Jakie cechy pozwoliły roślinom wyjść na ląd i opanować jego środowisko

Agnieszka Linowska kl. IF

Ewolucja i proces przystosowawczy roślin trwa na Ziemi około 600 000 000 lat. Czas ten wyeliminował gatunki, które nie mogły się przystosować do zmiany warunków otoczenia. Gatunki te przepadły lub przetrwały jako relikty w warunkach najbardziej podobnych do tych, jakie istniały przed tysiącami lat.

W okresie syluru (440-408 milionów lat temu) rośliny zaczęły kolonizować powierzchnię lądu. Wczesne formy organizmów roślinnych były ograniczone w swoim występowaniu do środowiska morskiego, jednak niektóre glony przystosowały się również do życia w wodach słodkich. Prawdopodobnie to one dały początek współczesnym gatunkom roślin lądowych.

Aby przetrwać na lądzie, rośliny musiały wykształcić kompletnie nowe struktury, gdyż warunki życia w tym środowisku są odmienne od warunków życia w wodzie. Na lądzie konieczne jest posiadanie struktur, za pomocą których woda jest rozprowadzana w organizmie. Rolę tę spełnia system przewodzący, przez który też rozprowadzane są sole mineralne i produkty fotosyntezy. Ponadto roślina lądowa musi mieć wykształcone elementy, które ją wzmacniają i usztywniają, gdyż nie działa tutaj siła wyporu. Jednakże zanim rośliny wodne mogły opanować organy rozrodcze, mogące funkcjonować również w otwartym powietrzu.

Aby rośliny mogły przystosować się do życia na lądzie musiały także opanować jednocześnie dwie strefy środowisk: glebę, będącej źródłem wody i składników mineralnych, oraz powietrza- z uwagi na dostęp do światła i dwutlenku węgla, niezbędnych do fotosyntezy.

Rośliny dostosowały się do tych wymogów środowiskowych poprzez wykształcenie wyspecjalizowanych organów: liści przeprowadzających fotosyntezę, łodyg podtrzymujących liście oraz ( u większości grup roślin) korzeni utrzymujących roślinę w podłożu, pobierających z gleby wodny roztwór soli mineralnych.

Najstarsze ślady roślin lądowych znaleziono w skałach pochodzenia sylurskiego. Jedna z tych form roślinnych posiadała plechę, w której można było wyróżnić części pełniące funkcje korzenia, łodygi i liści. Wszystkie te rośliny były najprawdopodobniej gatunkami rosnącymi na bagniskach.

Do wczesnych roślin lądowych zaliczane są takie formy jak wątrobowce i mchy, spośród których wiele gatunków już wyginęło.

Jednym z najważniejszych zdarzeń w historii naszej planety było wyjście roślin z wody, gdzie jak wiemy narodziło się życie i gdzie przebiegały pierwsze etapy ewolucji organizmów. Tam też wyodrębniły się cztery główne pnie rozwojowe, cztery głownie kierunki ewolucyjne organizmów żywych: prokariotyczne bakterie i sinice, a następnie trzy linie organizmów eukariotycznych: zwierząt, grzyby i samożywne rośliny zielone. Każda z tych linii rozwojowych wytworzyła szereg form lądowych, ale najważniejszym było niewątpliwie wyjście na ląd samożywnych roślin zielonych. Poprzez bowiem stworzenie ogromnej masy organicznej, magazynującej energię słoneczną, oraz poprzez zmianę klimatu Ziemi (m. In. Stworzenie cienistych i wilgotnych nisz ekologicznych) umożliwiły one bujne rozwinięcie się lądowych przedstawicieli trzech pozostałych grup organizmów. Tak wiec w tkankach pierwotnych roślin :wychodzących na ląd dostały się nań także grzyby pasożytnicze. Powstawanie coraz to liczniejszych i bardziej zróżnicowanych samożywnych (zielonych) roślin lądowych powodowało z kolei dalszy rozwój grzybów pasożytniczych, przystosowanych już do lądowego trybu życia. Gromadzenie się natomiast dużych ilości substancji organicznej na powierzchni Ziemi

(z obumierających ciał roślin zielonych) pozwoliło na powstanie licznych grup grzybów saprofitycznych, a także umożliwiło powstanie również saprofitycznych i lądowych bakterii. Istnienie wilgotnych i cienistych siedlisk oraz obfitość masy zielonej umożliwiło z kolei powstanie licznych lądowych grup zwierząt, co spowodowało dalszy rozwój grzybów bakterii i to zarówno pasożytniczych, jak i saprofitycznych, „specjalizujących się” w rozkładzie substancji organicznej pochodzenia zwierzęcego. Tak więc samożywne rośliny lądowe umożliwiły rozwój wszelkich innych grup organizmów lądowych i nie może być wątpliwości, że gdyby nie zdobyły one w swoim czasie lądu, nie byłoby dzisiaj na nim ludzi.

Pochodzenie roślin lądowych

Jak dokonał się ten wielki przełom w historii życia na Ziemi, jak doszło do wytworzenia lądowych roślin zielonych? Ostateczna odpowiedź na to pytanie nie jest jeszcze niestety możliwa: paleontologia, tak pomocna w rozszyfrowaniu historii rozwoju roślin lądowych, nie może nam jak dotychczas pomóc w odpowiedzi na to zasadnicze pytanie. Najwcześniejsze bowiem zachowane szczątki roślin lądowych są już organizmami o stosunkowo wysokiej organizacji. Nie znamy dotąd pozostałości prymitywnych organizmów ziemno- wodnych, łączących w sobie jeszcze cechy roślin lądowych i wodnych, które przecież kiedyś istnieć musiały.

Skoro więc paleontologia nie może nam pomóc, musimy wyobrazić sobie, jak odbyło się wyjście roślin zielonych z wody na ląd, przez jakie stadia proces ten musiał przechodzić.

Pierwsze pytanie, na jakie musimy znaleźć odpowiedź, brzmi: z jakich roślin wodnych powstały zielone rośliny lądowe? Odpowiedź na nie jest stosunkowo prosta: musiały to być rośliny samożywne (a więc zielone) mające dużo cech wspólnych z roślinami lądowymi. Trudno bowiem przypuszczać, że wszystkie charakterystyczne dla tych ostatnich właściwości powstały na nowo razem z nimi. Jakie są więc te podstawowe właściwości wspólne wszystkim roślinom lądowym? Są to przede wszystkim pewne cechy biochemiczne: powszechna obecność dwóch zielonych barwników asymilacyjnych chlorofilu a i b, dodatkowych barwników takich jak β-karoten i ksantofil luteina; skrobia jest powszechnym materiałem zapasowym, przy czym magazynowana jest ona na terenie chloroplastów (a nie w cytoplazmie jak ma to miejsce u szeregu glonów); ściana komórkowa wreszcie zbudowana jest głównie z celulozy. Wszystkie te właściwości biochemiczne wskazują jednoznacznie na zielenice: tylko one mają komplet wyżej wymienionych cech. I choć niektóre z tych cech można znaleźć i u innych grup glonów eukariotycznych, to jednak nie występują one nigdy wszystkie razem. Chlorofile a i b na przykład występują także u klejnotek, ale ich materiałem zapasowym jest paramylon magazynowany w cytoplazmie. Skrobia jest materiałem zapasowym kryptofitów, ale magazynowana jest ona u nich poza obrębem chloroplastów, brak także chlorofilu b. Tak więc jedynie zielenice mogły dać początek zielonym roślinom lądowym. Ale zielenice są dużą i zróżnicowaną grupą. Budowa komórki, a zwłaszcza mechanizm cytokinezy pozwalają znacznie zawęzić grupę potencjalnych przodków roślin lądowych.

Według rozpowszechnionego obecnie poglądu, roślinami, które „wyszły” z wody na ląd, były właśnie zielenice- a zatem eukariotyczne glony. Tak więc przekształcenie zielenic w telomowe rośliny lądowe zaszło na lądzie. W ten sposób właściwie przystosowanie do życia na lądzie dokonało się w obrębie zielenic, a rośliny lądowe jedynie rozwinęły i udoskonaliły potrzebne ku temu cechy, przede wszystkim na drodze wytworzenia struktur mających odpowiednie właściwości mechaniczne fizjologiczne (ochrona prze utratą wody oraz możliwość pobierania jej z podłoża i przesyłania do górnych części rośliny). Tak więc musiały powstać tkanki okrywowe ( epiderma z kutykulą), przewodzące oraz mechaniczne. Wodne zielenice pobierały potrzebny do asymilacji dwutlenek węgla z roztworu wodnego, co przy stosunkowo niewielkich rozmiarach ich ciała i braku tkanek okrywających nie wymagało żadnych specjalnych przystosowań dla gazów kutykulą( co było jak widzieliśmy konieczne dla ochrony przed wysuszającym wpływem atmosfery) roślina stawała się tym samym niezdolna do pobierania dwutlenku węgla z powietrza, podobnie jak ustały możliwości wydzielania tlenu powstającego w czasie asymilacji. Umożliwienie wymiany gazowej było więc bardzo istotnym elementem przystosowania do życia na lądzie. Dokonało się ono poprzez utworzenia szparek- a więc otworów w zwartej okrywie rośliny- i rozluźnienie tkanek leżących bezpośrednio pod epidermą. W ten sposób powstały przestwory międzykomórkowe tworzące sieć kanałów sięgających do wnętrza rośliny. Umożliwiło to kontakt wnętrza ciała z atmosferą i stworzyło możliwość wytworzenia organizmów dużych i masywnych, a więc mogących skutecznie przeciwstawić się trudnym warunkom życia na lądzie.

Równie ważnym zadaniem było przystosowanie procesów rozmnażania. Ruchliwe gamety męskie (plemniki) musiały korzystać jeszcze z obecności płynnej wody- opady, rosa itp., ale mejospory mające zwykle charakter przetrwalnikowy musiał uzyskać szczególne zabezpieczenie przed wysychaniem. Dokonało się to poprzez wytworzenie grubych, mocnych i nieprzepuszczalnych ścian otaczających mejosporę. Ściany te zakładały się bezpośrednio po ukończeniu podziału redukcyjnego i ponieważ komórki jednej tetrady stykały się ze sobą cały czas przynajmniej aż do momentu dojrzenia, nadawało to dojrzałym zarodnikom charakterystyczny kształt zbliżony do czworościanu, którego podstawa byłą wycinkiem kuli- była to ściana zewnętrzna tetrady.

Ponadto trzeba zwrócić uwagę i na to że w cyklu życiowym wszystkich bez wyjątku roślin lądowych występują dwie fazy: diploidalna i haploidalna. Ich wzajemny stosunek może być bardzo różny (u mszaków np. panującym jest haploidalny gametofit, u reszty diploidalny sporofit), ale obecność tych dwóch faz jest okoliczności, której nie można w rozważaniu problemu pochodzenia roślin lądowych pominąć.

Istnieją dwie konkurencyjne teorie usiłujące objaśnić pochodzenie roślin lądowych; obie wychodzą z założenia, że elementem grającym zasadnicza role w procesie przystosowania glonów do życia na ladzie była właśnie przemiana pokoleń.

Pierwsza z wymienionych teorii zwana interkalacyjną lub antytetyczną zakłada, że początek roślinom lądowym dały zielenice nie mające jeszcze przemiany pokoleń, to znaczy, że po dokonaniu zapłodnienia zygota ulegała podziałowi redukcyjnemu i była w ten sposób jedyna diploidalną komórką w cyklu życiowym.

Według więc tej teorii sporofit byłby zupełnie nowym nabytkiem utworzonym niejako „w trakcie” wychodzenia rośliny na ląd. Trzeba bowiem zdać sobie sprawę z tego, że u hipotetycznych form wyjściowych podział redukcyjny zygoty ogranicza efektywność każdego zapłodnienia do czterech komórek potomnych. Natomiast powstanie wielokomórkowego sporofitu pozwala na przeprowadzenie wielu podziałów redukcyjnych. Powstanie wielokomórkowego sporofitu może nie miałoby większego znaczenia w wodzie, lecz na lądzie podniesienie efektywności zapłodnienia staje się bardzo istotne i wytworzenie sporofitu może być rozpatrywane właśnie jako rozwiązanie tego problemu.

Druga teoria objaśniająca powstanie roślin lądowych zwana jest homologiczną lub izomorficzną. Wychodzi ona z założenia, że glony, które dały początek roślinom lądowym, musiały mieć dobrze wykształconą przemianę pokoleń, przy czym sporofit i gametofit były podobnie zbudowane (izomorficzna przemiana pokoleń).

Wyjście na ląd

• Obecność lub brak takich organów jak korzeń, łodyga i liść jest podstawą podziału organizmów na dwie grupy:

  • plechowce, które nie posiadają organów,

  • organowce, których ciało zbudowane jest z korzenia, łodygi i liści.

• Plechowce to głównie organizmy wodne, choć występują też na lądzie, ale na stanowiskach o dużej wilgotności. Woda, będąca środowiskiem życia plechowców zapewniła im wystarczający dostęp substancji pokarmowych, zabezpieczyła przed wyschnięciem i działaniem czynników mechanicznych, umożliwiła rozmnażanie przez rozprzestrzenianie gamet, fragmentów plechy i całego organizmu. Znaczna gęstość i lepkość otoczenia zapewniła im utrzymanie się w środowisku.

Na lądzie rośliny napotkały zupełnie inne warunki życia. Pociągnęło to za sobą wykształcenie wielu przystosowań, które umożliwiły przetrwanie i życie w bardzo skrajnych warunkach. Przede wszystkim było to pojawienie się organów, tj. korzeni, łodygi i liści a wraz z nimi wyspecjalizowanych tkanek. Organowce to rośliny typowo lądowe. Wprawdzie występują wśród nich gatunki żyjące w środowisku wodnym, jednak stało się to możliwe dzięki wtórnemu przystosowaniu.

• Opanowując stopniowo ląd, rośliny wykształciły adaptacje do takich warunków jak:

  • niedobór wody

  • odmienne warunki świetlne

  • mniejszą zawartość dwutlenku węgla

  • większa zmienność warunków- dobowa i sezonowa

  • silne oddziaływanie czynników mechanicznych środowiska, np. wiatru.

• Opanowanie lądu przez rośliny odbywało się ewolucyjnie, stopniowo, w wyniku kolejnych przystosowań ich budowy morfologicznej i anatomicznej

Nasiona pozwoliły roślinom nasiennym podbić świat

Osiągnięciem ewolucyjnym roślin nasiennych jest:

• wykształcenie kwiatów, a w nich specjalnych tworów, chroniących komórki jajowe – zalążków,

• uniezależnienie zapylenia od obecności w środowisku zewnętrznym wody - pyłek przenoszony jest przez wiatr, wodę lub zwierzęta,

• wykształcenie nasion, w których zarodki mogą przetrwać niekorzystne warunki otoczenia przez wiele lat.

Nasiona

• Młoda roślina nasienna nie rozwija się z zygoty zaraz po zapłodnieniu, jak to jest u roślin zarodnikowych. Pod osłoną łupin nasiennych w nasieniu, zaopatrzony w zgromadzone w specjalnych tkankach substancje odżywcze, zawiązek nowego organizmu – zarodek – znajduje się w stanie uśpienia. Będąc w tym stanie, odbywa nieraz dalekie wędrówki. Jeżeli trafi na warunki niekorzystne do życia, pozostaje w nasieniu przez długi czas. Gdy warunki ulegną korzystnej zmianie zarodek zaczyna się rozwijać.

• Kiełkowanie -Pod wpływem temperatury i wilgoci pęcznieją i pękają łupiny nasienne. Pojawia się pierwszy korzeń, mocujący roślinę w podłożu, następnie ukazuje się pęd.

Siewka – Do momentu ukazania się pierwszych liści siewka korzysta z zapasów zgromadzonych w nasieniu. Jej w pełni samodzielne życie rozpoczyna się wraz z rozwojem liści, które podejmują fotosyntezę.

Tkanki przewodzące

• Po wyjściu na ląd najważniejszym problemem roślin jest sprawnie funkcjonująca gospodarka wodna i systemy zabezpieczeń przed skrajnymi temperaturami.

• Dzięki tkankom przewodzącym każda część rośliny jest dobrze zaopatrzona w wodę i sole mineralne oraz produkty fotosyntezy.

Dzięki dobrze rozwiniętym tkankom przewodzącym, wzmacniającym i okrywającym rozmiary niektórych roślin mogą być imponujące

Podział roślin nasiennych

Najważniejszym kryterium podziału roślin nasiennych jest budowa tworów roślin lądowych, czyli nasion.

Rośliny nagonasienne (nagozalążkowe) Rośliny okrytonasienne

wytwarzają nasiona, które są odsłonięte (okrytozalążkowe), wytwarzają

nasiona ukryte w owocu

Nagonasienne

• Nagonasienne to najstarsza ewolucyjnie grupa roślin naiennych, które można rozpoznać w skamielinach pochodzących sprzed 300 milionów lat. Przez 120 milionów lat - od 220 milionów lat temu do 100 milionów lat temu - stanowiły dominującą grupę roślinną na Ziemi, aż do chwili pojawienia się roślin kwitnących. Być może najlepszy okres mają już za sobą, ale pięć grup roślin nagonasiennych ma swoich przedstawicieli we współczesnym świecie, a należą do nich jedne z najbardziej zdumiewających drzew, np. sekwoja olbrzymia osiągająca 130 m wysokości.

• Większość nagonasiennych to wiecznie zielone drzewa lub krzewy. Mają one charakterystyczne zalążki, na które pyłek może spaść bezpośrednio z powietrza.

• U nagonasiennych poszczególne rośliny mają zwykle kwiaty męskie, lub żeńskie. Narządy rozrodcze zwykle są umieszczone w szyszkach. Szyszki męskie produkują olbrzymie ilości ziaren pyłku, w których znajdują się dobrze chronione męskie komórki rozrodcze.

• Ziarna pyłku opadają na zalążki i wytwarzają łagiewki, które docierają do zalążków. Tu dochodzi do zapłodnienia.

Związek budowy sosny z warunkami środowiska

Sosna zwyczajna jest przedstawicielem roślin nagonasiennych. Jest drzewem wytrzymałym na niskie temperatury. Występuje przeważnie na terenach nizinnych, o glebach piaszczystych i suchych.

W swojej budowie wykazuje liczne przystosowania do warunków życia.

1. Ma silnie rozwinięty system korzeniowy.

2. Pień przyrasta na grubość i ma silnie rozwiniętą tkankę wzmacniającą.

3. Korek (tkanka okrywająca) chroni przed szkodliwymi czynnikami środowiska.

4. Liście sosny są w postaci igieł, pokryte kutyną, a ich aparaty szparkowe są zagłębione w skórce, co ogranicza parowanie.

5. Kwiaty męskie i żeńskie przystosowane są do wiatropylności.

6. Proces zapylenia i zapłodnienia jest uniezależniony od obecności wody. Dzięki wytwarzaniu przez kiełkujące ziarno pyłku łagiewki pyłkowej komórka plemnikowa jest doprowadzana do komórki jajowej.

7. Wytwarza nasiona jako organ przetrwalnikowy, powstały z zalążka, przystosowany do przetrwania niekorzystnych warunków.

Rośliny okrytonasienne

• Spośród około 250 000 gatunków roślin nasiennych, nagonasienne liczą 800 gatunków. Pozostałe to okrytonasienne, zwane inaczej roślinami kwiatowymi.

• To właśnie one panują obecnie na Ziemi, mając licznych przedstawicieli we wszystkich dostępnych dla roślin siedliskach, nie wyłączając wód słodkich i słonych.

• Świetne przystosowanie roślin kwiatowych do środowiska lądowego wyraża się w ogromnej różnorodności postaci i form życiowych.

• Do okrytonasiennych należą wieloletnie drzewa, krzewy , ale także rośliny zielne o bardzo krótkim okresie wegetacyjnym, będącym super przystosowaniem do warunków panujących w tundrze, czy na pustyni.

• W budowie roślin kwiatowych wyróżnia się korzeń i pęd, który stanowią łodyga, liście, kwiaty i owoce. Każda część rośliny w swej budowie jest dostosowana do pełnienia swoich funkcji.

• Wytwarzane owoce zabezpieczają zamknięte w nich nasiona przed niekorzystnymi warunkami środowiska i jednocześnie pomagają w ich rozsiewaniu, dzięki czemu rośliny kwiatowe mogą opanowywać nowe tereny.

Różnorodność form organów okrytonasiennych-KORZENIE

• Podstawowym zadaniem korzenia jest pobieranie wody z solami mineralnymi i utrzymywanie rośliny w podłożu

• Systemy korzeniowe:

  • palowy

  • wiązkowy

• Modyfikacje budowy i funkcji korzeni:

  • korzeń spichrzowy,

  • korzenie powietrzne,

  • korzenie czepne,

  • korzenie podporowe,

  • korzenie oddechowe,

  • ssawki

Różnorodność form organów okrytonasiennych- ŁODYGI

Podstawowe funkcje łodygi:

• Rusztowanie dla liści, kwiatów i owoców

• Transport wody z solami mineralnymi i produktów fotosyntezy- pośredniczy w wymianie substancji między korzeniem a liśćmi

Zmodyfikowane łodygi mogą pełnić dodatkowo funkcję magazynującą i służyć do rozmnażania wegetatywnego

Rodzaje łodygi:

• Zielne:

  • wzniesione,

  • płożące

  • czepne

  • wijące się

  • Rozłogi

• Zdrewniałe

  • drzewa

  • krzewy

  • krzewinki

• Łodygi podziemne:

  • bulwy

  • kłącza

Różnorodność form organów roślinnych- LIŚCIE

Budowa:

• liście pojedyncze i złożone

• liście ogonkowe i siedzące

• kształty liści: eliptyczny, równowąski, jajowaty, sercowaty, tarczowaty

• nerwacja liści: pierzasta, dłoniasta, równoległa

Podstawowe funkcje

• przeprowadzanie procesu fotosyntezy i odżywianie rośliny

• wymiana gazowa

• wyparowywanie wody (transpiracja)

Podział roślin okrytonasiennych

• Ze względu na budowę nasienia rośliny zostały podzielone na jednoliścienne i dwuliścienne.

• Liścienie, są to liście zarodkowe, będące źródłem substancji odżywczych dla rozwijającej się rosliny. U niektórych roślin, w procesie kiełkowania, rozrywają łupinę nasienną i wydostają się ponad powierzchnię ziemi, przejmując funkcję fotosyntezy.`

• Bielmo to tkanka, gromadząca odżywcze materiały zapasowe, niezbędne do rozwoju zarodka

Zarodek to wczesne stadium rozwojowe rośliny. Zbudowany jest z liścieni, zawiązka korzeni i zawiązka łodyg

Rys. budowa liścienia rośliny dwuliściennej a) łupina nasienna, b) bielmo, c)liścienie, d)zarodek

Porównanie jedno- i dwuliściennych

Rośliny jednoliścienne

• Jeden liścień

• Budowa wiązkowa korzeni

• Pędy zielne

• Nie przyrastają na grubość, nie posiadają miazgi

• Liście bezogonkowe, równowąskie

• Równoległe unerwienie liści

Rośliny dwuliścienne

• Dwa liścienie

• Korzeń główny i korzenie boczne

• Pędy zielne lub zdrewniałe

• Mogą przyrastać na grubość dzięki obecności tkanki twórczej-miazgi

• Zróżnicowane kształty liści

• Unerwienie liści pierzaste lub dłoniaste

Podziały roślin ze względu na wymagania środowiskowe

Zróżnicowane w dużej mierze czynniki środowiska lądowego, a przede wszystkim woda i światło, przyczyniły się do powstania różnych form ekologicznych roślin. Aby przeżyć musiały one wytworzyć różne przystosowania do istniejących warunków.

• Klasyfikacja roślin ze względu na gospodarkę wodną:

  • hydrofity- rośliny środowisk wodnych

  • higrofity – rośliny wilgociolubne

  • kserofity – rośliny sucholubne

  • mezofity – rośliny środowisk o średniej i zmiennej wilgotności

Ze względu na wymagania świetlne wyrózniamy rośliny:

• światłolubne

• cieniolubne

• epifity

• pnącza