Растения демонстрируют разнообразие жизненных циклов, однако в любом из них можно выделить два поколения:
- спорофит (от др.-греч. spora [спо́ра] — «посев» и phyton [фи́тон] — «растение»), обеспечивающий бесполое размножение;
- гаметофит (от др.-греч. gametes [гаме́тэс] — «супруги» и phyton [фи́тон] — «растение»), отвечающий за половое размножение.
На схеме изображен жизненный цикл любого растения. Чередование поколений позволяет распределить затраты энергии между разными этапами цикла.
Половое размножение
Половым размножением называют процесс, характерный для большинства эукариотических организмов и связанный с развитием новых организмов из половых клеток - гамет. Половые клетки изображены на схеме буквой n. Обычно при половом размножении в геноме потомка объединяются гены двух разных организмов — родителей. Процесс слияния половых клеток называют оплодотворением, а образовавшуюся при слиянии гамет клетку — зиготой. Спорофит развивается из зиготы (2n) и производит споры (n)— клетки, служащие для бесполого размножения. При таком слиянии в зиготе создаются новые комбинации генов, то есть повышается генетическое разнообразие потомства. Представьте, что n — это одиночный набор инструментов, например, отвертки, а 2n — это два таких набора, один красный (от мамы), другой синий (от папы). Вместе они дают больше возможностей для “ремонта” (генетической вариативности).Чем больше разнообразие генов, тем больше шансов организму приспособиться к постоянно изменяемым условиям среды.
Бесполое размножение
Биологическая роль бесполого размножения заключается в быстром размножении и расселении организмов. На бесполое размножение расходуется меньше энергии, нежели на половое, но в итоге образуются организмы, идентичные по своим наследственным качествам материнскому (клоны матери). Генетическое разнообразие при таком размножении сильно хромает и есть большой шанс того, что в дальнейшем всё поколение может исчезнуть.
Преимущества
Данная эволюционная стратегия помогает растениям исключить возможные проблемы с генетикой. Гаметофит даёт возможность естественного отбора на уровне гаплоидного (n) генома. Любые мутации сразу проявляются, и менее жизнеспособные особи исключаются. Спорофит же, будучи диплоидным (2n), защищён от вредного влияния рецессивных мутаций благодаря наличию второго набора генов.
Помимо этого растениям приходится тратить намного меньше энергии для развития, что помогает успешно заселить сушу и стать основой большинства экосистем Земли.
Разнообразие чередования поколений
Разные классы растений имеют разные типы циклов. Спорофиты и гаметофиты могут отличаться как и по размеру, так и по продолжительности существования в цикле.
Водоросли
Так, у низших растений — водорослей — встречаются разнообразные типы жизненных циклов. Преобладание спорофита характерно для фукуса и ламинарии (бурые водоросли), диатомовых и некоторых зелёных водорослей (кодиум, кладофора). Гаметофит и спорофит, не имеющие выраженных морфологических отличий, есть у улотрикса и ульвы (зелёные водоросли). У хламидомонады, хары и спирогиры в жизненном цикле преобладает гаметофит, а спорофит существует только в виде зиготы, которая сразу же делится мейозом и даёт споры. У красных водорослей гаметофит и спорофит обычно срастаются и образуют единый таллом.
Мхи
У мхов привычные нам зелёные растения — это гаметофиты. Спорофит мхов лишён самостоятельности и развивается прямо на гаметофите. Он состоит из ножки и коробочки, не способен к фотосинтезу или быстро теряет способность фотосинтезировать и живёт за счёт гаметофита. Внутри коробочки образуются споры, которые дают начало новым зелёным растениям мха. Таким образом, преобладающей стадией в жизненном цикле мхов является гаметофит.
Споровые
Основная жизненная стадия у споровых сосудистых растений — спорофит. На листьях папоротников и на листочках спороносных колосков хвощей и плаунов образуются спорангии - органы, в которых в результате мейоза формируются одноклеточные споры. Разлетаясь и попадая в подходящие условия, они дают начало гаметофиту — заростку. На заростках формируются половые клетки (гаметы) и происходит оплодотворение. Прямо на гаметофите из зиготы начинает развиваться спорофит, гаметофит впоследствии погибает.
Семенные растения
У семенных растений самостоятельного гаметофита практически не существует. Мужской гаметофит — это пыльцевое зерно, а женский — группа клеток (зародышевый мешок у цветковых и первичный эндосперм у голосеменных). После оплодотворения развивающийся из зиготы зародыш семени (будущий спорофит) проходит первые этапы развития под защитой материнского организма — внутри семени и плода.
Соотношение
Так как в жизненном цикле водорослей наблюдаются более различные по длительности фазы спорофита и гаметофита, можно предположить, что высшие растения унаследовали жизненные циклы от своих водорослеподобных предков.
Эволюция жизненного цикла высших растений шла в двух противоположных направлениях. У моховидных эволюция была направлена в сторону возрастания роли гаметофита и потери самостоятельности спорофита. У всех остальных высших растений самостоятельной фазой жизненного цикла стал спорофит, а гаметофит в течение эволюции постепенно уменьшался и упрощался.
Заключение
Чередование поколений является важной эволюционной стратегией растений, которая обеспечивает их успешное выживание и распространение в самых разных условиях. Сочетание гаплоидного (n) и диплоидного (2n) этапов жизненного цикла позволяет максимально использовать преимущества генетического разнообразия, повышать устойчивость к неблагоприятным факторам и эффективно размножаться.
Это явление отражает гибкость и приспособленность растений к окружающей среде, сыграв ключевую роль в их эволюции, начиная от простейших водорослей и заканчивая сложными цветковыми растениями. Изучение чередования поколений не только углубляет наше понимание биологии растений, но и помогает находить новые подходы к сохранению биоразнообразия и разработке разных сельскохозяйственных технологий.