Отделы растений водоросли

Водоросли - древнейшие представители растительного мира, возникшие сотни миллионов лет тому назад. Они являются низшими автотрофными растениями, содержащими хлорофилл, живущими преимущественно в воде. Их известно около 40 тыс. видов. По своей организации различны. Водоросли бывают одноклеточные (хламидомонада, хлорелла), многоклеточные (нитчатые водоросли) и неклеточного строения. Среди одноклеточных и многоклеточных есть подвижные, имеющие жгутики, и неподвижные. Среди водорослей есть и микроскопически малые и многометровые растения (до 100 м).

Все водоросли содержат хлорофилл и питаются автотрофно, но нередко другая окраска их замаскирована другими пигментами. Тело водорослей, как и других низших растений, имеет слоевище, поскольку оно не дифференцировано на органы и ткани.

Вегетативные клетки слоевища снаружи покрыты твердой стенкой, состоящей из целлюлозы и пектиновых веществ. Нередко наружная поверхность клеточной стенки одета слизью или инкрустирована кремнеземом. Цитоплазма заполняет всю полость клетки или расположена постенно. Одна крупная или несколько мелких вакуолей заполнены клеточным соком. В клетке находится одно или несколько ядер. Характерная особенность клеток водорослей – присутствие хроматофоров – органелл, в которых происходит фотосинтез. Хроматофор – носитель окраски – хлоропласт водорослей. По форме хроматофоры необычайно разнообразны (пластинчатые, спиральные, лентовидные, чашевидные, сетчатые, зернистые, звездчатые и т.д.), что является важным признаком при определении водорослей. Окраска хроматофоров зависит от набора пигментов. Все водоросли содержат хлорофиллы и каротиноиды. Кроме них в хроматофорах могут находиться и дополнительные пигменты – бурый, синий, красный. В хроматофорах у всех водорослей расположены белковые тельца – пиреноиды, не содержащие пигментов. Пиреноид – активный центр синтеза крахмала, который затем вытесняется из него, образуя оболочку из крахмальных зерен. Кроме крахмала в качестве запасных веществ могут образоваться жиры. У сине-зеленых водорослей оформленного ядра нет, как и хроматофоров и обычных для других вакуолей с клеточным соком, в протопласте выделяют наружный окрашенный слой и центроплазму, где содержатся нуклеиновые кислоты.

Размножение водорослей. Для водорослей характерны все типы размножения: вегетативное, бесполое и половое. Вегетативное размножение происходит путем деления одноклеточных организмов, обрывков нитей, распадением колоний - у колониальных, частями слоевища - у многоклеточных, а иногда путем образования специальных органов вегетативного размножения.

Настоящее бесполое размножение осуществляется с помощью зооспор или спор - одноклеточных образований, возникающих внутри вегетативных клеток, или в особых органах - зооспорангиях или спорангиях путем деления внутреннего содержимого на две, четыре, восемь и более частей, образуя соответствующее число голых подвижных клеток - зооспор. Зооспоры в отличие от спор имеют двигательные "органы" - жгутики. Вскоре после появления зооспоры сбрасывают жгутики, покрываются клеточной стенкой и прорастают в новую особь. Как правило, бесполым путем водоросли размножаются в условиях, благоприятных для роста. Половое размножение осуществляется путем слияния двух гаплоидных гамет и образования зиготы. Формы полового процесса у водорослей разнообразны: изогамия, гетерогамия и оогамия. Половой процесс, при котором сливается содержимое двух вегетативных клеток, называется конъюгацией.

При изогамии обе гаметы одинаковы по внешнему виду, но различаются физиологически (гетероталличные гаметы).

При гетерогамии гаметы различаются не только гетероталлизмом, но и внешне при этом женская гамета крупнее мужской. Гетерогаметы образуются путем редукционного деления содержимого обычной вегетативной клетки. При наиболее совершенном способе полового размножения (оогамия) женская гамета (яйцеклетка) не только физиологически, но и морфологически резко отлична от мужской гаметы (сперматозоида). Яйцеклетка - крупная неподвижная клетка с большим количеством запасных веществ, сперматозоид - маленькая подвижная клетка, имеет жгутики. Половые клетки у водорослей развиваются в специальных одноклеточных органах полового размножения (гаметангиях): яйцеклетки - в оогониях, сперматозоиды - в антеридиях.

Яйцеклеток образуется одна или несколько, сперматозоидов много. Нередко у водорослей наблюдается половой процесс в виде конъюгации (зигогамия), характеризующейся слиянием протопластов двух вегетативных клеток гетероталличных особей.

Итак, конечный результат любого из названных способов полового размножения - образование зиготы. При этом происходит удвоение числа хромосом, т.е. восстанавливается диплоидная фаза (2n) В типичном случае из зиготы развивается спорофит, на котором формируются органы бесполого размножения - зооспорангии. В результате редукционного деления содержимого зооспорангия в нем образуются гаплоидные (n хромосом) зооспоры, они прорастают в гаметофит, на котором вырастают органы полового размножения - гаметангии, продуцирующие гаметы.

Строение и жизнедеятельность одноклеточных водорослей. Хламидомонада - одноклеточная подвижная водоросль, обитает в пресных мелководных водоемах - лужах, прудах. При обильном размножении окрашивает воду в зеленый цвет. Хламидомонада представляет собой микроскопически мелкую клетку овальной или округлой формы. На переднем конце клетка вытянута в виде носика, на этом же конце имеются два равных жгутика для передвижения. Оболочка клетки состоит из пектиновых веществ и гемицеллюлозы. Вся полость клетки заполнена цитоплазмой, в которой находится ядро, ближе к носику клетки расположены две пульсирующие вакуоли, а за ними глазок - тельце красного цвета. Хроматофоры имеют обычно чашевидную форму и один пиреноид, богатый белковыми веществами. Хламидомонада способна не только фотосинтезировать, но и усваивать органические вещества, растворенные в воде; ей свойственно смешанное питание. Пульсирующие вакуоли и глазок способствуют передвижению хламидомонады в сторону благоприятных условий. Размножаются преимущественно бесполым и половым путем, реже - вегетативным способом. Бесполое размножение осуществляется обычно ночью, хламидомонада теряет жгутики, ядро делится, а затем образуется 2, 4, 8 зооспор. У каждой зооспоры образуется по два жгутика и оболочка, после этого общая оболочка разрывается, и клетки выплывают наружу.

Хлорелла - микроскопическая одноклеточная водоросль шаровидной формы. В шаровидной клетке расположены чашевидный хроматофор с пиреноидом и одно ядро. Для хлореллы характерны быстрый процесс размножения и очень активный процесс фотосинтеза. Благодаря наличию большого количества пластид хлорелла отличается эффективным использованием солнечной энергии. Другое положительное качество хлореллы - очень быстрое размножение. Хлорелла является полезной водорослью, содержит высокий процент белков (50), жиров (22), углеводов (10). По содержанию белка и жира она не уступает сое, семена которой считаются высокобелковыми. В ее массе содержатся витамины А, В, С, причем витамина С в 2 раза больше, чем в соке лимона. Размножается хлорелла автоспорами, которых образуется в материнской клетке до 10. При созревании автоспоры выходят наружу через разрыв оболочки материнской клетки. Каждая клетка хлореллы способна в течение суток образовывать 4-10 дочерних клеток. В настоящее время хлореллу искусственно размножают.

Плеврококк - одноклеточная наземная водоросль без жгутиков. Под плотной бесцветной оболочкой клетки находятся цитоплазма, ядро, вакуоль и пластинчатый хроматофор. Обычно клетки соединены по 4, 6 и более в виде пакетиков. Пакетики могут распадаться на отдельные клетки, каждая из них существует самостоятельно и вскоре приступает к делению. Клетки делятся в 2‑х взаимно перпендикулярных направлениях, образуя новые пакетики. Полового размножения нет. Зооспор не образует. Поселяется плеврококк на коре старых деревьев, на стенках глиняных горшков, образуя зеленый налет. Плеврококк считается одной из переходных форм от одноклеточных зеленых водорослей к многоклеточным нитчатым.

Нитчатые водоросли. Спирогира - одна из самых распространенных зеленых нитчатых водорослей в пресноводных водоемах. Длинные нити слоевища образуют сплетения (тину) ярко-зеленого цвета, слизистые на ощупь. К субстрату они не прикрепляются и свободно плавают в воде. Нити спирогиры не ветвятся и состоят из одного ряда одинаковых, вытянутых, цилиндрических клеток, имеющих длину от нескольких мм до 8-10 см. Каждая клетка покрыта двухслойной оболочкой. Внутренний слой оболочки состоит из целлюлозы, а наружный - из пектиновых веществ. Целлюлозная оболочка окружает цитоплазму, в которой располагаются спирально закрученные зеленые ленты - хроматофоры с многочисленными пиреноидами. Крупное ядро с хорошо заметным ядрышком расположено в центральной части клетки, окружено слоем цитоплазмы, который соединен с пристенным слоем тяжами. Размножение спирогиры может быть вегетативным и половым, спор она никогда не образует. Вегетативное размножение происходит разделением на отдельные клетки при неблагоприятных условиях. Из каждого отрезка нити или отдельной клетки образуются новые нити.

Половое размножение осуществляется способом конъюгации. При этом две нити, внешне сходные, сближаются, располагаясь параллельно. В боковых стенках клеток навстречу друг другу формируются копуляционные выросты, которые сливаются в общий канал. Две нити, соединяющие их клетки-каналы в это время имеют вид лестницы. По каналу протопласт из одной клетки перемещается в другую и сливается с ней, образуя зиготу, которая после периода покоя прорастает.

Морские водоросли. К морским водорослям относятся бурые водоросли, большинство которых обитает в морях и океанах. Для представителей этого отдела характерна бурая окраска, обусловленная присутствием в хроматофорах коричневого пигмента - фукоксантина, ксантофилла и каротина. Бурые водоросли имеют разнообразный внешний вид и величину, размеры их варьируют от нескольких сантиметров до десятков метров. Бурые водоросли имеют крупное многоклеточное слоевище. Слоевище бурых водорослей многолетнее, но листообразные пластинки отмирают ежегодно, а ранней весной нарастают вновь. В качестве запасного вещества в этих водорослях образуется глюкоза. Она накапливается с другими органическими веществами – маннитом и ламинарином. В клетках этих водорослей крахмал не образуется. Размножаются бурые водоросли различными способами. Бесполое размножение бурых водорослей осуществляется зооспорами, которые образуются в большом количестве в зооспорангиях. У бурых водорослей довольно четко выражено чередование поколений: бесполого и полового. На листовидных пластинках у этих водорослей образуются одноклеточные зооспорангии, собранные в группы, среди которых располагаются бесплодные нити - парафизы. В каждом спорангии образуется 16-64 и более зооспор. Зооспоры внешне одинаковы, а физиологически - разные. Одни из них прорастают и образуют маленькие женские, а другие - мужские гаметофиты. На мужских гаметофитах образуются антеридии, и в них образуются сперматозоиды, а на женских гаметофитах формируются оогонии, несущие по одной яйцеклетке. После слияния сперматозоида с яйцеклеткой образуется зигота, из которой развивается бесполое поколение - спорофит.

Роль водорослей в природе и хозяйстве. Большинство водорослей произрастает в воде, преимущественно морской. Одни из них плавают в ее толще, составляют существенную часть планктона. Водоросли, свободно лежащие на дне или прикрепляющиеся к нему, составляют часть бентоса. Поскольку водоросли - фотосинтезирующие растения, то одним из основных условий их существования является свет. В морях массовое распространение водорослей наблюдается на глубине до 30 м. Наиболее теневыносливыми являются красные и бурые водоросли. Живут они на глубине 100-200 м и более. Некоторые водоросли сохраняют жизнеспособность при очень низких, другие - при высоких температурах (до +95⁰С). Водоросли живут на почве, в почве и даже в атмосферном воздухе. Многие почвенные водоросли активно участвуют в процессе почвообразования.

Некоторые виды зеленых и сине-зеленых водорослей входят в состав комплексных организмов - лишайников. Водоросли не только обогащают воду кислородом, но и служат хорошим кормом для рыб и водоплавающих птиц. Муку из водорослей используют на корм сельскохозяйственным животным. Тонна муки из сухих водорослей содержит около 180 кг солей калия, 16 кг органического азота, 10 кг фосфатов и другие вещества, необходимые для развития животных. Зола бурых и красных водорослей - сырье для получения брома и йода.

Многие водоросли употребляют в пищу; их используют как овощи, едят сырыми, сушеными, засахаренными, готовят салаты, супы, приправы.

Красные и бурые водоросли используют для получения фикоколлоидов. Они легко образуют гели, обладают высокой клеящей способностью. Алыинаты используют в пищевой (отвердители, эмульгаторы мороженого, стабилизаторы молочных продуктов и т.п.), парфюмерной (косметика), текстильной и бумажной (для придания глянца и получения прочных и ярких красок), фармацевтической (связующее вещество для таблеток, растворимые хирургические нити) промышленности.

Агар состоит из смеси различных полисахаридов, получается при вываривании талломов красных водорослей. При комнатной температуре агар легко застывает в студенистое плотное вещество. Широко применяется в микробиологии для культивирования бактерий, в пищевой (изготовление мармелада и пр.) и в парфюмерной (для губной помады) промышленности. В нашей стране хорошим сырьем для получения агара являются багрянки фурцеллярия и анфельция, широко распространенные в Балтийском море.

Бурые и красные макрофиты используют как удобрения. Они богаты калием, но азота и фосфора в них меньше, чем в навозе.

МХИ

Строение и размножение (на примере местных видов). Образование торфа, его значение.

Мхи - это высшие растения, тело которых дифференцировано на стебель и листья. В жизненном цикле моховидных, как и других растений, имеется чередование двух поколений - полового гаметофита и бесполого спорофита. Однако доминирует гаметофит, в то время как у всех других высших доминирует спорофит. Именно поэтому мхи рассматривают как самостоятельную боковую ветвь в эволюции растений. Гаметофит представляет собой взрослое растение, расчлененное на стебель и листья. Корней нет. Их функцию выполняют ризоиды - выросты поверхностных клеток тела. Половые органы – архегонии - женские и антеридии - мужские. Спорофит (называемый спорогоном) играет подчиненную роль. Морфологически он представляет собой цилиндрическую ножку, заканчивающуюся шаровидной или цилиндрической коробочкой, внутри которой образуется спорангий со спорами. Мхи не бывают больших размеров и колеблются от 5 до 45 см. Моховидные по своей организации и экологии близки к водорослям. Оплодотворение связано с водой. Они распространены на всех континентах мира.

Основное разнообразие видов сосредоточено во влажных местах северного полушария в областях с умеренным климатом. К мохообразным относятся около 25 тыс. видов. Листостебельные мхи - самый большой класс отдела моховидных. Типичными представителями листостебельных мхов являются многолетние растения: зеленый мох-кукушкин лен и белый мох - сфагнум.

Кукушкин лен - один из наиболее распространенных представителей зеленых мхов от 15 до 20-40 см высотой, образующий в лесах густые заросли. У него тонкий, округлый, красноватый стебель и узкие мелкие плотно сидящие зеленые листья. Корни отсутствуют, но хорошо развиты ризоиды. Размножается кукушкин лен спорами. Это раздельнополое растение, имеется два гаметофита: мужской и женский. Половые органы образуются на верхушках стеблей между верхушечными листьями. Мужские экземпляры (мужские гаметофиты) кукушкина льна имеют характерное густое расположение листьев на верхушке стеблей и красноватую окраску. Здесь формируются антеридии, в которых развиваются сперматозоиды с двумя жгутиками. Архегонии расположены на верхушке стебля женского растения (женский гаметофит), которое в отличие от мужского заканчивается розеткой из красноватых листьев. Оплодотворение происходит ранней весной, когда места, где произрастают мхи, заливаются водой. Один сперматозоид проникает в архегоний и оплодотворяет яйцеклетку.

Содержимое яйцеклетки и сперматозоида сливается, в результате чего образуется зигота. Здесь же, на верхушке кукушкина льна, зигота делится, из нее развивается коробочка на длинной ножке, так называемый спорогон. Коробочка снаружи прикрыта колпачком - остатком архегония. Внутри коробочки образуется спорангий, где после мейоза образуются споры. При созревании колпачок и крышечка отпадают, и споры высыпаются. Попав на влажную почву, они прорастают и дают разветвленную нить - протонему. На ней образуются почки, из которых вырастают новые листостебельные побеги. Нити, развивающиеся при прорастании спор мха, очень похожи по строению на нитчатые зеленые водоросли, что свидетельствует о родстве этих растений. По всей вероятности, какие-то древние водоросли были предшественниками мхов, однако они имеют более сложное строение, что связано с наземным образом жизни.

Представителем белых мхов является сфагнум. Растет в заболоченных лесах и на болотах, занимает огромное пространство на севере Европы, Азии и Северной Америки. Довольно широко распространены и в умеренных областях южного полушария.

Белыми эти мхи называют потому, что они в сухом состоянии имеют белый вид, что связано с особенностями строения взрослого растения. Строение отличается рядом особенностей. Ветвистые стебельки сфагнума покрыты мелкими листьями. Короткие веточки скучены на верхушке стебля, длинные свешиваются вдоль него, образуя как бы фитиль, по которому поднимается вода. Ризоидов нет. Во взрослом состоянии нижние части растения отмирают, верхние продолжают расти. В наружной части стебля находятся 2-3 слоя крупных мертвых клеток с порами, наполненными водой. Специальных проводящих тканей нет. Листья однослойные, состоят из узких, длинных хлорофилллоносных клеток и крупных мертвых клеток с порами и спиральными или кольчатыми утолщениями между ними, наполненными водой, как и в стебле. Благодаря такой особенности в строении мхи могут накапливать воду в 37 раз больше, чем их сухая масса. Поэтому развитие этих мхов вызывает переувлажнение и заболачивание территории. При высыхании мертвые клетки заполняются воздухом, и мох становится бесцветным. Однако полного сгнивания отмерших частей не происходит, так как сфагнум выделяет особые вещества - гумминовые кислоты. Эти кислоты убивают бактерии и этим самым задерживают процесс гниения.

Архегонии и антеридии сфагновых мхов располагаются на боковых веточках. Спорофит состоит из шарообразной коробочки и короткой ножки. Внутри коробочки формируется спорангий. Когда споры созревают, верхушка стебля сильно вытягивается, крышечка с коробочки падает, и споры высыпаются. Из споры вырастает пластинчатая протонема, на которой образуются олиственные побеги сфагнума.

Торфообразование, его значение. Мхи играют значительную роль в заболачивании территории. Ковер зеленых мхов задерживает испарение, приводит к переувлажнению, при котором зеленые мхи не могут существовать и уступают место белым мхам. Сфагновые мхи благодаря особенностям своего строения энергично накапливают воду. Отмирающие части сфагнума уплотняются и, пропитанные водой, превращаются в анаэробных условиях в торф. Торфяная масса легко впитывает воду и препятствует поступлению воздуха в почву. Создаются условия, при которых рост деревьев затрудняется, они гибнут - и на месте леса образуется болото. Рост торфяника идет очень медленно - 1 м в 1000 лет. В торфе, благодаря высокому содержанию кислот и анаэробным условиям, гниение сильно затруднено. Поэтому попавшие в торф остатки организмов и различные предметы почти не разлагаются, чему способствует и низкая температура торфяника. В торфяниках находили остатки свайных построек, римских воинов со всеми доспехами. Изучение пыльцы, сохраняющейся в торфе, позволяет судить о растительности минувших периодов.

Торф используют в качестве удобрения, топлива и, что наиболее перспективно, в качестве ценного химического сырья. При сухой перегонке торфа получают воск, парафин, фенолы, уксусную кислоту и другие вещества. Хотя торф и служит ценным сырьем, но заболачивание обширных территорий, вызываемое мхами (особенно сфагновыми), - явление отрицательное, так как препятствует росту и возобновлению лесов и делает невозможным сельскохозяйственное освоение угодий.

Однако осушение сфагновых болот на водоразделах должно проводиться достаточно осторожно, так как болота играют большую водоохранную роль. Медленно оттаивая, они задерживают сход талых вод, питают ручейки, ручьи и реки в течение лета, не давая им обмелеть.