Отдел хвощевидные. Общая характеристика, цикл воспроизведения. Класс хвощевые: характеристика объединенных классом порядков и представителей.

Хвощевидные, или членистые берут свое начало с верхнедевонского периода, однако расцвета они достигли в каменноугольном периоде, когда были широко представлены разнообразными древесными и травянистыми формами. Вместе с лепидодендронами и древовидными папоротниками членистые принимали большое участие в сложении знаменитых каменноугольных лесов. Однако в перминачинается их угасание, и прежде всего вымирают древесные формы, так что из мезозоя известны только травянистые членистые. До настоящего времени от всей этой когда-то многочисленной группы дошел только один род хвощ (Equisetum), насчитывающий 25 видов. Поэтому хвощи, подобно плаунам, в такой же степени являются живыми ископаемыми.

Название членистых отражает специфику строения их побегов, которые расчленены на четко выраженные узлы и междоузлия, легко распадающиеся на членики. Членистость обусловлена мутовчатым листорасположением и наличием в нижних частях междоузлий интеркалярной меристемы, по которой и происходит разламывание на членики.

Для современных хвощей характерны весьма своеобразные листья - их листовые пластинки сильно редуцированы до небольших темных, иногда зеленых или бесцветных зубчиков, а хорошо выраженные влагалища срослись в общее пленчатое влагалище. Оно плотно охватывает стебель и осуществляет защиту нижних меристематических тканей (рис. 50). Однако эта мелколистность не имеет ничего общего c микрофилией плауновых. Палеоботанический материал показывает, что у вымершихпалеозойских и мезозойских членистых листья были чрезвычайно разнообразны - от нитевидных, многократно дихотомически разветвленных до плоских лопастных и цельных, причем они имели систему дихотомически ветвящихся жилок (рис. 48). Этот материал свидетельствует о том, что простые мелкие листья хвощей возникли в результате сильной редукции и слияния системы вегетативныхтеломов, т.е. имеют исходное синтеломное происхождение.

Для репродуктивных органов членистых характерно наличие стробилов в виде колосков, и лишь у некоторых палеозойских видов - спороносных зон. У современных хвощей спорангиофоры (т.е. органы, несущие спорангии) имеют щитковую форму, а у древних вымерших членистых они имели самую разнообразную форму, кроме листовидной. Подавляющее большинство членистых - равноспоровые растения и лишь немногочисленные вымершие виды были разноспоровыми.

Отдел членистые, или хвощевидные, включает 2 класса, эволюция которых шла, по-видимому, независимыми, параллельными путями - класс сфенофилловые, или клинолистовые, и класс хвощевые. Относимые ранее к членистым девонские гиениевые - протогиения (Protohyenia), гиения (Нуеnia) икаламофитон (Calamophyton) в настоящее время рассматриваются палеоботаниками как древниекладоксилеевые папоротники. У каламофитона описанные ранее узлы членистого побега оказались просто поперечными трещинами в породе. Анатомическое строение гиении пока неизвестно, а спороносные органы обоих видов резко отличаются от спорангиофоров девонских членистых.

Представители этого класса характеризуются, во-первых, наличием в анатомическом строении артростелы, во-вторых, единым типом строения щитковидных спорангиофоров, не связанных непосредственно с вегетативными листьями.

Этот класс объединяет 2 порядка - вымерших каламитовых и ныне живущих хвощевых.

Calamitales (Calamostachyales, Порядок Каламитовые (каламостахиевые)

(Вымершие) - порядок древовидных хвощеобразных; одни из основных углеобразователей. Девон - пермь, расцвет в карбоне.

По остаткам вегетативных органов эта группа известна под названием каламитовые, а по органам спороношения - каламостахиевые. Для их стробилов было характерно чередование на оси стробиласпорангиофоров с вегетативными листьями.

Каламитовые известны с нижнего карбона; в начале перми они начинают угасать и полностью вымирают в конце перми. Это были растения различной величины и жизненных форм - мелкие травы, лианы, деревья. Наибольший интерес представляют древесные каламитовые. Самые древние из них нижнекарбоновые археокаламиты (Archaeocalamites) были небольшими деревьями с диаметром ствола 10-15 см, имевшие в центре сердцевину и хорошо развитую вторичную ксилему - древесину. Они были широко распространены по всему Северному полушарию. Характерной особенностью археокаламитов было многократное дихотомическое ветвление листьев и расположение их в соседних узлах друг под другом. Стробилы располагались на тонких боковых ветвях; их спорангиофорыдихотомически ветвились и несли по 4 спорангия.

Наиболее многочисленными были каламиты (Calamites), которые достигли расцвета в верхнем карбоне и нижней перми. Это были деревья высотой до 10-15 м, они формировали либо чистые заросли, либо произрастали вместе с лепидодендронами и древовидными папоротниками. Внешне они напоминали современные хвощи, достигавшие огромных размеров. Одни из них были неветвящимися, другие обладали самыми разнообразными типами ветвления - супротивным, крестообразным, мутовчатым. Мутовки листьев в зависимости от вида растения и от порядка ветвления побега содержали от 4 до 60 листьев различной формы и размеров (от 2 мм до 7 см). Листовые пластинки были линейной или овальной формы; они могли располагаться свободно или срастались основаниями в единое влагалище. В нижних частях стволов могли находиться боковые корни, отходившие от узлов несколькими ярусами. От стволов отходили длинные мощные корневища с множеством боковых корней. В центре стебля располагалась паренхима сердцевины, которая в более старых частях стебля разрушалась и образовывала центральную воздухоносную полость. В проводящих пучках первичная ксилема рано разрушалась и на ее месте также возникали узкие полости. По-видимому, система воздушных полостей способствовала улучшению газообмена в условиях влажного климата.

Хорошо развитая древесина, пронизанная сердцевинными лучами, не имела годичных колец.

Большинство каламитовых было равноспоровыми, лишь у некоторых наблюдалась разноспоровость. Интерес представляет род каламокарпон (Calamocarpon), описанный из верхнего карбона на территории Северной Америки; у него в одном мегаспорангии находилась одна большая продолговатая мегаспора, а в другом - женский гаметофит.

К этому порядку относятся исключительно травянистые растения, у которых верхушечные стробилы или спороносные зоны состоят только из мутовок щитковидных спорангиофоров без чередующихся вегетативных листьев. Одни авторы выводят хвощи из травянистых форм археокаламитов, другие считают их потомками каламитов, которые в результате соматической редукции сформировали вторично травянистые формы.

Хвощевые, известные еще с каменноугольного периода, отличались большим разнообразием листьев -дихотомически рассеченными и целыми, свободными и сросшимися у основания. Как палеозойские, так и мезозойские хвощевые, судя по массовым остаткам, могли образовывать густые заросли по берегам водоемов. Некоторые из них хотя и достигали высоты до 10 м, но имели незначительную вторичную ксилему; большинство же видов не превышали 1-2 м и были лишены вторичной ксилемы. До настоящего времени дожил только 1 род хвощ (Equisetum), объединяющий 25 видов.

Хвощи - травянистые многолетние корневищные растения с однолетними, реже многолетними надземными побегами (рис. 50). Они широко распространены в Евразии, в Северной и Южной Америке, в Северной Африке.

В Австралии встречается только завезенный вид - хвощ полевой (Еquisetum arvense). Большинство видов приурочены к умеренным областям Северного полушария и лишь несколько наиболее древних видов распространено в тропических и субтропических областях Средней и Южной Америки. Некоторые из них достигают крупных размеров в несколько метров. Например, в Чили, Перу, Эквадоре произрастает хвощ Еquisetum xylochaete со стройными, почти древовидными побега.ми высотой 3-3, 5 м; перуанский вид хвощ Еquisetum martii достигает 5 м, а самый крупный вид - хвощ гигантский (Еquisetum gigantea), произрастающий во влажных тропических и субтропических лесах Чили, Перу, Мексики и Кубы, имеет максимальные размеры 10-12 м при диаметре всего лишь 2-3 см. Поэтому он может расти только опираясь и цепляясь за соседние деревья. В этих же странах произрастает самый мощный видхвощ Еquisetum schaffneri, у которого при высоте всего 2 м диаметр может достигать 10 см.

К числу древних европейских видов относится вечнозеленый, редко ветвящийся хвощ зимующий (Еquisetum hyemale) высотой до 1 м. Большинство евразийских видов являются более молодыми и более специализированными. Их невысокие надземные однолетние побеги ветвятся с образованием боковых ветвей I, реже II порядка. Надземные побеги у одних видов могут совмещать 2 функции - спороносную и вегетативную. Так, например, у хвоща болотного (Еquisetum palustre) и хвоща приречного, или топяного (Еquisetum fluviatile), вегетативные и спороносные побеги, возникающие одновременно, вначале не отличаются морфологически друг от друга. Только в середине лета на некоторых зеленых побегах формируются стробилы. У других видов наблюдается разделение функций побегов. Так, у хвоща лесного (Еquisetum silvaticum) и хвоща лугового (Еquisetum pratense) весной одновременно с вегетативными побегами развиваются неветвящиеся бесцветные или розоватые спороносные побеги. Однако после спороношения они зеленеют, ветвятся и не отличаются от вегетативных побегов. У некоторых видов диморфиз побегов проявляется очень четко. У широко распространенного хвоща полевого (Еquisetum arvense) ранней весной появляются бесхлорофилльные неветвящиеся спороносные побеги, которые после спороношения полностью отмирают, а на корневище несколько позднее формируются вегетативные зеленые побеги.

Таким образом, прослеживается возрастающая специализация побегов, сопровождающаяся их диморфизмом.

В связи с сильной редукцией листьев функцию ассимиляции берут на себя главный и боковые побеги, которые возникают мутовками, но не в пазухах листьев, а чуть ниже их. Одни авторы рассматривают их как внепазушные, а другие считают, что молодые пазушные побеги очень рано прорывают влагалище и оказываются ниже них.

Под землей у хвощей формируется разветвленная система корневищ, занимающая иногда площадь в несколько квадратных метров. Они располагаются несколькими ярусами на глубине от 30-40 см до 4-5 м. У некоторых видов междоузлия корневищ могут утолщаться и превращаться в клубеньки, богатые крахмалом. В узлах корневищ формируются корни двух типов. Одни из них, возникающие в поверхностных горизонтах почвы, образуют густые мутовки. Эти корни тонкие, короткие, слабо ветвятся и поглощают поверхностную влагу атмосферных осадков. Другие корни развиваются на глубине 1, 5-2 м и во влажных глубинных слоях почвы формируют пучки тонких боковых корней.

Нередко корни хвощей называют придаточными, исходя из их бокового положения на побегах. Однако ход морфогенеза боковых побегов и корней осложняет решение этого вопроса. При ветвлении главного побега меристематическая клетка, делясь, одновременно формирует зачатки бокового побега и корня. Поэтому, как и у плаунов, едва ли эти апикальные корни можно назвать придаточными. В дальнейшем темпы роста зачатков побегов и корней определяются их пространственным положением. У наземных побегов в рост первыми трогаются зачатки боковых побегов, а расположенные у их оснований меристематические зачатки корней находятся в состоянии покоя. Только в случае соприкосновения этого побега с почвой или водой из остаточной боковой меристемы начинает формироваться корень. На корневище, напротив, первыми развиваются боковые корни, которые в узле образуют корневую мутовку, почки же долгое время могут оставаться спящими. В этом проявляется тонкая приспособленность хвощей к условиям произрастания.

Анатомическое строение хвощей различных видов довольно однотипно. Вдоль стеблей тянутся более или менее выраженные ребрышки и ложбинки. С поверхности расположена эпидерма, в ее утолщенных стенках откладывается кремнезем, придающий стеблю прочность. В области ложбинок расположены устьица, стенки которых у большинства видов также пропитаны кремнеземом и поэтому не могут растягиваться. Этим объясняется наличие внутренней пары работающих замыкающих клеток. Под эпидермой в ребрышках, иногда и в ложбинках, реже кольцом располагаются участкимеханической ткани. Между механической тканью находится паренхима первичной коры, содержащая хлоропласты и выполняющая функцию фотосинтеза. Во внутренней части коры проходят воздухоносные полости.

Центральный осевой цилиндр нечетко отграничен от первичной коры, большая его часть приходится на сердцевину. В молодом стебле она состоит из живой паренхимы, которая, однако, быстро разрушается, и образующаяся полость заполняется воздухом. Наличие большого количества межклетников свидетельствует, по-видимому, о том, что древние виды, как и многие современные виды хвощей, жили в болотистых местообитаниях. По периферии стелы тянутся закрытые коллатеральные пучки. Флоэмасостоит из ситовидных клеток и паренхимы. В ксилеме вся протоксилема и большая часть метаксилемыразрушается. На их месте образуется узкая полость, по которой перемещается вода. Остатки метаксилемы обнаруживаются в виде кольчатых или спиральных трахеид. Пучки в междоузлиях идут параллельно друг другу. Входя в узел, сердцевина которой заполнена паренхимой, каждый пучок разветвляется на 3. Средний пучок входит в лист, а каждое боковое ответвление одного пучка сливается с боковым ответвлением соседнего пучка. Вновь сформированный пучок входит в следующее междоузлие. Таким образом, пучки одного междоузлия чередуются с пучками соседнего междоузлия.

Все современные хвощи - морфологически равноспоровые растения, но некоторые виды могут иметь физиологически различные споры. У большинства наших видов колосовидные стробилы развиваются только на главном побеге, реже (у хвоща болотного) они могут формироваться и на боковых побегах. Видовые различия стробилов проявляются в размерах (от 2-5 мм до 5-8 см), окраске, форме колосков. На оси стробила мутовками располагаются спорангиофоры в виде шестиугольных щитков на ножке, по краям щитков свешиваются удлиненные спорангии. В молодых стробилах щитки плотно прилегают друг к другу, обеспечивая надежную защиту спорангиев; при созревании спорангиев междоузлия стробилов несколько увеличиваются и споры легко высыпаются.

Для спор хвощей характерно наличие третьего, внешнего, слоя оболочки, который при созревании растрескивается с образованием спирально закрученных вокруг споры двух гигроскопических лент, получивших название гаптер, которые прикрепляются в центре к споре. В сухую погоду они, как пружинки, раскручиваются и способствуют разрыхлению спор; при этом гаптеры соседних спор цепляются друг за друга. Благодаря этому из спорангиев высыпаются рыхлые комочки спор, легко разносимые ветром. Споры быстро (через 2-3 недели) теряют всхожесть, но во влажных условиях они быстро набухают, сбрасывают оболочку и прорастают в зеленую пластинку гаметофита, а в загущенных посевах или в воде - в зеленую нить. Однослойная пластинка, разрастаясь, превращается в многослойную распростертую подушку с ризоидами на нижней стороне. На верхней стороне подушки развиваются вертикальные пластинчатые лопасти, на которых через 4-6 недель формируются половые органы.

Многие авторы считают, что одни виды хвоща являются только однополыми, а другие - обоеполыми и что обоеполость или однополость закреплена у данного вида генетически. Другие авторы полагают, что на формирование заростков большое влияние оказывает характер питания и водоснабжения. В природе чаще всего находят однополые гаметофиты, а поскольку они формируются из комочка спор, то в непосредственной близости оказываются и женские, и мужские гаметофиты, чем обеспечивается перекрестное оплодотворение.

Размеры гаметофитов у разных видов варьируют от 1 мм до 2-3 см; в пределах вида мужские гаметофиты мельче женских. Сперматозоиды хвощей крупные, с многочисленными (до 100) жгутиками. Оплодотворенная яйцеклетка делится поперечной перегородкой на 2 клетки, каждая из которых делится еще на 4 клетки.

Формирование зародыша хвощей значительно отличается от первых этапов онтогенеза плаунов ипапоротников. Из верхнего 4-клеточного комплекса одна срединная клетка опережает в своем развитии остальные 3, формируя стеблевую часть, а 3 боковые клетки образуют мутовку из 3 листьев. Из нижнего комплекса 3 клетки идут на формирование гаустории, а из четвертой клетки развивается корень. Следовательно, первый корень, хотя и занимает из-за гаустории боковое положение, но не является придаточным. Таким образом, 3 органа - стебель, листья и корень возникают из равноценных клеток одновременно, что указывает на общность их происхождения

1. Отдел папоротникообразные. Общая характеристика и классификация отдела.

Тип споровых растений. Объединяет как древесные, так и травянистые формы; часть из последних ведет водный образ жизни. Девон - ныне, расцвет в карбоне.

Подобно плауновидным и членистым папоротникообразные являются древнейшей группой, известной сдевонского периода. Расцвета они достигли в конце палеозойской - начале мезозойской эры, когда были представлены большим разнообразием жизненных форм и распространены на всех континентах земного шара. Наибольшую роль в сложении растительного покрова Земли играли крупные древовидные папоротники, входившие в состав каменноугольных лесов.В настоящее время папоротники насчитывают более 10 тыс. видов и 300 родов.

Для папоротникообразных характерно сочетание ряда признаков, из которых главнейшими являютсямакрофилия, 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 сальвинии 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.

В зоне влажных тропических и субтропических лесов разнообразие жизненных форм чрезвычайно велико. В тенистых лесах много наземных видов, большинство из них имеют длинные стелющиеся побеги, реже встречаются виды с короткими прямостоячими побегами. Самые мелкие наземные папоротники из рода трихоманес (Trichomanes) имеют длину от 3-4 мм до 2-4 см, а самые крупные виды ангиоптериса (Angiopteris), образующие часто густые заросли, имеют клубневидные стебли диаметром до 1 м. На них располагаются листья длиной 5-6 м с длинными крепкими черешками и сильно рассеченными листовыми пластинками.

Однако наиболее многочисленны и разнообразны эпифитные папоротники, особенно в тропических лесах Старого Света. Вездесущие эпифиты встречаются на моховых подушках, на стволах и в кронах деревьев. Многие приземные эпифиты, в основном из семейства гименофилловых (Hymenophyllaceae), находятся в условиях избыточного увлажнения; их нижние прозрачные листья толщиной в 1-3 слоя клеток лишены устьиц и поглощают атмосферную влагу всей поверхностью. Эпифиты, живущие в кронах и на стволах деревьев, находятся в условиях дефицита влаги, в связи с чем имеют листья плотные, кожистые либо сильноопушенные.

Один из замечательных папоротников-эпифитов, придающий своеобразный облик лесам Старого Света, - асплениум гнездовый, или птичье гнездо (Asplenium nidus), издали создает впечатление огромных птичьих гнезд (рис. 51). Его короткие толстые побеги прочно закрепляются на стволах и ветвях деревьев с помощью многочисленных переплетающихся и сильно опушенных корней. На вершинах побегов формируются изумительной красоты розетки кожистых листьев, достигающих иногда длины до 2 м. Вся масса листьев и корней способна накапливать гумус и поглощать влагу из атмосферы, обеспечивая себе и питание, и водоснабжение.

Во всех тропических лесах широко распространены виды рода платицериума, или оленьего рога (Platycerium). Их короткие стебли также прикрепляются к коре деревьев многочисленными корнями. Вегетативные листья имеют вид плоских округлых пластинок, которые своими основаниями плотно прижаты к стволу, а их вершины отстоят от стебля, образуя нишу в виде кармана. В ней скапливаются опадающие и перегнивающие кора деревьев и листья самого растения, т.е. они сами формируют себе почву. У платицериума большого (Platycerium grande) в такой нише, глубиной более 1 м, может скапливаться до 100 кг почвы; под их тяжестью деревья- носители иногда выворачиваются с корнями. Несколько позднее возникают вегетативные или спороносные листья, дихотомически или пальчато- ветвящиеся, за что растения и получили название олений рог.

Аналогичные ниши в виде карманов могут образовывать плоские стебли некоторых папоротников, например малайский вид многоножки (Polypodium imbricatum).

Однако наряду с высокоспециализированными описанными формами существует немало мелких эпифитов и эпифиллов, относящихся к родам схизея (Schizaea) и трихоманес (Trichomanes). У одних видов мелкие листья покрыты гигроскопическими волосками, снижающими испарение, а во влажные периоды поглощающие влагу из атмосферы. Другие виды, лишенные волосков, способны в наиболее сухое время суток переходить в состояние анабиоза. Значительно меньше папоротников лиан, причем они менее специализированны, чем эпифиты. Одни просто опираются на стволы деревьев своими тонкими длинными стеблями, у других имеются либо изогнутые черешки, либо шипы на листьях, либо придаточные корни на стеблях.

Наибольший интерес представляет род лигодиум (Lygodium), имеющий уникальную жизненную форму листовой лианы. Вдоль длинного стелющегося побега с нижней стороны отходят корни, а на верхней стороне двумя рядами располагаются очень своеобразные многократно перисторассеченные листья; их черешки способны к весьма длительному нарастанию, достигая иногда длины 30 м. Обвиваясь вокруг стволов деревьев, они выносят вверх доли листа ближе к свету.

Весьма своеобразны древовидные папоротники, к которым относятся 8 родов. Многие из них, например диксония (Dicksonia), циатея (Cyathea), приурочены к горным районам тропической и субтропической зон, где они образуют изящные рощи.

Большинство древовидных папоротников достигает высоты от 5-6 до 10 м, редкие экземпляры имеют максимальные размеры 20-25 м при диаметре ствола 50 см. Стволы их, как правило, не ветвятся и образуют на вершине раскидистую ажурную крону из перистых листьев длиной 2-3 м (у циатеи до 5-6 м).

У многих видов папоротников в кроне выявляются 3 категории листьев - молодые, с еще не развернувшимися улитками, листья направлены вверх; срединные расположены горизонтально, а увядающие листья, отгибаясь вниз, образуют своеобразную " юбочку". При опадании листьев часто на стебле остаются их основания и нижние части сильно склерофицированных черешков, которые одевают стебель в виде футляра. Кроме того, под каждым листом формируются корни, одни из которых достигают поверхности земли, а другие остаются воздушными. Стеблевые корни также пронизаны склеренхимными пучками, что придает им большую прочность. Черешки, направленные вверх, и корни, направленные вниз, переплетаясь между собой, образуют вокруг стебля прочный цилиндр наподобие панцирной сетки, выполняющий опорную функцию. При значительной высоте растений это оказывается важным обстоятельством, так как древовидные папоротники представляют собой, по существу, гигантские травы.

Поскольку у папоротников камбий отсутствует, у них нет и вторичной древесины; механическая прочность достигается за счет склеренхимной обкладки вокруг проводящих пучков; лишь иногда внешняя кора состоит из механической ткани. Поэтому внешний листокорневой цилиндр выполняет основную опорную функцию. По мере старения растения основание его ствола отмирает и разрушается, однако ствол не падает, так как он, как на ходулях, удерживается свисающими корнями.

Провести четкую границу между травами и древовидными формами невозможно. В пределах одного вида размеры могут варьировать от нескольких дециметров до нескольких метров, что в значительной степени определяется почвенными и температурными условиями.

Даже краткий перечень жизненных форм папоротников говорит о большом морфологическом разнообразии этих растений; это касается листьев, стеблей и побегов в целом. Морфологическая характеристика папоротников часто сталкивается с терминологическими трудностями, так как термины и понятия, разработанные для цветковых, не всегда приемлемы для папоротников. Это прежде всего относится к понятию корневища папоротников, которое в ходе онтогенеза может менять свою природу. У изученных видов корневищных папоротников зигота при делении образует 4 клетки; из одной возникает гаустория, из второй - корень, из третьей - лист, из четвертой - стебель, т.е. стебель, корень и лист - это равноценные гомологичные органы этих папоротников.

Чаще всего зародышевый лист и корень опережают в своем развитии стебель, поэтому происходит формирование листа с корнем у основания (рис. 52). В основании черешка первого листа закладывается меристематический бугорок, формирующий новый лист с корнем у основания. Следующий лист возникает из бугорка, расположенного в основании черешка предыдущего листа. Основания всех вновь возникающих листьев и корней в совокупности формируют корневище, уникальное для ныне живущих высших растений. Его иногда называют филлогенным, т.е. развивающимся из листьев. Однако в ходе онтогенеза филлогенное корневище сменяется обычным; при этом меристематический бугорок - точка роста начинает формировать стебель с зачатками листьев. У длиннокорневищных папоротников на вершине, в непосредственной близости от верхушечной (апикальной) инициальной клетки, вычленяется бугорок из меристематических клеток. Из него может развиться либо боковое корневище, либо лист, что также указывает на гомологичность этих органов.

Вершина корневища длиннокорневищных папоротников может быть покрыта многочисленными чешуйками или оставаться совсем голой.

У короткокорневищных форм на самой вершине закладываются особые листья с недоразвитой листовой пластинкой и хорошо развитым основанием - филлоподием, они обеспечивают дополнительную защиту зимующих почек.

Ветвление растения может осуществляться не только за счет стеблевых почек, но и почками, возникающими на черешках листьев или на листовых пластинках. Часто такие листовые почки сразу формируют молодые розетки, которые опадают и осуществляют вегетативное размножение; такие растения называют живородящими. У некоторых папоротников, например у нефролеписа клубненосного (Nephrolepis tuberosa) из стеблевых почек развиваются тонкие столонообразные корневища, лишенные листьев и покрытые кожистыми чешуйками. Выходя на поверхность земли, они формируют новую розетку. Кроме того, на столонах возникают клубневидные боковые ответвления, осуществляющие вегетативное размножение (рис. 53).

Весьма специфичны листья папоротников - вайи. Для них наиболее характерен длительный рост вершины, проявляющийся в образовании улитки (исключение составляют ужовниковые), и густая сеть обильно ветвящихся жилок. Развитие листьев под землей часто длится несколько лет, а над землей завершается в течение 1-1, 5 недель. У некоторых видов, например у адиантума (Adianthum), камптосоруса (Camptosorus), листья проявляют стеблевую природу - их рахисы вытягиваются в стеблевидную плеть и, достигнув поверхности земли, укореняются с образованием новой розетки. Улигодиума рахис листа своим поведением также очень напоминает стебель.

Основания листьев, черешки и листовые пластинки у многих видов покрыты чешуйками, которые рассматриваются иногда как микрофиллы, т.е. листья энационного происхождения. Разнообразие их форм, размеров, цвета составляет важный систематический признак. Еще более разнообразны листовые пластинки. Наиболее типичны листья дважды-, трижды- и более перисторассеченные, реже встречаются листья пальчаторассеченные и еще реже - дихотомически рассеченные.

Центральную часть листовой пластинки, представляющую продолжение черешка, называют рахисом, а боковые доли первого и последующих порядков - соответственно перьями и перышками.

Наряду с рассеченными листьями в разных семействах имеются цельные листья, сформировавшиеся в результате полного слияния боковых долей. Характерно, что во влажных тропических лесах цельными листьями обладают, как правило, мелкие папоротники, а все крупные папоротники имеют рассеченные листовые пластинки. Это, по-видимому, стоит в связи с характером тропических ливней, при которых мощные потоки воды свободно проходят сквозь рассеченную листовую пластинку, не нарушая ее целостности.

Не менее разнообразно жилкование листьев от наиболее примитивного открытого до более совершенного - сетчатого.

У большинства видов папоротников листья совмещают 2 функции - фотосинтеза и спороношения (рис. 54), однако у многих видов наблюдается диморфизм листьев - одни выполняют функцию фотосинтеза, а другие - только спороношения, например у страусника, трихоманеса. У некоторых видов папоротников (у ужовниковых, у осмунды) имеется диморфизм частей листа, при котором одна часть выполняет функцию фотосинтеза, а другая часть - спороношения.

Палеонтологический материал показывает, что все 3 типа листьев существовали уже в раннем палеозое и формировались независимо друг от друга.

Ход развития корней папоротников до сего времени мало изучен. При формировании зародыша зародышевый корень закладывается одновременно со стеблем и листом, при этом смещаетсягаусторией вбок. В дальнейшем у одних видов он развивается одновременно с листом, а у других видов несколько задерживается в росте и появляется позднее, поэтому производит впечатление придаточного корня. Зародышевый корень быстро отмирает, и на его смену появляются новые корни, возникающие на стебле близ его вершины. У одних видов корни могут появиться на поверхности побега в год его заложения, а у других видов - лишь через 1-2 года. От настоящих придаточных корней семенных растений корни папоротников (так же, как у плаунов и хвощей) отличаются тем, что не могут закладываться на уже сформированных частях побегов.

Корни папоротников живут 3-4 года. У некоторых видов, например у нефролеписа, корни, загибаясь вверх, способны превращаться в олиственные побеги.

Анализ вегетативных органов папоротников выявляет способность превращения одного органа в другой, т.е. указывает на то, что дифференциация на органы у них не всегда жестко закреплена генетически. Это находится в прямой связи с древностью папоротников. Сходство анатомического строения стеблей, черешков листьев и корней также указывает на единство происхождения всех вегетативных органов.

У большинства современных видов папоротников стебли имеют диктиостелу, однако ход морфогенеза у разных видов различен. У многих изученных папоротников стебель молодого растения построен по типу протостелы, затем формируется эктофлоическая или амфифлоическая сифоностела, а с началом образования листовых лакун происходит формирование диктиостелы (рис. 55). Она представляет собой цилиндр, в центре которого расположена паренхима сердцевины, затем следуют внутренняяфлоэма, ксилема и внешняя флоэма, пронизанные паренхимой листовых лакун. На поперечном срезе листовые лакуны представлены сердцевинными лучами, а между ними по кольцу располагаются концентрические проводящие пучки с ксилемой в центре и флоэмой по периферии. При мацерации все живые ткани сердцевины, сердцевинных лучей и флоэмы разрушаются и остается лишь ксилема в виде сетчатого цилиндра, отсюда и название диктиостела - сетчатая стела.

Флоэма одночленная, состоит только из ситовидных клеток. Ксилема сложена в основном лестничными, частично кольчатыми трахеидами.

Наряду с диктиостелой у некоторых древних видов на протяжении всей жизни сохраняется протостела (улигодиума, глейхении), эктофлоическая сифоностела (у циатеи) или амфифлоическая сифоностела (у видов глейхении, у диптериса). Все это позволяет сделать вывод о направленности эволюции стелы от протостелы через сифоностелу к диктиостеле, что подтверждается палеоботаническим материалом.

У пермских папоротников описана протостелическая структура, у триасовых - в основном сифоностелическая, у большинства современных - диктиостела, при которой осуществляется наибольший контакт проводящих тканей с живой паренхимой, а следовательно, улучшается водоснабжение.

Размножение папоротников осуществляется в основном за счет спор. Большинство видов папоротников - равноспоровые растения; количество разноспоровых видов невелико.

Для всех папоротников характерно отсутствие специализированных спороносных побегов - стробилов. У большинства папоротников спорангии сгруппированы в сорусы; у мараттиевых, срастаясь между собой, они образуют синангии (рис. 56). У наиболее примитивных видов одиночные спорангии располагаются по краям листьев либо на вершинах их лопастей, при этом каждый спорангий снабжается самостоятельной жилкой. Это весьма напоминает верхушечное расположение спорангиев на концах васкуляризованных теломов у риниофитов. У большинства же папоротников спорангии или сорусы располагаются на нижней поверхности листьев. Чаще всего они приурочены к главной и боковым жилкам, реже (например, у орляка) - близ края листа.

Расположение спорангиев на нижней стороне листа оказывается биологически выгодным: во-первых, обеспечивается надежная защита спорангиев во время их созревания и одновременно не снижается интенсивность фотосинтеза. Во-вторых, обеспечивается более равномерное рассеивание спор, в-третьих, создается возможность большего продуцирования спорангиев на всей поверхности листа, чем только по краю.

Ход морфогенеза спороносных листьев у некоторых видов рода схизеи показывает возможный путь перемещения спорангиев на нижнюю поверхность листа в ходе филогенеза. На ранних этапах развития листа схизеи спорангии закладываются по его краям, но в результате более быстрого разрастания тканей верхней стороны листа происходит загибание его краев вниз. В результате спорангии оказываются на нижней поверхности листа. Место прикрепления спорангии к листу называетсяплацентой. В ходе эволюции происходило разрастание плаценты, и она приобретала продолговатую или шаровидную форму, что увеличивало площадь возможного размещения спорангиев. Кроме того, на плаценте спорангии располагаются в определенной последовательности, а следовательно, и созревание и вскрывание их происходит неодновременно.

Растянутость созревания спор во времени гарантирует более надежное их распространение.

Увеличение количества спорангиев на плаценте достигается также увеличением длины ножки спорангия. Разрастание плаценты и увеличение длины ножки коррелятивно не связаны, эти два процесса происходили в разных систематических группах независимо друг от друга.

Большое биологическое значение имеет защита сорусов в период их созревания. В простейшем случае сорусы прикрываются загибающимся вниз краем листа. У более специализированных видов формируется особое покрывало индузиум, возникающее в результате локального разрастания плаценты либо поверхностных тканей листа.

По характеру заложения и строению стенки спорангия папоротники подразделяются на лептоспорангиатные и эуспорангиатные. У эуспорангиатных папоротников спорангий возникает из группы клеток и имеет многослойную стенку, у лептоспорангиатных папоротников он возникает из одной клетки и имеет однослойную стенку. И тот и другой тип спорангиев обнаружены у древних папоротников.

Механизмы вскрывания спорангиев у папоротников чрезвычайно многообразны (рис. 57). В простейшем случае на вершине спорангия имеется небольшой участок сильно утолщенных клеток - пора. При подсыхании спорангия происходит его разрыв на контакте тонкостенных и толстостенных клеток. Однако уже у древних папоротников возникло так называемое кольцо - полоска из толстостенных клеток. У представителей одних семейств оно занимает горизонтальное положение, у других - косое, у третьих - вертикальное. Примитивным считается кольцо сплошное, или замкнутое; более совершенным - неполное, при котором часть клеток кольца остается неутолщенным (так называемое устье); по нему происходит разрыв стенки. Примером может служить спорангий щитовника мужского (Dryopteris filix-mas), имеющий форму двояковыпуклой линзы и расположенный на длинной ножке.

Однослойная стенка спорангия состоит из крупных тонкостенных клеток. По гребню спорангия, начиная от ножки, проходит кольцо, состоящее на 2/3 из толстостенных клеток, а 1/3 приходится на устье. Клетки кольца имеют утолщения на трех стенках - на двух радиальных и на внутренней - тангентальной. При подсыхании клетки кольца теряют воду, что приводит к уменьшению их объема. Большая сила сцепления втягивает тонкую внешнюю тангентальную стенку внутрь клетки, и она прогибается, притягивая при этом радиальные стенки друг к другу. Это приводит к уменьшению длины окружности кольца и создает большое натяжение в области устья. Происходит стремительный разрыв стенки спорангия, а кольцо при этом выворачивается наружу, разбрасывая споры. По мере дальнейшего испарения воды тонкая тангентальная стенка касается внутренней, сила сцепления исчезает, и кольцо пружинисто возвращается в свое прежнее положение, разбрасывая остатки спор.

У представителей примитивных семейств спорангии крупные, немногочисленные, содержащие большое количество спор (8-15 тыс.). В продвинутых семействах многочисленные последовательно возникающие спорангии мелкие, содержат, как правило, от 64 до 16 спор. Это обеспечивает автономность спорангиев и увеличивает надежность сохранения спор.

Споры могут находиться в покоящемся состоянии от нескольких недель до нескольких лет и даже десятков лет. Для их прорастания необходимы влага, положительные температуры, определенная кислотность почв, интенсивность и качество света, специфичное для каждого вида.

Существуют разные варианты прорастания спор и хода морфогенеза гаметофитов, которые оказываются характерными не только для отдельных семейств и даже родов. Поэтому некоторые птеридологи при классификации папоротников базируются на особенностях развития и строения гаметофитов.

Гаметофиты большинства равноспоровых папоротников ведут наземный образ жизни, осуществляя автотрофное питание. Продолжительность их жизни, как правило, исчисляется несколькими месяцами, и лишь у отдельных наиболее примитивных видов гаметофиты живут несколько лет (иногда до 10-15). При общей тенденции к сокращению продолжительности жизни гаметофиты некоторых видов папоротников стали вторично многолетними.

Формирование гаметофита в значительной степени зависит от спектрального состава света - в синих лучах происходит длительное нарастание нити, а в красных лучах формируются пластинчатые формы. Вначале рост однослойной пластинки осуществляется за счет краевых клеток, а затем на вершинеталлома обособляется одна инициальная клетка, которая формирует верхушечную меристему. При этом пластинка (размером в несколько миллиметров) приобретает сердцевидную форму с подушковидной центральной частью (рис. 58). Физиологически активная меристема выделяет специфический гормон, близкий к ростовым гормонам, - антеридиоген; он стимулирует формированиеантеридиев на близрасположенных заростках. На нижней стороне пластинки у ее основания среди многочисленных ризоидов развиваются антеридии. Немного позднее у вершины пластинки на многослойной подушке формируются архегонии. Неодновременность развития антеридиев и архегониев способствует перекрестному оплодотворению.

Как показали опыты, при большом скоплении заростков концентрация антеридиогена в окружающей среде настолько возрастает, что на вновь формирующихся молодых гаметофитах антеридии могут возникать очень рано, иногда на стадии 2-3-клеточной нити. Высокая концентрация антеридиогена приостанавливает дальнейшее развитие гаметофита, а следовательно, и формирование архегониев, поэтому он остается однополым мужским. В отсутствие антеридиогена при благоприятных условиях происходит быстрое развитие заростка, завершающееся фазой сердцевидной пластинки с хорошо развитой меристемой. На заростке, минуя стадию образования антеридиев, формируются архегонии, т.е. он оказывается однополым женским. При слабом воздействии антеридиогена гаметофит проходит все стадии морфогенеза, формируя сначала антеридии, а затем архегонии, - возникает обоеполый заросток.

В природе взаимные влияния гаметофитов друг на друга оказываются сложнее и труднее поддаются наблюдениям.

Описанный тип морфогенеза гаметофита хотя и наиболее распространенный, но не единственный. Усхизейных и некоторых гименофилловых заростки в течение всей жизни сохраняют обильно ветвящуюся нитевидную форму, поэтому антеридии и архегонии возникают у них без видимой закономерности на боковых ветвях. У мараттиевых зеленые заростки размером 2-3 см многослойные, мясистые, живут по нескольку лет. У ужовниковых, некоторых схизейных и глейхениевых гаметофиты клубневидной или червеобразной формы ведут подземный образ жизни, питаясь микотрофно, поэтому они бесцветные. Однако попадая на поверхность земли, они зеленеют, из чего можно заключить, что их подземное существование вторично. Антеридии примитивных семейств крупные, с множеством сперматозоидов, а у более продвинутых представителей они мелкие, содержащие до 32 сперматозоидов. Архегонии у всех папоротников однотипные, погруженные в ткань гаметофита.

От типичного цикла развития папоротников имеются отклонения. Иногда спорофит может развиваться апогамно, т.е. без оплодотворения, из одной или группы вегетативных клеток гаплоидного гаметофита. В этом случае спорофит оказывается гаплоидным, а споры формируются без редукционного деления. В других случаях гаметофит возникает апоспорически не из гаплоидной споры, а из диплоидных тканей спорофита (из клеток спорангия, листа и т.д.), т.е. он оказывается диплоидным. В этом случае диплоидная яйцеклетка без оплодотворения развивается в новый спорофит.

Вегетативное размножение широко распространено среди папоротников. Часто оно осуществляется с помощью выводковых почек, возникающих на листьях, стеблях и корнях. В последнем случае корни, загибаясь, выходят на поверхность земли и на вершине формируют почку. Нередко на листьях и стеблях развиваются длинные плети, на которых возникают почки.

Классификация всего отдела папоротниковидных и особенно вымерших форм испытывает существенные затруднения. В ее основу могут быть положены разные признаки - анатомическое и морфологическое строение вегетативных органов спорофита, особенности спороношения (строениеспорангиев и их размещение), характер формирования и строение гаметофитов. Наибольшей ревизии подверглись древние вымершие группы папоротников - первопапоротники. Такие таксоны, каканейрофитовые (Aneurophytopsida) и археоптерисовые (Archaepteridopsida), по наличию ярко выраженной вторичной ксилемы и наличию окаймленных пор на стенках точечных трахеид отнесены кпраголосеменным растениям (Progymnospermae). В основу классификации ныне живущих папоротников положено строение стенки спорангия в сочетании с рядом морфологических признаков.

Классификация древних папоротников еще более осложняется тем, что в палеозое имелись синтетические виды, которые объединяли в себе признаки различных таксонов. Перекомбинация признаков, которая вообще была характерна для большинства раннепалеозойских растений, делает выделение таксонов условным.

Отдел Папоротникообразные (Pteridophyta, или Polypodiophyta)

Класс Кладоксилеевые (Cladoxylopsida)

Класс Зигоптериевые (Zygopteridopsida)

Класс Ужовниковые (Ophioglossopsida)

Класс Мараттиевые (Marattiopsida)

Класс Полиподиевые (Polypodiopsida)

Подкласс Осмундовые (Osmundiidae)

Порядок Осмундовые (Osmundiales)

Подкласс Полиподиевые, или настоящие папоротники (Polypodiidae)

Порядок Полиподиевые (Polypodiales)

Подкласс Марсилеевые (Marsileidaea)

Порядок Марсилеевые (Marsileales)

Подкласс Сальвиниевые (Salviniidae)

Порядок Сальвиниевые (Salviniales)

Группа Праголосеменные (Progymnospermae).