Эволюция древесных

Каждый современный ребенок знает слово “динозавр” и имеет представление о том, кто это такой. О знаменитом фильме “Парк Юрского периода” нет необходимости говорить – все его видели. Далекое прошлое планеты Земля всегда интересовало и распаляло воображение человека. Но какой эволюционный путь прошли древесные растения, прежде чем сформировались в той форме, в которой мы видим их сегодня? И можем ли мы предположить, что их ждет в будущем?

Появление жизни

Возраст Земли оценивается в 4,5 миллиарда лет, и на протяжении большей части своего существования, или 3,8 миллиарда лет, она была населена живыми организмами. Окончательное охлаждение планеты, которое привело к конденсации водяного пара и образованию водоемов, считается причиной зарождения жизни. Однако самыми первыми обитателями Земли были анаэробы (т.е. не нуждающиеся в кислороде для жизни) – чрезвычайно примитивные, бесклеточные организмы.

Раньше считалось, что под воздействием ультрафиолетового излучения синтез аминокислот и других органических веществ происходит в водных растворах с последующим образованием многомолекулярных комплексов – коацерватов, которые являются протопластами всех последующих форм жизни. Экспериментально было показано, что это возможно. Однако эта гипотеза не дает ответа на вопрос, как эти структуры могут воспроизводить себе подобных. По этой причине сейчас более вероятно, что жизнь возникла из так называемых рибозимов – самовоспроизводящихся молекул РНК, которые также обладают каталитическими (т.е. ферментативными) свойствами.

Кислородная катастрофа

Потребовалось около полутора миллиардов лет для развития клеточных организмов (а это еще не были настоящие клетки) и примитивного фотосинтеза для производства кислорода. Только около 2,7 миллиарда лет назад появились фотосинтезирующие цианобактерии – настоящая революция на Земле, потому что эти бактерии используют воду в качестве восстановителя в процессе фотосинтеза и производят кислород в качестве отходов, который окисляет растворенное в океанах железо, образуя железную руду. Но главное, что он попадает в атмосферу и его концентрация начинает расти. Таким образом, кислород просто убивает анаэробные организмы. Результатом стала так называемая “кислородная катастрофа” – радикальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее 2,4 миллиарда лет назад и приведшее в итоге к полной смене сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными.

Метан, ранее существовавший в атмосфере в больших количествах, соединяется с кислородом и преобразуется в углекислый газ и воду, вызывая значительное снижение общей температуры Земли. Начинается оледенение, которое продлится около 300 миллионов лет.

Около 530 млн лет назад на Земле появляются первые ископаемые следы, что свидетельствует о том, что ранние животные исследовали Землю до появления растений.

Клеточные

Первые настоящие клеточные организмы появились около 1,7 миллиарда лет назад, а многоклеточные – около 1,2 миллиарда лет назад. В отложениях этого возраста были обнаружены примитивные красные водоросли, очень похожие на некоторые современные красные водоросли. Предполагается, что половое размножение произошло, значительно увеличив скорость эволюции, о чем говорит и тот факт, что первые внемлекопитающие истинно-клеточные организмы, включая грибы, появились примерно в то же время или чуть позже. Только около 550 миллионов лет назад начался первый этап сложной многоклеточной жизни. Это были причудливые, вытянутые, в основном неподвижные существа, по форме напоминающие лист. Среди них были найдены первые свидетельства полового размножения, разделения тела на части, смутно напоминающие голову, тело и хвост, наличие пищеварительной системы и т.д.

Однако это все еще очень примитивные формы. Эра, научное название которой можно перевести как “период хорошо видимой жизни”, началась всего около 540 миллионов лет назад. Произошел так называемый Кембрийский взрыв – относительно быстрое возникновение большей части современной биологии на Земле, длившееся всего несколько миллионов лет. Отсюда появляются самые разнообразные ископаемые, в том числе подвижные, бронированные и т.д. В основном разнообразные морские организмы, в первую очередь животные нескольких типов.

Выход на сушу

Куксония

Около 530 млн лет назад на суше появляются первые ископаемые следы, что позволяет предположить, что ранние животные исследовали сушу до появления растений. Первые примитивные растения появились на суше почти 100 миллионов лет спустя. Растения сопровождались грибами, которые, возможно, помогали им завоевывать землю благодаря симбиозу. В это время на Земле происходил интенсивный процесс горного строительства, приведший к образованию Скандинавских гор, Тянь-Шаня и Саджанских гор, а также к обмелению и исчезновению многих морей.

Появление растений на суше стало еще одним революционным событием в истории жизни на Земле, поскольку потребовало от растений принципиально новых адаптаций. Первые высшие растения, названные ринофитами, уже отличались от водорослей тем, что имели ткани и делились на покровные, механические, проводящие и фотосинтезирующие. Это объясняется резким различием между воздушной и водной средой. В частности:

  • Конкуренция за солнечный свет привела к необходимости “возвышаться” над соседями, что вызвало необходимость в механических тканях;
  • Накопление кутина препятствует поглощению влаги через поверхность (как у водорослей), что приводит к изменению функции корневища (примитивных корней), которые теперь не только прикрепляют организм к субстрату, но и вытягивают из него воду;
  • увеличение солнечной радиации, перед которым наземные растения должны были выделить и выложить на поверхность котиледоны, что стало первым шагом в формировании покровных тканей, содержащих, в том числе, специальные структуры, необходимые для газообмена – стоматы
  • Разделение на подземную и надземную части вызвало необходимость транспортировки минералов, воды и продуктов фотосинтеза по всему организму, поэтому появились проводящие ткани, такие как ксилема и флоэма;
  •  Во время всех этих превращений фотосинтезирующие клетки образуют отдельную ткань.

Самым древним известным наземным растением (точнее, скорее всего, амфибией) является ксилема, возраст которой составляет около 415 миллионов лет. Это было небольшое растение, отличавшееся чрезвычайно простой структурой: дихотомически ветвящиеся стебли без листьев и цветов. Горизонтальные, подземные отростки стеблей (корневища), покрытые корневыми волосками, вероятно, выполняли функцию корней. На протяжении многих миллионов лет Cuxonia была одним из основных видов прибрежных водно-болотных местообитаний на окраинах континентов. Ископаемые останки этих растений были найдены в разных частях света. Из этого периода также известны окаменелости других растений, совершенно отличных от Cucsonia, напоминающих водоросли или лишайники.

Появление растений на суше стало еще одним революционным событием в истории жизни на Земле, поскольку потребовало радикально новых адаптаций.

Появление деревьев

Наконец, мы подошли к самому интересному для нас событию: появлению деревьев, которые во многом определили облик земли, уже несколько похожий на сегодняшний. Интересно, что возраст самых древних окаменелостей деревьев не намного меньше, чем возраст куксонии и других наземных окаменелостей. Долгое время считалось, что самые древние деревья принадлежат к вымершему роду Archaeopteris, который имел листья, похожие на папоротник, и, вероятно, размножался спорами. Они образовали леса, покрывавшие большую часть земной поверхности. В отложениях несколько более раннего периода (397-380 млн лет назад) были найдены фрагментарные остатки растений, дендрологическая природа которых остается спорной.

И вот в 2005 году американские палеоботаники представили новые находки, которые позволяют нам собрать воедино отдельные части древнего дерева. Ранее они были известны под разными названиями: ветви кроны назывались Wattieza, а основание ствола – Eospermatopteris.

Из находок ясно, что Eospermatopteris был деревом высотой не менее 8 м и по строению и внешнему виду напоминал современные древовидные папоротники и пальмы, хотя эти растения не имеют ничего общего с пальмами. Должно быть, существовали и более крупные экземпляры, поскольку некоторые ранее найденные пни были в два раза толще. Это растение также было размножено спорами и еще не имело настоящих листьев.

Archaeopteris

Все это означает, что наземные экосистемы в том виде, в котором мы привыкли их видеть – с деревьями и различными видами животных – сформировались, по сути, около 400-360 миллионов лет назад. Это начало истории лесов на Земле. Многие другие деревья – например, древовидные папоротники – уже известны из отложений этого и немного более поздних возрастов.

Леса таких деревьев росли в очень важный период эволюции планеты; именно они обеспечивали фотосинтез в течение миллионов лет и создавали условия для появления на суше первых четвероногих позвоночных, которые впоследствии жили исключительно на поверхности Земли без необходимости находиться в океане.

Семенные

Другим важным шагом в эволюции растений стало появление семенных растений. Их главная особенность – размножение семенами. В отличие от споры, которая содержит мало питательных веществ и требует сочетания многих благоприятных условий для дальнейшего развития, семя, содержащее зародыш, имеет гораздо больший запас питательных веществ и защищено оболочкой.

На самом деле, разница между семенами и споровыми растениями более сложная: в жизненном цикле споровых растений есть два совершенно разных поколения – половое и бесполое. У семенных растений их тоже два, но растения, которые мы наблюдаем, на самом деле являются спорофитом, бесполым поколением, в то время как половое поколение семенных растений (гаметофит), через которое происходит половое размножение, очень маленького размера и очень недолговечно. Воздушная пыльца, раздражающая аллергиков, является гаметофитом семенных растений.

Дендробиальные споровые растения не сохранились до нашего времени.

Ископаемые гинкго и воллемия

В то время как древесные споровые растения не сохранились, существует несколько настоящих живых ископаемых растений-ангиоспермов. Наиболее известным из них является реликтовое дерево гинкго двулопастный. Это современный представитель динозавров, отсюда и его прозвище “дерево динозавров”. Это один из самых примитивных ангиоспермов современного растительного мира, единственный представитель класса (или, по мнению некоторых специалистов, отдела растительного царства), рода и семейства. Растения класса гинкговых были широко распространены на Земле в мезозойскую эру, которая началась около 250 миллионов лет назад. Об этом свидетельствуют массивные окаменелые останки листьев гинкго, которые образовали целые слои в отложениях этого периода на территории нынешней Сибири.

Хотя на протяжении столетий считалось, что в дикой природе это растение вымерло, сейчас известно, что в диком виде оно произрастает в двух небольших районах на востоке Китая. Гинкго культивируется в Западной Европе, Азии и Северной Америке, и не в последнюю очередь потому, что ни одно другое современное голосеменное растение не имеет таких красивых листьев, как гинкго. Это дерево является одним из немногих листопадных голодных деревьев. Каждый год поздней осенью он сбрасывает листья, которые незадолго до опадания приобретают красивый золотисто-желтый цвет. Также выращиваются различные декоративные формы дерева гинкго, и оно используется в производстве многих лекарств, применяемых во всем мире (например, для лечения варикозного расширения вен и даже для замедления процесса старения). Плоды гинкго съедобны.

Гинкго

Однако интересным фактом является то, что ни одно другое дерево в мире не размножается так, как гинкго. Способ размножения похож на папоротники и другие споровые растения, которые оплодотворяют себя с помощью плавающих мужских половых клеток. У всех других деревьев мужские половые клетки не могут передвигаться самостоятельно – у современных родственников гинкго пыльца переносится ветром. Это первое ангиоспермовое растение, в котором были обнаружены подвижные сперматозоиды. Оплодотворение подвижными сперматозоидами сближает гинкго с цикадами, а точнее показывает, что обе группы ангиоспермов находятся на относительно низком уровне эволюции в этом отношении.

Гинкго – одно из самых редких деревьев в мире. Но гораздо более редким “живым ископаемым”, и гораздо менее известным, является дерево волемия. Воллемия также является старым обитателем Земли; она была широко распространена в Юрский период (около 200 миллионов лет назад) и, как считается, вымерла миллионы лет назад. Только в 1994 году около сотни деревьев воллемиры были случайно обнаружены в отдаленном уголке одного из национальных парков Австралии.

Листья гинкго

Воллемира относится к хвойным, несколько более эволюционно продвинутому классу ангиоспермов, к реликтовому и малораспространенному семейству араукариевых. Точное местонахождение этих деревьев до сих пор скрывается, чтобы защитить их от уничтожения. Однако волеми начали выращивать искусственно, а черенки продавали в различные ботанические сады, и сегодня во многих местах можно встретить искусственно выращенные волеми.

Покровносеменные и цветковые

Сейчас мы приближаемся к последнему, решающему этапу в эволюции растений, включая деревья, – появлению ангиоспермов, или цветковых растений. Это произошло около 130 миллионов лет назад, и после своего появления цветковые растения очень быстро – опять же в масштабах геологического времени – создали невероятное разнообразие форм и заняли лидирующее положение в растительном покрове нашей планеты. Дарвин назвал чрезвычайно быструю эволюцию и распространение цветковых растений “отвратительной загадкой”. В настоящее время известно почти 300 000 видов цветковых растений по сравнению с менее чем 1 000 видов ангиоспермов. Ангиоспермовых растений немного больше – около 30 000-40 000 видов – но и они не могут сравниться с цветковыми растениями.

Отличительной чертой растений-ангиоспермов является не только наличие цветка и особых семенных оболочек, из которых формируются плоды, но и двойное оплодотворение, открытое русским ботаником Навашиным. Суть в том, что оплодотворяется не только оболочка семени, но и собирающая питательные вещества оболочка семени – эндосперм. По всей видимости, этот процесс также дал цветковым растениям эволюционное преимущество, поскольку помогает сохранять живую материю. Если эмбрион не оплодотворяется, эндосперм, не будучи оплодотворенным, не развивается, поэтому питательные вещества не расходуются впустую.

Интересно отметить, что первыми растениями-ангиоспермами были, судя по всему, деревья. Хорошо известно, что среди самых примитивных групп ангиоспермовых растений древесные формы значительно преобладают. Но среди высших групп цветковых растений, особенно среди однодольных, практически нет настоящих древесных растений. Вывод о первенстве древесных форм среди цветковых растений подтверждается многочисленными сравнительно-морфологическими и анатомическими исследованиями. А появление травянистых форм жизни стало результатом явления, называемого неотенией (приобретение репродуктивной способности организмом на ранней, “незрелой” стадии развития) и связанного с этим сильного укорочения всего жизненного цикла. Это можно увидеть, например, сравнив строение побегов травы с однолетними побегами древесных растений – они очень похожи. В результате многочисленные травы заполнили разнообразные экологические ниши, как в лесах, так и в других природных зонах.

Эволюция пошла по другому пути, восстановив древесные формы из травянистых.

Вверх по спирали

Наконец, недавнее интересное эволюционное событие подтверждает тезис о том, что вся эволюция идет по спирали. Мы уже обсуждали, как деревья развились из недревесных форм растений (примитивных спороносных растений, таких как куксония и другие) во время перехода к наземной жизни. Затем эволюция вернулась к формам не древесных растений, но уже в виде несравненно более эволюционно продвинутых цветковых растений. Эволюция сделала еще один шаг, на этот раз выведя древесные формы из травянистых растений.

В некоторых эволюционных линиях растений появляется вторая, древесная форма жизни. Точнее, правильнее говорить о древесной форме, поскольку процесс образования древесины здесь совершенно иной, чем у большинства деревьев. Таково, например, происхождение древесных форм семейства Marecchiaceae, к которому принадлежит саксаул. И совершенно иной путь формирования древесных форм происходит у однодольных растений – агавы, драцены, бамбука и пальм. Эти деревья и кустарники, по-видимому, являются эволюционно самой молодой группой древесных растений.

Эволюция высших растений

Как будет проходить эволюция, будет ли еще один виток спирали, изобретет ли природа еще более совершенные формы и явления? У нас есть шанс узнать это, только если мы сохраним все разнообразие ныне живущих форм. В противном случае эволюция может быть прервана “на полпути”.

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: