Еволюція деревних - інтернет-журнал «живий ліс»

Л юбой сучасна дитина знає слово «динозавр» і уявляє собі, хто це такий. Про знаменитому фільмі «Парк юрського періоду» і говорити нічого - дивилися всі. Далеке минуле планети Земля завжди цікавило і хвилювало уяву людини. А який еволюційний шлях пройшли деревні рослини, перш ніж сформувалися в тому вигляді, в якому ми бачимо їх зараз? І чи можемо ми припустити, що чекає на них в майбутньому?

поява життя

Вік Землі оцінюється в 4,5 млрд років, і більшу частину її існування - 3,8 млрд років - її населяють живі організми. Поява життя пов'язують з остаточним охолодженням планети, що викликав конденсації водяної пари і утворення водойм. Але першими мешканцями Землі були анаеробні (т. Е. Такі, яким для житті не потрібний кисень), вкрай примітивні неклітинні організми.

Раніше передбачалося, що під впливом ультрафіолетових променів у водних розчинах відбувався синтез амінокислот і інших органічних речовин з подальшим утворенням багатомолекулярних комплексів - коацерватов, які і стали прабатьками всіх наступних живих істот. Експериментально було показано, що це можливо. Але ця гіпотеза не реагує на питання, яким чином дані структури можуть відтворювати собі подібних. Тому зараз більш імовірною вважається версія, що життя бере початок від так званих рибозимов - самовідтворюються молекул РНК, що володіють також каталітичні властивості (т. Е. Властивості ферментів).

киснева катастрофа

Але до рослин і тим більше до дерев ще дуже далеко ... Приблизно півтора мільярда років знадобилося для виникнення клітинних організмів (причому це були поки не справжні клітини) і процесу примітивного фотосинтезу, в ході якого буде утворюватися кисень. Лише близько 2,7 млрд років тому з'являються фотосинтезирующие ціанобактерії - і це справді переворот в житті Землі, тому що дані бактерії використовують в процесі фотосинтезу в якості відновника воду, і в якості відходів виробляють кисень, який окисляє залізо, розчинена в океанах, створюючи залізну руду. Але найголовніше - він потрапляє в атмосферу, і його концентрація починає рости. При цьому анаероби кисень просто вбиває. В результаті 2,4 млрд років тому відбувається так звана киснева катастрофа - кардинальна зміна складу атмосфери Землі, яке і привело в підсумку до повної зміни спільнот: анаеробні спільноти змінилися аеробними.

Метан, який містився раніше в атмосфері у великих кількостях, з'єднується з киснем і перетворюється на вуглекислий газ і воду, що призводить до значного зниження загальної температури Землі. Починається обледеніння, яке триватиме близько 300 млн років.

Приблизно 530 млн років тому з'являються перші копалини відбитки слідів на Землі, які вказують на те, що ранні тварини досліджували сушу ще до того, як на ній з'явилися рослини.

Перші справжні клітинні організми з'явилися приблизно 1,7 млрд років тому, а багатоклітинні - близько 1,2 млрд років. У відкладеннях цього віку знаходять примитивнейшие рослини з групи червоних водоростей, дуже схожі на деякі сучасні червоні водорості. У них передбачається наявність статевого розмноження, яке істотно збільшило швидкість еволюції, про що говорить також той факт, що приблизно в той же період або трохи пізніше з'являються перші неморські справжні клітинні організми, в тому числі гриби. Лише приблизно 550 млн років тому почалася найперша стадія складної багатоклітинного життя. Це були химерні довгасті, здебільшого нерухомі створення, формою нагадують лист. Серед них знаходять перші свідчення статевого розмноження, розчленування тіла на частини, дуже віддалено нагадують голову, тулуб і хвіст, наявності травної системи і ін.

Але це все ще дуже примітивні форми. Епоха, наукова назва якої можна перекласти як «період добре помітною життя», почалася лише приблизно 540 млн років тому. Стався так званий кембрійський вибух - відносно швидке, всього за кілька мільйонів років, виникнення на Землі значної частини сучасних біологічних типів. З цього моменту з'являється велика кількість різноманітних копалин, в тому числі рухомих, панцирних і т. Д. В основному це різні морські організми, перш за все тварини декількох типів.

Вихід на сушу

Приблизно 530 млн років тому виникають перші копалини відбитки слідів на землі, які вказують на те, що ранні тварини досліджували сушу ще до того, як на ній з'явилися рослини. Перші примітивні рослини вийшли на сушу через ще майже 100 млн років. Рослини супроводжували гриби, які могли допомагати їм завойовувати сушу за допомогою симбіозу. В цей час на Землі відбуваються інтенсивні горотворні процеси, що призвели до виникнення Скандинавських гір, Тянь-Шаню, Саян, а також до обміління і зникнення багатьох морів.

Вихід рослин на сушу з'явився ще одним революційним подією в історії життя на Землі, так як зажадав від них принципово нових пристосувань. Перші вищі рослини, які отримали назву «риніофіти», вже відрізняються від водоростей наявністю тканин і їх поділом на покривні, механічні, провідні та фотосинтезирующие. Це було спровоковано різким відмінністю повітряного середовища від водної. Зокрема:

• підвищення сонячною радіацією, для захисту від якої у наземних рослин повинен був виділятися і відкладатися на поверхні кутин, що і стало першим етапом формування покривних тканин, що містять в тому числі особливі структури, необхідні для газообміну, - продихи;
• відкладання Кутіна унеможливлює поглинання вологи всією поверхнею (як у водоростей), що призводить до зміни функції ризоидов (примітивних коренів), які тепер не тільки прикріплюють організм до субстрату, але і поглинають з нього воду;
• поділ на підземну і надземну частини викликало необхідність доставки мінеральних речовин, води і продуктів фотосинтезу по всьому організму, тому з'явилися провідні тканини - ксилема і флоема;
• конкуренція за сонячне світло привела до необхідності «піднятися» над сусідами, для чого потрібні були механічні тканини;
• в ході всіх цих перетворень фотосинтезирующие клітини формуються в окрему тканину.

Найдавніше відоме наземне (точніше, швидше за все, земноводне) рослина отримало назву «куксонія», її вік приблизно 415 млн років. Це маленьке рослина, яке відрізнялося крайньою простотою будови: дихотомически розгалужені стебла без листя і квіток. Функцію коріння, ймовірно, виконували горизонтальні підземні продовження стебел (кореневища), покриті кореневими волосками. Протягом багатьох мільйонів років куксонія була основним видом болотистих узбереж материків. Викопні рештки цих рослин знайдені в різних частинах земної кулі. З даного періоду відомі залишки і інших рослин, абсолютно несхожих на куксонія, що нагадують зовні водорості або лишайники.

Вихід рослин на сушу з'явився ще одним революційним подією в історії життя на Землі, так як зажадав від них принципово нових пристосувань.

поява дерев

І ось ми нарешті підходимо до найцікавішого для нас події - появи дерев, яке в значній мірі визначило вигляд суші, вже чимось схожий на сучасний. Цікаво, що вік найдавніших викопних дерев не набагато менше віку куксонія та інших копалин наземних рослин. Довгий час найдавнішими деревами вважалися представники вимерлого роду археоптерис (Archaeopteris), що мали папоротевидне листя і розмножуються, мабуть, спорами. Вони утворювали ліси, що вкривали більшу частину земної поверхні. У відкладеннях трохи більш раннього віку (397-380 млн років тому) були знайдені розрізнені залишки рослин, деревна природа яких залишалася спірною.

З знахідок стало ясно, що Eospermatopteris був деревом висотою як мінімум 8 м, план будови і зовнішній вигляд його був схожий з сучасними деревоподібними папоротями і пальмами, хоча до пальм ці рослини не мають ніякого відношення. Напевно зустрічалися і більші екземпляри, оскільки товщина деяких знайдених раніше «пеньків» вдвічі більше. Ця рослина теж розмножувалося спорами, а справжніх листків ще не мало.

Все сказане означає, що наземні екосистеми звичного для нас вигляду - з деревами і різними тваринами - в загальних рисах сформувалися приблизно 400-360 млн років тому. Це початок історії лісів на Землі. З відкладень даного і кілька більш пізнього віку вже відомі і багато інших дерева - деревовидні папороті наприклад.

Ліси з таких дерев виростали в дуже важливий еволюційний період планети - саме вони протягом мільйонів років займалися фотосинтезом і підготували всі умови для появи на суші перших хребетних чотириногих тварин, які вже могли повністю жити на поверхні Землі, не потребуючи перебування в океані.

Наступним найважливішим кроком в еволюції рослин стала поява насіннєвих рослин. Головною їх особливістю є розмноження за допомогою насіння. На відміну від суперечки, що містить мало поживних речовин і вимагає для подальшого розвитку поєднання багатьох сприятливих умов, всередині насіння, що містить зародок, є значно більший запас харчування, і воно захищене шкіркою.

Насправді відміну насіннєвих від спорових складніше: в життєвому циклі спорових рослин є два абсолютно різних покоління - статевий і безстатеве. У насіннєвих рослин їх теж два, але ті рослини, які ми власне спостерігаємо, - це спорофіт, безстатеве покоління, а статеве покоління насіннєвих рослин (гаметофіт), за допомогою якого здійснюється статеве розмноження, має дуже маленькі розміри і живе зовсім недовго. Пилок, літаюча в повітрі і доставляє багато неприємностей алергікам, і є гаметофити насіннєвих рослин.

Деревовидні спорові рослини до нашого часу не дожили.

Викопні гінкго і воллемія

Деревовидні спорові рослини до нашого часу не дожили, а ось серед голонасінних є кілька справжніх живих копалин. Найбільш відоме з них - реліктове дерево гінкго дволопатеве. Це сучасник динозаврів, і тому його ще називають «динозаврових дерево». Воно одне з найбільш примітивних голонасінних рослин сучасного рослинного світу, в однині представляє і клас (а на думку ряду фахівців, і відділ царства рослин), і рід, і сімейство. Рослини класу гінкгові були широко поширені на Землі в мезозойську еру, яка почалася приблизно 250 млн років тому. Про це свідчать масові викопні рештки листя гинкгових, які утворювали цілі шари у відкладеннях того періоду на території сучасної Сибіру.

Протягом багатьох століть вважалося, що в дикому вигляді ця рослина не зустрічається, тепер відомо, що дика форма гінкго росте в двох невеликих районах на сході Китаю. Гінкго культивується в Західній Європі, Азії, Північній Америці, в тому числі тому, що жодне з сучасних голонасінних рослин не має таких красивих листя, як у гінкго. Це дерево відноситься до числа небагатьох листопадних голонасінних. Щорічно пізньої осені воно скидає листя, які незадовго до опадання набувають гарний золотисто-жовтий колір. Виведено також різні декоративні форми гінкго, з нього роблять ряд лікарських препаратів, досить широко використовуються в світі (наприклад, для лікування варикозної хвороби і навіть для уповільнення старіння). Плоди гінкго їстівні.

Але найцікавіше полягає в тому, що жодне дерево в світі зараз не розмножується так, як гінкго. Спосіб розмноження зближує його з папоротями та іншими споровими рослинами, у яких запліднення здійснюється за допомогою плаваючих чоловічих статевих клітин. У всіх інших дерев чоловічі статеві клітини самостійно пересуватися не можуть - у сучасних родичів гінкго пилок переноситься вітром. Це перше голонасінна рослина, у якого були відкриті рухомі сперматозоїди. Запліднення за допомогою рухливих сперматозоїдів зближує гінкго з саговниками, а точніше, показує, що і та і інша група голонасінних в цьому відношенні знаходиться на відносно низькому ступені еволюції.

Воллемія вже відноситься до хвойних - кілька більш еволюційно просунутому класу голонасінних, до реліктовому і нечисленного сімейства араукарієвих. Точне місцезнаходження цих дерев досі приховують, щоб уберегти від знищення. Однак Воллемі почали вирощувати штучно і продавати саджанці в різні ботанічні сади, і зараз штучно вирощену Воллемі можна зустріти в багатьох місцях.

Покровносеменние і квіткові

Ми підійшли до останнього найважливішого етапу еволюції рослин, і дерев в тому числі, - до виникнення покритонасінних, або квіткових, рослин. Це сталося приблизно 130 млн років тому, і, одного разу з'явившись, квіткові дуже швидко (знову ж в геологічному масштабі часу) утворили неймовірне різноманіття форм і завоювали провідні позиції в рослинному покриві планети. Дарвін назвав виключно швидку еволюцію і поширення квіткових «огидною таємницею». В даний час відомо майже 300 000 видів квіткових рослин, в той час як голонасінних - менше 1 000. спорових рослин дещо більше - близько 30 000-40 000 видів, але з квітковими вони теж зрівнятися не можуть.

Відмінністю покритонасінних є не тільки присутність квітки і спеціальних покривів насіння, що утворюють плоди, але також подвійне запліднення, відкрите українським ботаніком Навашиним. Суть його в тому, що запліднення піддається не тільки зачаток насіння, але і зачаток збірника поживних речовин - ендосперму. Мабуть, цей процес також дав квітковим еволюційну перевагу, так як він допомагає економії живого матеріалу. Якщо не відбувається запліднення зародка, то і ендосперм, не будучи заплідненим, не розвивається, і таким чином поживні речовини не пропадають даремно.

Цікаво, що першими покритонасінних рослин, судячи з усього, були дерева. Відомо, що серед найбільш примітивних груп покритонасінних деревні форми рішуче переважають. А ось серед вищих груп квіткових, особливо серед однодольних, фактично немає справжніх деревних рослин. Висновок про первинність деревних форм серед квіткових підтверджується численними порівняльно-морфологічними і анатомічними дослідженнями. А освіту трав'янистих життєвих форм відбулося завдяки явищу, яке називають Неотенія (придбання організмом здатності до розмноження на ранній, «недорослість» стадії розвитку), і сильного скорочення всього життєвого циклу в результаті. До цього висновку приводить, наприклад, порівняння будови пагонів трав з однорічними пагонами деревних рослин - вони дуже схожі. В результаті численні трави заповнили найрізноманітніші екологічні ніші, наявні як в лісах, так і в інших природних зонах.

Еволюція зробила черговий виток, знову утворивши деревні форми від трав'янистих.

Вгору по спіралі

Нарешті, останнім найцікавіше еволюційне подія являє нам підтвердження тієї думки, що все розвиток відбувається по спіралі. Ми вже говорили про те, як від недеревних рослинних форм (примітивних спорових рослин типу куксонія і ін.) При переході до наземного способу життя відбулися дерева. Потім еволюція знову повернулася до недеревних формам рослин, але вже у вигляді незрівнянно більш еволюційно просунутих квіткових. І ось еволюція зробила черговий виток, на цей раз знову утворивши деревні форми від трав'янистих.

У деяких еволюційних лініях рослин вдруге виникає деревна життєва форма. Точніше, правильно говорити про деревовидної формі, тому що процес утворення деревини тут відбувається зовсім інакше, ніж у більшості дерев. Таке, наприклад, походження деревовидних форм в сімействі лободових, до якого належить саксаул. І вже зовсім відмінний спосіб виникнення деревовидних форм є у однодольних рослин - агави, драцени, бамбука і пальм. Ці дерева і чагарники, судячи з усього, є найбільш еволюційно молодий групою деревних рослин.

Евалюція вищих рослин

Як далі піде еволюція, чи відбудеться черговий виток, винайде чи природа ще більш досконалі форми і явища? Ми маємо шанс це дізнатися, тільки якщо збережемо все розмаїття нині живих форм. Інакше еволюція може перерватися «на півслові» ...