Ботаника: семейства покрытосеменных растений

Многообразие растений

Растения распространены на Земле повсеместно, от экватора до Арктики и Антарктиды. Их можно встретить на глубине 300 м в водах Мирового океана и на высоте до 5000 м и выше. Они способны жить во льдах при отрицательных температурах, как хламидомонада снежная, и в водах кипящих гейзеров. В настоящее время к царству растений относят около 400 тыс. видов организмов, поражающих своим разнообразием: помимо привычных зеленых растений, к ним принадлежат бесцветное цветковое растение-паразит подъельник и почти черная водоросль батрахоспермум, микроскопические хлореллы и гигантские секвойи. Даже по размерам цветков в растительном мире нет единообразия: к ним относятся вольфии с цветком размером с булавочную головку и раффлезии, диаметр цветков которых достигает 1 м.

Царство растений условно подразделяют на высшие и низшие растения. К низшим растениям относят водоросли, тело которых не расчленено на органы и называется талломом, или слоевищем, а органы полового и бесполого размножения обычно одноклеточные. Высшими растениями считаются все остальные растения, у которых имеются дифференцированные ткани и органы, а также многоклеточные органы полового и бесполого размножения. Формирование тканей и органов было связано с выходом растений на сушу, где возникла необходимость в защите от высыхания, перепадов температуры и механических повреждений, а также потребность в обеспечении водой и минеральными солями. Для высших растений характерно также правильное чередование бесполого и полового поколений. В зависимости от наличия отдельно существующего полового поколения — гаметофита — высшие растения делят на две группы: высшие споровые и семенные.

Современная система царства растений представлена на рис.

Семенные растения

Общая характеристика

Семенные растения являются господствующей в настоящее время группой растений. Их широкое распространение в значительной степени обусловлено возникновением семени, а также независимостью полового процесса даже от капельно-жидкой влаги.

В жизненном цикле семенных растений преобладает спорофит, тогда как гаметофиты настолько редуцированы, что развиваются из спор непосредственно на спорофите. Все семенные относятся к разноспоровым растениям, так как на их спорофитах развиваются мега- и микроспорангии с мега- и микроспорами соответственно. Мегаспорангий семенных видоизменен в семязачаток с мегаспорами, одна из которых развивается в женский гаметофит. На последнем впоследствии формируются яйцеклетки.

Микроспоры прорастают в редуцированные мужские гаметофиты, не покидая при этом оболочки споры. Мужской гаметофит семенных состоит обыкновенно из двух клеток — вегетативной и генеративной и называется пыльцевым зерном, или пылинкой.

Оплодотворению у семенных предшествует опыление — перенос пыльцевого зерна с помощью ветра или иных факторов к женскому гаметофиту. Здесь вегетативная клетка мужского гаметофита прорастает в пыльцевую трубку, по которой движутся образовавшиеся из генеративной клетки спермии вплоть до слияния с яйцеклеткой. Именно появление пыльцевой трубки позволило семенным растениям преодолеть зависимость от воды в процессе оплодотворения.

В результате оплодотворения из семязачатка формируется семя — многоклеточное образование, содержащее зародыш — маленький спорофит, запас питательных веществ и достаточно прочные покровы, что обеспечивает ему возможность сохраняться длительное время до наступления благоприятных условий. К тому же семя зачастую снабжено специальным приспособлением для распространения (прицепками, крючками и др.).

В целом семенные характеризуются более совершенным строением тканей и органов.

К семенным растениям в настоящее время относят два отдела высших растений: Голосеменные и Покрытосеменные, или Цветковые.

Отдел Покрытосеменные, или Цветковые растения

К покрытосеменным относят примерно 250 тыс. видов наиболее совершенных по своей организации современных растений, отличительной особенностью которых является наличие цветка. Цветок защищает от воздействия неблагоприятных факторов семязачаток, находящийся в завязи пестика и тычинки, а также способствует процессу оплодотворения, привлекая опылителей и обеспечивая перенос пыльцы не на семязачаток, а на рыльце пестика. Для них характерно двойное оплодотворение. Повреждению или преждевременному прорастанию семени цветковых препятствует околоплодник, вследствие чего оно может длительное время сохранять жизнеспособность. Более высокая степень организации тканей, особенно проводящих, и органов покрытосеменных растений сочетается с дальнейшей редукцией гаметофита. Например, женский гаметофит представлен зародышевым мешком, изначально имеющим всего 8 клеток, тогда как у голосеменных он многоклеточный.

Цветковых называют «победителями в борьбе за существование», поскольку они заселили все континенты и все доступные среды обитания, вернувшись даже в воду. Среди них есть древесные, кустарниковые и травянистые формы. Особенности строения вегетативных и генеративных органов покрытосеменных легли в основу классификации.

Классы покрытосеменных

Общая характеристика

В настоящее время выделяют два класса цветковых — Однодольные и Двудольные, достаточно давно разошедшиеся в процессе эволюции. Тем не менее, самые примитивные представители все еще сохраняют некоторые черты сходства, например кувшинковые. В связи с этим для безошибочного определения принадлежности того или иного растения к определенному классу следует учитывать совокупность признаков, суммированных в табл..

Исключениями являются представитель однодольных вороний глаз с сетчатым жилкованием листьев и относящийся к двудольным подорожник с дуговым жилкованием и мочковатой корневой системой.

Основные различия представителей двудольных и однодольных

Класс Двудольные

Семейства покрытосеменных растений выделяют по многим признакам, однако основными являются строение цветка и плода. К классу Двудольные относят около 418 семейств, 10 тыс. родов и 190 тыс. видов растений. Основными семействами двудольных, произрастающих на территории России, являются Бобовые (Мотыльковые), Крестоцветные (Капустные), Пасленовые, Розоцветные и Сложноцветные (Астровые).

Семейство Розоцветные включает более 3 тыс. видов, в основном распространенных в умеренном и субтропическом климате Северного полушария. Среди них есть как деревья и кустарники, так и многолетние травы с очередным листорасположением. Листья розоцветных простые или сложные, с прилистниками.

Обычно ярко окрашенные цветки собраны в такие соцветия, как кисть, простой зонтик или щиток. Правильные, обоеполые цветки розоцветных имеют двойной околоцветник, образованный пятью чашелистиками и пятью лепестками. Число тычинок неопределенное. Околоцветник и тычинки прикреплены к краям разросшегося цветоложа, а пестик или пестики расположены в центре. Плоды розоцветных в основном простые — костянка, яблоко, многоорешек и др., однако у них могут образовываться и сборные плоды, такие как многокостянка малины и клубники, или многоорешек земляники или шиповника. К ним относятся плодово-ягодные (яблоня, груша, слива, вишня, малина, клубника), лекарственные (рябина, шиповник, кровохлебка) и декоративные растения (роза, боярышник). Без рябины, черемухи, груши, шиповника, терновника невозможно также представить российский ландшафт.

Семейство Бобовые, или Мотыльковые, насчитывает около 18 тыс. видов (650 родов). Одно из крупнейших семейств, уступающее по видовому разнообразию лишь орхидным и сложноцветным, а по широте распространения — только злакам. На корнях многих бобовых образуются клубеньки (симбиоз с азотфиксирующими клубеньковыми бактериями), способствующие обогащению почвы доступными для растения формами азота. Большинство травянистых видов встречается в районах с умеренным и даже холодным климатом, а древесные, кустарниковые и даже лианы сосредоточены в более южных регионах. Для бобовых характерно очередное листорасположение. Листья в основном сложные (тройчатые, пальчатые, перисто- или пальчатосложные), с хорошо различимыми прилистниками.

Цветки собраны в соцветия — кисть, головку или метелку. Цветки обычно неправильные, обоеполые, опыляются насекомыми, хотя встречается и самоопыление (горох, соя). Околоцветник чаще двойной, со сростнолистной чашечкой. Верхний лепесток венчика в таком цветке носит название паруса, боковые — весел, а нижние лепестки срастаются по краю и образуют лодочку. Такой тип цветка называется мотыльковым, отсюда название семейства. Тычинок чаще всего 10, 9 из них срастаются, а одна остается свободной. Пестик один. Семена бобовых имеют большой зародыш с развитыми семядолями, в основном без эндосперма. Плод — боб.

Бобовые имеют большое хозяйственное значение. В пищу используют горох, фасоль, сою, бобы, арахис, чечевицу, конские бобы. На корм скоту выращивают клевер, люпин, люцерну, эспарцет. В медицине применяют донник и дрок. Некоторые бобовые имеют декоративное значение (люпин, душистый горошек, глициния). Ценную древесину ряда представителей семейства используют для изготовления столярных изделий, есть среди них и красильные растения, например индигофера.

Семейство Крестоцветные, или Капустные, включает около 3 тыс. видов, относящихся к 380 родам. Они распространены в умеренных и холодных широтах Северного полушария, во флоре России свыше 1 тыс. видов. В основном это однолетние, двулетние и многолетние травы, реже — кустарники. Стебли крестоцветных часто укороченные, очередные листья собраны в прикорневую розетку. Листья простые, часто рассеченные, без прилистников, во многих случаях опушенные. Корни могут образовывать корнеплоды (редис, редька).

Цветки крестоцветных собраны в верхушечные соцветия — кисть или щиток. Околоцветник двойной, чашечка и венчик состоят из 4 листочков, расположенных крестообразно (отсюда название семейства). Тычинок обычно 6, причем 4 тычинки длиннее остальных двух. Пестик один. Плод крестоцветных — стручок или стручочек.

Крестоцветные имеют большое хозяйственное значение. К ним относятся пищевые (капуста, редис, редька), технические (рапс, горчица), лекарственные (икотник, пастушья сумка), декоративные (левкой, резеда) и сорные растения (сурепка, пастушья сумка, ярутка полевая).

Семейство Пасленовые объединяет 90 родов и около 3 тыс. видов, распространенных по всей суше, за исключением приполярных тундр. Наибольшее видовое разнообразие характерно для тропиков Южной Америки. В основном пасленовые — травы, кустарники или небольшие деревья со стеблями вильчатого ветвления. Листорасположение очередное. Листья простые, цельные или непарноперисторассеченные. Некоторые представители семейства образуют клубни.

Цветки пасленовых обоеполые, правильные, расположены по одному или собраны в соцветия — кисть, завиток, метелка. Околоцветник двойной, со сростнолистной чашечкой и спайнолепестным венчиком. Тычинок обычно 5, они срастаются, образуя подобие трубки вокруг единственного пестика. Плод — ягода или вскрывающаяся коробочка. Среди них есть овощные (картофель, перец, помидоры), технические (табак, махорка), лекарственные (белена, дурман, белладонна) и декоративные (петуния, душистый табак) растения.

Семейство Сложноцветные, или Астровые, включает около 1250–1300 родов с 25 тыс. видов, распространенными по всему земному шару. Большинство представителей — однолетние или многолетние травы, однако встречаются лианы, кустарники и даже деревья.

Листья сложноцветных простые, цельные или рассеченные. Листорасположение очередное или супротивное. Цветки всегда собраны в соцветие корзинку, содержащую от одного до 1 тыс. и более цветков. Корзинки могут быть собраны в более сложное соцветие — кисть, метелку или головку. В корзинке наблюдается довольно высокая специализация цветков, занимающих определенное положение в соцветии. Цветки сложноцветных — правильные и неправильные, обоеполые, мужские или женские, стерильные. Чашечка в основном редуцируется до пленки или хохолка из волосков, который при плодах разрастается, превращаясь в летучку (одуванчик). Венчики цветков сложноцветных разнообразны по форме и окраске, в основном спайнолепестные, образованные пятью лепестками. Различают трубчатые, язычковые, ложноязычковые и воронковидные цветки. У трубчатых цветков лепестки срастаются в трубочку, образуя правильный цветок. Такие цветки расположены в центре корзинки подсолнечника однолетнего, ромашки аптечной. По краям корзинки размещены более крупные ложноязычковые цветки, венчик которых имеет только три сросшихся лепестка (желтые у подсолнечника и белые у ромашки). Эти краевые цветки — женские. В корзинке одуванчика, осота полевого, цикория все цветки язычковые, обоеполые, неправильные. Лепестки такого цветка снизу срастаются в трубочку, а в верхней части образуют «язычок» из пяти сросшихся лепестков. Как и в трубчатых цветках, в них имеется пять тычинок и один пестик. По краю корзинки василька расположены воронковидные стерильные цветки, венчики которых также образованы пятью сросшимися лепестками. Плод сложноцветных — семянка, часто снабженная хохолком или шипиками.

К сложноцветным относятся масличные и овощные культуры (подсолнечник, топинамбур, цикорий, артишок), лекарственные (девясил, календула, тысячелистник), декоративные (георгины, хризантемы, астра) и сорные (осот, василек, молочай, одуванчик, бодяк) растения.

Класс Однодольные

Класс Однодольные подразделяется на 122 семейства, примерно 3 100 родов и около 63 000 видов. Основными семействами однодольных являются Злаки, Луковые и Лилейные.

Семейство Злаки, или Мятликовые, — одно из крупнейших семейств однодольных, насчитывающее до 900 родов и до 11 тыс. видов (во флоре России около 1 тыс. видов). Все они — травянистые растения, хотя высота некоторых может достигать нескольких десятков метров. Стебель злаков — соломина, состоящая из плотных утолщенных узлов, от которых отходят листья, и полых междоузлий. У некоторых стебель заполнен паренхимой (сахарный тростник). Листья линейные или узколанцетные, с параллельным жилкованием, основание которых образует влагалище. В месте перехода влагалища в листовую пластинку имеется язычок. У большинства злаков у основания растения образуются многочисленные боковые побеги, от которых отходят придаточные корни, формирующие мочковатую корневую систему.

Цветки злаков ветроопыляемые, мелкие, невзрачные, обоеполые, собраны в колоски, образующие более сложные соцветия — сложный колос, метелку, султан или початок. У основания каждого колоска находятся две колосковые чешуи. Количество цветков в колоске колеблется от одного до 15. Цветки с верхней и нижней стороны прикрыты цветковыми чешуями, имеют 2–3 цветочные пленки, 3 тычинки и двуветвистое рыльце пестика. Тычинки и рыльце пестика свешиваются за пределы цветка. Плод злаковых — зерновка.

К злаковым относятся зерновые (пшеница, рожь, ячмень, овес, рис, кукуруза), технические (сахарный тростник) и кормовые культуры (тимофеевка, костер, мятлик), а также злостные сорняки (пырей, овсюг).

Семейство Лилейные — одно из наиболее интересных семейств однодольных, включающее, по разным оценкам, от 500 до 1 300 видов. В основном это распространенные по всему миру многолетние травянистые растения с подземными запасающими побегами — корневищами, клубнями, луковицами и т. д. Листья лилейных простые, цельные, линейные или овальные, с параллельным или дуговым жилкованием, часто сидячие или влагалищные. Листорасположение очередное или супротивное. Их крупные, ярко окрашенные цветки часто бывают одиночными или собраны в соцветия — кисти или простые зонтики. Цветки обоеполые, правильные, венчиковидные. Листочков околоцветника шесть, они могут быть свободными или сросшимися. Тычинок также шесть, пестик один. Плод — трехгнездная коробочка или ягода.

Среди лилейных есть овощные (спаржа), лекарственные (ландыш, купена, чемерица, алоэ) и декоративные (лилия, тюльпан, гиацинт, нарцисс) растения.

Семейство Луковые включает около 32 родов и 750 видов. Наибольшее разнообразие видов наблюдается в Северном полушарии. Все представители вида — луковичные или корневищные травы. Листья обычно сидячие, листовая пластинка линейная или трубчатая. Листорасположение очередное или супротивное. Цветки могут быть белыми, но встречаются также голубые, розовые и желтые, они собраны в соцветие простой зонтик и до цветения заключены в чехол из одного-двух кроющих листьев. Соцветие расположено на верхушке безлистного побега — стрелке. Цветки обоеполые, правильные. Околоцветник простой венчиковидный или чашечковидный, образован шестью свободными или сросшимися листочками. Тычинок шесть, пестик один. Плод — коробочка.

К луковым относятся пищевые (лук репчатый, лук-батун, лук-порей, черемша), лекарственные (чеснок) и декоративные культуры (агапантус, лук Суворова) растения.

Роль растений в природе и жизни человека

Растения являются почти единственным источником жизни на Земле, поскольку они связывают Солнце с Землей, превращая энергию солнечных лучей в доступную для всех живых организмов форму. Космическими являются и масштабы деятельности растительных организмов — в год они образуют 5,8 $×$ 10¹⁰ т органического вещества и 11,5 $×$ 10¹⁰ т кислорода, причем до 1/4 этих веществ на планете производят водоросли.

Несмотря на то, что бактерии также могут осуществлять синтез органических веществ из неорганических, без растений невозможно было бы существование подавляющего большинства живых организмов. Растения являются первым звеном в цепях питания различных экосистем, начиная от водоемов, где фитопланктон поглощается многочисленными одноклеточными и многоклеточными животными, и заканчивая наземными экосистемами, в которых растительные ресурсы эксплуатируются не только растительноядными животными, но и паразитическими бактериями, грибами, животными и даже растениями. Некоторые животные питаются только одним видом растений, вследствие чего не могут завершить свой жизненный цикл без него, как, например, тутовый шелкопряд, образующий нить для кокона только при условии питания листьями шелковицы. Согласно расчетам экологов исчезновение только одного вида растений приводит к гибели 10–12 видов животных, поскольку при этом пищевая цепь обрывается в самом начале.

Пищей животным, грибам и бактериям служат не только листья, стебли и корни растений, многие из них питаются нектаром, цветочной пыльцой, семенами и плодами. Растения обеспечивают выживание других живых организмов даже в снежные зимы, несмотря на то, что сами сбрасывают листья, поскольку ряд животных может запасать семена и плоды.

Животные используют растительные ресурсы не только как источник питания, некоторые из них используют растительные вещества для защиты и оповещения других животных. Так, гусеницы бабочки данаиды, питающиеся некоторыми видами молочаев, накапливают содержащиеся в них ядовитые вещества и сохраняют даже во взрослом состоянии. У птиц, съевших данаиду, наблюдается рвота, и в следующий раз они избегают контакта с бабочками данного вида.

Растения являются для многих животных и средой обитания, поскольку различные короеды, тля и другие паразиты покидают растение только с целью расселения. На растениях строят гнезда многие птицы, обитают и охотятся пресмыкающиеся и млекопитающие.

Органические вещества, произведенные растениями, далеко не полностью расходуются в процессе жизнедеятельности, из их остатков за миллионы лет образовались залежи полезных ископаемых, таких как каменный и бурый уголь, нефть. Эти полезные ископаемые являются, по образному выражению великого русского ученого К. А. Тимирязева, «солнечными консервами», и интенсивно используются человеком в настоящее время.

Синтезированные растениями органические вещества имеют огромное значение в почвообразовании, поскольку именно растительные остатки образуют гумус, склеивающий неорганические частички в гранулы и создающий структуру почвы, а также предотвращающий ее смыв и эрозию. Не меньшую роль в процессах почвообразования и естественного самоочищения сточных и загрязненных вод играют водоросли.

Велика роль растений в биогеохимическом круговороте веществ в природе, например углерода, водорода, кислорода, фосфора, серы и других элементов, которые потребляются растениями в неорганических соединениях и включаются в состав органических, которые впоследствии используются и разлагаются иными организмами. Хорошо известно, что наземными растениями включаются в жизненные циклы 34 млрд т различных химических элементов (натрий, калий, кальций, марганец, железо, алюминий и др.), тогда как биогеохимическая роль водорослей связана, прежде всего, с круговоротом кальция и кремния. Получая из почвы и выбрасывая в воздух миллиарды тонн водяного пара в процессе транспирации, растения регулируют не только атмосферную влажность, но и способствуют круговороту воды в природе.

Кислород, выделяющийся в результате деятельности растений, обеспечивает процесс дыхания всех живых организмов, а также другие окислительные процессы в природе. Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, создающий озоновый экран, препятствующий проникновению на землю губительных для всего живого ультрафиолетовых лучей.

Произрастая в тех или иных условиях, растения образуют различные растительные сообщества, обусловливая бесконечное разнообразие ландшафтов и экологических условий для живых организмов планеты. Например, древесные растения способны осушать почвы, а мхи, наоборот, заболачивать их.

Растительность существенно влияет и на климат планеты, формируя температурный режим: за счет значительного поглощения углекислого газа произошло уменьшение так называемого парникового эффекта и снижение температуры до современного уровня.

Человек использует растительные ресурсы не менее широко. Из огромного разнообразия царства растений особое значение для человека имеют семенные растения, дающие пищу, одежду, топливо, строительный материал, сырье для различных отраслей промышленности: пищевой, текстильной, бумажной, химической и др. Однако и представители других групп растений, например морские водоросли, применяются в пищевой, бумажной, фармацевтической, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, а также в медицине как источники агар-агара, альгинатов, йода, брома и др. веществ.

Большая часть растений, необходимых человеку, введена в культуру и выращивается в искусственных сообществах — агроценозах, к которым относятся поля, плантации, сады, парки и т. д. Культурные растения существенно отличаются от своих дикорастущих собратьев хозяйственно ценными качествами и представлены обычно значительным разнообразием специально выведенных сортов (одних сортов тюльпанов в настоящее время свыше 5 тыс.).

Культурные и дикорастущие растения в зависимости от характера использования делят на зерновые (пшеница, рис, кукуруза), зернобобовые (горох, фасоль, соя), масличные (подсолнечник, лен), технические (рапс, горчица), плодовые (яблоня, вишня, слива), сахаристые (сахарная свекла, сахарный тростник), волокнистые (лен, хлопчатник), эфиромасличные (лаванда, кориандр), каучуконосные (гваюла, гевея), декоративные (роза, тюльпан, сирень), лекарственные (валериана, календула, шалфей) и др. В последнее время все более широкие перспективы открываются в использовании растений в производстве биотоплива, например, в Европе и России как наиболее приемлемый источник рассматривается рапсовое масло.

Резкое увеличение численности популяций каких-либо растений, например, массовое размножение одноклеточных водорослей вызывает «цветение» воды в водоемах, при котором вода окрашивается в изумрудно-зеленый, ярко-красный и другие цвета. «Цветение» сопровождается снижением количества кислорода в воде и гибелью других организмов. Кроме того, водоросли способны выделять в воду токсичные вещества, вследствие чего они так же массово гибнут, как и появились. Поскольку токсические вещества, выделяемые водорослями, могут накапливаться другими организмами, человек также может пострадать от употребления таких морепродуктов. Не менее отрицательное значение имеет и распространение сорняков, а также растений, пыльца которых вызывает аллергию.

Таким образом, растения являются основой жизни на Земле, а их деятельность — космической по масштабам.