Раздел V. Воспроизведение и размножение цветковых растений

    Существование вида в пространстве и во времени обеспечивается способностью растений к воспроизведению себе подобных. Это возможно благодаря способности организмов производить потомство. Если образование потомства приводит к увеличению численности особей данного вида, то этот процесс представляет собой размножение. Оно обязательно связано с последующим расселением.

    Термин «воспроизведение» отражает качественную сторону процесса. В результате воспроизведения общая численность особей может даже сокращаться. Например, у диатомовых водорослей в результате слияния двух экземпляров пиннулярии формируется одна особь нормальных размеров.

    Размножение, как свойство живой материи, существовало на самых ранних этапах ее развития. Одновременно с эволюцией растений, эволюционировали и способы размножения.

    Все способы размножения можно свести к двум видам: половому и бесполому. Бесполое – наиболее древний способ размножения. У покрытосеменных оно наиболее специализировано, что позволяет различить две его основные формы: вегетативное и собственно бесполое. У низших растений четкой границы между названными формами размножения нет.

    Вегетативное размножение – это увеличение числа особей посредством отделения жизнеспособных частей вегетативного тела растений. Каждая отделившаяся часть образует новые органы и формирует новое растение. Этот тип размножения свойственен низшим и высшим растениям.

    Одноклеточные водоросли размножаются путем деления клеток на две дочерние. Дрожжевые грибы размножаются почкованием. У многоклеточных водорослей вегетативное размножение происходит обрывками нитей или слоевищ.

    У высших растений вегетативное размножение осуществляется вегетативными органами, их частями или метаморфозами. Оно может быть естественным и искусственным (рисунок 14). Корни многих растений (малина, крыжовник, осот, вьюнок, одуванчик) дают придаточные почки, из которых развиваются новые побеги. С помощью придаточных почек, развивающихся на листьях, размножаются бегонии, бриофиллум, лилии, гиацинты. Побеговыми черенками (отрезками стебля) размножаются кактуон, элодея, ряска и др.). Искусственным путем побеговыми черенками размножают смородину, виноград, розы и т.д. Разновидностью черенкования можно считать размножение деревьев и кустарников отводками (липа, черемуха, смородина). При этом часть побега сначала прижимают к почве для укоренения, затем отделяют от растения. Листовыми черенками размножаются бегонии, фиалки, корневыми – одуванчик, кок-сагыз, малина, иван-чай.

    Целям вегетативного размножения служат  клубни (картофель, георгина), луковицы (лук, тюльпан), корневища (пырей, тростник, ландыш), усы (земляника) и плети (см. рисунок 14).

В садоводстве одним из методов вегетативного размножения является прививка, т.е. пересадка части одного растения на другое, с последующим отрастанием.

    Характерной особенностью вегетативного размножения является то, что в потомстве очень полно и точно воспроизводятся свойства и признаки материнского растения.

Рисунок 14 - Способы вегетативного размножения:

1 – часть побега и лист бриофиллума с выводковыми почками; 2 – луковица; 3 – сложная луковица чеснока; 4 – клубень картофеля; 5 – усы земляники; 6 – корневище ириса; 7 – прививка глазком; 8 – листовой черенок

Собственно бесполое размножение – это размножение растений при помощи спор, которые образуются путем митоза или мейоза.

Спора представляет собой клетку микроскопических размеров с толстой оболочкой. Цитоплазма спор богата питательными веществами, они образуются у низших растений (бактерии, водоросли, грибы) и у высших растений (мхи, хвощи, плауны, папоротники). По характеру строения различают споры и зооспоры. Споры образуются сухопутными растениями и легко переносятся ветром, водой, животными и человеком. Зооспоры имеют жгутики, при помощи которых способны передвигаться. Они образуются у низших растений. Формируются споры в спорангиях, а зооспоры - в зооспорангиях. У низших растений спорангием служит одна клетка, содержимое ее делится, и формируются споры, которые при вскрывании клеточной оболочки выходят наружу (рисунок 15).

У высших растений спорангий – многоклеточный орган, имеющий одно- или многослойную стенку. Внутри спорангия формируется спорогенная ткань, из которой в дальнейшем путем мейоза образуются гаплоидные споры. По месту образования различают эндоспоры, формирующиеся внутри спорангия, и экзоспоры, которые образуются на поверхности тела растения, например, так называемые конидии у плесневого гриба пеницилла.

Бесполое и вегетативное размножение имеют много общего. И в том, и в другом случае в образовании потомства участвует только один организм, и по этой причине образуется однородное малоизменчивое потомство. Отличие в том, что при бесполом размножении образуются специальные органы размножения, а при вегетативном этого не происходит.

Биологическое значение бесполого размножения заключается в том, что для обеспечения размножения споровые растения образуют колоссальное количество спор, что приводит к значительному численному увеличению вида.

Половое размножение. Сущность его заключается в слиянии двух клеток – женской и мужской, которые называются гаметами. Клетка, образуемая в результате слияния двух гамет, называется зигота. В дальнейшем из зиготы формируется новый организм.

Гаметы формируются в особых органах – гаметангиях. У низших растений гаметангии одноклеточные. У высших они многоклеточные. Гаметы не имеют твердой оболочки, часто снабжены жгутиками и всегда гаплоидны. Зигота всегда диплоидна.

При слиянии двух половых клеток происходит соединение наследственных особенностей материнской и отцовской особей. Потомство, полученное в результате полового процесса сочетает в себе признаки и свойства двух родительских форм. Оно получается более разнообразным, более жизненным, лучше приспосабливается к различным условиям. В этом заключается биологическое значение полового размножения.

Рисунок 15 - Спороношение у растений:

1 – одноклеточные спорангии у Mucor; 2 – многоклеточный спорангий папоротника;

3 – споры, выпадающие из вскрывающегося спорангия папоротника; 4 – конидии у Pericillium; 5 – зооспорангии и зооспоры водоросли Wothrix

Рисунок 16 - Схема типов полового процесса:

1 – изогамный; 2 – гетерогамный; 3 – оогамный

Различают три формы полового процесса; изогамия, гетерогамия и оогамия (рисунок 16). Наиболее примитивным считается изогамный тип, он распространен у многих водорослей и грибов. При изогамии происходит соединение двух подвижных и морфологически одинаковых гамет. При гетерогамии сливаются две подвижные, но различные по величине гаметы: женская более крупная, мужская - мелкая. Этот тип размножения присущ некоторым зеленым и бурым водорослям. Оогамия считается наиболее совершенным половым процессом. Он свойственен многим низшим растениям и высшим. При этом процессе женская гамета характеризуется большой величиной, запасом питательных веществ и неподвижностью. Такая гамета является яйцеклеткой. Мужская гамета мелкая, подвижная, имеет своеобразную форму и называется сперматозоидом. Женские гаметы у низших растений формируются в оогониях, у архегониальных растений – в архегониях. Мужские гаметы у обоих групп растений формируется в антеридиях.

У большинства семенных растений мужские гаметы в процессе эволюции утратили жгутики и потеряли способность самостоятельно передвигаться. Они называются спермии и достигают неподвижной яйцеклетки с помощью пыльцевой трубки. Такая форма полового процесса именуется сифогамией.

Если половой процесс осуществляется гаплоидными соматическими клетками, а не гаметами, то его называют агаметогамия. Основные формы агаметогамии - хологамия и конъюгация. Хологамия выражается в слиянии протопластов двух особей, при этом число особей не увеличивается, а сокращается. Конъюгация в форме лестничной - типичная и широко представлена у зеленых водорослей.

Таким образом, многообразие форм полового процесса можно подразделить на две группы: гаметогамию и агаметогамию.

Чередование поколений. У всех высших растений и некоторых низших (водоросли) полный жизненный цикл развития возможен только при наличии бесполого и полового способов размножения, которые осуществляются в определенной очередности. При этом происходит смена поколений – бесполого и полового.

Поколение, образующее органы полового размножения, в которых формируются половые клетки – гаметы, называется половым поколением или гаметофитом. Поколение, на котором образуются органы бесполого размножения, с развивающимися в них спорами, называется бесполым или спорофитом. В морфологическом строении таких поколений существуют большие различия. У одних растений оба поколения развиты одинаково, внешне довольно сходны и живут самостоятельно (многие водоросли). У других растений гаметофит и спорофит внешне сильно отличаются. Например, у мхов гаметофит развит сильнее и морфологически более дифференцирован. Спорофит живет (паразитирует) на гаметофите (мох кукушкин лен).

У папоротников оба поколения живут самостоятельно, причем спорофит по размерам резко отличается от гаметофита (мужской папороник) и представляет собой крупное растение, а половое поколение (гаметофит) представлено маленькой зеленой пластинкой (рисунок 17).

 У цветковых растений гаметофиты сильно редуцированы. Мужской гаметофит представлен двуклеточным пальцевым зерном, а женский – семиядерным зародышевым мешком. Гаметофиты развиваются на бесполом поколении, которое представляет собой целое растение.

Одновременно с чередованием поколений происходит смена ядерных фаз, так как при образовании спор происходит редукционное деление, и споры, следовательно, имеют гаплоидный набор хромосом. Образовавшийся из споры гаметофит – половое поколение, и сформировавшиеся на нем гаметы также гаплоидны. При слиянии гаплоидных гамет на половом поколении образуется зигота, которая несет уже диплоидный набор хромосом. Гаплоидная фаза ядра сменяется диплоидной фазой. Из зиготы развивается бесполое поколение – спорофит с диплоидным набором хромосом. Таким образом, гаметофит и спорофит различаются не только внешне, но и цитологически: они имеют различное число хромосом.

Чередование поколений имеет большое биологическое значение, так как в нем сочетается два способа размножения: бесполое, дающее большое число особей, и половое, способствующее обогащению наследственности потомства.

Рисунок 17 - Чередование поколений у папоротника мужского:

1 – общий вид спорофита; 2 – сорус спорангиев; 3 – спорангий; 4 – спора; 5 – заросток; 6 – архегоний; 7 – антеридий со сперматозоидами; 8 – проросток спорофита

Примерный план самостоятельной подготовки

 по разделу

1. Образование потомства – общее свойство живых организмов.

2. Понятие о размножении и воспроизведении. Необходимость размножения и воспроизведения для существования вида.

3. Способы размножения и их отличительные признаки.

4. Вегетативное образование потомства - естественное и искусственное, при посредстве специализированных органов и структур и без таковых.

5. Собственно бесполое размножение, его связь и отличие от вегетативного, биологическое значение спорообразования для высших споровых растений.

6. Соотношения размножения, воспроизведения и различных способов образования потомства у высших растений. Цикл воспроизведения. Мейоз, его этапы, результат и биологическое значение. Необходимость мейоза у организмов, обладающих половым процессом. Воспроизведение высших растений как результат сложной цепи процессов, сменяющих друг друга в определенной последовательности.

7. Половое размножение и его типы. Преимущества и недостатки этого процесса перед бесполым размножением.

8. Понятие о спорофите и гаметофите. Чередование поколений у представителей различных групп растительного мира. Смена ядерных фаз.