чем представлен гаметофит у папоротников
Чем представлен гаметофит у папоротников
При половом размножении постоянно создаются новые комбинации генов, что увеличивает генетическое разнообразие потомства и, соответственно, шансы приспособиться к меняющимся условиям среды. Создание новых комбинаций генов происходит в процессе мейоза. Мейоз имеет место в ходе образования гаплоидных клеток — спор или гамет. При этом хромосомы, доставшиеся организму от матери и отца, перестают существовать как целое — в результате кроссинговера образуются новые варианты хромосом, скомбинированные из отцовских и материнских. Таким образом, хромосомы детей, как правило, не идентичны хромосомам родителей — они содержат другие комбинации аллелей (вариантов генов).
В ходе мейоза происходит редукция хромосомного набора — образование из диплоидной клетки 4 гаплоидных клеток (n), у которых каждая хромосома представлена уже не парой гомологов, а 1 хромосомой. У человека путем мейоза образуются половые клетки (гаметы), каждая из них несет 23 хромосомы.
Диплоидность клеток в жизненном цикле восстанавливается при оплодотворении — слиянии гамет. При этом объединяются два разных хромосомных набора из двух разных геномов (генома матери и генома отца).
У других организмов соотношение диплоидной и гаплоидной фаз цикла может быть разным. Разные организмы демонстрируют большое разнообразие жизненных циклов, однако во всех них можно выделить диплоидную фазу, или диплофазу — от оплодотворения до мейоза — и гаплоидную фазу, или гаплофазу — от мейоза до следующего оплодотворения.
Например, у животных (слева) гаплоидны только гаметы, у растений (посередине) есть диплоидное поколение (спорофит) и гаплоидное поколение (гаметофит), а у многих одноклеточных преобладает гаплоидная фаза, а зигота после оплодотворения делится мейозом, в результате чего снова получаются гаплоидные клетки.
Соотношение гаплоидной и диплоидной стадии в жизненном цикле разных организмов может быть разным. Как мы уже видели, у животных единственной стадией является диплоидная, а гаплоидны только гаметы. У некоторых организмов, наоборот, единственной стадией является гаплоидная, а диплоидна только зигота, которая сразу после полового процесса вступает в мейоз. Такую ситуацию мы можем наблюдать, например, у хламидомонады. У большинства растений обе фазы представлены. У мхов привычные нам зеленые растения являются гаплоидными. На них формируются органы полового размножения: антеридии, в которых образуются сперматозоиды, и архегонии, в каждом из которых имеется одна яйцеклетка. Образующиеся гаметы после оплодотворения дают диплоидную стадию, которая развивается непосредственно на гаплоидной. Она представляет собой тонкую длинную нить с расширением на конце. Она коричневого цвета, т. к. не содержит хлорофилла, неспособна к фотосинтезу и живет за счет гаплоидной части растения. Внутри расширения, называемого коробочкой, множество клеток делится мейозом, образуя гаплоидные споры. Споры дают начало зеленым гаплоидным растениям. Таким образом, основной стадией у мхов является гаплоидная.
Основная жизненная стадия у папоротникообразных — диплоидная. На листьях папоротников или в специальных структурах у хвощей и плаунов образуются спорангии, в которых в результате мейоза формируются мелкие одноклеточные споры. Разлетаясь и попадая в подходящие условия, они дают начало гаплоидной стадии — заростку. На заростках образуются антеридии и архегонии, формируются гаметы, происходит оплодотворение, и из зиготы развивается диплоидное растение. У семенных растений самостоятельной гаплоидной стадии не существует, она представлена группами клеток, развивающихся в специальных органах диплоидных родительских организмов. Некоторое время отдельно существует только мужской гаметофит в виде пыльцевого зерна, но в нем в это время не происходит заметных процессов жизнедеятельности. После оплодотворения из зиготы новый диплоидный организм первые этапы развития также проходит внутри материнского организма.
Систематическое положение
Высшие споровые растения
Отдел: моховидные, или настоящие мхи
Класс: листостебельные, или настоящие, мхи
Класс: сфагновые мхи
Отдел: печеночные мхи
Отдел: антоцеротовые мхи
Бриология — наука о моховидных.
Основная характеристика отдела Моховидные
Отдел Моховидные
КЛАСС ЛИСТОСТЕБЕЛЬНЫЕ МХИ
Кукушкин лен (Рис. 1)
Широко распространен во влажных лесах умеренной зоны. Его коричневатый стебель, достигающий в длину 30 см, содержит мертвые вытянутые клетки, выполняющие функцию проведения и накопления воды. Простые листочки состоят из нескольких слоев зеленых клеток и не имеют жилок. В нижней части стебля молодого мха образуются одноклеточные выросты — ризоиды, выполняющие функцию поглощения воды и минеральных солей. Обычно кукушкин лен растет в виде куртин, в которых содержится несколько сотен особей. Зеленые растения мха — это гаплоидная стадия, или гаметофит. Мох кукушкин лен — раздельнополое, или двудомное, растение. На верхушке одних растений формируются женские органы, называемые архегониями (рис. 2).
Каждый архегоний содержит одну яйцеклетку. На мужских растениях развиваются антеридии — органы, представляющие собой мешочки, в которых образуются сперматозоиды. Так как растение гаплоидное, образование гамет не требует мейоза. Для оплодотворения мху нужна вода, по которой сперматозоиды могли бы переплыть на женское растение и проникнуть в архегоний. Для этого бывает достаточно дождя или обильной росы, капли которой лягут на верхушки растений. После оплодотворения из образовавшейся зиготы развивается диплоидный спорофит. Он растет на гаплоидном зеленом растении и использует образованные им вещества. Сам он не содержит хлорофилла и не фотосинтезирует. Он имеет вид длинной коричневой нити, называемой ножкой. Одним концом она прикреплена к верхушке гаметофита, а на другом образуется расширение, являющееся спорангием. В этом расширении формируются материнские клетки спор, которые делятся мейозом, образуя множество одноклеточных спор. Зрелый спорангий состоит из коробочки и крышечки. Крышечка отрывается, и споры высыпаются и разносятся ветром на большие расстояния. Из спор, попавших во влажное освещенное место, вырастает тонкая ветвящаяся нить (протонема). На ее концах формируются почки, дающие начало новым гаплоидным растениям.
КЛАСС СФАГНОВЫЕ МХИ
Важной группой мхов являются сфагновые мхи (рис. 3). Они широко распространены и образуют так называемые сфагновые, или верховые, болота. Верхушки сфагнума имеют светло-зеленые листочки. По мере роста мха нижняя его часть оказывается под толщей более молодых листочков, отмирает и начинает разлагаться. Ткани мха содержат карболовую кислоту, которая имеет мощное бактерицидное действие. Разложение мха происходит без доступа воздуха и в условиях почти полного отсутствия микроорганизмов. Мох практически не гниет и превращается в торф. Торф, как губка, удерживает влагу, происходит заболачивание лесов.
Сфагнум не имеет ризоидов. Он впитывает воду всей своей поверхностью. Мелкие светло-зеленые листья, покрывающие стебель и ветви, состоят из клеток двух хорошо различимых под микроскопом типов. Узкие зеленые фотосинтезирующие клетки образуют сетчатую структуру, в которой происходит движение органических веществ. Между ними находятся крупные прозрачные мертвые клетки, от которых остались только оболочки (рис. 4). Эти клетки служат резервуаром для воды. Через поры в их клеточных стенках происходит пополнение запасов воды из окружающего воздуха.
Сфагнум — однодомное растение. Архегонии (женские органы полового размножения) и антеридии (мужские органы полового размножения) располагаются на одном растении. Сперматозоиды (n) по каплям воды достигают яйцеклеток (n), происходит оплодотворение. Образуется зигота (2n), из которой вырастает спорангий. Там происходит мейоз и образуются гаплоидные (n) споры, дающие начала тонкой нити-предростку — протонеме (n). На ней образуется почка, прорастающая в новый гаметофит (n).
ОТРЯД ПЕЧЕНОЧНЫЕ МХИ
Небольшие нежные растения, тело которых представлено чаще всего слоевищем в виде пластинки неправильной формы. У некоторых слоевище несет чешуйки, соответствующие листьям. Есть многочисленные ризоиды. Протонема развита слабо.
Размножение половое (подобно другим мхам) и бесполое (с помощью особых почек).
Распространенный представитель печеночных мхов — маршанция (рис. 5).
ОТРЯД АНТОЦЕРОТОВЫЕ МХИ (РИС. 6)
Распространены большей частью в тропиках.
Спорофиты ( спорогонии) рогообразной формы.
В основании ножки спорангия находится меристема, поэтому ножка постоянно растет. Образование и созревание спор происходит продолжительное время.
Большинство однодомны. Перекрестное опыление (женские и мужские гаметофиты созревают в разное время).
Значение мхов
Систематическое положение
Высшие споровые растения
Общая характеристика Папоротникообразных
Отдел Папоротниковидные
В настоящее время отдел насчитывает примерно 12 000 видов.
Жизненные формы: травы, деревья (рис. 1) и лианы (несколько тропических видов). Есть водные формы (сальвиния плавающая (рис. 2)).
Листья папоротников — вайи — цельные или сложно расчлененные с хорошо развитой проводящей системой. Развитие листа происходит из «улитки» (рис. 3).
Листья могут быть дифференцированы на стерильные и фертильные (ужовник (рис. 4)), или выполнять одновременно обе функции (большинство папоротников (рис. 5)). У страусника фертильные листья не фотосинтезируют (рис. 6).
Большинство папоротников имеют подземное корневище и хорошо развитые придаточные корни (рис. 7).
Жизненный цикл папоротников включает чередование гаплоидного гаметофита и диплоидного спорофита с преобладанием спорофита. В жизненном цикле происходит чередование полового и бесполого размножения (рис. 8).
При бесполом размножении на нижней стороне листа образуются парные выросты — сорусы (рис. 9). Сорус представляет собой ножку и покрывальце, закрывающее снизу шаровидные спорангии (рис. 10), отходящие от основания ножки. В спорангиях формируются материнские клетки спор, которые делятся мейозом с образованием гаплоидных клеток, становящихся спорами. В сухую погоду края покрывальца отгибаются, а оболочка спорангия лопается из-за неравномерного утолщения стенок образующих ее клеток.
Из спор, попавших во влажное освещенное место, развивается гаплоидный гаметофит папоротника — заросток — в виде сердцевидной пластинки с многочисленными ризоидами. На его нижней стороне образуются антеридии со сперматозоидами и архегонии с яйцеклетками. Так же как и мхам, папоротникам для оплодотворения нужна вода. По ней многожгутиковые сперматозоиды папоротника плывут к архегониям. Там сперматозоиды сливаются с яйцеклеткой, образуя диплоидную зиготу. Из нее вырастает новое диплоидное растение.
В лесах умеренной зоны наиболее часто встречаются щитовник мужской, кочедыжник женский, орляк.
Отдел плауновидные
Представителем плаунов, часто встречающихся в нашей стране, является плаун булавовидный (рис. 11).
В жизненном цикле плаунов, как и всех папоротникообразных, происходит чередование полового и бесполого размножения (рис. 12). На концах побегов плауна образуются прямостоячие спороносные колоски — стробилы. Спороносные колоски покрыты видоизмененными чешуевидными листочками — спорофиллами — на которых образуются спорангии. В спорангиях в результате мейоза образуются гаплоидные споры. Созревшие споры высыпаются, и из них развивается гаплоидный заросток. У многих видов плаунов заросток развивается под землей в течение нескольких лет, питаясь гетеротрофно, в основном за счет симбиоза с грибом. На зрелом гаметофите образуются архегонии с яйцеклетками и антеридии со сперматозоидами. После оплодотворения из зиготы развивается диплоидный спорофит, который питается за счет гаметофита, пока не достигнет поверхности земли, где он начинает фотосинтезировать.
Отдел хвощевидные
Древняя группа сосудистых растений, представленная в настоящее время примерно 30 видами.
Стебли полые, состоящие из отдельных члеников и выполняющие функцию фотосинтеза (рис. 13). Для увеличения прочности под эпидермой проходят пучки волокон склеренхимы, образуя ребра на поверхности стебля. Кроме того, в стеблях хвощей откладываются мелкие кристаллы окиси кремния, увеличивающие их жесткость.
Под землей у хвоща образуется густая сеть корневищ, служащих для вегетативного размножения и переживания зимы.
Весной из-под земли вырастают спороносные побеги. Они имеют коричневый цвет, т. к. не содержат хлорофилла и живут за счет накопленных в прошлом году запасов питательных веществ. На их спорофиллах в результате мейоза образуются гаплоидные споры, которые имеют специальные нитевидные выросты, меняющие форму в зависимости от влажности. Это позволяет им легче покидать спорангий и шире распространяться. Они дают начало гаплоидному заростку. Жизненный цикл хвощей похож на жизненный цикл папоротников (рис. 14).
Характеристика гаметофита и спорофита: определения и особенности
Характеристика гаметофита и спорофита
Определение гаметофита и спорофита
Что такое гаметофит?
Гаметофит — это гаплоидная фаза жизненного цикла высших растений и водорослей, которая берет свое начало из спор и производит, в результате, половые клетки или гаметы.
Что такое спорофит?
Спорофит — это диплоидная фаза жизненного цикла растений и водорослей, результатом которой является производство спор.
В жизненном цикле растений наблюдается последовательное чередование спорофита и гаметофита. Гаметофиту отводится роль реализации полового размножения, а спорофиту — обеспечение бесполого типа воспроизведения организма.
У водорослей спорофит возникает из зиготы — внутри него формируются споры. Зигота образуется на половой гаплоидной фазе из женской гаметы — яйцеклетки. Важно, чтобы яйцеклетку оплодотворила мужская половая клетка.
Гаметофит — это гаплоидная фаза в жизненном цикле растительного организма. Он получает развитие из спор и формирует женские и мужские половые клетки. В результате слияния гамет формируется зигота — она дает гаплоидное поколение.
Формирование мужских гамет осуществляется из гаметангий или антеридий. У споровых и семенных растений гаметы имеют разные названия: в первом случае — сперматозоиды, во втором — спермиями.
Сперматозоиды подвижны — эта подвижность достигается за счет жгутиков. Женские гаметы, для сравнения — это неподвижная яйцеклетка: их образование происходит внутри женских гаметангиев.
Архегонии являются женскими гаметангиями растений.
Оплодотворение яйцеклетки наземной растительности осуществляется внутри архегония. Затем происходит спорообразование, и жизненный цикл проходит собственное чередование.
Наиболее заметно чередование поколений у споровых растений. Наблюдается раздельное нахождение гаметофита и спорофита у таких групп растений как:
У этих групп растений преимущество получило гаплоидное поколение. Жизненный цикл папоротников — хороший пример чередования поколений. Гаметофит у них представлен в виде маленького и недолговечного ростка, на котором вырастает спорофит.
У мхов фазы не разделяются — в этом случае коробочка со спорами формируется на гаметофите. Что касается цветковых растений, то мужские гаметы здесь формируются внутри тычинок, которые осуществляют перенос мужских половых клеток на пестики.
Гаметофит голосеменных имеет особенность. У голосеменных растений семена находятся в открытом виде в шишках, при этом процесс оплодотворения практически не отличается от процесса, происходящего у покрытосеменных. Развитие семени голосеменных происходит из семязачатка (он открыт на семенной чешуе), а у покрытосеменных семя находится внутри плода (мужской гаметофит покрытосеменных).
Выделяют несколько этапов в жизненном цикле растительных организмов:
Особенности гаметофита и спорофита
Остановимся подробнее на том, что такое спорофит и гаметофит.
Гаметофит и спорофит растений отличаются как минимум по двум критериям: размеру и этапу оформления.
Также, к примеру, гаметофит относится к гаплоидам и характеризуется наличием одинарного набора хромосом. Спорофит же относится к диплоидам и обладает двойным набором хромосом.
Гаметофит обеспечивает половое размножение, а спорофит — бесполое.
С началом в гаметофите мейоза происходит запуск процесса образования гамет — эти гаметы отличаются высокой активностью.
У большинства растений в жизненном цикле преобладает спорофит. Это связано с определенными преимуществами, которые он обеспечивает. Если среда водная, то у гамет есть возможность передвигаться. А вот в наземно-воздушной среде у растений нет возможностей для перемещения собственных спор. Диплоидные растения легче сохраняют рецессивные признаки в сложных условиях на поверхности земли. Эти признаки в дальнейшем могут обеспечить выживание.
У разных групп растений соотношение спорофита и гаметофита разное. К примеру, для высших растений (за исключением мхов) характерно преобладание гаплоидности. Этому есть объяснение: в природе наличие семени важно для дальнейшей жизни. Гаметофит отвечает за реализацию непосредственного оплодотворения. Споры же нужны для распространения и произрастания вида на планете.
Только диплоидные организмы способны справляться с резкой сменой условий обитания. По этой причине диплоидное поколение преобладает у наземных растений, а у подводных растений чаще встречается гаметофит или гаплоидная часть.
К примеру, для одноклеточных водорослей (хламидомонад) характерно преобладание гаплоидности на протяжении всего периода жизни.
Отличия гаметофита от спорофита заключаются в:
Для зиготы и спорофита характерны диплоидные свойства, а вот споры и гаметофит связаны с гаплоидностью.
Спорофит мхов (прорастание споры) начинается с «зеленой нити», затем предросток дает начало гаметофиту. Споры семенных растений прорастают непосредственно внутри спорофита. Макроспора прорастает в женский гаметофит — в нем происходит образование яйцеклетки. Мужской гаметофит прорастает в пыльцевое зерно — в нем образуются спермии.
В изучении особенностей спорофита и гаметофита важны следующие моменты:
Разделение спорофита и гаметофита — важный этап эволюционного процесса растений, который обусловил их высокий уровень приспособленности к окружающей среде.
Гаметофит как половое поколение растения: определение, особенности и основные типы
Гаметофит как половое поколение растения
Определение гаметофита
Гаметофит является гаплоидной многоклеточной фазой внутри жизненного цикла высших растений и водорослей.
Фаза получает свое развитие из спор и отвечает за производство половых клеток — гамет. Ближе к середине 19 века впервые стали говорить о чередовании гаметофита и спорофита. Вильгельм Гофмейстер стал автором этой теории.
Развитие гаметофита происходит из гаплоидной споры. Он имеет специализированные органы — гаметангии.
Гаметангии встречаются 2 типов:
Несмотря на различия форм и размеров, антеридии и архегонии отвечают за выполнение одной функции: функции образования половых клеток, дающих при слиянии обновленный хромосомный набор. Такой тип размножения появился как прогрессивная черта в ходе эволюции растительного мира.
Гаметы оплодотворяются внутри архегония. Далее происходит формирование спорофита с двойным набором хромосом. В первое время существования такой спорофит имел зависимость от гаметофита. Можно говорить о примитивности такого типа образования половых клеток в ходе эволюции.
Почти все многоклеточные водоросли характеризуются типом оплодотворения, сильно зависящим от воды.
Для водорослей свойственны:
Образованный в результате такого оплодотворения спорофит не зависит от гаметофита и имеет самостоятельное развитие.
Особенности гаметофитов и основные их типы
При сравнении высших растений можно обнаружить, что для различных групп высших растений и водорослей характерны различные степени развития гаметофита. Для некоторых растений вообще свойственен короткий период существования гаметофита. К примеру, если речь идет о гаметофите папоротников. А вот у мхов гаметофит развивается на протяжении всей жизни.
Выделяют следующие типы гаметофитов водорослей:
Также есть и другие типы гаметофитов, однако для всех из них характерна гаплоидность и многоклеточная структура.
Для высших растений свойственно правильное чередование двух многоклеточных поколений — спорофита и гаметофита. Если речь идет о цветковых растениях, то им свойственны микроскопические гаметофиты. Чтобы были понятны размеры: гаметофиты помещаются внутри пыльцевого зерна. Такие гаметофиты имеют в своем составе несколько клеток. За счет микроскопических размеров, гаметофиты цветковых растений быстро распространяются и способны выживать даже при резко меняющихся условиях среды.
Зародышевый мешок — женский гаметофит цветковых растений, который располагается внутри семяпочки. Чаще всего гаметофит состоит из семи клеток, образованных в результате слияния двух ядер центральных клеток и формирования вторичного ядра.
Гаметофит может быть небольшим самостоятельным растением — это наблюдается у плаунов, хвощей и папоротников.
Заросток — гаметофит папоротников.
Для заростков плаунов, хвощей и папоротников характерна способность к фотосинтезу. Также они являются однолетними. Заростки плаунов обитают под землей — их развитие происходит на протяжении всей жизни. Им свойственно развитие на протяжении многих лет, в течение которых они получают питание, образуя симбиоз с грибами. Небольшие размеры мхов не мешают им доминировать над спорофитом.
Образование гаметофита высших растений происходит исключительно в результате митоза. Это принципиальное отличие от гаметофита животных. Тело гаметофита строится на основе гаплоидных клеток.
Гаметофаза или галофаза — фаза гаметофита высших растений.
На одном гаметофите вполне возможно одновременное развитие мужских и женских половых органов. Этот гаметофит получил название однодомного.
При формировании гаметофитом мужских и женских половых органов на разных растениях, речь идет про двудомные или раздельнополые гаметофиты.
Раздельнополые гаметофиты встречаются у всех семенных растений: мужские гаметофиты развиваются у них из микроспор, которые образуются в пылинках, а женские — из мегаспор, которые образуются в семяпочках.
Процесс полового размножения растений имеет вид конъюгации.
Конъюгация представляет собой процесс полового размножения растений, при котором происходит слияние протопластов независимых вегетативных клеток.
Встречается, что на одной особи развиваются и споры, и гаметы. Также споры могут развиваться на одном растении, а гаметы — на другом.
Спорофит — особь, на которой происходит развитие спор.
Гаметофит — особь, на которой происходит развитие гамет.
Половое поколение хвойных — оригинальное. Мужской гаметофит в этом случае представляет несколько пыльцевых зерен, развивающихся внутри шишки. Такие шишки растут у основания побегов. Определить, что перед вами мужская шишка легко: они мельче, мягче и собираются в пучки. Для каждой чешуйки характерно два пыльника, внутри которых происходит развитие половых клеток мужских особей.
Женские шишки располагаются на верхушках побегов и содержат в себе семязачатки. Внутри женских шишек происходит формирование мегаспор — в результате мейоза. Всего образуется четыре мегаспоры.
В женском гаметофите происходит развитие только одной мегаспоры: остальные образованные клетки отмирают. После этого последовательно происходят опыление, оплодотворение и формирование семян.
Как видно, гаметофит — это половое поколение растений. Эта фаза жизненного цикла свойственна водорослям, споровым и семенным высшим растениям.
Для гаметофита характерна многоклеточная структура и наличие гаплоидного набора хромосом.