25.4: نباتات الأوعية الدموية بدون بذور
- Page ID
- 196796
المهارات اللازمة للتطوير
- حدد السمات الجديدة التي تظهر لأول مرة في القصبات الهوائية
- ناقش أهمية التكيف مع الحياة على الأرض
- وصف فئات القصبة الهوائية الخالية من البذور
- وصف دورة حياة السرخس
- شرح دور النباتات الوعائية الخالية من البذور في النظام البيئي
النباتات الوعائية، أو القصبات الهوائية، هي المجموعة المهيمنة والأكثر وضوحًا من النباتات البرية. يمثل أكثر من 260،000 نوع من نباتات القصبة الهوائية أكثر من 90 في المائة من الغطاء النباتي للأرض. تشرح العديد من الابتكارات التطورية نجاحها وقدرتها على الانتشار في جميع الموائل.
ربما نجحت النباتات الفطرية في الانتقال من موطن مائي إلى أرض، لكنها لا تزال تعتمد على الماء للتكاثر، وتمتص الرطوبة والمواد الغذائية من خلال سطح النباتات المشيمية. يؤدي نقص الجذور لامتصاص الماء والمعادن من التربة، فضلاً عن نقص الخلايا الموصلة المعززة، إلى تقييد النباتات البريوفيتية بأحجام صغيرة. على الرغم من أنها قد تعيش في ظروف جافة بشكل معقول، إلا أنها لا تستطيع التكاثر وتوسيع نطاق موائلها في غياب الماء. من ناحية أخرى، يمكن للنباتات الوعائية أن تحقق ارتفاعات هائلة، وبالتالي تتنافس بنجاح على الضوء. تتحول أعضاء التمثيل الضوئي إلى أوراق، وتنقل الخلايا الشبيهة بالأنابيب أو الأنسجة الوعائية الماء والمعادن والكربون الثابت في جميع أنحاء الكائن الحي.
في نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور، تعتبر البوغروفيت ثنائي الصبغيات هي المرحلة السائدة من دورة الحياة. أصبح المشيجيت الآن كائنًا غير واضح ولكنه لا يزال مستقلاً. خلال تطور النبات، هناك انعكاس واضح للأدوار في المرحلة السائدة من دورة الحياة. لا تزال النباتات الوعائية الخالية من البذور تعتمد على الماء أثناء الإخصاب، حيث يجب أن تسبح الحيوانات المنوية على طبقة من الرطوبة للوصول إلى البويضة. تشرح هذه الخطوة في التكاثر سبب زيادة وفرة السرخس وأقاربها في البيئات الرطبة.
الأنسجة الوعائية: زيليم وفلوم
تعود الحفريات الأولى التي تظهر وجود الأنسجة الوعائية إلى الفترة السيلورية، قبل حوالي 430 مليون سنة. يُظهر أبسط ترتيب للخلايا الموصلة نمطًا من نسيج الخشب في المركز محاطًا بالفلوم. Xylem هو النسيج المسؤول عن تخزين المياه والمواد المغذية ونقلها لمسافات طويلة، وكذلك نقل عوامل النمو القابلة للذوبان في الماء من أجهزة التخليق إلى الأعضاء المستهدفة. يتكون النسيج من خلايا موصلة، تُعرف باسم القصبة الهوائية، وأنسجة حشو داعمة تسمى الحمة. تقوم الخلايا الموصلة لـ Xylem بدمج اللجنين المركب في جدرانها، وبالتالي يتم وصفها بأنها خشبية. اللجنين نفسه عبارة عن بوليمر معقد غير منفذ للماء ويمنح القوة الميكانيكية للأنسجة الوعائية. بفضل جدرانها الخلوية الصلبة، توفر خلايا الزيلم الدعم للنبات وتسمح له بتحقيق ارتفاعات مذهلة. تتمتع النباتات الطويلة بميزة انتقائية من خلال قدرتها على الوصول إلى ضوء الشمس غير المفلتر وتفريق جراثيمها أو بذورها بعيدًا، وبالتالي توسيع نطاقها. من خلال النمو بشكل أعلى من النباتات الأخرى، تلقي الأشجار الطويلة بظلالها على النباتات الأقصر وتحد من المنافسة على المياه والمغذيات الثمينة في التربة.
الفلوم هو النوع الثاني من الأنسجة الوعائية؛ فهو ينقل السكريات والبروتينات والمواد المذابة الأخرى في جميع أنحاء النبات. تنقسم خلايا الفلوم إلى عناصر غربية (خلايا موصلة) وخلايا تدعم عناصر الغربلة. معًا، تشكل أنسجة الزيلم والفلوم نظام الأوعية الدموية للنباتات.
الجذور: دعم النبات
لا يتم حفظ الجذور جيدًا في السجل الأحفوري. ومع ذلك، يبدو أن الجذور ظهرت لاحقًا في التطور أكثر من الأنسجة الوعائية. يمثل تطوير شبكة واسعة من الجذور ميزة جديدة مهمة للنباتات الوعائية. ربطت الروزويدات الرقيقة النباتات البريوفيتية بالركيزة، لكن هذه الشعيرات الواهية إلى حد ما لم توفر مرساة قوية للنبات؛ كما أنها لم تمتص كميات كبيرة من الماء والمواد المغذية. في المقابل، تنقل الجذور، بنظام الأنسجة الوعائية البارز، الماء والمعادن من التربة إلى بقية النبات. تعمل الشبكة الواسعة من الجذور التي تخترق عمق التربة للوصول إلى مصادر المياه أيضًا على استقرار الأشجار من خلال العمل كصابورة أو مرساة. تنشئ غالبية الجذور علاقة تكافلية مع الفطريات، وتشكل الفطريات، والتي تفيد النبات من خلال زيادة مساحة السطح بشكل كبير لامتصاص الماء ومعادن التربة والمواد المغذية.
الأوراق والمسبوروفيل وستروبيلي
ابتكار ثالث يمثل نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور. وبالتزامن مع بروز الأبواغ وتطور الأنسجة الوعائية، أدى ظهور الأوراق الحقيقية إلى تحسين كفاءتها في التمثيل الضوئي. تلتقط الأوراق مزيدًا من ضوء الشمس مع زيادة مساحة سطحها من خلال استخدام المزيد من البلاستيدات الخضراء لاحتجاز الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كيميائية، والتي تُستخدم بعد ذلك لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى كربوهيدرات. يتم تصدير الكربوهيدرات إلى بقية النبات عن طريق الخلايا الموصلة لأنسجة البلغم.
يشير وجود نوعين من التشكل إلى أن الأوراق تطورت بشكل مستقل في عدة مجموعات من النباتات. النوع الأول من الأوراق هو الميكروفيل، أو «الورقة الصغيرة»، والتي يمكن أن يعود تاريخها إلى 350 مليون سنة مضت في أواخر العصر السيلوري. الميكروفيل صغير وله نظام وعائي بسيط. يمر وريد واحد غير متفرّع - حزمة من الأنسجة الوعائية المصنوعة من نسيج الخشب والفلوم - عبر مركز الورقة. قد تكون الميكروفيلات قد نشأت من تسطيح الفروع الجانبية، أو من سبورانجيا التي فقدت قدراتها الإنجابية. توجد الميكروفيل في طحالب النادي وربما سبقت تطور الميجافيل، أو «الأوراق الكبيرة»، وهي أوراق أكبر بنمط من الأوردة المتفرعة. ظهرت Megaphylls على الأرجح بشكل مستقل عدة مرات خلال مسار التطور. تشير شبكاتهم المعقدة من الأوردة إلى أن العديد من الفروع ربما اندمجت في عضو مسطح، مع ملء الفجوات بين الفروع بأنسجة التمثيل الضوئي.
بالإضافة إلى التمثيل الضوئي، تلعب الأوراق دورًا آخر في حياة النباتات. مخاريط الصنوبر والسعف الناضجة من السرخس والزهور كلها سبوروفيل - أوراق تم تعديلها هيكليًا لتحمل سبورانجيا. Strobili عبارة عن هياكل تشبه المخروط تحتوي على سبورانجيا. وهي بارزة في الصنوبريات وتُعرف عمومًا باسم مخاريط الصنوبر.
السرخس وغيرها من نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور
بحلول أواخر العصر الديفوني، طورت النباتات أنسجة الأوعية الدموية والأوراق المحددة جيدًا وأنظمة الجذر. مع هذه المزايا، زادت النباتات في الطول والحجم. خلال الفترة الكربونية، غطت غابات المستنقعات من طحالب النادي وذيل الخيل - بعض العينات التي وصلت إلى ارتفاعات تزيد عن 30 مترًا (100 قدم) - معظم الأراضي. أدت هذه الغابات إلى ظهور رواسب الفحم الواسعة التي أعطت الكربونيفير اسمها. في نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور، أصبحت الأبواغ المرحلة المهيمنة من دورة الحياة.
لا تزال المياه مطلوبة لتخصيب النباتات الوعائية الخالية من البذور، ويفضل معظمها بيئة رطبة. تشمل نباتات القصبة الهوائية الحديثة الخالية من البذور الطحالب وذيول الخيل والسراخس والسراخس المخفقة.
فيلوم ليكوبوديوفيتا: موسيس النادي
تعد طحالب النادي، أو phylum Lycopodiophyta، أول مجموعة من نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور. لقد سيطروا على المناظر الطبيعية للكربون، ونموا إلى أشجار طويلة وشكلوا غابات مستنقعات كبيرة. طحالب النادي اليوم هي نباتات صغيرة دائمة الخضرة تتكون من جذع (قد يكون متفرعًا) وميكروفيل (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تتكون فصيلة Lycopodiophyta من ما يقرب من 1200 نوع، بما في ذلك الكويلدورتس (Isoetales) وطحالب النادي (Lycopodiales) وطحالب السنبلة (Selaginellales)، وليس أي منها طحالب حقيقية أو نباتات بريوفيت.
تتبع الليكوفيتات نمط تناوب الأجيال الذي يظهر في النباتات البريوفيت، باستثناء أن البوغروفيت هي المرحلة الرئيسية من دورة الحياة. لا تعتمد الفطريات المشيمية على الأبواغ للحصول على العناصر الغذائية. تتطور بعض الفطريات المشيجية تحت الأرض وتشكل ارتباطات فطرية بالفطريات. في طحالب النوادي، تؤدي الأبواغ إلى ظهور سبوروفيل مرتبة في هياكل تشبه الستروبيلي المخروطية التي تعطي الفئة اسمها. يمكن أن تكون الليكوفيتات متجانسة أو غير متجانسة.
Phylum Monilopheta: فئة Equisetopsida (ذيل الحصان)
تنتمي ذيل الحصان وسرخس الخفق والسراخس إلى فيلوم مونيلوفيتا، حيث يتم وضع ذيل الحصان في فئة Equisetopsida. يعتبر الجنس الوحيد Equisetum هو أحد الناجين من مجموعة كبيرة من النباتات، المعروفة باسم Arthrophyta، والتي أنتجت أشجارًا كبيرة وغابات مستنقعات كاملة في Carboniferous. عادة ما توجد النباتات في البيئات الرطبة والمستنقعات (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
يتميز جذع ذيل الحصان بوجود المفاصل أو العقد، ومن هنا جاء اسم Arthrophyta (arthro- = «المفصل»؛ -phyta = «النبات»). تخرج الأوراق والأغصان على شكل دوامات من المفاصل المتباعدة بشكل متساوٍ. لا تساهم الأوراق على شكل إبرة بشكل كبير في عملية التمثيل الضوئي، ومعظمها يحدث في الجذع الأخضر (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
تتجمع السيليكا في خلايا البشرة، مما يساهم في تصلب نباتات ذيل الحصان. السيقان الجوفية المعروفة باسم الجذور ترسي النباتات على الأرض. تعتبر ذيول الحصان الحديثة متجانسة المسام وتنتج نباتات مشيجية ثنائية الجنس.
الفيلوم مونوفيتا: فئة سيلوتوبسيدا (سرخس الخفق)
في حين أن معظم أنواع السرخس تشكل أوراقًا كبيرة وجذور متفرعة، فإن السرخس المخفق، من الفئة Psilotopsida، تفتقر إلى كل من الجذور والأوراق، وربما فقدتها بسبب الاختزال. تتم عملية التمثيل الضوئي في سيقانها الخضراء، وتتشكل المقابض الصفراء الصغيرة عند طرف جذع الفرع وتحتوي على السبورانجيا. كانت سرخس الخفق تعتبر من أوائل أنواع البيروفيتات. ومع ذلك، يشير تحليل الحمض النووي المقارن الأخير إلى أن هذه المجموعة ربما فقدت أنسجة الأوعية الدموية والجذور من خلال التطور، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بالسراخس.
فيلوم مونوفيتا: فئة سيلوتوبسيدا (السرخس)
تعتبر السرخس، بسعفها الكبيرة، أكثر نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور التي يسهل التعرف عليها. تعتبر نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور الأكثر تقدمًا وتظهر الخصائص التي يتم ملاحظتها بشكل شائع في نباتات البذور. يعيش أكثر من 20,000 نوع من السرخس في بيئات تتراوح من المناطق الاستوائية إلى الغابات المعتدلة. على الرغم من أن بعض الأنواع تعيش في البيئات الجافة، إلا أن معظم السرخس تقتصر على الأماكن الرطبة والمظللة. ظهرت السرخس في السجل الأحفوري خلال الفترة الديفونية وتوسعت خلال العصر الكربوني.
المرحلة السائدة من دورة حياة السرخس هي الأبواغ، والتي تتكون من أوراق مركبة كبيرة تسمى السعف. تؤدي السعف دورًا مزدوجًا؛ فهي أجهزة التمثيل الضوئي التي تحمل أيضًا الأعضاء التناسلية. قد يتم دفن الجذع تحت الأرض كجذمور، تنمو منه الجذور العرضية لامتصاص الماء والمواد المغذية من التربة؛ أو قد تنمو فوق الأرض كجذع في سرخس الأشجار (الشكل\(\PageIndex{5}\)). الأعضاء العرضية هي تلك التي تنمو في أماكن غير عادية، مثل الجذور التي تنمو من جانب الساق.
يتم لف طرف سعفة السرخس النامية في صندوق أو رأس كمان (الشكل\(\PageIndex{6}\)). تنفتح رؤوس الكمان مع تطور الجبهة.
أهمية نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور
غالبًا ما تكون الطحالب وديدان الكبد أول كائنات مجهرية تستعمر منطقة ما، سواء في سلسلة أولية - حيث تستقر الأرض العارية لأول مرة بواسطة الكائنات الحية - أو في تتابع ثانوي، حيث تظل التربة سليمة بعد حدث كارثي يقضي على العديد من الأنواع الموجودة. يتم نقل جراثيمها بواسطة الرياح أو الطيور أو الحشرات. بمجرد إنشاء الطحالب وحشيشة الكبد، فإنها توفر الغذاء والمأوى للأنواع الأخرى. في بيئة معادية، مثل التندرا حيث يتم تجميد التربة، تنمو نباتات البريوفيت جيدًا لأنها لا تحتوي على جذور ويمكن أن تجف وتجدد بسرعة بمجرد توفر المياه مرة أخرى. تقع الطحالب في قاعدة السلسلة الغذائية في منطقة التندرا الأحيائية. تعتمد العديد من الأنواع - من الحشرات الصغيرة إلى ثيران المسك والرنة - على الطحالب للحصول على الغذاء. في المقابل، تتغذى الحيوانات المفترسة على الحيوانات العاشبة، وهي المستهلك الأساسي. تشير بعض التقارير إلى أن النباتات البريوفيتية تجعل التربة أكثر قابلية للاستعمار من قبل النباتات الأخرى. تعمل الطحالب على تجديد التربة بالنيتروجين لأنها تنشئ علاقات تكافلية مع البكتيريا الزرقاء المثبتة للنيتروجين.
في نهاية القرن التاسع عشر، لاحظ العلماء أن الأشنات والطحالب أصبحت نادرة بشكل متزايد في المناطق الحضرية والضواحي. نظرًا لأن النباتات البريوفيتية لا تمتلك نظامًا جذريًا لامتصاص الماء والمواد المغذية، ولا طبقة بشرة تحميها من الجفاف، فإن الملوثات في مياه الأمطار تخترق أنسجتها بسهولة؛ فهي تمتص الرطوبة والمواد المغذية من خلال أسطحها المكشوفة بالكامل. لذلك، فإن الملوثات الذائبة في مياه الأمطار تخترق أنسجة النبات بسهولة ولها تأثير أكبر على الطحالب مقارنة بالنباتات الأخرى. يمكن اعتبار اختفاء الطحالب مؤشرًا حيويًا لمستوى التلوث في البيئة.
تساهم السرخس في البيئة من خلال تعزيز تجوية الصخور، وتسريع تكوين التربة السطحية، وإبطاء التآكل عن طريق نشر الجذور في التربة. تحتوي سرخس الماء من جنس Azolla على البكتيريا الزرقاء المثبتة للنيتروجين وتستعيد هذه المغذيات المهمة إلى الموائل المائية.
لعبت النباتات الخالية من البذور تاريخيًا دورًا في حياة الإنسان من خلال استخداماتها كأدوات ووقود وأدوية. يشيع استخدام الطحالب المجففة، Sphagnum، كوقود في بعض أجزاء أوروبا وتعتبر موردًا متجددًا. تُزرع مستنقعات Sphagnum (الشكل\(\PageIndex{11}\)) بشجيرات التوت البري والتوت. إن قدرة Sphagnum على الاحتفاظ بالرطوبة تجعل الطحلب مكيفًا شائعًا للتربة. يستخدم بائعو الزهور كتل Sphagnum للحفاظ على الرطوبة لترتيبات الأزهار.
إن سعف السرخس الجذاب يجعلها نبات الزينة المفضل. نظرًا لأنها تزدهر في الإضاءة المنخفضة، فهي مناسبة تمامًا كنباتات منزلية. والأهم من ذلك أن الفيدلهيدس هو طعام ربيعي تقليدي للأمريكيين الأصليين في شمال غرب المحيط الهادئ، ويشتهر كطبق جانبي في المطبخ الفرنسي. يعتبر سرخس عرق السوس، Polypodium glycyrrhiza، جزءًا من النظام الغذائي للقبائل الساحلية في شمال غرب المحيط الهادئ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى حلاوة جذوره. له طعم عرق السوس الباهت ويعمل كمُحلي. يظهر الجذمور أيضًا في دستور الأدوية للأمريكيين الأصليين لخصائصه الطبية ويستخدم كعلاج لالتهاب الحلق.
رابط إلى التعلم
انتقل إلى هذا الموقع لمعرفة كيفية التعرف على أنواع السرخس بناءً على رؤوس الكمان الخاصة بها.
ومع ذلك، فإن التأثير الأكبر للنباتات الوعائية الخالية من البذور على حياة الإنسان يأتي إلى حد بعيد من أسلافها المنقرضين. أدت الطحالب الطويلة وذيول الخيل والسراخس الشبيهة بالأشجار التي ازدهرت في غابات المستنقعات في الفترة الكربونية إلى ظهور رواسب كبيرة من الفحم في جميع أنحاء العالم. كان الفحم مصدرًا وفيرًا للطاقة خلال الثورة الصناعية، مما كان له عواقب وخيمة على المجتمعات البشرية، بما في ذلك التقدم التكنولوجي السريع ونمو المدن الكبيرة، فضلاً عن تدهور البيئة. لا يزال الفحم مصدرًا رئيسيًا للطاقة وأيضًا مساهمًا رئيسيًا في ظاهرة الاحتباس الحراري.
ملخص
تتكون أنظمة الأوعية الدموية من نسيج الخشب، الذي ينقل الماء والمعادن، وأنسجة البلغم، التي تنقل السكريات والبروتينات. مع تطور نظام الأوعية الدموية، ظهرت أوراق تعمل كأعضاء كبيرة في التمثيل الضوئي، وجذور للوصول إلى الماء من الأرض. الأوراق الصغيرة غير المعقدة هي ميكروفيلز. الأوراق الكبيرة ذات الأنماط الوريدية هي megaphyls. الأوراق المعدلة التي تحمل سبورانجيا هي سبوروفيل. يتم ترتيب بعض البوروفيلز في هياكل مخروطية تسمى الستروبيلي.
تشمل نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور الطحالب، وهي الأكثر بدائية؛ والسراخس المخفقة، التي فقدت أوراقها وجذورها بسبب التطور الاختزالي؛ وذيل الحصان والسراخس. السرخس هي المجموعة الأكثر تقدمًا من نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور. تتميز بأوراق كبيرة تسمى السعف وهياكل صغيرة تحتوي على سبورانجيا تسمى سوري، والتي توجد على الجانب السفلي من السعف.
تلعب الطحالب دورًا أساسيًا في توازن النظم البيئية؛ فهي من الأنواع الرائدة التي تستعمر البيئات العارية أو المدمرة وتجعل من الممكن حدوث تعاقب. إنها تساهم في إثراء التربة وتوفير المأوى والمواد الغذائية للحيوانات في البيئات المعادية. يمكن استخدام الطحالب والسراخس كوقود وتخدم أغراض الطهي والطب والديكور.
اتصالات فنية
الشكل\(\PageIndex{7}\): Which of the following statements about the fern life cycle is false?
- Sporangia produce haploid spores.
- The sporophyte grows from a gametophyte.
- The sporophyte is diploid and the gametophyte is haploid.
- Sporangia form on the underside of the gametophyte.
- Answer
-
D.
Glossary
- adventitious
- describes an organ that grows in an unusual place, such as a roots growing from the side of a stem
- club mosses
- earliest group of seedless vascular plants
- fern
- seedless vascular plant that produces large fronds; the most advanced group of seedless vascular plants
- horsetail
- seedless vascular plant characterized by joints
- lignin
- complex polymer impermeable to water
- lycophyte
- club moss
- megaphyll
- larger leaves with a pattern of branching veins
- microphyll
- small size and simple vascular system with a single unbranched vein
- peat moss
- Sphagnum
- phloem
- tissue responsible for transport of sugars, proteins, and other solutes
- sporophyll
- leaf modified structurally to bear sporangia
- strobili
- cone-like structures that contain the sporangia
- tracheophyte
- vascular plant
- vein
- bundle of vascular tissue made of xylem and phloem
- whisk fern
- seedless vascular plant that lost roots and leaves by reduction
- xylem
- tissue responsible for long-distance transport of water and nutrients