Отдел голосеменные — Gymnospermae
Предками голосеменных были семенные папоротники, возникшие от древесных папоротников. Все представители их –– древесные растения со сложным циклом развития, в котором господствует бесполое поколение в виде самого дерева, а половое поколение сильно упрощено и развивается на бесполом поколении. После оплодотворения образуется зародыш, погруженный в семя, лежащее открыто на поверхности семенной чешуи, отсюда и название — голосеменные растения (подробно цикл развития рассмотрим ниже на примере хвойных).
Голосеменные делятся на 6 классов, многие представители которых не сохранились до нашего времени.
Наиболее древний класс — семенные папоротники — вымер полностью. По палеонтологическим данным, они имели прямые неветвящиеся стволы с розеткой крупных листьев на вершине. На особых листьях развивались спорангии, которые затем пре-вращались в семена, с маленьким зародышем будущих растений.
Очень древним является и класс гинкговые, от которого сохранился один вид гинкго двулопастный — Ginkgo b i 1 о b а, дерево с веерообразными двулопастными листьями. Дикорастущим встречается редко, культивируется в Китае, Японии и в ботанических садах.
Наибольшее значение в природе и практике человека имеют представители класса хвойные — Coniferae, широко распространенные по всему земному шару. Господствуют они в таежной зоне. В Советском Союзе 75 % лесов состоят из хвойных растений. Для всех хвойных характерно моноподиальное (неопределенное) ветвление и вторичное утолщение ствола, наличие в древесине из проводящих элементов только трахеид, игольчатая или чешуевидная форма листьев. Все они вечнозеленые растения, за исключением нескольких родов, в том числе рода лиственница, виды которого сбрасывают хвою на зиму.
Цикл развития хвойных рассмотрим на примере сосны обыкновенной — Pinus sylvestris. Растущая на свободе сосна зацветает с 15 лет, в лесу цветение начинается после 25—30 лет. Мужские и женские соцветия — шишки образуются в середине или конце мая на одном дереве (сосна — однодомное растение). Мелкие, около 5 мм длиной, желтые мужские шишки располагаются скученно — по 15—30 шт. у основания молодого побега (рис. 66). Каждая шишка состоит из короткой оси с густо расположенными на ней удлиненными чешуйками: на нижней стороне их находятся по два овальных пыльника, в которых образуется пыльца. Каждая чешуйка с двумя пыльниками является тычинкой сосны.
Внутри пыльников находится ткань археспория, клетки которой, как и в спорангиях папоротника, делятся редукционно, затем кариокинетически, в результате образуются четыре гаплоидные клетки — пыльца сосны. Каждая пылинка состоит из одной клетки с двумя оболочками, причем верхняя оболочка в двух местах отступает от нижней, образуя воздушные мешки, что уменьшает удельный вес пыльцы и облегчает перенос ее ветром на большие расстояния. При созревании пыльцы пыльники лопаются, пыльца высыпается и разносится ветром. Дальнейшее развитие пыльцы происходит еще в пыльниках. Ядро пыльцы делится на два (рис. 67). Одно остается ядром клетки пыльцы и называется теперь ядром вегетативной клетки. Второе ядро, делясь, образует ядра четырех мелких клеток. Одна из них, обычно более крупная, становится антеридиальной клеткой, три остальные растворяются. Антеридиальная клетка делится и образует две генеративные клетки — спермии (мужские гаметы). За это время из пыльников пыльца переносится ветром на поверхность семяпочки и прорастает. Наружная оболочка ее лопается, а внутренняя вытягивается в пыльцевую трубку, в которую переливаются цитоплазма с ядром вегетативной клетки и два спермия (самостоятельно передвигаться они не могут).
Очень мелкие, длиной 3—4 мм, женские шишки сосны образуются по 2—3 шт. на вершине молодых побегов (см. рис. 66 ,6).
Они состоят из короткой оси, на которой густо расположены чешуи, различающиеся размерами и формой. Одни — очень мелкие — называются кроющими чешуями, в их пазухах находятся более крупные мясистые семенные чешуи. На внутренней стороне семенных чешуи у самого их основания развиваются два овальных тела — две семяпочки (семязачатки).
Семяпочки имеют сложное строение. Сверху они покрыты особой тканью — покровом, края которой на вершине семяпочки не смыкаются, образуя узкое отверстие — пыльцевход (рис. 67,г). Под покровом находится многоклеточное тело семяпочки— нуцеллус. Одна из клеток нуцеллуса быстро растет и дважды делится, сперва редукционно, потом кариокинетически, образуя четыре гаплоидные клетки, лежащие одна над другой. Три верхние клетки растворяются, четвертая, разрастаясь, заполняет внутреннюю часть семяпочки, от нуцеллуса остается только тонкий слой под покровом. Эта большая гаплоидная клетка называется зародышевым мешком. Ее ядро многократно делится, возникают клетки и полость зародышевого мешка заполняется тканью —эндоспермом. Затем в верхней части эндосперма формируются две более крупные клетки — яйцеклетки (женские гаметы) и над каждой из них по четыре мелкие клетки образуют как бы канал, ведущий к яйцеклетке. На этом заканчивается развитие семяпочки сосны перед оплодотворением.
Чешуи женской шишки к этому времени раздвигаются, отгибаются, и пыльца заносится ветром на поверхность семяпочки в пыльцевход. У сосны пыльца лежит там целый год и только на следующую весну прорастает. У других хвойных она прорастает сразу.
Проросшая через год пыльца сосны образует пыльцевую трубку, растущую к яйцеклетке. Ядро вегетативной клетки в это время растворяется, содержимое пыльцевой трубки переливается в яйцеклетку, и первый спермий сливается с ядром яйцеклетки, а второй спермий растворяется. Оплодотворенная яйцеклетка становится диплоидной клеткой— зиготой, покрывается оболочкой. Вторая яйцеклетка растворяется.
Зигота делится, и из нее образуется зародыш с зачатками корешка (см. рис. 66, 14) стебелька и с четырьмя— восьмью семядолями, после чего он прекращает рост и переходит в. состояние покоя. К этому времени в эндосперме откладывается запас питательных веществ. Покров семяпочки превращается в кожуру семени, а вся семяпочка становится семенем. У большей части хвойных семена созревают в течение года. У сосны от начала цветения женской шишки до созревания в ней семян проходит 18 мес. За это время женские шишки увеличиваются в размерах, семенные чешуи деревенеют, на семенах образуется пленчатое крылышко. У созревших шишек чешуи отгибаются, семена выпадают и разносятся ветром. Из зародыша, прорастающего семени вырастает всход, развивающийся затем в дерево, и цикл развития сосны начинается снова.
Размножение семенных растений было изучено гораздо раньше, чем высших споровых, и их органам размножения были даны названия: тычинка, пыльник, пыльца, семяпочка, зародышевый мешок. Позже был изучен цикл развития высших споровых и были обнаружены заростки, антеридии, архегонии.
В строении мужской шишки сосны и колоска плауна много сходного: имеется главная ось, чешуи и на них спорангии, которым у сосны соответствуют пыльники. В пыльниках, как и в спорангиях, развивается археспорий, клетки которого и у сосны и у плаунов делятся дважды — вначале редукционно, затем кариокинетически, образуя четыре гаплоидные клетки, которые называются у разноспоровых плаунов микроспорами, у сосны — пыльцой. Образованием гаплоидных клеток, микроспор или пыльцы и у плаунов и у сосны заканчивается развитие бесполого поколения и начинается развитие полового поколения — гаметофита. У разноспоровых плаунов внутри микроспоры развивается маленький мужской заросток, а в нем — антеридий с сперматозоидами.
У сосны в пыльце (соответственно в микроспоре) развивается вегетативная клетка и нить — примитивный мужской заросток, а в нем образуется антеридиальная клетка (соответствующая антеридию). В результате деления антеридиальной клетки образуются два спермия (гаметы), отличающиеся от сперматозоидов только неподвижностью. На этом кончается развитие гаметофита — мужского полового поколения плауна и сосны.
Женская шишка сосны также очень похожа по строению на колосок плауна: имеется ось, чешуи и на них спорангии, которым у сосны соответствуют семяпочки. В семяпочках после редукционного, а затем кариокинетического деления ядер образуются гаплоидные клетки, у плаунов—макроспоры, только у плаунов их несколько, у сосны из четырех гаплоидных клеток сохраняется одна клетка — зародышевый мешок. У сосны, как и у разноспоровых плаунов, в макроспоре (зародышевом мешке) образуется ткань женского заростка — эндосперм и в нем две яйцеклетки с остатками архегония в виде восьми мелких клеток. На этом заканчивается развитие женского полового поколения — гаметофита и у плауна и у сосны.
При слиянии гамет и образовании зиготы (диплоидной клетки), и у плауна и у сосны начинается развитие бесполого поколения, зародыша, затем взрослого растения с корнями, стеблями и листьями. Все эти органы у сосны имеют диплоидные клетки, и только при редукционном делении клеток в пыльниках и семяпочках при образовании пыльцы (микроспоры) и зародышевого мешка (макроспоры) начинается развитие полового поколения сосны, которое имеет очень примитивное строение. Мужское половое поколение сосны состоит из пыльцы (микроспоры), вегетативной клетки и нити в ней (мужской заросток), антеридиальной клетки (антеридий) и двух спермий (соответствующих сперматозоидам). Женское половое поколение сосны развивается на материнском растении в семяпочках (макроспорангиях) и состоит из зародышевого мешка (макроспоры), эндосперма (женского заростка) и двух яйцеклеток с восемью мелкими клетками (остатки архегония). Слияние гамет приводит к образованию диплоидной зиготы и развитию нового, бесполого поколения.
Таким образом, и у хвойных чередуются два поколения — половое и бесполое. Господствующим у них является бесполое поколение, а женское половое поколение развивается полностью на бесполом поколении.
Различия в циклах развития голосеменных и папоротникообразных состоят в следующем: у голосеменных женское половое поколение развивается на бесполом, у папоротникообразных— отдельно на почве; у голосеменных мужское половое поколение сильно упрощено и образует неподвижные спермин, у папоротникообразных — подвижные сперматозоиды; у голосеменных отделяется от материнского растения и служит для размножения семени (разросшийся спорангий с заростком и зародышем), у папоротникообразных — спора; у голосеменных стадия покоя приходится на семена, у папоротникообразных— на спору; у голосеменных по внешнему виду различаются макро- и микроспоры, спорангии и даже мужские и женские шишки, у большей части папоротникообразных спорангии и споры не различаются по внешнему виду.
В СНГ встречаются представители трех семейств хвойных: сосновые — Pinaceae, тисовые — Тахасеаеикипарисовые — Cupressaceae.
К наиболее распространенному семейству сосновые относятся роды:
Сосна — Pinus. Длинная жесткая хвоя растет только на укороченных побегах — по две хвоинки: у сосны обыкновенной — Pinus sylvestris, сосны крымской — Pinus pallasiana, или по пять хвоинок: у сосны кед-р.овой сибирской —Pinus sibirica, сосны вейму-товой — Р i nus s t r obu s.