14.1: المملكة النباتية
- Page ID
- 191687
النباتات هي مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات الحية. هناك ما يقرب من 300000 نوع من النباتات المفهرسة. 1 من بين هذه النباتات، هناك حوالي 260,000 نبتة تنتج البذور. الطحالب والسراخس والصنوبريات والنباتات المزهرة كلها أعضاء في المملكة النباتية. تحتوي المملكة النباتية في الغالب على كائنات التمثيل الضوئي؛ فقدت بعض الأشكال الطفيلية القدرة على التمثيل الضوئي. تستخدم عملية التمثيل الضوئي الكلوروفيل الموجود في عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء. تمتلك النباتات جدران خلوية تحتوي على السليلوز. تتكاثر معظم النباتات جنسياً، ولكن لديها أيضًا طرق متنوعة للتكاثر اللاجنسي. تُظهر النباتات نموًا غير محدد، مما يعني أنها لا تملك شكل الجسم النهائي، ولكنها تستمر في نمو كتلة الجسم حتى تموت.
تكيفات النبات مع الحياة على الأرض
عندما تتكيف الكائنات الحية مع الحياة على الأرض، يتعين عليها مواجهة العديد من التحديات في البيئة الأرضية. تم وصف الماء بأنه «مادة الحياة». الجزء الداخلي للخلية - الوسط الذي تذوب فيه معظم الجزيئات الصغيرة وتنتشر، والذي تحدث فيه غالبية التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الغذائي - هو حساء مائي. يشكل الجفاف أو الجفاف خطرًا دائمًا على الكائن الحي المعرض للهواء. حتى عندما تكون أجزاء النبات قريبة من مصدر للمياه، فمن المحتمل أن تجف هياكلها الهوائية. توفر المياه الطفو للكائنات الحية التي تعيش في الموائل المائية. على الأرض، تحتاج النباتات إلى تطوير الدعم الهيكلي في الهواء - وسيط لا يعطي نفس الرفع. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تصل الأمشاج الذكورية إلى الأمشاج الأنثوية باستخدام استراتيجيات جديدة لأن السباحة لم تعد ممكنة. أخيرًا، يجب حماية كل من الأمشاج والزيجوت من الجفاف. طورت النباتات البرية الناجحة استراتيجيات للتعامل مع كل هذه التحديات، على الرغم من عدم ظهور جميع التعديلات في وقت واحد. لم تبتعد بعض الأنواع عن البيئة المائية، بينما تركت الأنواع الأخرى الماء واستمرت في التغلب على أكثر البيئات جفافاً على الأرض.
لتحقيق التوازن بين تحديات البقاء هذه، توفر الحياة على الأرض العديد من المزايا. أولاً، ضوء الشمس وفير. على الأرض، لا يتم تصفية الجودة الطيفية للضوء الذي تمتصه صبغة التمثيل الضوئي، الكلوروفيل، بواسطة الماء أو أنواع التمثيل الضوئي المنافسة في عمود الماء أعلاه. ثانيًا، يتوفر ثاني أكسيد الكربون بسهولة أكبر لأن تركيزه أعلى في الهواء منه في الماء. بالإضافة إلى ذلك، تطورت النباتات البرية قبل الحيوانات البرية؛ لذلك، حتى استعمرت الحيوانات الأراضي الجافة، لم تهدد الحيوانات المفترسة رفاهية النباتات. تغير هذا الوضع مع خروج الحيوانات من الماء ووجدت مصادر وفيرة من العناصر الغذائية في النباتات القائمة. في المقابل، طورت النباتات استراتيجيات لردع الافتراس: من الأشواك والأشواك إلى المواد الكيميائية السامة.
لم تعيش النباتات البرية المبكرة، مثل الحيوانات البرية المبكرة، بعيدًا عن مصدر وفير للمياه وطورت استراتيجيات البقاء على قيد الحياة لمكافحة الجفاف. إحدى هذه الاستراتيجيات هي تحمل الجفاف. يمكن أن تجف الطحالب، على سبيل المثال، إلى حصيرة بنية وهشة، ولكن بمجرد أن يوفر المطر الماء، سوف تمتصه الطحالب وتستعيد مظهرها الصحي والأخضر. هناك إستراتيجية أخرى تتمثل في استعمار البيئات ذات الرطوبة العالية حيث يكون الجفاف غير شائع. تزدهر السرخس، وهي سلالة مبكرة من النباتات، في الأماكن الرطبة والباردة، مثل الطبقة السفلية للغابات المعتدلة. في وقت لاحق، ابتعدت النباتات عن البيئات المائية باستخدام مقاومة الجفاف بدلاً من التحمل. تعمل هذه النباتات، مثل الصبار، على تقليل فقدان المياه إلى الحد الذي يمكنها من البقاء على قيد الحياة في أكثر البيئات جفافاً على الأرض.
بالإضافة إلى التكيفات الخاصة بالحياة على الأرض، تعرض النباتات البرية تعديلات كانت مسؤولة عن تنوعها وهيمنتها في النظم البيئية الأرضية. توجد أربعة تكيفات رئيسية في العديد من النباتات الأرضية: تناوب الأجيال، والبورانيوم الذي تتشكل فيه الجراثيم، والماجيتانيوم الذي ينتج خلايا أحادية الصبغيات، وفي النباتات الوعائية، نسيج المريستم القمي في الجذور والبراعم.
تناوب الأجيال
يصف تناوب الأجيال دورة حياة يكون فيها للكائن الحي مراحل أحادية الصبغية وثنائية الصبغيات متعددة الخلايا (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
يشير مصطلح Haplontic إلى دورة الحياة التي توجد فيها مرحلة أحادية الصيغة الصبغية مهيمنة. يشير مصطلح Diplontic إلى دورة الحياة التي تكون فيها المرحلة ثنائية الصبغيات هي المرحلة السائدة، ولا يُرى رقم الكروموسوم أحادي الصبغيات إلا لفترة وجيزة في دورة الحياة أثناء التكاثر الجنسي. البشر دبلوماسيون، على سبيل المثال. تُظهر معظم النباتات تناوبًا بين الأجيال، وهو ما يوصف بأنه أحادي الصبغيات: الشكل أحادي الصبغيات متعدد الخلايا المعروف باسم الفطريات المشيجية يتبعه في تسلسل التطور كائن ثنائي الصبغيات متعدد الخلايا، وهو البوغروفيت. تؤدي الفطريات المشيمية إلى ظهور الأمشاج أو الخلايا التناسلية عن طريق الانقسام الفتيلي. يمكن أن تكون المرحلة الأكثر وضوحًا في دورة حياة النبات، كما هو الحال في الطحالب، أو يمكن أن تحدث في بنية مجهرية، مثل حبوب اللقاح في النباتات العليا (المصطلح الجماعي للنباتات الوعائية). بالكاد يمكن ملاحظة مرحلة الأبواغ في النباتات السفلية (المصطلح الجماعي للمجموعات النباتية من الطحالب وحشيشة الكبد ونباتات الأبواق). الأشجار الشاهقة هي المرحلة الدبلوماسية في دورات حياة النباتات مثل السيكويا والصنوبر.
سبورانجيا في النباتات الخالية من البذور
يتكاثر نبات سبوروت النباتات الخالية من البذور وينتج عن التزاوج أو اندماج اثنين من الأمشاج (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يحمل الأبواغ السوبرانجيا (المفرد، سبورانجيوم)، الأعضاء التي ظهرت لأول مرة في النباتات البرية. يعني مصطلح «سبورانجيا» حرفيًا «بوغ في وعاء»، لأنه كيس تناسلي يحتوي على جراثيم. داخل الأبواغ متعددة الخلايا، تنتج الخلايا البوغية ثنائية الصبغيات، أو الخلايا الأم، جراثيم أحادية الصبغيات عن طريق الانقسام الاختزالي، مما يقلل عدد الكروموسوم 2 n إلى 1 n. يتم إطلاق الجراثيم لاحقًا بواسطة الأبواغ وتنتشر في البيئة. يتم إنتاج نوعين مختلفين من الجراثيم في النباتات البرية، مما يؤدي إلى فصل الجنسين في مراحل مختلفة من دورة الحياة. تنتج النباتات غير الوعائية الخالية من البذور (التي يشار إليها بشكل أكثر ملاءمة باسم «النباتات غير الوعائية الخالية من البذور ذات الطور المشيجي السائد») نوعًا واحدًا فقط من الجراثيم، وتسمى متجانسة المسام. بعد الإنبات من البوغ، تنتج الفطريات المشيمية كلا من الذكور والإناث، وعادة على نفس الفرد. في المقابل، تنتج النباتات غير المتجانسة نوعين مختلفين من الجراثيم من الناحية الشكلية. تسمى جراثيم الذكور بالجراثيم الدقيقة نظرًا لصغر حجمها؛ وستتطور المسام الضخمة نسبيًا إلى الفطريات المشيجية الأنثوية. لوحظ عدم التغاير في عدد قليل من نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور وفي جميع نباتات البذور.
عندما تنبت البوغ أحادي الصبغيات، فإنها تولد بكتيريا مشيمية متعددة الخلايا عن طريق الانقسام الفتيلي. تدعم الفطريات المشيمية الزيجوت المتكون من اندماج الأمشاج وما ينتج عن ذلك من البقع الصغيرة أو الشكل النباتي، وتبدأ الدورة من جديد (الشكل\(\PageIndex{2}\) والشكل\(\PageIndex{3}\)).
تُحاط جراثيم النباتات الخالية من البذور وحبوب لقاح نباتات البذور بجدران خلوية سميكة تحتوي على بوليمر قوي يعرف باسم سبوروبولينين. تتميز هذه المادة بسلاسل طويلة من الجزيئات العضوية المتعلقة بالأحماض الدهنية والكاروتينات، وتعطي معظم حبوب اللقاح لونها الأصفر. سبوروبولينين مقاوم بشكل غير عادي للتحلل الكيميائي والبيولوجي. تفسر صلابتها وجود أحافير حبوب اللقاح المحفوظة جيدًا. كان يُعتقد سابقًا أن سبوروبولينين هو ابتكار للنباتات البرية؛ ومع ذلك، فإن الطحالب الخضراء Coleochaetes معروفة الآن بتكوين جراثيم تحتوي على سبوروبولينين.
حماية الجنين هي مطلب رئيسي للنباتات الأرضية. يجب حماية الجنين الضعيف من الجفاف والمخاطر البيئية الأخرى. في كل من النباتات الخالية من البذور والبذور، توفر النباتات المشيجية الأنثوية التغذية، وفي نباتات البذور، تتم حماية الجنين أيضًا أثناء تطوره إلى الجيل الجديد من البوغروفيت.
Gametangia في النباتات الخالية من البذور
Gametangia (المفرد، gametangium) عبارة عن هياكل على النباتات المشيجية للنباتات الخالية من البذور حيث يتم إنتاج الأمشاج عن طريق الانقسام الفتيلي. يطلق الجاميتانيوم الذكري، الأنثيريديوم، الحيوانات المنوية. تنتج العديد من النباتات الخالية من البذور الحيوانات المنوية المجهزة بالأسواط التي تمكنها من السباحة في بيئة رطبة إلى الأرشيغونيا، أنثى الجاميتانيوم. يتطور الجنين داخل الأرشيغونيوم باسم البوروفيت.
القيم القمية
يزداد طول براعم وجذور النباتات من خلال الانقسام الخلوي السريع داخل نسيج يسمى المريستم القمي (الشكل\(\PageIndex{4}\)). المريستم القمي عبارة عن غطاء من الخلايا في طرف النبتة أو طرف الجذر مصنوع من خلايا غير متمايزة تستمر في التكاثر طوال عمر النبات. تؤدي الخلايا المريستيمية إلى ظهور جميع الأنسجة المتخصصة للنبات. يسمح استطالة البراعم والجذور للنبات بالوصول إلى مساحة وموارد إضافية: الضوء في حالة البراعم، والماء والمعادن في حالة الجذور. ينتج ميريستم منفصل، يسمى المريستم الجانبي، خلايا تزيد من قطر السيقان وجذوع الأشجار. تعتبر النباتات القمية تكيفًا للسماح للنباتات الوعائية بالنمو في الاتجاهات الأساسية لبقائها: صعودًا إلى زيادة توافر ضوء الشمس، ونزولًا إلى التربة للحصول على الماء والمعادن الأساسية.
تعديلات إضافية على نباتات الأراضي
عندما تكيفت النباتات مع الأراضي الجافة وأصبحت مستقلة عن الوجود المستمر للمياه في الموائل الرطبة، ظهرت أعضاء وهياكل جديدة. لم تنمو النباتات البرية المبكرة فوق بضع بوصات من الأرض، وعلى هذه الحصائر المنخفضة، تنافست على الضوء. من خلال تطوير اللقطة وزيادة طولها، التقطت النباتات الفردية مزيدًا من الضوء. نظرًا لأن الهواء يوفر دعمًا أقل بكثير من الماء، فقد أدرجت النباتات البرية جزيئات أكثر صلابة في سيقانها (ولاحقًا، جذوع الأشجار). كان تطور الأنسجة الوعائية لتوزيع الماء والمواد المذابة شرطًا أساسيًا ضروريًا للنباتات لتطوير أجسام أكبر. يحتوي نظام الأوعية الدموية على أنسجة نسيج الخشب والقشريات. ينقل Xylem الماء والمعادن المأخوذة من التربة حتى النبتة؛ ينقل الفلوم الطعام المشتق من عملية التمثيل الضوئي في جميع أنحاء النبات بأكمله. كما أدى نظام الجذر الذي تطور لامتصاص الماء والمعادن إلى ترسيخ البراعم الأطول بشكل متزايد في التربة.
في النباتات البرية، يغطي غطاء شمعي مقاوم للماء يسمى غشاء الأجزاء الهوائية من النبات: الأوراق والسيقان. تمنع البشرة أيضًا تناول ثاني أكسيد الكربون اللازم لتخليق الكربوهيدرات من خلال عملية التمثيل الضوئي. لذلك ظهرت الثغور، أو المسام، التي تفتح وتغلق لتنظيم حركة الغازات وبخار الماء في النباتات أثناء انتقالها إلى موائل أكثر جفافاً.
لا يمكن للنباتات تجنب الحيوانات المفترسة. بدلاً من ذلك، يقومون بتجميع مجموعة كبيرة من المستقلبات الثانوية السامة: الجزيئات العضوية المعقدة مثل القلويات، التي تردع رائحتها الضارة وطعمها غير السار الحيوانات. يمكن أن تسبب هذه المركبات السامة أمراضًا شديدة وحتى الموت.
بالإضافة إلى ذلك، مع تطور النباتات مع الحيوانات، تم تطوير مستقلبات حلوة ومغذية لجذب الحيوانات لتقديم مساعدة قيمة في توزيع حبوب اللقاح أو الفاكهة أو البذور. تطورت النباتات مع شركاء الحيوانات لمئات الملايين من السنين (الشكل\(\PageIndex{5}\)).
التطور في العمل: علم النبات القديم
إن كيفية اكتساب الكائنات الحية للسمات التي تسمح لها باستعمار بيئات جديدة، وكيفية تشكيل النظام البيئي المعاصر، هي أسئلة أساسية للتطور. يعالج علم النبات القديم هذه الأسئلة من خلال التخصص في دراسة النباتات المنقرضة. يقوم علماء الحفريات القديمة بتحليل العينات التي تم استردادها من الدراسات الميدانية، وإعادة تشكيل مورفولوجيا الكائنات الحية التي اختفت منذ فترة طويلة. إنهم يتتبعون تطور النباتات من خلال اتباع التعديلات في مورفولوجيا النبات، ويسلطون الضوء على العلاقة بين النباتات الموجودة من خلال تحديد الأسلاف المشتركين الذين يظهرون نفس السمات. يسعى هذا الحقل إلى إيجاد الأنواع الانتقالية التي تسد الفجوات في مسار تطور الكائنات الحية الحديثة. تتكون الأحافير عندما تكون الكائنات الحية محاصرة في الرواسب أو البيئات حيث يتم الحفاظ على أشكالها (الشكل\(\PageIndex{6}\)). يحدد علماء الحفريات القديمة العمر الجيولوجي للعينات وطبيعة بيئتها باستخدام الرواسب الجيولوجية والكائنات الأحفورية المحيطة بها. يتطلب النشاط عناية كبيرة للحفاظ على سلامة الحفريات الدقيقة والطبقات التي توجد فيها.
يعد استخدام الكيمياء التحليلية والبيولوجيا الجزيئية لدراسة الحفريات من أكثر التطورات الأخيرة إثارة في علم النبات القديم. يتطلب الحفاظ على الهياكل الجزيئية بيئة خالية من الأكسجين، لأن الأكسدة وتدهور المواد من خلال نشاط الكائنات الحية الدقيقة يعتمدان على وجود الأكسجين. أحد الأمثلة على استخدام الكيمياء التحليلية والبيولوجيا الجزيئية هو تحديد أوليانان، وهو مركب يردع الآفات ويبدو، حتى هذه اللحظة، أنه فريد للنباتات المزهرة. تم استخراج أوليانان من الرواسب التي يرجع تاريخها إلى العصر البرمي، في وقت أبكر بكثير من التواريخ الحالية المحددة لظهور النباتات المزهرة الأولى. تعطي الأحماض النووية المتحجرة - الحمض النووي والحمض النووي الريبي - معظم المعلومات. يتم تحليل تسلسلاتها ومقارنتها مع تلك الخاصة بالكائنات الحية وذات الصلة. من خلال هذا التحليل، يمكن بناء علاقات تطورية لسلالات النباتات.
يشكك بعض علماء الحفريات القديمة في الاستنتاجات المستخلصة من تحليل الحفريات الجزيئية. على سبيل المثال، تتحلل المواد الكيميائية ذات الأهمية بسرعة أثناء العزل الأولي عند تعرضها للهواء، وكذلك في عمليات التلاعب الإضافية. هناك دائمًا خطر كبير لتلويث العينات بمواد غريبة، معظمها من الكائنات الحية الدقيقة. ومع ذلك، مع تحسين التكنولوجيا، سيوفر تحليل الحمض النووي من النباتات المتحجرة معلومات لا تقدر بثمن عن تطور النباتات وتكيفها مع بيئة دائمة التغير.
الأقسام الرئيسية للنباتات الأرضية
يتم تصنيف النباتات البرية إلى مجموعتين رئيسيتين وفقًا لغياب أو وجود الأنسجة الوعائية، كما هو مفصل في الشكل\(\PageIndex{7}\). يشار إلى النباتات التي تفتقر إلى الأنسجة الوعائية المكونة من خلايا متخصصة لنقل المياه والمواد المغذية بالنباتات غير الوعائية. تعتبر النباتات البريوانية وحشيشة الكبد والطحالب والديدان القرنية خالية من البذور وغير وعائية، ومن المحتمل أنها ظهرت مبكرًا في تطور نباتات الأرض. طورت النباتات الوعائية شبكة من الخلايا التي تنقل الماء وتذوب عبر جسم النبات. ظهرت أولى نباتات الأوعية الدموية في أواخر العصر الأوردوفيشي (منذ 461-444 مليون سنة) وربما كانت مشابهة للليكوفيت، والتي تشمل طحالب النادي (لا ينبغي الخلط بينها وبين الطحالب) والبتروفيتات (السرخس وذيل الحصان والسراخس المخفقة). يشار إلى الليكوفيت والبتروفيتات بالنباتات الوعائية الخالية من البذور. إنهم لا ينتجون البذور، وهي أجنة مع احتياطياتها الغذائية المخزنة محمية بغلاف صلب. تشكل نباتات البذور أكبر مجموعة من جميع النباتات الموجودة، وبالتالي تهيمن على المناظر الطبيعية. تشمل نباتات البذور نباتات الجمنازيوم، وأبرزها الصنوبريات، التي تنتج «بذورًا عارية»، والنباتات الأكثر نجاحًا، وهي النباتات المزهرة، أو كاسيات البذور، التي تحمي بذورها داخل الغرف في مركز الزهرة. تتطور جدران هذه الغرف لاحقًا إلى ثمار.
ملخص القسم
طورت النباتات البرية سمات جعلت من الممكن استعمار الأرض والبقاء على قيد الحياة خارج الماء. تشمل التكيفات مع الحياة على الأرض أنسجة الأوعية الدموية والجذور والأوراق والبشرة الشمعية والطبقة الخارجية الصلبة التي تحمي الجراثيم. تشمل النباتات البرية النباتات غير الوعائية والنباتات الوعائية. تحتوي النباتات الوعائية، التي تشمل النباتات الخالية من البذور والنباتات ذات البذور، على نباتات قمية وأجنة ذات مخازن غذائية. تشترك جميع النباتات البرية في الخصائص التالية: تناوب الأجيال، حيث يُطلق على النبات أحادي الصيغة الصبغية اسم النبتة المشيجية والنبات ثنائي الصبغيات الذي يُطلق عليه اسم البوروفيت؛ وتكوين جراثيم أحادية الصبغيات في الأبواغ؛ وتشكيل الأمشاج في الأميتانيوم.
الحواشي
- 1 A.D. Chapman (2009) أعداد الأنواع الحية في أستراليا والعالم. الطبعة الثانية. تقرير لدراسة الموارد البيولوجية الأسترالية. خدمات معلومات التنوع البيولوجي الأسترالية، توومبا، أستراليا. متاح على الإنترنت على http://www.environment.gov.au/biodiv...ps-plants.html.
مسرد المصطلحات
- الجدارة القمية
- نقطة النمو في نبات الأوعية الدموية عند طرف النبتة أو الجذر حيث يحدث انقسام الخلايا
- دبلوماسي
- يصف دورة الحياة التي تكون فيها المرحلة ثنائية الصيغة الصبغية هي المرحلة السائدة
- جيميتانيوم
- (صيغة الجمع: gametangia) الهيكل الذي يتم من خلاله إنتاج الأمشاج
- المشيجيت
- النبات أحادي الصبغي الذي ينتج الأمشاج
- هابلوديبلونتيك
- يصف دورة الحياة التي تتناوب فيها المراحل أحادية الصبغية وثنائية الصبغيات؛ وتُعرف أيضًا بتناوب دورة حياة الأجيال
- هابلونتيك
- يصف دورة الحياة التي تكون فيها المرحلة أحادية الصيغة الصبغية هي المرحلة السائدة
- غير متجانسة المسامية
- وجود نوعين من الجراثيم التي تؤدي إلى ظهور الفطريات المشيمية الذكرية والأنثوية
- متماثل المسام
- وجود نوع واحد من الجراثيم التي تؤدي إلى ظهور الفطريات المشيمية التي تؤدي إلى ظهور الأمشاج من الذكور والإناث
- نبات غير وعائي
- نبات يفتقر إلى الأنسجة الوعائية المكونة من خلايا متخصصة لنقل الماء والمواد المغذية
- سبورانيوم
- (صيغة الجمع: سبورانجيا) العضو الذي يتم فيه إنتاج الجراثيم
- سبورويت
- نبات ثنائي الصبغيات الذي ينتج الأبواغ
- تزاوج
- اتحاد اثنين من الأمشاج في الإخصاب
- نبات الأوعية الدموية
- نبات توجد فيه شبكة من الخلايا التي تنقل الماء وتذوب عبر الكائن الحي