ОТДЕЛ
ПАПОРОТНИКОВИДНЫЕ, ИЛИ ПАПОРОТНИКИ - POLYPODIOPHYTA
Это древняя группа споровых растений с
очень разнообразным внешним видом. Ископаемые формы их
известны с девона, а предками считают некоторые группы, близкие к риниофитам. В
карбоне крупные древовидные папоротники наравне с другими споровыми
растениями росли в обширных влажных лесах, остатки которых образовали
залежи каменного угля. Папоротники широко распространены по всему
земному шару и встречаются в самых разных местообитаниях от пустынь до
водоемов. Растут на почве, под деревьями, в качестве эпифитов на стволах и
ветвях деревьев. Папоротники стран умеренного климата в своем
большинстве - многолетние наземные травянистые растения. Широко известны
древовидные формы, особенно обильные в горах тропиков. Другая характерная
жизненная форма в этом климатическом поясе - лианы. Существует также несколько
видов плавающих многолетних папоротников, обитающих в водоемах.
Хотя папоротники имеют почти
один геологический возраст с хвощами, они продолжают процветать. В
настоящее время их насчитывается около 300 родов и более 10 000 видов, из
которых около 100 видов встречается на территории России. Когда мы говорим о
папоротниках, то имеем в виду, прежде всего, их бесполое поколение
- спорофит, который дифференцирован на корень, стебель и лист.
Спорофит в жизненном цикле развития папоротников доминирует над половым
поколением - гаметофитом и является, как правило, многолетним растением (рис.
10). По своим размерам папоротники варьируют от тропических древовидных
форм, достигающих иногда высоты 25 м, с диаметром ствола до 50
см, до крошечных растений всего лишь в несколько миллиметров
длины. Стебли папоротников могут быть прямостоячими, приподнимающимися,
вьющимися или видоизмененными в корневище. Но они никогда не бывают
сильно развиты и не достигают больших размеров. На стеблях
многочисленные чешуйки и волоски. В анатомическом строении имеются все
типы стеблей. На стеблях в спиральном порядке располагаются листья,
которые по массе и размерам преобладают над ними. Чаще всего они собраны в
прикорневую (травы), или верхушечную (деревья) розетку. Листья папоротников,
называемые вайями, возникли в результате уплощения крупных ветвей. Они
длительное время продолжают верхушечный рост, образуя в начале роста
характерную разворачивающуюся «улитку», что связано с неравномерным
ростом верхней и нижней сторон вайи. В большинстве случаев фотосинтезирующие
листья расчленены на черешок и пластинку. У подавляющего большинства
современных папоротников листья перистые - однократно,
дважды или многократно. Пластинка перистого листа имеет главную ось (рахис).
Рахис соответствует главной жилке цельного листа. Размеры листьев
колеблются от 1-2 мм до 10 м в длину и более. Листья бывают 4-х типов:
трофиллы, спорофиллы, трофоспорофиллы и диморфные (состоят из двух
частей - одна часть спороносит, другая - фотосинтезирует).
Спорангии развиваются или на
обыкновенных зеленых листьях, или на специальных спороносных частях листа, или
на специализированных листьях. Располагаться они могут
одиночно или группами - сорусами. Сорусы расположены с нижней,
лучше защищенной стороны листьев. У многих папоротников они состоят
из выпуклого ложа (рецептакула), к которому с помощью ножек
прикрепляются спорангии. Из центральной части ложа образуются
различной формы покрывальца (индузии), обеспечивающие защиту
развивающимся спорангиям. Иногда эту функцию выполняет завернутый край
пластинки листа. При созревании спорангии вскрываются, и гаплоидные
споры высыпаются, прорастая в гаметофиты. Большинство
папоротников - равноспоровые растения. Только немногие группы характеризуются
разноспоровостью (водные папоротники).
Гаметофиты (заростки)
равноспоровых папоротников обитают обычно на поверхности почвы. Они
обоеполые, зеленые, мелкие, разные по форме, питаются
самостоятельно, реже лишены хлорофилла и развиваются под землей. К
почве гаметофит прикреплен многочисленными ризоидами. На нижней, брюшной, стороне
гаметофита развиваются архегонии и антеридии. Последние обычно
развиваются раньше. В архегониях созревают яйцеклетки. Оплодотворение происходит только в
капельно-жидкой водной среде. Зигота, возникающая из
оплодотворенной яйцеклетки, дает начало диплоидному зародышу, развивающемуся в
диплоидный спорофит (рис. 10). У разноспоровых папоротников
гаметофиты редуцированы до микроскопических размеров, особенно
мужские гаметофиты.
Рис. 10. Чередование поколений и смена ядерных фаз у папоротника-многоножки: 1 - гаметофит (заросток); 2 - заросток с развивающимся зародышем; 3 - спорофит
К отделу папоротниковидные
относится 7 классов, три из которых существуют и в настоящее время: Polypodiopsida (Многоножковые),
Marattiopsida (Мараттиевые), Ophyoglossopsida (Ужовниковые).
КЛАСС УЖОВНИКОВЫЕ- OPHYOGLOSSOPSIDA
Это своеобразный
и загадочный класс папоротников, с одним порядком – Ужовниковые (Ophioglossales), с
одним семейством – Ophioglossaceae и 3 родами: ужовник {Ophioglossum), гроздовник
(Botrychium) и
гельминтостахис (Helminthostachys) (рис.
11). Немногочисленность этого класса (87
видов) указывает на древность этой группы. Большинство видов ужовниковых
приурочено к тропикам, монотипный род гельминтостахис обитает
в тропических лесах Восточного полушария, а гроздовник встречается на всех
континентах, хотя тяготеет к Северному полушарию. Произрастают ужовниковые в
затененных лесах, на лугах, болотах, в тундровых сообществах. Это
многолетние, часто вечнозеленые растения небольших размеров
(20-30 см), лишь один
тропический эпифит - ужовник повислый– достигает 2-4-х
м. Они имеют короткие корневища с толстыми, мясистыми неветвящимися
придаточными корнями. На корневище каждый год формируется по 1, редко
по 2 листа, которые отличаются от всех папоротников
отсутствием улитки, длительным (в течение 4-5 лет) подземным развитием
и дихотомическим ветвлением черешка. Для листьев ужовниковых характерен
диморфизм частей листа. Спороносные и вегетативные доли
листьев располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. У
одних видов вегетативная и спороносная части листа многократно
ветвятся, у других они цельные. Стеблевая часть корневища
построена по типу диктиостелы, реже эктофлойной сифоностелы.
Наиболее отличительная особенность стебля - наличие камбия, не свойственного типичным
папоротникам. Немногослойная вторичная ксилема состоит из точечных трахеид с преобладанием древесной
паренхимы.
Спорангии ужовниковых занимают
верхушечное положение на сегментах листа, собираясь в спороносные
колоски. Они массивные, без кольца и содержат огромное
количество спор (до 15000 каждый). Ножка спорангия многослойная
со средней жилкой. В стенках спорангия встречаются устьица,
что указывает на примитивность спорангия. Споры способны к
длительному периоду покоя и прорастают только в темноте.
Гаметофиты ужовниковых обоеполые и ведут подземный образ
жизни. По форме они могут быть червеобразными, клубневидными, коралловидными,
размеры их колеблются от 1 мм до 5-6 см. Гаметофиты лишены ризоидов
и питаются микотрофно. Темпы развития зародыша у разных видов
варьируют от 1 года до 10-20 лет. Первыми созревают антеридии, они
имеют большие размеры, содержат до 100 сперматозоидов и вскрываются
пассивно. Архегонии возникают несколько позднее. Из зиготы развивается
сначала гаустория, а затем зародыш.
КЛАСС МАРАТТИЕВЫЕ- MARATTIOPSIDA
Древняя, некогда
процветавшая группа, ныне представляет собой угасающую боковую ветвь эволюции с
одним порядком мараттиевые (Marattiales) и с
одним семейством (Marattiaceae). Современные
мараттиевые насчитывают всего 7 родов многолетних растений, приуроченных
исключительно к влажным тропическим лесам. Они иногда образуют очень
своеобразные густые заросли с приподнимающимися над землей
клубневидными стеблями высотой до 2-4 м и огромными (до 4-5 м),
рассеченными листьями на длинных прочных черешках. Для листьев мараттиевых
характерно наличие в основании крупных мясистых парных органов, похожих на
прилистники (рис. 11). Это придатки (афлебии).
Они запасают большое количество крахмала и остаются на побегах
после опадания листа. На прилистниках возникают придаточные
почки, из которых могут развиться новые растения. Помимо
клубневидных имеются стелющиеся и прямостоячие побеги.
Мараттиевые - равноспоровые папоротники, на нижней стороне
зеленых листьев расположены спорангии, объединенные в
сорусы, чаще в синангии различной формы. Типичного индузия
нет, его функцию выполняют волоски либо чешуя. Спорангии имеют многослойную
стенку с устьицами, кольцо вскрытия отсутствует. Из споры, минуя
стадию нити, образуется пластинчатый многолетний гаметофит
размером 1-3 см, внешне напоминающий таллом печеночников.
Подобные гаметофиты считаются очень древними. Наиболее многочисленны по количеству видов и широко
распространены 2 рода – ангиоптерис (Angiopteris) (рис.
11) и мараттия (Marattia). Род ангиоптерис
объединяет более 100 видов, распространенных в тропиках Восточного полушария.
Он имеет клубневидный стебель диаметром до
1 м, наполовину возвышающийся над землей, на нем располагаются крупные,
до 5-6 м, листья. Род мараттия объединяет 60
видов, которые внешне похожи на ангиоптерис, но не превышают 1-2 м. Другие роды имеют меньшее
распространение.
КЛАСС МНОГОНОЖКОВЫЕ, ИЛИ НАСТОЯЩИЕ ПАПОРОТНИКИ –POLYPODIOPSIDA
Самый многочисленный класс
папоротников - спорофиты и гаметофиты, которые имеют разнообразное
внешнее строение. Среди них встречаются древовидные, наземные и
водные папоротники. Большая их часть - равноспоровые, но встречаются
и разноспоровые.
Рис. 11. Ужовниковые и Мараттиевые: А - ужовник
обыкновенный (1 - спороносный колосок; 2 -
фотосинтезирующая часть листа; 3 - прилистники
- афлебии; 4 - корневище; 5 - придаточные корни); Б - гельмин-тостахис цейлонский; В - ангиоптерис (мараттиевые)
(1 - прилистники; 2 - вайя; 3 -
придаточные корни); Г - часть вайи с синангиями; Д - синангий (вид сверху)
К классу многоножковых
принадлежит подавляющее большинство современных папоротников - свыше
9000 видов, 234 рода и 11 семейств, объединенных в 5
подклассов:
Осмундовые - Osmundidae. Порядок
осмундовые (Osmundales) - очень
примитивные папоротники, произрастают как в теплых зонах, так и в
умеренных. Жизненные формы представлены травянистыми
многолетниками, лианами и древовидными формами. Больших размеров эти
папоротники достигают за счет массивных листьев, которые располагаются
на верхушке колоновидных неразветвленных стеблей. Листья очень
плотные, могут быть как цельными, так и рассеченными, но
всегда диморфные. Спорангии располагаются группами, редко
поодиночке. Споры однотипные, очень часто зеленые и быстро
теряющие всхожесть. Представители: лептоптерис, тодея, осмунда и
др.
Подкласс Schizedidae. Схизейные
(Schizeales) - все
представители древних травянистых многолетников и лиан, порою достигающие
гигантских размеров. Спороносные листья мало отличаются от
вегетативных, спорангии собраны группами и покрыты индузием. Все
споры однотипные, но гаметофиты их исключительно разнообразные (пластинчатые,
нитевидные, бочонковидные). Имеют хорошо развитые ризоиды и всегда фотосинтезируют.
Могут быть многолетними и достигать размеров до 30 см. Представители: схизея,
адиантум венерин волос, лигодиум и др.
Подкласс циатейные (Ciatedidae) включает
самый крупный порядок - циатейные(Ciatediales), в
состав которого входит 4 тыс. видов, обитающих повсеместно и
содержащих все жизненные формы. Широко распространенным является
семейство циатейные. Почти все они имеют древовидную форму до 20 м высотой.
Ствол прямостоячий, окутан придаточными корнями, которые
создают мощный чехол. Листья многолетние, крупные и располагаются на верхушке
стебля. Из-за огромной величины листьев растению не всегда
хватает поглощающих корнем веществ, для этого на всех частях
растений имеются волоски и чешуйки, которые из атмосферы
восполняют нехватку корневого питания.
Подкласс многоножковые (Polypodiidae) включает
1500 видов. Стебли подземные - корневища, от них отходят
единожды перистые, нежные надземные листья, образующие прикорневую
розетку. Листья совмещают две функции: спороносную и фотосинтезирующую.
Спорангии собраны на брюшной стороне в сорусы, без покрывала.
Гаметофиты обоеполые.
Несмотря на большое
разнообразие представителей, они имеют общий план строения и
цикл развития. Одним из наиболее распространенных в России
папоротников является мужской папоротник, щитовник (Driopteris filix-mas), растущий
в сыроватых лиственных лесах, по тенистым местам. Толстое,
черно-бурого цвета корневище скрыто в земле, лишь верхняя часть его
немного возвышается над поверхностью почвы. На нем спирально
расположены остатки черешков опавших листьев, отмирающих ежегодно,
а ближе к верхушке - листья, возвышающиеся над землей. Взрослые растения имеют
5-7 хорошо развитых листьев (рис. 12). Листья щитовника крупные,
дваждыперисторассеченные, длинночерешковые. Черешки покрыты
тонкими чешуйчатыми коричневатыми пленками. Молодые листья свернуты
улиткообразно, растут очень медленно верхушкой и развертываются
от основания к верхушке. Они появляются над землей лишь на
третий год после заложения их на верхушках корневища. Стебель щитовника снаружи
одет эпидермисом, дальше расположена кора, которая разделяется
на внутреннюю (из механических клеток) и наружную, состоящую
из паренхимных клеток. В центральной части располагаются пучки разных
размеров, составляющих диктиостель. Снаружи корень одет
эпидермисом, в центре он содержит одинконцентрический пучок.
Растущие молодые части корня несут многочисленные корневые
волоски.
Спорангии щитовника собраны в группу -
сорусы. Сорусы возникают на нижней стороне листа, вдоль средней жилки листочков,
и одеты округло-сердцевидным покрывалом индузием, прикрепляющимся
в центре соруса. На поперечном разрезе листа в области соруса видно, что
разновозрастные спорангии расположены на плаценте -
массивном выросте нижней стороны листа. Выше от плаценты
отходит индузий. Спорангий имеет вид двояковыпуклой чечевицы и расположен на
довольно длинной ножке. Одет он однослойной стенкой и содержит внутри споры.
Рис. 12. Щитовник: А - взрослое растение (спорофит) (1 -
корневище; 2 - придаточные
корни; 3 - молодые улиткообразно скученные листья); Б - часть листа (1 - сорусы); В -
поперечный разрез лист с сорусом (1 - спорангий с кольцом; 2 - индузий; 3 - плацента; 4 - проводящий пучок); Г - спорангий (1 - утолщенное
кольцо; 2 - споры); Д - заросток (гаметофит) (1 - эпидермис; 2 - архегоний;3 - антеридий; 4 -
ризоиды)
Расположенная по гребню
спорангия полоска клеток стенки образует так называемое
кольцо. Начиная от ножки, кольцо опоясывает спорангий в
продольном направлении почти на 2/3 его окружности. Клетки кольца
имеют неравномерно утолщенные стенки. Их внутренние и радиальные стенки
утолщены, в то время как наружные остаются неутолщенными. Кольцо способствует
раскрыванию спорангия и разбрасыванию спор. При созревании
спорангий подсыхает, испарение воды в кольце идет быстрее через
неутолщенные стенки. Они вдавливаются внутрь и становятся
вогнутыми. Радиальные стенки клеток при этом сближаются, и кольцо стремится
выпрямиться. При дальнейшей потере воды натяжение становится
сильным и стенка спорангия в неутолщенной части, в так
называемом устье, разрывается, и кольцо резко выворачивается. При
этом движении кольца споры разбрасываются в стороны на
расстояние до 1 м. Всего в спорангии имеется 64 споры. Спора одета
двумя оболочками - тонкой, внутренней (эндоспорий) и толстой, наружной,
окрашенной в бурый цвет (экзоспорий). На земле спора прорастает,
образуя заросток (гаметофит) в виде округло-сердцевидной пластинки
диаметром 0,5-0,9 см (рис. 12).
Заросток у папоротников зеленый, в клетках его
содержатся хлоропласты. Он способен к самостоятельной жизни. От
нижней поверхности заростка отходят многочисленные многоклеточные ризоиды,
прикрепляющие заросток к почве и всасывающие воду. На нижней поверхности
зрелого заростка возникают антеридии (ближе к ризоидам) и
архегоний (ближе к выемке). Сначала развиваются антеридии, затем созревают
архегоний. Антеридии возвышаются над поверхностью заростка, имеют
округлую форму и развивают небольшое число спирально закрученных многожгутиковых
сперматозоидов. Архегоний обычного строения, но брюшком погружены в
ткань заростка, шейка возвышается над его поверхностью. Т. к.
антеридии и архегоний находятся в контакте с влажной почвой,
оплодотворение яйцеклетки подвижным сперматозоидом в дождливую
погоду происходит без затруднений. Из оплодотворенной яйцеклетки
вскоре формируется зародыш, первоначально развивающийся за счет
заростка. Всасывание питательных веществ осуществляется при
помощи ножки зародыша, внедряющейся в ткань заростка. После
активного роста корешка, стебелька и первого листа зародыш
начинает самостоятельную жизнь. Корешок его внедряется в землю, стебелек выпрямляется,
и лист разрастается.
За первым листом на стебле
образуются новые листья, и таким образом постепенно формируется взрослое
растение папоротника. Первые листья при этом простые и имеют дихотомическое
жилкование. Последующие листья постепенно приобретают папоротниковый
облик.
Подкласс марсилеевые(Marsileidae) включает
около 70 видов папоротников, объединенных в 3 порядка.
Рис. 13. Марсилея четырехлистная: А - внешний вид растения
(1 - лист; 2 -
спорокарпий; 3 - придаточные корни; 4 - побег); Б, В - раскрывание спорокарпия (1 - сорусы)
Причем весь этот процесс при
благоприятных условиях занимает менее 24 ч. Развитие зародыша
начинается сразу же после оплодотворения, без периода покоя. Три
вида этого рода изредкавстречаются на юге России, особенно в низовьях Волги. Наиболее обычна из них марсилея четырехлистная (М. quadrifolia) (рис.
13). Представители рода марсилея очень широко распространены в
теплых районах всего мира, нередко как злостные сорняки на орошаемых землях.
Ряд видов марсилеевых культивируют как декоративные аквариумные
растения. Молодые листья и побеги, а также спорокарпии массово
встречающихся видов марсилей местное население употребляет в пищу.
ПОРЯДОК САЛЬВИНИЕВЫЕ (SALVINIALES).
Семейство (Salviniaceae) - характеризуется
разноспоровостью и наличием шаровидных сорусов, открыто
сидящих на подводных листьях. Оно включает один род (Salvinia) с 8
видами пресноводных растений. Из них 6 видов распространены в тропиках
и субтропиках, а 2 вида встречаются в умеренных областях. Широко
распространенным видом в средней полосе России, в Сибири, на
Дальнем Востоке, на Кавказе и в Средней Азии является сальвиния
плавающая (Salvinia natans).Это
небольшой папоротник, размером до 15-20 см, живущий в стоячих
либо медленно текущих водах. Имеет плавающие на поверхности воды
побеги с мутовчатым листорасположением (рис. 14). Корни
отсутствуют. В каждой мутовке из 3 листьев 2 листа плавающие, с цельной
листовой пластинкой, а третий - подводный. Плавающие листья овальной
или округлой формы, они покрыты восковым налетом и имеют на
поверхности сосочки и волоски, что делает их несмачиваемыми.
Подводный лист почти до основания рассечен на множество нитевидных долей,
густо покрытых жесткими волосками, и напоминает корень. Все части растения
снабжены густой сетью воздухоносных полостей. Сальвиния обладает
способностью к вегетативному размножению за счет почек, которые могут формироваться
между листьями. Для нее характерно половое и бесполое размножение. У начала
подводных листьев на коротких черешках формируются шаровидные сорусы
одинакового размера. Таким образом, подводные листья выполняют функции
спороношения, всасывания воды и роль поплавка. Сорусы имеют шаровидную
форму, в них на разросшейся плаценте располагаются либо микроспорангии, либо
мегаспорангии. С поверхности сорусы покрыты двуслойным индузием, его слои
соприкасаются только в основании и на самой вершине, а на остальном протяжении
они разделены воздухоносной полостью, уменьшающей удельный вессорусов.
Сорусы со спорангиями зимуют на дне водоема. К весне индузий соруса
разрушается, освобожденные спорангии всплывают, споры прорастают в крайне
редуцированные заростки. Микроспоры прорастают внутри микроспорангия, пробивая
при этом его стенку, и освобождаются. Мужской заросток состоит из двух
вегетативных клеток и двух антеридиев с четырьмя сперматозоидами
в каждом. Женский заросток развивается из мегаспоры, не покидая мегаспорангия,
а лишь разрывая его оболочку.
Рис. 14. Сальвиния плавающая: А - общий вид; Б - мутовка
листьев (1 - надводные
листья, 2 - побег; 3 - сорусы; 4 - подводный лист); В - продольный разрез через мега- и
микросорусы; (1 - мегаспорангий; 2 - микроспорангий; 3 - индузий; 4 - плацента); Г - мужской гаметофит (1
- оболочка микроспоры; 2 - две проталлиальные клетки; 3 - клетка стенки антеридия; 4 — сперматогенные
клетки); Д - женский гаметофит (1 - архегоний; 2 - проталлиальные клетки гаметофита; 3 - оболочка мегаспоры; 4 - ризоиды); Е - поперечный
срез стебля (1 - эпидермис; 2 - наружный слой коры; 3 - воздухоносные полости; 4 - трахеиды; 5 - внутренний слой коры; 6 - средний
слой коры)
Он имеет вид маленькой зеленой треугольной
пластинки с тремя-пятью архегониями. После оплодотворения
развивается зародыш, а затем взрослый спорофит.
Азолловые(Azollales) включают
шесть видов мелких плавающих на поверхности воды папоротников из
водоемов тропиков, субтропиков и умеренных областей. Побеги тонкие (до 25 см),
ветвящиеся, густо одеты двухлопастными мелкими, до 0,5-1 см листьями. От узлов
вглубь воды или почвы идут пучки придаточных корней. Образуют микро-
и мегасорусы. Развитие сходно ссальвинией. Замечательная особенность
азоллы - ее симбиоз сазотфиксирующей цианобактерией – анабеной азоллы.
На этом основано использование азоллы в Японии, Китае и Индокитае в качестве
зеленого удобрения для рисовых полей, благодаря чему рис
может долго расти на одном и том же участке. Симбиоз азолла-анабена способен давать
до 50 кг азота с 1 га. Симбиоз происходит на всех стадиях развития папоротника.
Нити анабены инфицируют женский гаметофит и затем попадают в спорофит, где и
живут в полостях листьев. Рис, развиваясь,
затеняет папоротник, азолла отмирает, азот высвобождается и используется рисом.
Таким образом, во всех трех отделах
сосудистых споровых наблюдается параллелизм вариантов жизненного цикла, где преобладает
сложно дифференцированный спорофит с развитой проводящей системой.
Автономный гаметофит все больше редуцируется, что выражается в
его упрощении, уменьшении размеров и сокращении
продолжительности жизни. Во всех группах появляется разноспоровость, с
образованием раздельнополых гаметофитов. При этом намечаются предпосылки для
перехода к семенному размножению.
очень интересная тема! Спасибо
ОтветитьУдалить👍
ОтветитьУдалить👍
ОтветитьУдалить