植物
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高等植物被分为苔藓植物门、蕨类植物门、裸子植物门和被子植物门。
植物经历了从简单到复杂的长期演化过程,才形成当今种类繁多、构造复杂的植物世界。
苔藓植物:苔藓是最简单、仅有茎叶之分而无根和真正维管束的植物。
蕨类植物:孢子囊是蕨类植物进行繁殖的重要器官。蕨类植物的孢子体长出孢子囊,孢子囊中生成许多细小的孢子,孢子成熟散落在各处长出配子体,再通过卵子受精产生新个体,达到繁殖的目的。大多数蕨类植物孢子囊长在叶背面,形成孢子囊群。孢子囊群的着生方式、形态与结构是都鉴别蕨类植物的重要特征。部分蕨类植物的叶分为孢子叶和营养叶两种类型。孢子叶能长孢子囊形成孢子,孢子叶的小羽片向背面反卷成荚果状,里面长满了黑褐色的孢子囊。营养叶具叶绿素不能长孢子囊,阔展的叶面,专司光合作用制造营养。
裸子植物:孢子叶基部着生裸露的胚珠,胚珠不被孢子叶包被,这是裸子植物与被子植物的重要区别。
被子植物:被子植物即指种子有子房壁(即果皮)包被的植物。被子植物是植物界中最晚发生,又最具生命力的植物类群。全世界约有被子植物400多科,10000多属,260000多种(科、属、种数目依不同的被子植物分类系统略有变化)。被子植物占据着现代地球大部分陆地空间,是世界植被的主要组成成分。世界上被子植物物种最丰富的国家是地处热带的巴西和哥伦比亚,它们分别居第一和第二位。中国国土主要部分不在热带,但被子植物种数的仍居世界第三位,约300余科,近3100属,30000多种,属、种数目分别占世界被子植物的75%、30%和10%。
参考资料:动物
植物的特点是具有光合作用的能力——就是说它可以借助光能及动物体内所不具备的叶绿素,利用水、矿物质和二氧化碳生产食物。释放氧气后,剩下葡萄糖——含有丰富能量的物质,作为植物细胞的组成部分。
植物有明显的细胞壁和细胞核,其细胞壁由葡萄糖聚合物——纤维素构成。
据信,所有植物的祖先都是单细胞非光合生物,它们吞食了光合细菌,二者形成一种互利关系:光合细菌生存在植物细胞内(即所谓的内共生现象)。最后细菌蜕变成叶绿体,它是一种在所有植物体内都存在却不能独立生存的细胞器。
植物通常是不运动的,因为它们不需要寻找食物。
大多数植物都属于被子植物门,是有花植物,其中还包括多种树木。
现代生态系统中的藻类
藻类是植物界的低等类型。它们种类繁多,估计有1万8千种,分别属于绿藻类、硅藻类、金藻类、红藻类和褐藻类。它们广泛地分布在地球上的各种水域里。
藻类具有成分为纤维素的细胞壁,这是它们作为植物的一项重要特征。
衣藻等较为原始的绿藻是单细胞植物,有眼点和两条鞭毛,能够运动,以营养细胞进行繁殖。地质历史时期这类原始性的绿藻发展出了更高级的绿藻和其它藻类。
绿藻广泛分布在流动比较缓慢而且水深较浅的淡水水域里,海洋中只有少数的种类。也有一些绿藻生活在土块表面和树皮上,还有的与真菌共生形成地衣。有些绿藻甚至可以与动物共生,例如,绿水螅之所以呈现绿色,就是因为它与单细胞的绿藻共生的结果。
绿藻的形态结构多种多样。衣藻、原球藻、绿球藻等是单细胞的,水绵、栅列藻、空球藻、水网藻、团藻等是多细胞群体,石莼、浒苔等较为高等的绿藻由细胞群形成片状或管状。有的绿藻藻体一个细胞里有多个细胞核,例如管藻;还有的多细胞绿藻细胞之间在外形上已经有了初步的分化,例如轮藻有轮生的分枝。
绿藻种类繁多,分布广阔,而且繁殖率快,它们构成了地球上各种水域中主要的初级产生者。它们利用阳光和水中的无机营养成分,以光合作用将二氧化碳合成为有机物,为整个水生态系统的能量流动和物质循环起到了重要的作用。
绿藻的光合色素和光合片层的结构蛋白与高等植物的一样,因此科学家认为高等植物起源于绿藻。
金藻和硅藻的藻体颜色呈黄色至金棕色,这是因为它们载色体内虽然含有叶绿素a,但是更含有β-胡萝卜素和类似于叶黄素的藻黄素,而且后两种色素的含量较大,因此使藻体颜色偏黄。
金藻包括的种类也相当多,有的是单细胞,有的是分化不深的细胞群体。有些种类有鞭毛,有些则没有。
硅藻的细胞壁含有硅质,整个细胞形状象小盒子一样,通常由两片盖在一起的壳片组成。壳片上有硅质沉积,并且形成各种花纹。硅藻种类繁多,但都是单细胞的浮游植物或底栖植物。硅藻的繁殖率很高,光合作用能力也很强,因此它们是水域、尤其是海洋中的重要生产者。海洋硅藻的繁殖有明显的季节性差异。此外,由于硅藻壳含有大量不能溶解或不能被取食者消化的硅酸钙、二氧化硅等硅质物,它们死亡后遗留在海底的藻壳大量堆积后就能够构成硅藻土。
红藻的藻体有的是丝状,有的是片状,有的是树枝状。它们绝大多数都生活在海里,细胞有较为坚固的细胞壁,其中纤维素成分较多,细胞群体有胶质包裹。红藻的细胞内有载色体,其中含有叶绿素a和b,还有α胡萝卜素、叶黄素以及大量的藻红素。这些色素在不同红藻中的不同含量组合使得藻体呈现紫色、紫红色或红色。其中,藻红素是红藻所特有的。我们经常食用的紫菜以及制造琼脂所需要的石花菜都属于红藻类。
褐藻都是海生藻类,有1500多种,它们的个体都是大型的或较大型的,例如人类经常食用的海带长度一般可长到2至4米,巨藻群则被形象地称为“海中森林”,而马尾藻聚生的海区构成马尾藻海,船只航行都不得不避开它。
褐藻体内含有较多的叶黄素,使得藻体呈棕黄色,因此褐藻又称为棕藻。
植物进化的历程
叶子长得像羊的牙齿的植物——蕨类
现代的蕨类植物的叶子都长得像羊的牙齿一样,因此最早研究它们的科学家就把它们也形象地称为“羊齿植物”。在地球自然历史发展过程中,这些“羊齿植物”实际上是最早的高等植物,它们在志留纪晚期已经开始在陆地上出现。
这些最早的陆生蕨类被称为顶囊蕨或光蕨。此后,蕨类植物分化为两支,其中一支经志留纪向泥盆纪过渡时期的工蕨发展到后来的石松类;另一支经泥盆纪早期的裸蕨发展出后来的节蕨(也叫木贼或楔叶)和真蕨。此外,在泥盆纪还发现有一类称为瑞尼蕨的植物,它们与高等植物一样具有维管束,同时又与低等植物一样没有气孔器,因此目前还很难确定它们的真正系统分类地位。
到了晚泥盆世,在早、中泥盆世盛极一时的裸蕨逐渐灭绝消失了,但是石松、节蕨和真蕨类开始走向繁荣。这些进化了的蕨类植物已经有了根、茎、叶的分化:根可以使植物体得到稳定并深入到土壤下层以吸收更多的水分和矿物质;茎一方面使植物体能够直立起来,更重要的是其内部维管束结构的形成为植物体产生了更为完善的输导系统以有利于营养物质的输送;叶则成为专门进行光合作用的器官,因其表面积的大大增加而使植物体能够更多地吸收日光中的能量。正因如此,蕨类植物在古生代后期将“地球园林”装点得分外秀丽。
现代生活在地球上的蕨类植物仍有1万余种,绝大多数都是草本植物。但是在古生代的石炭纪和二叠纪,蕨类植物当中属于石松类的鳞木和属于节蕨类的芦木却都是高大的乔木型木本植物。
鳞木可达三、四十米高,树身直径可达2米;它们的树干与裸蕨一样两叉分枝;狭长的叶子可长达1米,叶子上有明显的中肋;叶子呈螺旋状排列在树干上,长在其基部的叶座上;叶座突出于树干表面,一般呈菱形,由于排列成螺旋状,当叶子脱落以后它们看起来很像鳞片状的印痕,鳞木即因此得名。
芦木生长在沼泽里,高达三、四十米,树干直径可达1米,叶子轮生在分枝的节上。芦木的叶子与鳞木的叶子起源不同,它们是由小枝变化而来的。
真蕨类比石松类、节蕨类更能适应陆地生活。它们的叶子较大,又扁又平,而且分为上下两面,叶脉分支也多,这样更扩大了光合作用的面积和效率。真蕨类一般生活在陆地上,少数生活在沼泽中,还有的附生在其它植物的数杈上。真蕨类中,生活在石炭纪末期到二叠纪初期的树蕨有很大的树冠,密集成林。在距今2亿多年前的早二叠纪晚期至晚二叠纪早期,云南及我国南方和西南的几个其它省份分布着一种叫做六角辉木的树蕨,有十几米高,树干直径超过20厘米,羽状复叶型的叶子很大,有两、三米长。六角辉木的茎有非常发达的输导组织和机械组织,其树干的横切面上可以看到外部的皮层和极为复杂的组成中柱(根和茎的中轴部分)的维管束。维管束的直径约为10厘米,由七个同心环组成,最里面的一个呈圆形,其余的呈条带状。因此,这样的树干横切面看起来就形成了五光十色的六角形,这就是“六角辉木”名称的由来。
蕨类植物的大发展,促成了地球历史上第一次原始森林的出现,使地球生态系统的整体面貌发生了巨大的变化,为脊椎动物由水上陆奠定了物质基础。
赤裸着种子的植物--裸子植物
当古生代的蕨类植物形成地球上第一次原始森林的时候,比蕨类植物更加进步的裸子植物已经在泥盆纪晚期悄然出现了。但是在当时,地球上的气候温暖潮湿,蕨类植物的发展更为顺利,裸子植物还不能获得优势。到了二叠纪晚期,气候转凉而且变得干燥,蕨类植物不能很好地适应这样的新环境,逐渐退出了植物王国的中心舞台,裸子植物开始发挥出其潜在的优越性而得到了大发展,并将它的繁盛一直持续到白垩纪晚期。可以说,爬行动物王国里的植被是以裸子植物为特征的。
裸子植物是地球上最早用种子进行有性繁殖的,在此之前出现的藻类和蕨类则都是以孢子进行有性生殖的。裸子植物的优越性主要表现在用种子繁殖上。
二叠纪晚期之前,蕨类植物之所以能够得到大量繁殖,主要依靠其孢子体产生大量孢子,飞散到各处,在温暖潮湿的气候条件下,很容易萌发成为配子体;配子体独立生活,在水的帮助下受精形成合子,合子萌发后形成新一代的孢子体。但是在干燥的气候条件下,孢子很难萌发成配子体,萌发出的配子体也不易存活;特别是,没有水不能受精,这就使蕨类植物的繁殖不能正常进行。
裸子植物的配子体不脱离孢子体独立发育,而是受到母体保护;它的受精不需要水作为媒介,而是采用干受精的方式。受精卵在母体里发育成胚,形成种子,然后脱离母体。此时如果遇到不利条件,种子可以不马上萌发,但却继续保持着生命力,待到条件合适时,它们再萌发成为新的植物体。因此,裸子植物保存和延续种族的能力就大大增强了。
裸子植物起源于既有真蕨类特征,又有裸子植物特征的植物,即前裸子植物,其中包括古羊齿类和戟枝蕨类。古羊齿类生活在4亿多年前的晚泥盆世,主茎有1.6米粗、35米高。戟枝蕨类生活在中泥盆世到晚泥盆世,有主茎和枝系之分,可高达10多米。
在晚泥盆世,由前裸子植物进化出一支乔木状的植物。它的叶子大多是典型蕨叶型的羽状复叶,但是却有种子,因此被称为种子蕨。种子蕨虽然有了种子,但却没有胚;虽然有了花粉粒,但是还没有花粉管,也就没有花。这一方面证明了种子蕨是处于原始状态的种子植物的先驱,另一方面也证明了植物系统发育中种子的出现早于花和果实。
在此基础上,裸子植物分化出了苏铁类和松杉类两大类,并在中生代得到蓬勃的发展,成为爬行动物王国里植被中的优势成员。
被子植物--“有花植物”中的佼佼者
如果你到植物园去游玩,你一定会被那里各式各样姹紫嫣红的花卉吸引;每年春天,伴着暖暖的春风绽放在田野、山坡、庭院和路边的大大小小的花朵,也总是最使人感受到春天的气息。作为生活在新生代的生物,人类是幸运的。我们不仅可以享受到各种植物提供给我们的食物,还可以享受到鲜花带给我们的美丽。因此,自古以来人类就对鲜花分外感兴趣。在美术家的笔下和刻刀下,花朵永远是他们描绘或雕琢的一种主题;在诗人和文学家的作品中,对花儿永远有歌颂不尽的词句。而对于植物学家来说,花也是他们研究的重点,甚至被他们当作了一个分类学中的术语——“有花植物”这一名称长期以来被当作种子植物的同义词,包括裸子植物和被子植物两大类。
“有花植物”中的“有花”是指有“花被”或“孢子叶群”,但是实际上,蕨类植物里已经有了孢子叶群,而裸子植物却并没有真正的花被。因此,严格地来说,“有花植物”并不能真正代表种子植物,因此这一名称已经渐渐地不用了。但是正是由于被子植物的花具有真正的花被,因此花成了它们区别于其它植物的最重要的器官。因此一提起花,人们往往想到的就是被植物学家分类在被子植物中的这一大类群。而且,正是因为被子植物拥有包括进步的花在内的各种进步特征,它们成为了从新生代开始直到现代地球上植物界中最占优势的类群。可以说,被子植物是有花植物中的佼佼者,而且也是整个植物界的佼佼者。
那么,被子植物“佼佼”在那里呢?
被子植物与裸子植物一样是用种子进行有性繁殖的。二者的不同之处在于,裸子植物的大孢子囊(即胚珠)是裸露的,以后发育成的种子外面没有包被,也是裸露的;而被子植物的胚珠包在子房里,以后胚珠发育成种子、子房发育成果实,种子被果实包在里面而不再裸露。这样的差别是这两大类植物最重要的差别,因此就成为了裸子植物与被子植物各自名称的由来。而这种差别本身已经体现了被子植物比裸子植物更加进步的特征--具有保护的种子更有利于传播和发育成新一代的植物体。
此外,被子植物还具有一系列其它的进步性。
作为生殖器官,裸子植物的孢子叶球看起来很像是它们的花,但是与被子植物的花比起来,它们就原始得多了。它们或者只有雌蕊群、或者只有雄蕊群,一般只是果鳞集合而成的球状体(如松树的球果)。二叠纪时,某些裸子植物虽然也长有花被,但是这种花被比起被子植物的花被要简单得多。被子植物的花起源于裸子植物的孢子叶球,但是却比孢子叶球进步得多。一个典型的被子植物的花由花萼、花冠(二者合称花被)、雄蕊和雌蕊组成。花冠由花瓣组成,花瓣则是由小的孢子叶退化而形成。花瓣的的细胞内含有多种花色素和芳香油,因此花朵才色彩鲜艳、姹紫嫣红、香气四溢。花瓣的基部还有蜜腺,能够分泌甜蜜而芳香的汁液,这更增添了花朵的芬芳。花朵的这些艳丽色彩和芳香气息,能够招致各种昆虫光顾;昆虫在从花朵中寻觅、采撷或汲取养料的同时,就为植物进行了受粉工作。从此,植物界的有性生殖过程中除了靠风力的传粉之外,由多了一种有效的途径。这一途径实际上体现了植物与昆虫之间互利关系的建立,这种互利使得植物和昆虫能够共同进化,一方面极大地增加了生态系统中的生物多样性,另一方面为被子植物和昆虫的进化发展都开辟了更加广阔的道路。
此外,被子植物在遗传、发育的许多过程中以及茎叶等结构上都体现了进步性。
花开花落几春秋
在距今1亿4千万年前白垩纪开始的时候,更新、更进步的被子植物就已经从某种裸子植物当中分化出来。最原始的的被子植物的花粉发现于早白垩世地层中;近几年来,我国辽西地区发现了许多可能是最早的被子植物的花的化石,为研究被子植物的起源问题提供了最新的资料。
被子植物从早白垩世出现到早白垩世晚期只产生了20余个科,到了晚白垩世初期就已经有了45个科。
进入新生代以后,由于地球环境由中生代的全球均一性热带、亚热带气候逐渐变成在中、高纬度地区四季分明的多样化气候,蕨类植物因适应性的欠缺进一步衰落,裸子植物也因适应性的局限而开始走上了下坡路。这时,被子植物在遗传、发育的许多过程中以及茎叶等结构上的进步性、尤其是它们在花这个繁殖器官上所表现出的巨大进步性发挥了作用,使它们能够通过本身的遗传变异去适应那些变得严酷的环境条件,反而发展得更快,分化出更多类型,到现代已经有了90多个目、200多个科。正是被子植物的花开花落,才把四季分明的新生代地球装点得分外美丽。
在被子植物的系统发展过程中,两个重要的方面是单子叶植物和草本植物的出现。
最原始的被子植物是木兰目植物,它们以及随后出现的其它一些被子植物都是双子叶植物。直到晚白垩世初期,单子叶植物泻泽目和百合目才出现。单子叶植物由双子叶植物分化出来,主要是由于适应不利气候条件而产生的形态上的某种变化所至。它们的茎中,许多维管束散布在薄壁组织里,不产生形成层。有些单子叶植物叶子中维管束很多,叶脉平行封闭,这样可以增加光合作用效率,加快输导作用的速度。单子叶植物主根不发育,却长有许多不定根。这些特征都有利于在一年中比较短的时间里快速地发育生长。有些种类的单子叶植物如禾本科中的甘蔗、玉米等,光合作用效率比其它植物高,其机理是吸收二氧化碳后先形成一种含有四个碳原子的糖(因此它们被称为四碳植物),而不是象其它植物那样先形成含有三个碳原子的糖(这样的植物被称为三碳植物)。四碳植物是比三碳植物更加进步的类型。
原始的被子植物都是木本植物,到了晚白垩纪初期出现了灌木和草本类型。这种变化主要是由于受到气温下降、气候干旱的影响。例如在高山和北极地区,植物体的地上部分很难度过严冬,于是草本植物产生了地下茎,可以储存营养,度过严冬,待到第二年春回地地时地下茎又发芽生长出新的地上植物体。在干旱地区,草本植物则把一年中积累的营养集中储存在大量的种子里,并使种子富有顽强的抗旱性和生活能力以保证物种的繁衍,自身则在产生了种子以后死亡。由此,一年生草本植物就发展起来了。
此外,落叶性被子植物的出现也是对环境变化的一种适应。原始的被子植物是常绿的。早白垩世晚期以后,被子植物转向北温带发展,在接近热带的中纬度南部干凉地带,开始出现了落叶植物。落叶可以减少水分蒸腾,用叶芽的形式储存养料,可以避免低温冻害。
在被子植物的进化过程中,还从原始的两性花分化产生了单性花。单性花先是雌雄同株,后来又出现了雌雄异株。从此,异花授粉取代了自花授粉,产生的种子可以接受双亲的遗传性状,增强了后代的生活力、遗传多样性和进化潜力。