивається нестатеве покоління - спорофіт. Живе спорофіт на гаметофіті, прикріплюючись до нього спеціальною присоскою - гаусторією.

Спорофіт складається з ніжки і циліндричної коробочки. Коробочка - спорангій - має особливу тканину, з клітин якої утворюються спори. Поширюються вони вітром, водою, іноді комахами, птахами.

Потрапляючи у сприятливі умови, спора проростає у протонему, яка дуже схожа на водорість і має вигляд зеленої нитки або пластинки та здатна до фотосинтезу. З окремих клітин протонеми виростає новий гаметофіт.

Крім того, мохи можуть розмножуватися вегетативно за допомогою великої кількості вегетативних бруньок, що форму­ються на протонемі. З них утворюються дорослі пагони, тому мохи ростуть не поодинокими рослинами, а утворюють суцільні дернинки. Також до вегетативного розмноження мохів належить розмноження частинками дернинок, що можуть переноситися вітром, водою на великі відстані. Іноді, вегетативне розмноження мохів є головним. Отже, природа подбала про продовження роду цих рослин досить досконало. Усе це дало їм змогу у майже незмінному вигляді дожити до наших днів.

Для знайомства з мохоподібними немає кращого часу, ніж осінь. Саме цієї дощової пори ніжна смарагдова зелень цих рослкн стає помітною.

Мохи - невід’ємна складова рослинних угруповань тундри, болота, лісу тощо. Разом із лишайниками вони першими оселяються на безжиттєвих просторах і беруть участь у початкових стадіях заростання ґрунтів.

Мохи здатні швидко поглинати вологу і довго її утримувати, що призводить до поступового заболочування земель. Болота є регуляторами водного режиму місцевості. З них беруть початок і живляться їх вологою малі річки. Болото створює своєрідний мікроклімат, годує багатьох тваарин та слугує притулком для деяких із них. Болота є джерелом торфу. Наростає торф досить повільно. За 10 років його утворюється лише 1 см. Торф широко використовують як паливо, теплоізоляційний матеріал, добриво, сировину для хімічної промисловості тощо. В Україні добувають мільйони тонн торфу за рік. Торфовища можуть іноді самозайматися та бути причиною пожеж у природі. Основними утворювачами торфу є сфагнові мохи.

Мохи - могутні поглиначі та накопичувачі не лише води, а й різних хімічних елементів. Аналізуючи хімічний склад мохів, біологи допомагають геологам виявляти корисні копалини. Надзвичайна чутливість мохоподібних до змін газового складу повітря використовується як покажчик забруднення навколишнього середовища. Мохи є цінним і зручним матеріалом для різноманітних наукових досліджень.

Мохоподібні мають застосування і у медицині. Сфагнум здавна використовувався як бактерицидний засіб та заміняв вату. Зозулин льон використовується в народній медицині як ліки проти легеневих захворювань, хвороб сечовидільної системи, шкіри, при опіках. В останні роки досліджуються протипухлинні властивості мохів.

Мохоподібні, здебільшого, не поїдаються тваринами і мало ушкоджуються бактеріями та грибами.

Відділ Плауноподібні (Lycopodiophyta)

Предками сучасних плаунів були деревоподібні рослини лепідодендрони і сигілярії, стовбури яких сягали гігантських розмірів - більше як 20 метрів.

Схили берегів, на яких вони росли, поступово підмивалися водою. Маючи слаборозвинену кореневу систему, плауноподібні та інші спорові рослини падали у воду, течією відносились у низини, де їх засипали пісок та мул. Без доступу кисню та під великим тиском із них за сотні мільйонів років утворилися поклади кам’яного вугілля. Потомки цих давніх гігантів - сучасні плауни.

У сучасній флорі відомо більше ніж 1 000 видів плауноподібних. В Україні плауноподібних лише 12 видів. Найбільша видова різноманітність плаунів характерна для тропічної і субтропічної кліматичних зон. Є серед плаунів трав’янисті рослини, виткі ліани, що сягають 20 м заввишки, є й епіфіти, що живуть на інших рослинах. У помірних, широтах вони зустрічаються, здебільшого, у хвойних і мішаних лісах як на рівнині, так і в горах.

Сучасні представники відділу Плауноподібні - багаторічні, трав’янисті, переважно вічнозелені рослини. Їх пагін вилчасто галузиться. Стебла плаунівпостійно наростають верхівкою і, розростаючись, утворюють концентричні зарості - «відьмині кільця.» Таким чином, найстаріші пагони будуть у центрі, а молоді розміщені навколо по краю.

У плаунів, на відміну від деяких мохоподібних, уже з’являються справжні листки, стебла і корені. Корені не тільки закріплюють рослину в ґрунті, але й поглинають воду і мінеральні солі. Стебло може потовщуватися. Провідні тканини знаходяться в центрі стебла. Дуже дрібні лінійно-ланцетні листочки плаунів розташовані на стеблі по спіралі так щільно, що зовсім його закривають.

Пла­уни, як і мохоподібні, розмножу­ються спорами. Спори у плаунів утворюються у спеціальних органах - спорангіях, які розміщені у пазухах окремих листочків або зібрані у спороносні колоски. Такі колоски утворені видозміненими листочками, щільно розміщеними один біля одного.

У плауна булавовидного спори однакові за розмірами і його розвиток типовий для вищих спорових рослин. Проростання спор довгі роки було загадкою, і тільки наприкінці XIX ст. вдалося виявити умови утворення заростку.

Потрапивши в землю, спори проростають через 4-8 років у безхлорофільні заростки, що мають форму барильця. Виявити їх неозброєним оком дуже важко. На нижній частині заростку утворюються ризоїди, а на верхній - чоловічі та жіночі статеві органи. Таким чином, статевим поколінням плауна є підземний заросток.

Після запліднення, для здійснення якого обов’язково потрібна вода, утворюється зигота, а з неї виростає спорофіт. Його ми і називаємо плауном, у той час як гаметофіта ніколи не бачимо: він має малі розміри і живе під землею.

Слід зазначити, що в деяких плауноподібних, зокрема селагінели, спори різні за розмірами: великі - макроспори та дрібні - мікроспори. Різноспоровість, яка стає характерною для всіх вищих насінних рослин і має велике значення для життя на суходолі, вперше виникає у плауноподібних.

Завдяки великому вмісту жирів у спорах плаунів (близько 49 %) їх застосовують у медицині для лікування ран, як дитячу присипку, у фасонному литті для обсипання стінок моделей, а також у піротехніці. У листяних лісах України поширений плаун булавовидний. Він здавна використовувався у побуті. Гілочками цієї рослини на свята прикрашали помешкання та створювали квіткові композиції. І досі у народі полюбляють прикрашати плауном святкові кошики з крашанками на Великдень. Таке використання плаунів і їх повільне відтворення у природі призвело до того, що плаун булавовидний став рідкісною рослиною.

Відділ Хвощеподібні (Equisetophyta)

Буваючи наприкінці весни біля водойм чи на луках, ви, напевно, звертали увагу на невеликі трав’янисті рослини, схожі на маленькі сосонки, з жорстким стеблом і дрібними лускатими листочками. Вони належать до відділу Хвощеподібні. На відміну від плаунів, їх пагін почленований на вузли та міжвузля. У вузлах стебла кільцями розміщуються бічні гілочки. Листки - у вигляді вузьких зубчиків. Вони охоплюють стебло, утворюючи піхву, що прикриває вузол із ніжною твірною тканиною, яка забезпечує ріст рослин у висоту. Ростуть хвощі завдяки збільшенню міжвузлів. Такий ріст називається вставним, або інтеркалярним.

Оскільки листки у хвощів недорозвинені, то процес фотосинтезу здійснює стебло. У стеблі хвощів багато кремнезему, тому воно жорстке на дотик. Хвощі мають однорічні пагони. На зиму в ґрунті залишаються підземні пагони (кореневища з бульбочками) із запасом поживних речовин. Навесні утворюються спеціалізовані безхлорофільні пагони, які влітку відмирають і замість них з’являються зелені фотосинтезуючі. Якщо хвощі поселяються на городах чи полях, боротися з ним важко, бо вони мають добре розвинене кореневище.

У життєвому циклі хвощеподібних, як і у більшості спорових рослин (крім мохів), переважає спорофіт. Він представлений безхлорофільним весняним пагоном. На його верхівці розвивається спороносний колосок із спорангіями.

У них достигають спори, які мають специфічні вирости - елатери. За допомогою елатер спори зчіплюються в клубочки і поширюються вітром. Проростати спори можуть лише у вологому ґрунті, де з них виростає заросток. Він має вигляд зеленої розчленованої пластинки. Подальший розвиток хвоща подібний до розвитку плаунів.

Хвощеподібні виникли майже одночасно з плаунами близько 400 млн років тому. Вимерлі рослини були переважно деревами до 30 м заввишки.

Сучасні хвощеподібні - винятково трав’янисті рослини. У світовій флорі їх відомо близько 30 видів, із яких в Україні зростає лише 9. Хвощеподібні поширені на всіх континентах, немає їх лише в Австралії та Новій Зеландії. Усі види хвощів вологолюбні. Їх можна знайти на луках, болотах, берегах водойм, у лісах та на полях. Навіть назви різних видів хвощів пов’язані із середовищем їх існування (хвощ болотяний, хвощ польовий, хвощ лісовий тощо). У Карпатах та на Поліссі росте хвощ великий заввишки до 1 метра. Це найдавніший за походженням хвощ.

Роль хвощів у сучасному рослинному покрові незначна. Проте вони, як і решта вимерлих вищих спорових, утворили кам’яне вугілля. Поява на городі чи полі хвоща свідчить про закисання ґрунту, що є небажаним для багатьох культур, наприклад, таких, як кукурудза та квасоля. Тварини майже не їдять деякі види хвощів, бо в них великий вміст кремнезему. Хвощ болотяний є отруйним для тварин. Хвощ польовий використовують у народній медицині як сечогінний та кровоспинний засіб.

Відділ Папоротеподібні (Polypodiophyta)

Серед груп давніх рослин особливе місце займають папороті. Буваючи у вологих лісах, ви не могли не звернути увагу на трав’янисті рослини з великими красивими пірчастими листками. Це - папороті. Колись вони були володарями рослинного світу. У ті давні часи ці рослини мали вигляд гігантських дерев, що утворювали величезні ліси. Папороті, як і інші вищі спорові рослини, походять від давніх риніофітів. Найбільший розквіт папороті мали в кам’яновугільний період. Серед них багато вимерлих видів, які разом із хвощами та плаунами утворили кам’яне вугілля.

На відміну від своїх близьких родичів хвощів і плаунів, папороті змогли краще пристосуватися до змін умов існування і зараз більше поширені на земній кулі.

Різні види папоротей відрізняються своїм зовнішнім виглядом, але у їх будові є спільні ознаки, завдяки яким можна легко визначити належність рослин до відділу Папоротеподібні.

Спорофіт папоротеподібних панує у їх життєвому циклі розвитку. Розвиток папоротеподібних такий самий, як і у багатьох вищих спорових рослин. У більшості папоротей спори однакові. Це - рівноспорові папороті, до яких належать майже всі наземні представники, зокрема щитник чоловічий. Дозрілі спори висипаються із спорангія і проростають на поверхні ґрунту у невеличкий (близько 1 см) заросток. Заросток папороті і є статевим поколінням, або гаметофітом. На ньому формуються чоловічі та жіночі статеві органи. Гамети, які в них утворюються, зливаються. Важливим моментом для запліднення є обов’язкова наявність води. Із зиготи формується зародок. Певний час зародок живе на заростку, поки не сформує своє коріння та пагін і не перейде до самостійного фотосинтезу.

Але у деяких водяних видів у спорангіях розвиваються спори різної величини - дрібні мікроспори і крупніші макроспори. Із мікроспор утворюються чоловічі гаметофіти, а з макроспор - жіночі. До таких папоротей, зокрема, належить сальвінія плаваюча. Таким чином, серед папоротеподібних, як і серед плаунів, є різноспорові та рівноспорові рослини.

Багато папоротей мають здатність розмножуватися вегетативно за допомогою виводкових бруньок, кореневищ тощо.

Відділ Папоротеподібні є найбільшим серед вищих спорових рослин. На Землі більше ніж 12 тисяч видів папоротей. Ростуть вони на всіх континентах, у різних екосистемах: лісах, пустелях, болотах, зрідка у прісних і солоних водоймах. Найбільша різноманітність папороте­подібних - у вологих тропічних лісах. В Австралії та Новій Зеландії і в наш час ростуть деревоподібні папороті до 25 метрів заввишки і з діаметром стовбура до 50 см, наприклад, альзофіла. Стовбури цих папоротей схожі на колони і не галузяться. Серед сучасних папоротеподібних є ліани, епіфіти, водяні папороті. У лісах і болотах помірних широт трав’янисті папороті іноді утворюють суцільні зарості. В Україні близько 55 видів папоротеподібних, які ростуть у вологих листяних та мішаних затінених лісах, розщілинах скель.

Папоротеподібні входять до складу природних угруповань, виконують значну роль у накопиченні органічної речовини ґрунту. Кореневища деяких видів папоротей поїдають тварини. Як харчову рослину використовують молоді листки та кореневища орляка. Масаї Нової Зеландії, аборигени Канарських островів, індійці Америки виготовляли з його кореневищ хліб або вживали їх у сирому вигляді. Зола цієї папороті містить велику кількість карбонату калію, який використовують у виробництві тугоплавкого скла та мила. Мийні та вибілювальні властивості орляка були відомі задовго до появи мила. Екстракт кореневища щитника чоловічого використовують у медицині як сильнодіючий глистогінний засіб. Широко використовують декоративні папороті як кімнатні рослини та для створення квіткових композицій.

Викопні папороті утворили поклади кам’яного вугілля, а вимерлі насінні папороті вважають еволюційними попередниками всіх насінних рослин.