Введение

Эмбриофиты – это клад растений, также известный как Эмбриофиты (Embryophyta) или наземные растения. Они представляют собой наиболее известную группу фотоавтотрофов, формирующих растительность на сухих землях и водно-болотных угодьях Земли. Эмбриофиты ('/ɛ//m//b//r//i//ə/,/f//aɪ//t//s/) имеют общего предка с зелеными водорослями, возникнув в кладе Phragmoplastophyta пресноводных харофитовых зеленых водорослей в качестве сестринского таксона к Charophyceae, Coleochaetophyceae и Zygnematophyceae. Эмбриофиты состоят из мхов и полиспорангиофитов. Эмбриофиты неформально называют «наземными растениями», поскольку они преимущественно процветают в наземных местообитаниях (хотя некоторые виды вторично адаптировались к полуводным или водным средам обитания), в то время как родственные зеленые водоросли в основном обитают в воде. Эмбриофиты – это сложные многоклеточные эукариоты со специализированными репродуктивными органами. Название происходит от их уникальной способности обеспечивать питание молодого эмбриона спорофита на ранних стадиях его многоклеточного развития внутри тканей родительского гаметофита. За редкими исключениями, эмбриофиты получают биологическую энергию посредством фотосинтеза, используя хлорофилл a и b для улавливания световой энергии солнечного света для фиксации углерода из углекислого газа и воды с целью синтеза углеводов и выделения кислорода в качестве побочного продукта.

Описание

Эмбриофиты возникли либо полмиллиарда лет назад, в какой-то момент между средним кембрийским и ранним ордовиком, либо почти миллиард лет назад, в тонийский или криогенский период, вероятно, из пресноводных харофитов – клады многоклеточных зелёных водорослей, сходных с современными Klebsormidiophyceae. Появление эмбриофитов привело к истощению атмосферного CO2 (парникового газа), что вызвало глобальное охлаждение и, как следствие, оледенения. Эмбриофиты преимущественно приспособлены к жизни на суше, хотя некоторые вторично вернулись к водной среде. Соответственно, их часто называют наземными или наземными растениями. На микроскопическом уровне клетки харофитов в целом похожи на клетки хлорофитных зелёных водорослей, но отличаются тем, что при клеточном делении дочерние ядра разделяются фрагмопластом. Они эукариотические, с клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы, и пластидами, окружёнными двумя мембранами. Последние включают хлоропласты, осуществляющие фотосинтез и запасающие пищу в виде крахмала, и обычно пигментированы хлорофиллами a и b, что придает им характерный ярко-зелёный цвет. Клетки эмбриофитов обычно также имеют увеличенную центральную вакуоль, окружённую вакуолярной мембраной или тонопластом, поддерживающую тургор клеток и обеспечивающую жёсткость растения. Как и у всех групп многоклеточных водорослей, жизненный цикл эмбриофитов включает чередование поколений. Многоклеточное гаплоидное поколение с одним набором хромосом – гаметофит – производит сперматозоиды и яйцеклетки, которые сливаются и образуют диплоидное многоклеточное поколение с удвоенным набором хромосом – спорофит, производящий гаплоидные споры при созревании. Споры многократно делятся митозом и развиваются в гаметофит, завершая цикл. Эмбриофиты обладают двумя особенностями, связанными с их репродуктивными циклами, которые отличают их от всех других линий растений. Во-первых, их гаметофиты производят сперматозоиды и яйцеклетки в многоклеточных структурах (называемых «антеридиями» и «архегониями»), а оплодотворение яйцеклетки происходит внутри архегония, а не во внешней среде. Во-вторых, начальная стадия развития оплодотворённой яйцеклетки (зиготы) в диплоидный многоклеточный спорофит происходит в архегонии, где она защищена и обеспечена питательными веществами. Эта вторая особенность и является происхождением термина «эмбриофит» – оплодотворённая яйцеклетка развивается в защищённый эмбрион, а не рассеивается в виде отдельной клетки. (Однако определение Геккеля Metaphyta включает в эту группу некоторые водоросли). У всех наземных растений формируется дисковидная структура, называемая фрагмопластом, в месте будущего деления клетки – признак, встречающийся только у наземных растений в линии стрептофитов, у некоторых видов, родственных им Coleochaetales, Charales и Zygnematales, а также у полуводных видов водорослей порядка Trentepohliales, и, по-видимому, играет важную роль в адаптации к наземному образу жизни.

Эволюция

Зелёные водоросли и наземные растения образуют клад, Виридиплантеи. Согласно оценкам молекулярных часов, Виридиплантеи разделились на два клада: хлорофиты и стрептофиты. Хлорофиты, насчитывающие около 700 родов, изначально были морскими водорослями, хотя некоторые группы впоследствии распространились в пресные воды. У стрептофитных водорослей (т.е. исключая наземные растения) около 122 родов; они адаптировались к пресной воде очень рано в своей эволюционной истории и не вернулись обратно в морскую среду. В какой-то момент ордовикского периода стрептофиты вышли на сушу и начали эволюцию эмбриофитных наземных растений. Современные эмбриофиты образуют клад. Беккер и Марин предполагают, что наземные растения эволюционировали от стрептофитов, поскольку жизнь в пресноводных водоёмах предварительно адаптировала их к перенесению широкого спектра условий окружающей среды, встречающихся на суше, таких как воздействие дождя, устойчивость к колебаниям температуры, высокий уровень ультрафиолетового излучения и сезонная дегидратация. Подавляющее большинство молекулярных данных на 2006 год указывало на то, что группы, составляющие эмбриофиты, связаны между собой так, как показано на кладограмме ниже (на основе Qiu et al. 2006 с дополнительными названиями из Crane et al. 2004). Обновлённая филогенезия эмбриофитов, основанная на работах Новикова и Барабаша-Красни 2015 и Хао и Сюэ 2013, с указанием авторов таксонов растений по Андерсону, Андерсону и Клеалу 2007 и некоторыми дополнительными названиями кладов. Для базальных кладов используются данные Puttick et al./Nishiyama et al.

Несосудистые наземные растения

Несосудистые наземные растения, а именно мхи (Bryophyta), роголистники (Anthocerotophyta) и печеночники (Marchantiophyta), — относительно небольшие растения, часто встречающиеся в условиях повышенной влажности или, по крайней мере, сезонного увлажнения. Их распространение ограничено зависимостью от воды, необходимой для рассеивания гамет; лишь немногие виды являются полностью водными. Большинство видов обитает в тропиках, но существует множество арктических видов. Они могут локально доминировать в почвенном покрове тундры и арктическо-альпийских местообитаний или в эпифитной флоре тропических лесов. Их обычно изучают вместе из-за большого количества общих признаков. Все три группы характеризуются жизненным циклом с доминирующей гаплоидной фазой (гаметофитом) и неразветвлёнными спорофитами (диплоидным поколением растения). Эти признаки, по-видимому, характерны для всех ранних ветвей эволюции несосудистых растений на суше. Жизненный цикл этих растений сильно зависит от гаплоидного поколения гаметофитов. Спорофит остаётся небольшим и на протяжении всей своей короткой жизни зависит от родительского гаметофита. Все остальные живые группы наземных растений имеют жизненный цикл, в котором доминирует диплоидное поколение спорофитов. Именно в диплоидном спорофите развивается сосудистая ткань. В некотором смысле термин «несосудистые» является не совсем точным. Некоторые мхи и печеночники действительно производят особый тип сосудистой ткани, состоящий из сложных клеток, проводящих воду. Однако эта ткань отличается от сосудистой ткани «сосудистых» растений тем, что эти клетки, проводящие воду, не лигнифицированы. Маловероятно, что клетки, проводящие воду у мхов, гомологичны сосудистой ткани у «сосудистых» растений. Как и у сосудистых растений, у них есть дифференцированные стебли, которые, хотя часто достигают всего нескольких сантиметров в высоту, обеспечивают механическую поддержку. У большинства есть листья, хотя они обычно состоят всего из одного слоя клеток и лишены жилок. У них отсутствуют настоящие корни или глубокие структуры для закрепления в почве. Некоторые виды развивают нитевидную сеть горизонтальных стеблей, но их основная функция — механическое прикрепление, а не извлечение питательных веществ из почвы (Palaeos 2008).

Появление сосудистых растений

В течение силурийского и девонского периодов (около ), растения развивались, которые обладали настоящей сосудистой тканью, включая клетки со стенками, укрепленными лигнином (трахеиды). Некоторые вымершие ранние растения, по-видимому, занимают промежуточное положение между уровнем организации бриофитов и истинных сосудистых растений (эвтрахеофитов). У родов, таких как Horneophyton, есть водопроводящая ткань, больше похожая на ткань мхов, но с другим жизненным циклом, в котором спорофит более развит, чем гаметофит. Роды, такие как Rhynia, имеют схожий жизненный цикл, но содержат простые трахеиды и, таким образом, являются разновидностью сосудистых растений. Ранее считалось, что доминирующая фаза гаметофита, наблюдаемая у бриофитов, была исходным состоянием у наземных растений, а доминирование спорофита у сосудистых растений – приобретенным признаком. Однако фазы гаметофита и спорофита, вероятно, были изначально равнозначно независимы друг от друга, и в этом случае мхи и сосудистые растения являются производными группами, эволюционировавшими в противоположных направлениях. В девонском периоде сосудистые растения диверсифицировались и распространились по различным наземным средам. Помимо сосудистых тканей, транспортирующих воду по всему телу, трахеофиты имеют внешний слой, или кутикулу, устойчивую к высыханию. Спорофит является доминирующим поколением, и у современных видов развиваются листья, стебли и корни, в то время как гаметофит остается очень маленьким.

Ликофиты и эуфиллофиты

Когда-то считалось, что все сосудистые растения, распространяющиеся спорами, имеют общее происхождение (и часто объединялись в группу "папоротники и их родственники"). Однако, недавние исследования показывают, что листья эволюционировали независимо друг от друга в двух различных линиях. Ликофиты, или ликоподиофиты – современные плауны, моховидки и булаточники – составляют менее 1% всех ныне живущих сосудистых растений. У них небольшие листья, часто называемые "микрофиллами" или "ликофиллами", которые у плаунов и моховидок расположены по всей длине стебля и растут от основания за счет интеркалярной меристемы. Предполагается, что микрофиллы произошли от выростов на стебле, таких как шипы, которые впоследствии приобрели жилки (сосудистые пучки). Хотя современные ликофиты – относительно небольшие и неприметные растения, более распространенные во влажных тропиках, чем в умеренных широтах, в карбоновом периоде древовидные ликофиты (например, Лепидодендрон) формировали огромные леса, доминировавшие в ландшафте. Эуфиллофиты, составляющие более 99% всех ныне живущих видов сосудистых растений, имеют крупные "настоящие" листья (мегафиллы), которые растут от боковых или верхушечных меристем. Другие исследователи ставят под сомнение, что мегафиллы эволюционировали одинаковым образом в разных группах.

Папоротники и хвосты

Папоротники и хвощи (полиподиофиты) образуют клад; они используют споры как основной способ расселения. Традиционно, ужовниковые и хвощи исторически рассматривались отдельно от "настоящих" папоротников. Живые ужовниковые и хвощи не имеют крупных листьев (мегафиллов), которые можно было бы ожидать от эуфиллофитов. Это, вероятно, результат редукции, о чем свидетельствуют ранние ископаемые хвощи, у которых листья широкие с разветвленными жилками. Папоротники – большая и разнообразная группа, насчитывающая около 12 000 видов. Типичный папоротник имеет широкие, сильно рассеченные листья, которые растут, разворачиваясь.

Семенные растения

Семенные растения, впервые появившиеся в летописи окаменелостей к концу палеозойской эры, размножаются с помощью устойчивых к высыханию капсул, называемых семенами. Начиная с растения, рассеивающегося спорами, для образования семян необходимы сложные изменения. Спорофит имеет два типа спорообразующих органов, или спорангиев. Один тип, мегаспорангий, производит только одну крупную спору – мегаспору. Этот спорангий окружен защитными слоями, или интегументами, которые формируют семенную кожуру. Внутри семенной кожуры мегаспора развивается в крошечный гаметофит, который, в свою очередь, производит одну или несколько яйцеклеток. До оплодотворения спорангий и его содержимое вместе с кожурой называются семязачатком; после оплодотворения – семенем. Параллельно с этим, другой тип спорангия, микроспорангий, производит микроспоры. Внутри стенки микроспоры развивается крошечный гаметофит, образующий пыльцевое зерно. Пыльцевые зерна могут переноситься между растениями ветром или животными, чаще всего насекомыми. Пыльцевые зерна также могут попадать в семязачаток того же растения, либо в пределах одного цветка, либо между двумя цветками одного растения (самоопыление). Когда пыльцевое зерно достигает семязачатка, оно проникает через микроскопическое отверстие в кожуре – микропиле. Крошечный гаметофит внутри пыльцевого зерна затем производит сперматозоиды, которые перемещаются к яйцеклетке и оплодотворяют ее. Семенные растения включают два клада с существующими представителями: голосеменные и покрытосеменные, или цветущие растения. У голосеменных семязачатки или семена не заключены дополнительными покровами. У покрытосеменных они заключены в плодолистник. Покрытосеменные обычно также имеют другие, вторичные структуры, такие как лепестки, которые вместе формируют цветок. Мейоз у половых наземных растений обеспечивает прямой механизм восстановления ДНК в репродуктивных тканях. Половое размножение, по-видимому, необходимо для поддержания долгосрочной геномной целостности, и лишь редкие сочетания внешних и внутренних факторов позволяют перейти к бесполому размножению.