Проблемы приспособления растений к наземной жизни

"Как только растения покинули водную среду, они столкнулись со множеством проблем, требовавших своего разрешения. Прежде всего это была проблема снабжения водой: ведь для того, чтобы в теле ра­стения могли протекать жизненные процессы, оно должно получить воду, без которой жизнь вообще невозможна. Для водорослей не сущест­вует такой проблемы, так как они по крайней мере часть дня бывают погружены в воду. Существование же наземных растений зависит от почвенной воды, и, чтобы эта вода стала доступной, растение должно было развить корневую систему, которая может поглощать воду из почвы. Первые наземные растения не имели корней, но у них были по­добные волоскам органы, называемые ризоидами, которые проникали в почву и служили для всасывания воды. Однако вскоре после того, как растения окончательно обосновались на суше, у них развились корни.

Корни наземных растений всасывают из почвы не только воду, но и минеральные соли, необходимые для питания растений. Перед во­дорослями и в данном случае не возникает проблемы, так как источ­ником минеральных веществ для них служит море, и вода, которая омывает их, представляет собой своего рода питательный бульон, ко­торый обеспечивает все необходимое для их жизни. Переселившись на сушу, растения должны были найти какой-то другой способ снабжения минеральной пищей, поэтому их корни стали служить для поглощения не только воды, но и минеральных веществ.

По мере того как увеличивались размеры растений, становилась все острее проблема поднятия воды (а вместе с ней и минеральных веществ) от корней к самым верхним веткам. Специальные водопрово­дящие клетки развились в ответ на эту потребность, а сила сцепле­ния между молекулами воды обеспечила поднятие воды против силы тя­жести.

Большая часть органических веществ, необходимых растению, образуется в листьях при участии хлорофилла и солнечного света. Выработанные в листьях органические вещества должны распределиться между всеми частями растения, вплоть до кончиков корней. Для этого нужна налаженная проводящая система, клетки которой приспособлены к переносу аминокислот, сахаров и других органических веществ. По­добную систему можно наблюдать в зачаточной форме у некоторых кру­пных морских водорослей, где специальные клетки образуют как бы трубку, по которой передвигается вода с растворенными в ней питательными веществами. У наземных растений, тело которых расчленено на стебель, корни и листья, потребность в такой проводящей системе еще больше, и в ответ на это у них развилась ткань, называемая флоэмой.

Наземное растение сталкивается со многими механическими проблемами, чуждыми водорослям. Первая из них – это необходимость стоять прямо, тогда как водоросль поддерживает вода. Иначе обстоит дело с наземными растениями. Если такое растение не хочет провести всю свою жизнь стелясь по земле, оно должно иметь стебель, доста­точно прочный для того, чтобы не только поддерживать его ветви, но и противостоять порывам ветра, склоняющим растение вниз. Это обес­печивается развитием специальной ткани ксилемы, или древесины, и таким ее расположением в стебле и корне, которое бы позволяло сте­блю сопротивляться изгибу, а корню, с помощью которого растение закрепляется в почве, противостоять "тянущему" усилию, сохраняя в то же время максимальную гибкость.

У первых наземных растений был простой древесинный цилиндр, проходящий в центре их стебля, он обеспечивал проведение воды и придавал прочность. По мере увеличения размеров и усложнения строения растений эти центральные цилиндры расщепились на более мелкие единицы, называемые проводящими пучками, которые расположились различным образом, что позволило им наилучшим способом удов­летворять нужды растения. Характер клеток, составляющих древесину, тоже менялся в связи с изменением этих потребностей. Развились ря­ды трубчатых клеток, называемых сосудами, единственной функцией которых было проведение воды. Другие клетки, называемые волокнами, с сильно утолщенными и упроченными благодаря отложению твердого вещества, называемого лигнином, стенками приняли на себя обязан­ность укрепления стебля и придания ему прочности. В наши дни эти волокна используют для изготовления тканей и веревок.

Увеличение размеров и усложнение строения растений повлекло за собой образование листьев – первичных органов фотосинтеза. Во­доросли не расчленены на стебель и листья, и у крупных водорослей процесс фотосинтеза осуществляется всеми клетками наружной части плоского пластинчатого тела. Первые наземные растения функциониро­вали таким же образом, т.е. вся их надземная часть фотосинтезировала. С развитием листа возник новый орган, его функцией было об­разование крахмала. Этот орган стал плоским и тонким, так что клетки, в которых образовывался крахмал, получали весь свет, необ­ходимый им для этого процесса. Развилась листовая мозаика: каждый лист располагался таким образом, чтобы занять пространство, остав­шееся открытым благодаря просвету между вышерасположенными листь­ями, так что ни один лист не затенялся больше, чем это было абсолютно необходимо. Вместе с тем в листьях возникла эффективная си­стема внутренней вентиляции, и, таким образом, необходимый для пи­тания растений углекислый газ мог проникать через отверстия, на­зываемые устьицами, и быстро доходить до фотосинтезирующих клеток.

Однако вентиляция листа таила в себе и опасности для расте­ния, так как если углекислый газ мог проникать внутрь через устьи­чные щели, то через них же могла испаряться вода. Поскольку снаб­жение наземного растения водой обычно ограничено, это могло привести к гибели его от высыхания. Эта проблема была частично разре­шена благодаря развитию вокруг устьичных щелей специальных клеток, называемых замыкающими клетками, которые закрывают устьица на ночь, когда из-за отсутствия света процесс фотосинтеза прекраща­ется.

С выходом растений из водной среды на сушу особенно сильно изменились условия для их размножения. При половом размножении происходит слияние женской яйцеклетки с мужским сперматозоидом. К услугам водорослей для переноса мужской гаметы к женской всегда имеется вода, причем сперматозоиды обычно, хотя и не всегда, быва­ют снабжены жгутиками, которые осуществляют волнообразные движе­ния, а это позволяет сперматозоидам двигаться. Все, что должна сделать водоросль, - это выпустить сперматозоиды в воду, где они уже найдут необходимый им путь к женским яйцеклеткам.

Покинув океан и выбравшись на берег, растения тем самым лишились той всепроникающей среды, в которой сперматозоиды легко распространялись, и перед ними особенно остро встала проблема размножения. Но эта проблема не могла быть разрешена немедленно, т.к. те сотни миллионов лет, когда сперматозоиды были "плавающими", озна­чали, что растения могут размножаться половым путем только в усло­виях влажности, а это было возможно лишь тогда, когда влага, покрывающая растения, давала бы крошечным сперматозоидам водную сре­ду, в которой они могли передвигаться." (К. Даддингтон)*

Этот фрагмент из оригинально построенного и занимательного повествования К. Даддингтона о жизни растений на фоне их эволюционного развития позволяет сделать вывод о том, что с выходом рас­тений из водной среды на сушу изменяется строение их тела и вырабатываются приспособления, обеспечивающие половое размножение в условиях воздушно-наземной среды. В то время как в водной среде, особенно в морях и океанах, преобладают низшие растения, господст­во на суше почти всюду переходит к высшим растениям. В нашем посо­бии мы

подробно рассмотрим особенности строения и размножения высших растений.

*Даддингтон К. Эволюционная ботаника. М.: Мир, 1972.С.13