Этапы эволюции растительного мира. Освоение суши растениями.
Палеоботаника – это наука, занимающаяся исследованием растений прошлых эпох.
По ископаемым остаткам растений ученые установили, что чем древнее организмы, тем они проще устроены. Чем ближе к нашему времени, тем организмы становятся сложнее и всё более похожими на современные.
В результате развития органического мира появились высшие растения и высокоорганизованные животные, а так же человек мыслящий, который старается получить ответ на вопрос: “Когда и как возникла жизнь на Земле?”
И пытливый ум находит эти ответы.
“Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разные факты, им наблюдаемые”
Д. Хевелси.
Происхождение растений
Одни из первых существ на Земле не могли усваивать энергию света, были не способны к фотосинтезу. Фотосинтез – процесс получения энергии и образования органических веществ с помощью солнечного света. По мнению ученых, эти живые существа питались веществами древнего океана, которые были до их появления. Вещества заканчивались из-за их поедания, что привело к появлению существ, которые могли использовать энергию солнечного света для питания. Этими существами были цианобактерии, они относятся к царству бактерий, от них 2,5 млрд лет назад возникли первые растения.
Эти бактерии начали выделять кислород в атмосферу, так же как и растения впоследствии. Цианобактерии и растения стали пищей для организмов в биосфере, началом цепочек питания.
2,5 млрд лет назад в морях не было рыб, медуз и других привычных нам морских обитателей, задолго до появления динозавров атмосфера стала наполняться кислородом, практически весь кислород, которым сейчас дышат, образован фотосинтезом растений.
Растения стали развиваться, эволюционировать, начали появляться многоклеточные растения это были еще водоросли (смотри урок«Водоросли»). Начали появляться крупные водоросли, которые прикреплялись к морскому грунту (рис. 2), и в определенный момент они начали осваивать сушу – вышли на нее.
Отдел мохообразных
При выходе водоросли начали развиваться в нескольких направлениях. В одном направлении образовался отдел мохообразных.
Мхи похожи на водоросли, у них нет корней, к грунту прикрепляются ризоидами, нет возможности экономить питательные вещества, воду, из-за этого они легко высыхают.
Отдел риниофиты
Во втором направлении, после выхода на сушу растений, образовался отдел риниофиты. Риниофиты вымерли, о них только можно судить по ископаемым останкам (рис. 5), но дали продолжение живущим на данный момент растениям – отделу папоротникообразных. К ним относят папоротники, хвощи, плауны
Папоротникообразные размножаются спорами, хорошо приспосабливаются к окружающей среде, разнообразны, зависят от воды при размножении.
Гаметофит споровых растений образует не спермий, а сперматозоид (половая клетка со жгутиком), жгутик, которого может работать только в водной среде, необходима капля воды, чтобы он достиг яйцеклетки.
Семенные растения преодолели зависимость от воды при размножении. У семенных растений – спермий, клетки без жгутиков в отличие от папоротникообразных. Семенные растения – одни из наиболее совершенных представителей царства растений из-за своего разнообразия и сложного устройства. Покрытосеменные растения (цветковые) – венец эволюции царства растений.
Основные этапы развития растительного мира
| Основные этапы | Характеристика этапов развития растительного мира |
| Появление первых одноклеточных организмов | Первые одноклеточные растительные организмы появились на планете около 3,5 млрд лет назад. Жизнь зародилась в океане. Первые организмы были примитивными одноклеточными, не имеющими сформировавщегося ядра. Питались органическими веществами растворившимися в воде, поглощая их всей поверхностью своего тела. |
| Появление водорослей (появление фотосинтеза) | Около 3 млрд лет у некоторых организмов сформировались пигменты и они стали способны к фотосинтезу — созданию органических веществ из неорганических с использованием солнечных лучей. Около 1,5 млрд лет назад появились более развитые одноклеточные организмы. У некоторых появилось ядро, у других — ядро и хлоропласты. Органический мир поделился на одноклеточных животных и одноклеточные растения. |
| Первые многоклеточные растения | Около 1 млрд лет назад в морях от древних одноклеточных водорослей произошли первые многоклеточные водоросли. |
| Выход растений на сушу и первые наземные многоклеточные растения | Благодаря фотосинтезу на Земле появился кислород, и у организмов появилась возможность дышать. Из кислорода - озон, который стал защищать Землю от радиации. Благодоря этому растения стали развиваться на суше. Примерно 450-400 млн лет назад на суше появились первые многоклеточные наземные растения — это мхи и псилофиты. Они произошли от разных групп водорослей. Псилофиты не имели корней, стеблей и листьев. Их тело состояло из тонких ветвящихся цилиндрических образований. Псилофиты имели примитивную покровную и проводящую ткани (древесину, луб), размножались спорами. |
| Появление папоротникообразных и их господство | Около 400 млн лет назад было время господства разнообразных папоротникообразных, которые произошли от псилофитов. Тогда благоприятный климат для размножения древних папоротникообразных: развитие заростков и оплодотворение яйцеклеток сперматозоидами. |
| Появление семенных растений | Голосеменныерастения появились более 300 млн лет назад, еще до того как папоротникообразные достигли своего господства. Возможно произошли от примитивных папоротникообразных. Около 250 млн лет назад климат стал холодным и засушливым. Папоротникообразные не смогли выжить и наступило время голосеменных растений. Покрытосеменныерастения появились около 150 млн лет назад, их господство на данный момент связано с резким изменением климата и появлением более эффективного способа опыления с помощью насекомых. |
Усложнение в строении органов растений основных групп
| Бактерии | Грибы | Водоросли | Мохообразные | Папоротникообразные | Голосеменные | Покрытосеменные |
| НЕТ корней, стеблей, листьев, цветков, семян | ЕСТЬ стебель, листья | ЕСТЬ корень, стебель, листья | ЕСТЬ корень, стебель, листья, семя | ЕСТЬ корень, стебель, листья, семя, цветок |
Таблица Развитие растительного мира на Земле
| Ступени развития | Среда обитания | Время возникновения |
| Возникновение жизни на земле | Водная | 2-3 млрд. л. назад |
| Возникновение и господство водорослей | Водная | 1,5 – 2 млрд. лет назад. |
| Выход растений на сушу | Наземно-водная | 350-400 млн. лет назад. |
| Возникновение и господство папоротникообразных | Наземная влажная | 300 млн. лет назад |
| Возникновение и господство голосеменных | Сухопутная | Свыше 200 млн. лет назад |
| Возникновение и господство порыто -семенных | Сухопутная | Около 120 млн. лет назад |
Схема этапы развития растительного мира
По мнению учёных, планета Земля образовалась приблизительно 4,5 млрд лет назад, а самые древние останки живых организмов датируются приблизительно 3,5 млрд лет назад. Исследователи предполагают, что первыми появившимися на Земле живыми организмами были одноклеточные гетеротрофы, пищей которым служили растворённые в воде древнего океана органические вещества, синтезированные абиогенным путём (так называемый первичный бульон).
Все ныне существующие организмы возникли в ходе исторического развития форм жизни в течение длительного времени — в процессе эволюции (от лат. Evolutio [эволюцио] — «развёртывание»), связанной с изменяющимися условиями среды на Земле. Этот процесс сопровождался появлением новых, более приспособленных форм жизни и вымиранием видов, не имеющих адаптаций для существования в изменившихся условиях.
Появление у древнейших одноклеточных организмов фотосинтетических пигментов, а следовательно, и способности к фотосинтезу привело к возникновению первых фототрофных прокариот — цианобактерий (синезелёных «водорослей»).
Вторым шагом на пути к возникновению первых настоящих растений стало появление в клетках ядра. Так возникли фототрофные эукариоты, первые примитивные растительные организмы — одноклеточные водоросли.
Позднее появились многоклеточные водоросли. Их эволюция шла по пути усложнения строения слоевища (нитчатое, пластинчатое) и увеличения площади его фотосинтезирующей поверхности, благодаря чему выделялось больше кислорода. Кислород поступал в атмосферу и накапливался, формировался озоновый слой, который поглощал часть жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца.
У водорослей появилась прогрессивная форма размножения — половое размножение, при котором начало новому поколению даёт зигота, сочетающая в себе наследственность двух родительских форм. Генетически разнообразные потомки имеют больше шансов приспособиться к меняющимся условиям среды.
450–420 млн лет назад очертания суши постоянно изменялись, большие участки земной поверхности то осушались, то снова затапливались океаном. Отступавшая вода задерживалась во впадинах, образуя внутренние водоёмы. Обмеление и осушение этих водоёмов происходило постепенно. Некоторые водоросли успевали приспособиться к изменению водного режима: у них появлялись адаптации к обитанию вне водной среды. Такие формы водорослей дали начало новой группе — риниофитам (от названия населённого пункта в Шотландии — Райни, где нашли отпечатки этих растений). Устаревшее название риниофитов, которое тоже можно встретить в биологической литературе, — псилофиты (от др.-греч. psilоs [псилос] — «голый» и phytоn [фитон] — «растение»).
Рис. 1. Риния — вымершее растение из отдела Риниофиты (реконструкция внешнего облика)
.
Риниофиты, некрупные примитивные наземные растения, росли по берегам водоёмов. Их организм, не разделённый на органы, представлял собой голые ветвящиеся стебли, на нижних частях которых развивались ризоиды. От водорослей риниофиты отличались более сложным внутренним строением: развитием покровной и примитивной проводящей тканей. Кожица (покровная ткань) защищала их тела от высыхания, а древесина и луб (проводящие ткани) позволяли осуществлять транспорт воды из нижних, погружённых в воду частей растения к его надземным частям. Размножались риниофиты спорами, созревающими в спорангиях на верхушках веточек.
Ископаемые остатки риниофитов хорошо сохранились. Считается, что эта группа примитивных наземных растений существовала относительно недолго и вымерла 400 млн лет назад. Учёные полагают, что от риниофитов произошли высшие споровые растения: мхи, хвощи, плауны и папоротники. Таким образом, риниофиты являются самыми древними известными науке сосудистыми растениями.
400–350 млн лет назад, в период тёплого и влажного климата палеозоя господствующей группой наземных растений стали папоротниковидные. Гигантские растения из группы древовидных папоротников образовывали обширные лесные экосистемы.
Рис. 2. Современный тропический древовидный папоротник циатея — реликт палеозойской эры
В это же время, в палеозое, расцвета достигла ещё одна группа споровых растений — лепидофитов, относящихся к древним плауновидным. Это были крупные, до 40 м высотой, быстрорастущие плауны, жившие не более 20 лет (точнее сказать сложно из-за отсутствия годовых колец). Некоторые из них, например лепидодендроны, сильно ветвились, другие, такие как сигиллярии, имели всего одно-два дихотомических ветвления — раздвоения стебля. Лепидофиты имели узкие длинные листья, прираставшие к главному стволу и ветвям без черешка. На стволе листья располагались спирально. Постепенно отмирая, листья опадали, но оставляли на стволе характерный рисунок, напоминающий чешую, за что эта группа растений и получила название (от др.-греч. lepis [ле́пис] — «чешуя»). Лепидофиты хотя и были крупными, но не являлись настоящими деревьями. Во-первых, их стволы содержали очень мало древесины: основной частью была кора, которая не отслаивалась. Во-вторых, стволы были зелёными: места прикрепления опавших листьев оставались фотосинтезирующими органами.
| 
|
| а | б |
Рис. 3. Реконструкция облика вымерших гигантских споровых растений: а — каламит (отдел Хвощевидные); б — лепидодендрон (отдел Плауновидные)
Половое размножение древних папоротников, плаунов и хвощей зависело от наличия воды. Для оплодотворения мужские гаметы — сперматозоиды — могли переместиться к яйцеклеткам с помощью жгутиков только в водной среде. Именно эта особенность привела большинство видов гигантских споровых растений к быстрому вымиранию с наступлением засушливого климата 300–250 млн лет назад. На смену им пришли семенные растения.
Первыми семенными растениями были семенные папоротники, впоследствии полностью вымершие. Их безжгутиковые мужские гаметы — спермии — не нуждались в присутствии воды для перемещения к яйцеклеткам и распространялись преимущественно ветром (ветроопыление), а оплодотворение происходило внутри семязачатков. Семенные папоротники стали промежуточным этапом эволюции между папоротниковидными и голосеменными растениями, похожими на современные пальмы, — саговниками (цикадовыми). Специальных органов для развития семян у саговников нет, но зародыш в семени лучше защищён и снабжён питательными веществами, чем спора.
| 
|
| а | б |
Рис. 4. Современное голосеменное растение саговник — реликт мезозойской эры: а — общий вид мужского растения; б — шишка на женском растении (мегаспорофиллы с семенами)
Саговниковые были широко распространены в мезозойскую эру, 250–60 млн лет назад. К настоящему времени сохранилось лишь около 300 тропических видов из этой когда-то многочисленной группы голосеменных. В условиях более сурового климата, в умеренных широтах, возникли и распространились более приспособленные к холодным и сухим условиям обитания хвойные голосеменные растения.
Первые отпечатки растений, имевших признаки покрытосеменных (цветковых), были обнаружены в пластах раннего мелового периода (около 130 млн лет назад), а в позднем мелу (100–66 млн лет назад) покрытосеменные оказались доминирующей формой растительной жизни. Появление цветка и плода стало ключевым событием в происхождении покрытосеменных. Цветок представляет собой видоизменённый укороченный побег, приспособленный для образования спор и гамет, а также для осуществления полового процесса, который завершается образованием плода с семенами. Плод — это особый генеративный орган покрытосеменных растений, который служит для формирования, защиты и распространения заключённых в нём семян.
Наиболее древними группами цветковых растений считаются современные семейства Нимфейные (Кувшинковые) и Магнолиевые со спиральным расположением частей цветка на его удлинённой оси.
| 
|
| а | б |
Рис. 5. Представители древнейших покрытосеменных растений: а — кувшинка белая; б — магнолия крупноцветковая
Рис. 6. Ход эволюции растительного мира
Рис. 7. Краткая схема современной системы царства Растения
Главное
Эволюция растительного мира началась на Земле с момента появления первых фотосинтезирующих эукариотических организмов и продолжается в настоящее время. Процесс эволюции обусловлен изменениями условий обитания на Земле и связан с изменением наследственных признаков организмов.
Все существующие группы растений — это результат длительного исторического развития. Эволюционный процесс шёл по пути усложнения строения растительных организмов — от примитивных одноклеточных водорослей до цветковых растений.