От семени до взрослого растения: схема жизненного цикла папоротников

От семени до взрослого растения: схема жизненного цикла папоротников

В жизненном цикле папоротников, как и у других высших споровых (за исключением моховидных), преобладающей фазой является диплоидный спорофит , который как раз и представляет собой привычный нам папоротник. У большинства видов папоротников спорофитное растение является многолетним (рис. 1).

Рис. 1. Чередование поколений в жизненном цикле папоротников ( Polypodium vulgare ): а — гаметофит (заросток); б — спорофит; в — спорангий

Корни у папоротников придаточные, они развиваются из стебля и оснований листьев, корень зародыша, так называемый первичный корень, рано отмирает. Стебли папоротников хотя и не бывают так сильно развиты, как стебли семенных растений, тем не менее довольно разнообразны по своему строению. Прямостоячий стебель древовидных папоротников, несущий на верхушке крону листьев, называют стволом . Высокие стволы папоротников обычно снабжены у основания многочисленными воздушными корнями, придающими им устойчивость. Ползучий или вьющийся стебель называют корневищем . Корневище может быть довольно длинным (у вьющихся форм) или, наоборот, очень коротким и клубневидным. Оно бывает или радиальным, и тогда листья и корни покрывают его равномерно со всех сторон, или дорсивентральным (спинно-брюшным), и тогда листья сидят на его верхней (спинной) стороне, а корни располагаются преимущественно на нижней (брюшной) стороне.

Папоротниковидные, в отличие от других высших споровых, для которых характерна мелколистность ( микрофиллия ), отличаются листьями достаточно большого размера ( мегафиллия ). Имеются и другие различия. Так, если листья плауновидных представляют собой просто выросты на стеблях, а листья хвощевидных являются видоизмененными боковыми веточками, то листья папоротников, часто называемые вайями , морфологически соответствуют целым крупным ветвям их вероятных предков – риниофитов. Изучая примитивные палеозойские папоротниковидные, палеоботаники не раз обращали внимание на то, что листья у них представляли собой нечто промежуточное между листьями в обычном понимании и ветвями. Убедительным свидетельством веточной природы листьев папоротников считается одиночное или верхушечное расположение спорангиев у наиболее примитивных форм. Об этом же говорят и такие факты, как характерный для папоротников верхушечный и длительный рост их листьев, часто большие размеры и сложно-рассеченная форма листовой пластинки.

Связанные вопросы и ответы:

Каковы основные этапы жизненного цикла папоротников

В старину люди ходили искать чудесный цветок, считая, что он наделен волшебной силой: помогает найти клады, скрытые в земле. Но давно уже известно, что у папоротников цветков нет. Они, как и мхи, размножаются не семенами, а спорами (Рис. 4).

Рис. 4. Жизненный цикл папоротникообразных

Перед нами бесполое поколение – спорофит. Созревшие споры выпадают, разносятся ветром, попадают в благоприятные условия и прорастают, как споры мха. Из спор вырастает половое поколение папоротника, которое совершенно не похоже на бесполое. Из проросшей споры папоротника развивается маленькая зеленая пластинка, похожая на сердечко диаметром в несколько миллиметров. От нижней стороны этого сердечка, называемого гаметофит , отходят тонкие ниточки – ризоиды . Этот заросток папоротника живет самостоятельно, прикрепляясь к почве ризоидами. У гаметофита есть небольшие мешочки, в которых созревают яйцеклетки , а в мешочках, расположенных по краям, созревают сперматозоиды . Под заростком задерживаются капельки росы или дождевой воды, по воде сперматозоиды подплывают к яйцеклеткам, происходит оплодотворение и там, где были яйцеклетки, образуются зиготы – оплодотворенные яйцеклетки, первые клетки нового организма. Из зиготы в чередовании поколений всегда вырастает спорофит, новое бесполое поколение. Вот так и замыкается этот жизненный цикл папоротника. Бесполое поколение папоротникообразных является крупным и долгоживущим, а половое поколение крохотное по размерам и достаточно быстро отмирает. Папоротникообразные в чередовании поколений, в отличие от мхов, сделали ставку на бесполое поколение, так как именно оно доминирующее и долгоживущее, а половое необходимо лишь для оплодотворения.

Каковы отличия между спорофитом и гаметофитом папоротников

Вопросы в конце параграфа

№ 1. Укажите признаки отличия плаунов от папоротников.

Плауны – это многолетние травянистые растения, вечнозеленые, имеют простые некрупные узкие клиновидные листья. Споры у них развиваются в спорангиях, которые собраны в колоски. Папоротники также многолетние растения. Однако у них крупные и сильно рассеченные листья. Еще молодые и нераспустившиеся листочки у них закручены, словно улитки, в завитки, что позволяет легко отличить данное растение от других.

   

№ 2. Что характерно для внутреннего строения папоротника?

Это древесное споровое растение. Многолетнее с крупными и сильно рассечёнными красивыми листьями. Размножается вегетативно – с помощью корневищ, длинных столонов и усов. Вегетативное тело папоротника состоит из корней и побегов. Также есть осевая проводящая система – стела, покровные, фотосинтезирующие и механические ткани.

   

№ 3. Почему хвощи заселяют сильно увлажненные места?

Растут хвощи на сырых лугах, болотах, в лесу и даже в неглубоких водоемах из-за того, что там повышена кислотность.

   

№ 4. Сравните функции гаметофита и спорофита у папоротника.

В жизненном цикле всех споровых растений постоянно чередуются такие формы, как гаметофит и спорофит. Гаметофит – это половая жизненная форма у папоротника, при которой заросток – новое растение – образуется в результате слияния мужской и женской клетки. Клетки обладают гаплоидным набором хромосом. Спорофит – это бесполая жизненная форма у папоротника. Клетки при этой форме имеют диплоидный набор хромосом. И размножение происходит с помощью спор, расположенных в спорангиях на внутренней стороне листа.

   

№ 5. Рассмотрите внимательно рисунки 112 и 116 и сравните продолжительность жизни спорофита и гаметофита у мохообразных и у папоротников, хвощей, плаунов. Сделайте выводы.

   

Гаметофит у папоротников, хвощей и плаунов имеет форму маленького заростка, из-за чего он живет всего лишь несколько суток. Спорофит же, наоборот, бывает многолетним. А вот у мохообразных гаметофит долговечен, на нем растут спорофит. Исходя из этого, можно сделать вывод, что у папоротников, хвощей и плаунов доминирует половое поколение. Тогда как у мхов – бесполое поколение.

   

Стр. 123

Лабораторная работа № 6

Тема: Изучение внешнего строения споровых растений на примере моховидных и папоротниковидных растений

Цель: знакомство с внешним строением и спорами зеленого мха (кукушкин лен) и папоротника щитовника.

Как папоротники размножаются

Папоротники размножают несколькими способами, но самые популярные два – спорами и вегетативно.

Способ 1. Споровый. Очень интересный с точки зрения ботаники. Папоротники имеют две абсолютно разные формы существования, два жизненных цикла – спорофит и гаметофит. Они существуют независимо друг от друга. То, что мы привыкли называть папоротником – не совсем папоротник. Это спорофит – бесполое поколение.

У славян есть чудесная легенда о том, что один раз в году, в ночь на праздник Ивана Купалы, зацветает папоротник. Его цветение длится всего несколько мгновений. Тот, кому повезет сорвать этот невероятно красивый цветок, станет обладателем удивительных способностей.

В действительности же папоротники никогда не цветут. По этой причине у них не может быть семян. Роль семян выполняют споры. Они расположены на нижней стороне вайи в специальных мешочках – спорангиях. После созревания споры высыпаются и ждут своего часа. Чтобы из них начала развиваться новая жизнь, нужна влага.

После того как спора попадает во влажную среду, начинается ее рост. На свет появляется маленький – от 0,5 до 3 см – росточек, имеющий форму сердца – заросток. Вот она – вторая жизнь папоротника. Это половое поколение – гаметофит. На заростке есть и женские, и мужские половые клетки. Когда появляется влага, происходит оплодотворение и образуется молодое растение. Это снова спорофит, у которого позже появятся споры, и все опять пойдет по кругу.

Размножение спорами – увлекательный, но достаточно длительный процесс, поэтому большинство садоводов разводят папоротник вегетативно.

Способ 2. Вегетативный.  Менее трудоемкий и заключается в делении корневища спорофитов. Таким образом папоротники делят ранней весной, когда минует пора заморозков. Если вы не успели провести деление весной, то можно сделать это также и осенью.

Чтобы размножить растение с длинным корневищем, нужно отделить часть корневища с почкой и хотя бы с несколькими корешками и пересадить на новое место.

А что делать, если у вас папоротник с коротким корневищем и розеткой из вай? В этом случае нужно разделить куст так, чтобы каждая его деленка имела хотя бы 2-3 розетки и корневую систему.

Есть и еще одна разновидность вегетативного размножения папоротников – деление боковыми побегами. Эти побеги напоминают клубничные усы. Боковой побег нужно заглубить в сырую землю на несколько сантиметров.

Внимательно следите за тем, чтобы почва не пересыхала. Чтобы побег укоренился, грунт всегда должен быть влажным.

Примерно через месяц вы увидите первые листики. Однако не торопитесь отсаживать молодое растение, дайте ему набраться силы. Можете приступать к пересадке тогда, когда у папоротника появится 3-4 листа.

Размножение папоротников

Папоротники размножают несколькими способами, но два из них – спорами и вегетативно – наиболее популярны.

Споровый способ

Очень интересный с точки зрения ботаники! Папоротники имеют две абсолютно разные формы существования, два жизненных цикла – спорофит и гаметофит. Они существуют независимо друг от друга. То, что мы привыкли называть папоротником – не совсем папоротник. Это спорофит – бесполое поколение.

Легенда

У славян есть чудесная легенда о том, что один раз в году, в ночь на праздник Ивана Купалы, зацветает папоротник. Его цветение длится всего несколько мгновений. Тот, кому повезет сорвать этот невероятно красивый цветок, станет обладателем удивительных способностей.

Действительность

В действительности же папоротники никогда не цветут. По этой причине у них не может быть семян. Роль семян выполняют споры. Они расположены на нижней стороне вайи в специальных мешочках – спорангиях. После созревания споры высыпаются и ждут своего часа. Чтобы из них начала развиваться новая жизнь, нужна влага.

Вегетативное размножение

После того как спора попадает во влажную среду, начинается ее рост. На свет появляется маленький – от 0,5 до 3 см – росточек, имеющий форму сердца – заросток. Вот она – вторая жизнь папоротника. Это половое поколение – гаметофит. На заростке есть и женские, и мужские половые клетки. Когда появляется влага, происходит оплодотворение и образуется молодое растение. Это снова спорофит, у которого позже появятся споры, и все опять пойдет по кругу.

Вегетативное размножение

Размножение спорами – увлекательный, но достаточно длительный процесс, поэтому большинство садоводов разводят папоротник вегетативно.

Каковы основные особенности жизненного цикла папоротников, отличающие их от других растений

Па́поротники , или папоротникови́дные расте́ния (лат.  Polypodióphyta ) —отделсосудистых растений, в который входят как современные папоротники, так и одни из древнейшихвысших растений, появившихся около 400 млн лет назад вдевонском периодепалеозойской эры. Гигантские растения из группыдревовидных папоротниковво многом определяли облик планеты в конце палеозойской — началемезозойскойэры.

Современные папоротники — одни из немногих древнейших растений, сохранивших значительное разнообразие, сопоставимое с тем, что было в прошлом. Папоротники сильно различаются по размерам,жизненным формам,жизненным циклам, особенностям строения и другим особенностям. Внешний облик их настолько характерен, что люди обычно называют все их одинаково — «папоротники», не подозревая, что это самая большая группа споровых растений: существует около 300родови более 10 000видовпапоротников. Разнообразие формлистьев, удивительная экологическая пластичность, устойчивость к переувлажнению, громадное количество производимыхспоробусловили широкое распространение папоротников по Земному шару. Папоротники встречаются влесах — в нижнем и верхнемярусах, наветвяхистволахкрупныхдеревьев — какэпифиты, в расселинах скал, наболотах, в реках иозёрах, на стенах городских домов, на сельскохозяйственных землях каксорняки, по обочинам дорог. Папоротники — вездесущи, хотя и не всегда привлекают внимание. Но самое их большое разнообразие — там, где тепло и сыро:тропикиисубтропики.

Какие факторы влияют на жизненный цикл папоротников

Папоротники

Спорофит папоротников состоит из стебля, листьев и корней. Листья папоротников (вайи) произошли путем уплощения ветвей, растут верхушкой, совмещают функции фотосинтеза и спороношения. На нижней их стороне образуются скопления спорангиев (сорусы); внутри каждого спорангия происходит мейоз и образуются гаплоидные споры.
Во влажных условиях споры прорастают в заросток (гаплоидный гаметофит). Это зеленая пластинка, способная к фотосинтезу, прикрепленная к почве одноклеточными ризоидами. На нижней стороне заростка образуются сперматозоиды и яйцеклетки, после оплодотворения получается зигота, из которой вырастает спорофит.
Папоротниковидные в настоящее время насчитывают 12 тысяч видов, широко распространены и представлены многими жизненными формами:

• по всему миру растут многолетние травянистые папоротники (щитовник, кочедыжник, орляк)
• в тропиках встречаются плавающие формы, лианы, эпифиты и древовидные папоротники, достигающие до 25 м в высоту.

Хвощи и плауны

Гигантские древовидные хвощи и плауны образовали каменноугольные леса. Современные хвощи и плауны – многолетние травянистые растения с хорошо развитым корневищем. Органом спороношения хвощей и плаунов является спороносный колосок, в котором путем мейоза образуются гаплоидные споры. Спора прорастает в заросток – гаметофит, не нем образуются гаметы, при их слиянии образуется зигота, из которой вырастает спорофит.
Хвощ полевой имеет мощное корневище и членистый стебель. Фотосинтез осуществляется главным и боковыми побегами, листья маленькие, буроватые, не фотосинтезируют. У хвоща полевого образуются надземные побеги двух видов: весенние – бурые, спороносные, отмирают после спороношения, и летние – зеленые, вегетативные, отмирают к осени. Заросток хвощей – зеленая многократно ветвящаяся пластинка.
Плаун булавовидный растет в хвойных лесах. Стебель дихотомически ветвится, от него в почву отходят придаточные корни, а наверх – ветви. Стебель и ветви покрыты мелкими чешуевидными зелеными листьями. Заростки плаунов созревают за 10-15 лет, питаются гетеротрофно – либо за счет питательных веществ, запасенных в споре, либо за счет сожительства с почвенными грибами.

Как развивается спорофит папоротников

Войдя под полог хвойно-широколиственного леса, вы невольно обратите внимание на необычные растения, листья которых свернуты улиткой. Эти листья могут быть собраны пучком или располагаться розеткой. Согласно легенде, эти растения цветут только одну ночь – ночь на Ивана Купалу. Сила и власть цветка такова, что для того, кто сумеет его сорвать, не будет ничего недоступного и неподвластного…

Папоротниковидные являются одной из наиболее древних групп высших растений, широко распространенных начиная с каменноугольного периода. Считают, что они возникли несколько позже риниофитов и плауновидных – примерно одновременно с хвощевидными* – и, в отличие от них, продолжают процветать и в настоящее время. Конечно, сейчас они играют меньшую роль, чем в прошлые геологические периоды, и тем не менее, намного превосходят по числу видов все прочие группы современных споровых сосудистых растений. Насчитывается более 10 000 современных видов папоротников, широко распространенных по всему земному шару. Около двух третей из них растут в тропиках, а оставшаяся треть населяет умеренные зоны.

Наибольшее разнообразие папоротников приходится на влажные леса Юго-Восточной Азии (4500 видов), второй центр видового разнообразия – Тропическая Америка (2250 видов). Из всех регионов нашей страны наиболее богат папоротниками Дальний Восток (98 видов), причем преобладающая их часть (60 видов) сосредоточена на территории Приморского края.

Папоротники встречаются в самых различных местообитаниях – в лесах, на болотах, в озерах, в солоноватых водоемах и даже в пустынях. Наиболее широко они представлены в тропических лесах, где в изобилии произрастают не только на почве, но и как эпифиты на стволах и ветвях деревьев, часто в очень большом количестве.

Приспособившись к различным условиям окружающей среды, папоротники стали весьма разнообразными как по внешней форме и размерам, так и по особенностям внутреннего строения и физиологических процессов. Размеры папоротников варьируют от 25 м высотой при диаметре ствола около 50 см у тропических древовидных форм (род Сyathea ) до нескольких сантиметров. Примером такого карликового папоротника может служить Salvinia, – водное растение с цельными листьями длиной до 2 см.

Строение и развитие папоротников

В жизненном цикле папоротников, как и у других высших споровых (за исключением моховидных), преобладающей фазой является диплоидный спорофит , который как раз и представляет собой привычный нам папоротник. У большинства видов папоротников спорофитное растение является многолетним (рис. 1).

Рис. 1. Чередование поколений в жизненном цикле папоротников ( Polypodium vulgare ): а — гаметофит (заросток); б — спорофит; в — спорангий

Корни у папоротников придаточные, они развиваются из стебля и оснований листьев, корень зародыша, так называемый первичный корень, рано отмирает. Стебли папоротников хотя и не бывают так сильно развиты, как стебли семенных растений, тем не менее довольно разнообразны по своему строению. Прямостоячий стебель древовидных папоротников, несущий на верхушке крону листьев, называют стволом . Высокие стволы папоротников обычно снабжены у основания многочисленными воздушными корнями, придающими им устойчивость. Ползучий или вьющийся стебель называют корневищем . Корневище может быть довольно длинным (у вьющихся форм) или, наоборот, очень коротким и клубневидным. Оно бывает или радиальным, и тогда листья и корни покрывают его равномерно со всех сторон, или дорсивентральным (спинно-брюшным), и тогда листья сидят на его верхней (спинной) стороне, а корни располагаются преимущественно на нижней (брюшной) стороне.

Папоротниковидные, в отличие от других высших споровых, для которых характерна мелколистность ( микрофиллия ), отличаются листьями достаточно большого размера ( мегафиллия ). Имеются и другие различия. Так, если листья плауновидных представляют собой просто выросты на стеблях, а листья хвощевидных являются видоизмененными боковыми веточками, то листья папоротников, часто называемые вайями , морфологически соответствуют целым крупным ветвям их вероятных предков – риниофитов. Изучая примитивные палеозойские папоротниковидные, палеоботаники не раз обращали внимание на то, что листья у них представляли собой нечто промежуточное между листьями в обычном понимании и ветвями. Убедительным свидетельством веточной природы листьев папоротников считается одиночное или верхушечное расположение спорангиев у наиболее примитивных форм. Об этом же говорят и такие факты, как характерный для папоротников верхушечный и длительный рост их листьев, часто большие размеры и сложно-рассеченная форма листовой пластинки.

Как развивается гаметофит папоротников

Если вы посмотрите на нижнюю сторону листа папоротника, то вы увидите на нем вдоль жилок множество вот таких телец:

Вид нижней стороны листа папоротника

"А, знаю, знаю! - возможно, скажете вы. - Это семена!" Не угадали. Это не семена, хотя вы близки к истине: эти органы действительно имеют отношение к размножению папоротника.

Тельца эти называются сорусы. Они представляют собой группы органов бесполого размножения папоротника - спорангиев.

Сорусы папоротника

Спорангии - это мешочки, в которых зреют споры - микроскопические клеточки с прочной оболочкой. Когда споры созревают, спорангии лопаются, и споры разлетаются. Если положить лист папоротника с темными (а значит, созревшими) спорангиями на белый лист бумаги и высушить, можно увидеть, как множество спор высыплется на бумагу в виде мелкого темного порошка. Комнатные и садовые папоротники размножают, собирая этот порошок и проращивая споры.

Но и на этом увлекательная история размножения папоротника не заканчивается. На самом деле из спор вырастает вовсе не привычное нам растение папоротника, а вот такая маленькая пластиночка сердцевидной формы (её размер - всего несколько миллиметров). Эта пластинка называется заросток.

Заросток папоротника

Заросток лишён корней, вместо них для прикрепления к почве он использует небольшие выросты - ризоиды.

Как вы помните, с помощью спор происходит бесполое размножение папоротника. А заросток - это фаза полового размножения папоротника (она называется гаметофит). Заросток живет недолго: он вырастает из спор осенью, зимует, а весной отмирает.

На нижней стороне заростка развиваются мужские и женские половые клетки.

Если спорам для вызревания и разлетания по всему лесу нужна сухая погода, то заросток для прорастания и выполнения своей биологической функции, наоборот, нуждается в сырости. Причин влаголюбивости заростка несколько. Во-первых, он очень тоненький (состоит из всего одного слоя клеток) и поэтому быстро высыхает. А во-вторых, оплодотворение у папоротника происходит в капле воды.

В результате оплодотворения развивается зародыш. Сначала он растет за счет питательных веществ заростка. Потом заросток отмирает, а из зародыша вырастает хорошо знакомое нам растение с красивыми листьями. Оно представляет собой бесполую фазу цикла развития папоротника - спорофит.

Как происходит процесс оплодотворения у папоротников

Для папоротникообразных характерно сочетание ряда признаков, из которых главнейшими являются макрофилия, отсутствие камбия и отсутствие стробилов. Под макрофилией понимаются прежде всего относительно крупные размеры листьев, которые часто называются вайями. В отличие от плауновых и членистых листья папоротников имеют более сложное морфологическое и анатомическое строение; они состоят из основания - филлоподия, черешка и листовой пластинки, часто многократно рассеченной, с густой сетью жилок. Для листовой пластинки наиболее характерен длительный рост ее вершины. Каждому листу в стебле соответствует листовая лакуна (листовой прорыв). Этот комплекс признаков отражает синтеломное происхождение листьев папоротников, т.е. возникновение их из системы вегетативных, спороносных либо смешанных теломов, что подтверждается палеонтологическими данными.

Ныне живущие папоротники распространены на всех континентах, встречаясь в самых разнообразных экологических условиях. Однако ведущая роль и по количеству видов, и по разнообразию жизненных форм принадлежит папоротникам влажных тропических и субтропических лесов, где многие семейства находятся в расцвете формообразования. Условия обитания наложили существенный отпечаток на их анатомо-морфологические и биологические особенности. Современные папоротники представлены в основном травянистыми растениями, а древовидные составляют незначительное количество. Папоротники умеренных областей, за исключением салъвинии плавающей (Salvinia natans), - многолетние травянистые растения с подземными длинными или короткими корневищами. У длиннокорневищных папоротников - у орляка (Pteridium aquilinum), голокучника Линнея (Gymnocarpium dryopteris) и др. - длина междоузлий измеряется сантиметрами, поэтому над землей листья располагаются на большом расстоянии друг от друга. У большинства же папоротников на коротких корневищах формируется розетка листьев, как правило, отмирающих осенью, при этом их расширенные основания длительное время остаются на корневище, образуя плотный толстый чехол вокруг довольно тонкого, диаметром до 1 см, стебля.