Споровые растения: мхи, хвощи и папоротники

Все наземные растения произошли от водорослейНевозможно представить нашу планету и жизнь на ней без растений. Растения растут во всех регионах – от выжженных пустынь, до арктических пустошей. Но так было не всегда. Как и животным, сотни миллионов лет назад растениям пришлось покинуть моря и океаны, чтобы заселить сушу. В то невообразимо далёкое время Земля была «голой», покрытой лишь скалами и камнями. Когда древние растения колонизировали землю, они не только адаптировались к земной среде, но и изменили её. Первые наземные растения сформировали почву: разрушили твёрдые горные породы и обогатили землю питательными веществами. Подобные процессы происходят и сегодня, когда растения прорастают на новых территориях. Более того, первые наземные растения создали кормовую базу для последовавших за ними животными. Без растений животные никогда бы не колонизировали сушу.Какие растения были пионерами-первопроходцами в покорении суши, и как они приспособились к жизни на суше?

Эволюция растений  

С какими трудностями столкнулись первые наземные животные и растения?Жизнь зародилась в океанах, но с тех пор многие организмы приспособились к наземной жизни в «море» воздуха. Каждый организм, живущий на суше, сталкивается с одинаковыми экологическими проблемами:- получение и сохранение достаточного количества воды;- приспособление к жаре или холоду;- наиболее эффективное воспроизводство потомства.От способа решения этих задач зависит строение организма, что в итоге объясняет всё разнообразие наземных животных и растений. Давайте сравним, как растения и позвоночные животные справились с трудностями жизни на суше.

Получение достаточного количества водыЖивотные подвижны: они ходят, летают, бегают или ползают к источникам воды. Для такой мобильности требуется согласованная работа мышечной и нервной систем. Растения научились получать воду, оставаясь неподвижными. Корни не только закрепляют растение в почве, но и всасывают воду с различными минеральными веществами, растворёнными в ней. Корни споровых растений называются ризоидами. По сравнению с настоящими корнями семенных растений, ризоиды споровых не так эффективно поглощают различные минералы из воды и имеют более простое строение.Предотвращение чрезмерной потери водыНаружные покровы наземных животных и растений предохраняют внутренние органы от высыхания. Кожа многих позвоночных покрыта кератином. Например, из кератина образованы чешуйки рептилий. Подобно коже, растения покрыты восковым веществом – кутикулой. У влаголюбивых растений кутикула тонкая, а у кактусов, живущих в дефиците воды, кутикула образует толстую корку. Многие пустынные растения также имеют уменьшенную площадь листьев, что сводит к минимуму потерю воды.

Защита от жарыТемпература воздуха на суше может сильно меняться в течении одного дня. Многие животные избегают жары, отдыхая днём ​​в тени или зарываясь в землю. Млекопитающие также умеют остужаться при помощи пота. Испаряющийся с кожи пот охлаждает тело. Растения также полагаются на испарительное охлаждение – «потеют». Охлаждаются растения за счёт транспирации – испарения воды через устьица, впервые появившиеся у споровых растений.Защита от холодаЖивотные справляются с низкими температурами несколькими способами. Например, волосы млекопитающих и птичьи перья задерживают воздух рядом с поверхностью кожи, обеспечивая теплоизоляцию и сохраняя тепло. Некоторые животные мигрируют в более теплый климат или проводят зиму в спячке. Двулетние и многолетние растения также зимуют в состоянии «спячки». Так, у травы надземные части к зиме отмирают, а подземные остаются живыми и бездействующими. Весной подземные части травы дадут новые надземные побеги. Ещё один пример адаптации растений к низким температурам - осенний листопад. 

Размножение на сушеРазмножение водорослей незамысловатое – выпустить половые клетки в воду, которые подплывают друг к другу и сливаются – оплодотворение происходит во внешней среде. Специальных органов для размножения у водорослей нет. У высших растений формируются женские (архегонии) и мужские (антеридии) половые органы (гаметангии). Как и в мужских половых органах животных, в антеридиях формируются сперматозоиды. При помощи воды сперматозоид из антеридия попадает в женский архегоний и оплодотворяет находящуюся там яйцеклетку. В ходе эволюции семенные растения научились размножаться без участия воды.Защита зародышаЛягушки откладывают мелкую, нежную икру. Эмбрионы птиц развиваются внутри яйца, а эмбрионы млекопитающих – в утробе матери. Точно также эмбрионы споровых растений развиваются в архегониях. Главная задача архегония – защитить зародыш от высыхания и обеспечить его пищей для роста и развития.

Первые наземные растенияМхи – это выносливые маленькие растения, которых насчитывают около 20 тысяч видов. Мхи встречаются во всех уголках земли и растут плотными матами во влажных местах. Эти примитивные растения прорастают на камнях, мертвой древесине, зданиях. Некоторые виды мхов растут только на рогах или костях северных оленей.Большинство мхов не превышают в высоту нескольких сантиметров. У мхов отсутствуют настоящие листья, стебли и корни. Листоподобные части мхов настолько маленькие, что вода и минералы транспортируются за счёт простой диффузий. От земли к верхним частям растения вода попадает под действием капиллярных сил.Мхи считаются примитивнейшими наземными растениями. Около 450 млн лет назад мохобразные растения начали покорять сушу. Вступив в симбиотические отношения с древними грибами, мхи научились поглощать различные минералы, такие как фосфор, из первых почв Земли.

Значение мхов 

Мох сфагнум образует торфНаибольшее значение для человека имеет мох сфагнум. В природе сфагнум растёт в заболоченной местности. Тело этого мха содержит антисептические вещества, убивающие бактерии. В условиях повышенной влажности и без процессов гниения, после гибели мох со временем превращается в полезное ископаемое – торф. В среднем, сфагнум образует 1-2 мм торфа в год.     Торфу находится множество полезных применений: его используют в строительстве; в химической промышленности; для обогрева помещений; в виде почвенных удобрений.Уникальные свойства торфа связаны с необычным строением сфагнума. Помимо обычных клеток, в теле мха сфагнума содержится множество полостей, в которых накапливается вода. Так, один килограмм торфяного мха может впитать до 25 килограммов воды!

Хвощи и плауны - первые сосудистые растения Около 50 млн лет понадобилось первым наземным растениям для начального этапа колонизации суши. Крошечные и бесформенные, первые растения достигали всего нескольких сантиметров в высоту.В борьбе за солнечный свет, растения неизбежно начали «удлиняться» в верх. Появилась проводящая сосудистая система, состоящая из ксилемы и флоэмы. Образующий ксилему лигнин – твёрдый и прочный растительный материал, являющийся основой древесины. В итоге, к каменноугольному периоду (350 млн лет назад) Землю покрыли леса плаунов, хвощей и древовидных папоротников, достигавших 40 метров высоту.

Около 300 миллионов лет назад хвощи и плауны были доминирующими растениями на планете, образуя густые леса. Сегодня все хвощи и плауны – это немногочисленные травянистые растения. Известно всего 15 видов хвощей и 1500 видов плаунов, обитающих в болотистых местностях.

Более сложное строение листьев позволило папоротникам доминировать в каменноугольный период Листья – это солнечные батареи растительного мира. Их плоская структура обеспечивает большую площадь поверхности для улавливания солнечного света. Листья первых споровых растений крошечные и примитивные. Это связано с тем, что их листья содержат только одну жилку. Ширина листовой пластинки ограничена расстоянием, на которое вода может эффективно диффундировать от центральной жилки до края листа.Листья папоротников и семенных растений имеют разветвлённую систему жилок, благодаря которой минералы и вода эффективно транспортируются на бОльшую площадь листа. Чем больше листья, тем интенсивнее протекает процесс фотосинтеза, тем быстрее растёт и размножается растение. 

Расцвет папоротников пришёлся на конец палеозойской эры – тогда гигантские древовидные папоротники массово росли на всей планете. У папоротников хорошо развиты все ткани (покровные, механические, проводящие). У большинства папоротников есть подземное корневище с придаточными корнями. На корневищах каждый год образуются новые розетки листьев.

Современное общество, в котором мы живем, зависит от энергии из ископаемого топлива, которое образовалось из останков древних организмов. Уголь, нефть и природный газ называются ископаемыми видами топлива, потому что они образовались из остатков древних организмов. Нефть и природный газ образовались из морских организмов, а уголь – из древних папоротников.Уголь добывается из земли, как и минералы, однако не является минералом, как золото или алюминий. Уголь - это органический материал, образованный из древних растений. Большая часть угля образовалась в каменноугольном периоде 300 миллионов лет назад.300 млн лет назад климат был теплым и мягким, а благодаря благоприятным погодным условиям растения росли круглый год. Когда древовидные папоротники гибли, они разлагались лишь частично, потому что были покрыты болотистой водой. В воде (в бескислородных условиях) бактерии не могут быстро разложить древесину. Со временем частично разложившийся растительный материал накапливался и уплотнялся, погружаясь все глубже. Постепенно тепло и давление превратили растительный материал в уголь. Различные сорта угля (лигнит, антрацит) образовались в результате различных температур и давлений. Сегодня уголь сжигается для производства электроэнергии, отопления домов и производства изделий из стали и железа.