26.1: Mageuzi ya mimea ya mbegu

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza wakati mimea ya mbegu ilionekana kwanza na wakati gymnosperms ikawa kikundi kikubwa cha mmea.
• Eleza ubunifu kuu mbili ambazo ziliruhusu mimea ya mbegu kuzaliana kwa kutokuwepo kwa maji.
• Jadili madhumuni ya nafaka na mbegu za poleni
• Eleza umuhimu wa angiosperms kuzaa maua na matunda

Mimea ya kwanza ya kutawala ardhi ilikuwa inawezekana karibu sana na mosses ya kisasa ya siku (bryophytes) na inadhaniwa kuwa imeonekana miaka milioni 500 iliyopita. Walifuatiwa na liverworts (pia bryophytes) na mimea ya mishipa ya primiti—pterophytes-ambayo ferns za kisasa zinatokana. Maisha ya bryophytes na pterophytes ina sifa ya mbadala ya vizazi, kama gymnosperms na angiosperms; nini kinachoweka bryophytes na pterophytes mbali na gymnosperms na angiosperms ni mahitaji yao ya uzazi kwa maji. Kukamilika kwa mzunguko wa maisha ya bryophyte na pterophyte kunahitaji maji kwa sababu gametophyte ya kiume hutoa mbegu za kiume, ambazo lazima ziogelea—zikiendeshwa na bendera yao—kufikia na kuzalisha gamete au yai ya kike. Baada ya mbolea, zygote hukua na kukua katika sporophyte, ambayo kwa upande wake itaunda sporangia au “vyombo vya spore.” Katika sporangia, seli za mama hupata meiosis na kuzalisha spores haploid. Kuondolewa kwa spores katika mazingira mazuri itasababisha kuota na kizazi kipya cha gametophytes.

Katika mimea ya mbegu, mwenendo wa mabadiliko imesababisha kizazi kikubwa cha sporophyte, na wakati huo huo, kupunguza utaratibu wa ukubwa wa gametophyte: kutoka kwa muundo wa wazi kwa nguzo microscopic ya seli zilizofungwa katika tishu za sporophyte. Wakati mimea ya chini ya mishipa, kama vile mosses ya klabu na ferns, ni zaidi ya homosporous (huzalisha aina moja tu ya spore), mimea yote ya mbegu, au spermatophytes, ni heterosporous. Wanaunda aina mbili za spores: megaspores (kike) na microspores (kiume). Megaspores huendeleza kuwa gametophytes ya kike inayozalisha mayai, na microspores hukomaa kuwa gametophytes ya kiume inayozalisha mbegu. Kwa sababu gametophytes kukomaa ndani ya spores, hawana maisha ya bure, kama vile gametophytes ya mimea mingine isiyo na mbegu. Mimea isiyo na mbegu isiyo na mbegu huonekana kama watangulizi wa mabadiliko ya mimea ya mbegu.

Mbegu na poleni- marekebisho mawili muhimu ya ukame, na kwa uzazi ambao hauhitaji maji-kutofautisha mimea ya mbegu kutoka kwa mimea mingine (isiyo na mbegu) ya mishipa. Marekebisho yote yalihitajika kwa ukoloni wa ardhi ulioanza na bryophytes na mababu zao. Fossils kuweka mwanzo tofauti mimea mbegu katika takriban 350 miaka milioni iliyopita. Rekodi ya kwanza ya kuaminika ya gymnosperms inaanza kuonekana kwao kwa kipindi cha Pennsylvanian, karibu miaka milioni 319 iliyopita (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Gymnosperms zilitanguliwa na progymnosperms, mimea ya kwanza ya mbegu za uchi, ambayo iliondoka miaka milioni 380 iliyopita. Progymnosperms zilikuwa kikundi cha mpito cha mimea ambacho kinafanana na conifers (wabebaji wa koni) kwa sababu walizalisha kuni kutokana na ukuaji wa sekondari wa tishu za mishipa; hata hivyo, bado walizalisha tena kama ferns, wakitoa spora katika mazingira. Gymnosperms inaongozwa mazingira mapema (Triassic) na katikati (Jurassic) Mesozoic era. Angiosperms ilizidi gymnosperms katikati ya Cretaceous (karibu miaka milioni 100 iliyopita) mwishoni mwa zama za Mesozoic, na leo ni kikundi kikubwa zaidi cha mimea katika biomes nyingi duniani.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Aina mbalimbali za mimea zilibadilika katika vipindi tofauti. (mikopo: Utafiti wa Kijiolojia wa Marekani)

Poleni na mbegu zilikuwa miundo ya ubunifu iliyoruhusu mimea ya mbegu kuvunja utegemezi wao juu ya maji kwa ajili ya kuzaa na maendeleo ya kiinitete, na kushinda nchi kavu. Mbegu za poleni ni gametophytes ya kiume, ambayo ina mbegu (gametes) ya mmea. Seli ndogo za haploidi (1 n) zimefungwa kwenye kanzu ya kinga inayozuia kukausha (kukausha nje) na uharibifu wa mitambo. Mbegu za poleni zinaweza kusafiri mbali na sporophyte yao ya awali, kueneza jeni za mmea. Mbegu hutoa ulinzi wa kiinitete, chakula, na utaratibu wa kudumisha dormancy kwa makumi au hata maelfu ya miaka, kuhakikisha kuota kunaweza kutokea wakati hali ya ukuaji ni mojawapo. Kwa hiyo mbegu zinaruhusu mimea kueneza kizazi kijacho kupitia nafasi na wakati wote. Kwa faida hizo za mabadiliko, mimea ya mbegu imekuwa kikundi cha mafanikio zaidi na cha kawaida cha mimea, kwa sehemu kwa sababu ya ukubwa wao na kuonekana kwa kushangaza.

Mageuzi ya Gymnosperms

Kiwanda cha kisukuku Elkinsia polymorpha, “fern ya mbegu” kutoka kipindi cha Devonia-takriban miaka milioni 400 iliyopita—inachukuliwa kama mmea wa mbegu wa mwanzo kabisa unaojulikana hadi sasa. Mbegu za mbegu (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)) zilizalisha mbegu zao pamoja na matawi yao bila miundo maalumu. Kinachowafanya kuwa mimea ya mbegu ya kwanza ya kweli ni kwamba walitengeneza miundo inayoitwa vikombe ili kuzunguka na kulinda ovule-gametophyte ya kike na tishu zinazohusishwa-ambazo zinaendelea kuwa mbegu juu ya mbolea. Mimea ya mbegu inayofanana na ferns ya kisasa ya mti ikawa nyingi zaidi na tofauti katika mabwawa ya makaa ya mawe ya kipindi cha Carboniferous.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Jani hili la fossilized linatokana na Glossopteris, fern ya mbegu iliyostawi wakati wa umri wa Permian (miaka 290-240 milioni iliyopita). (mikopo: D.L Schmidt, USGS)

Rekodi za kisukuku zinaonyesha gymnosperms ya kwanza (progymnosperms) inayowezekana ilitokea wakati wa Paleozoic, wakati wa kipindi cha katikati ya Devonian: karibu miaka milioni 390 iliyopita. Kufuatia vipindi vya mvua vya Mississippian na Pennsylvanian, ambavyo viliongozwa na miti kubwa ya fern, kipindi cha Permian kilikuwa kavu. Hii ilitoa makali ya uzazi kwa mimea ya mbegu, ambayo ni bora ilichukuliwa ili kuishi inaelezea kavu. Ginkgoales, kundi la gymnosperms na aina moja tu ya kuishi - Gingko biloba— walikuwa gymnosperms kwanza kuonekana wakati wa Jurassic chini. Gymnosperms ilipanua katika zama za Mesozoic (karibu miaka milioni 240 iliyopita), ikichukua nafasi ya ferns katika mazingira, na kufikia tofauti zao kubwa wakati huu. Kipindi cha Jurassic kilikuwa kama umri wa cycads (gymnosperms ya mitende) kama umri wa dinosaurs. Gingkoales na conifers zaidi ya ukoo pia dotted mazingira. Ingawa angiosperms (mimea ya maua) ni aina kubwa ya maisha ya mimea katika biomes nyingi, gymnosperms bado hutawala baadhi ya mazingira, kama vile taiga (misitu boreal) na misitu ya Alpine katika mwinuko wa juu wa mlima (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) kwa sababu ya kukabiliana na hali yao ya baridi na kavu ukuaji.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Msitu huu wa boreal (taiga) una mimea ya chini na miti ya conifer. (mikopo: L.B Brubaker, NOAA)

Mbegu na Poleni kama kukabiliana na mabadiliko ya Ardhi Kavu

Tofauti na spora za bryophyte na fern (ambazo ni seli za haploidi zinazotegemea unyevu kwa ajili ya maendeleo ya haraka ya gametophytes), mbegu zina kiinitete cha diploidi ambacho kitaota kuwa sporophyte. Uhifadhi tishu kuendeleza ukuaji na kanzu ya kinga kutoa mbegu zao bora ya mabadiliko faida. Vipande kadhaa vya tishu ngumu huzuia ukame, na uzazi wa bure kutokana na haja ya ugavi wa maji mara kwa mara. Zaidi ya hayo, mbegu kubaki katika hali ya dormancy-ikiwa na kukausha na homoni abscisic acid-mpaka hali ya ukuaji kuwa nzuri. Iwapo imepigwa na upepo, ikizunguka juu ya maji, au huchukuliwa na wanyama, mbegu zinatawanyika katika upeo wa kijiografia unaopanua, hivyo kuepuka ushindani na mmea wa mzazi.

Mbegu za poleni (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) ni gametophytes ya kiume na hutolewa na upepo, maji, au pollinator. Muundo wote unalindwa kutokana na kukausha na unaweza kufikia viungo vya kike bila kutegemea maji. Gameti za kiume hufikia gametophyte ya kike na gamete ya kiini ya yai ingawa tube ya poleni: ugani wa seli ndani ya nafaka ya poleni. Mbegu za gymnosperms za kisasa hazina flagella, lakini katika cycads na Gingko, mbegu bado zina flagella ambazo zinawawezesha kuogelea chini ya bomba la poleni hadi gamete ya kike; hata hivyo, zimefungwa katika nafaka ya poleni.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Hii poleni fossilized ni kutoka Buckbean fen msingi kupatikana katika Yellowstone National Park, Wyoming. Poleni hukuzwa mara 1,054. (mikopo: R.G. Baker, USGS; data ya kiwango cha bar kutoka Matt Russell)

Mageuzi ya Angiosperms

Rekodi zisizohitajika za mafuta huweka muonekano mkubwa na mseto wa angiosperms katikati hadi marehemu zama za Mesozoic. Angiosperms (“mbegu katika chombo”) huzalisha maua yaliyo na miundo ya uzazi wa kiume na/au wa kike. Ushahidi wa kisukuku (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) unaonyesha kwamba mimea ya maua ilionekana kwanza katika Cretaceous ya Chini, karibu miaka milioni 125 iliyopita, na ilikuwa ikitenganisha kwa kasi na Cretaceous ya Kati, karibu miaka milioni 100 iliyopita. Athari za awali za angiosperms hazipunguki. Poleni ya fossilized iliyopatikana kutoka nyenzo za kijiolojia ya Jurassic imehusishwa na angiosperms. Miamba michache ya Cretaceous mapema inaonyesha alama za wazi za majani zinazofanana na majani ya angiosperm. Katikati ya Cretaceous, idadi kubwa ya mimea mbalimbali ya maua hukusanya rekodi ya mafuta. Kipindi hicho cha kijiolojia pia kina alama ya kuonekana kwa makundi mengi ya kisasa ya wadudu, ikiwa ni pamoja na wadudu wenye rangi ya pollining ambayo ilicheza jukumu muhimu katika ikolojia na mageuzi ya mimea ya maua.

Ingawa nadharia kadhaa zimetolewa ili kuelezea profusion hii ya ghafla na aina mbalimbali za mimea ya maua, hakuna aliyepata makubaliano ya paleobotanists (wanasayansi wanaojifunza mimea ya kale). Takwimu mpya katika genomics ya kulinganisha na paleobotany, hata hivyo, imetoa mwanga juu ya mageuzi ya angiosperms. Badala ya kuwa inayotokana na gymnosperms, angiosperms huunda clade dada (aina na wazao wake) ambayo iliendelea sambamba na gymnosperms. Miundo miwili ya ubunifu ya maua na matunda inawakilisha mkakati bora wa uzazi ambao ulitumikia kulinda kiinitete, huku ukiongeza kutofautiana kwa maumbile na upeo. Paleobotanists kujadili kama angiosperms ilibadilishwa kutoka misitu ndogo ngumu, au walikuwa angiosperms basal kuhusiana na nyasi za kitropiki. Wote maoni kuteka msaada kutoka cladistics masomo, na kinachojulikana ngumu magnoliid hypothesis-ambayo inapendekeza kwamba mababu mapema ya angiosperms walikuwa vichaka-pia inatoa molekuli kibiolojia ushahidi.

Angiosperm ya kwanza ya maisha inachukuliwa kuwa Amborella trichopoda, mmea mdogo unaozaliwa na msitu wa mvua wa Kaledonia Mpya, kisiwa cha Pasifiki ya Kusini. Uchambuzi wa genome ya A. trichopoda umeonyesha kuwa ni kuhusiana na mimea yote ya maua yaliyopo na ni ya tawi la zamani zaidi la mti wa familia ya angiosperm. Vikundi vingine vya angiosperm vichache vinavyoitwa angiosperms ya basal, vinatazamwa kama primitive kwa sababu walitengeneza mapema kutoka kwenye mti wa phylogenetic. Angiosperms nyingi za kisasa zinawekwa kama monocots au eudicots, kulingana na muundo wa majani na majani yao. Angiosperms ya msingi, kama vile maua ya maji, huchukuliwa kuwa ya kwanza kwa sababu hushiriki sifa za kimaadili na monocots na eudicots.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Alama hii ya jani inaonyesha Ficus speciosissima, angiosperm ambayo ilistawi wakati wa Cretaceous. (mikopo: W. T. Lee, USGS)

Maua na Matunda kama kukabiliana na mabadiliko

Angiosperms huzalisha gametes zao katika viungo tofauti, ambazo huwekwa katika maua. Mbolea zote na maendeleo ya kiinitete hufanyika ndani ya muundo wa anatomiki ambao hutoa mfumo thabiti wa uzazi wa kijinsia kwa kiasi kikubwa umehifadhiwa kutokana na mabadiliko ya mazingira. Mimea ya maua ni phylum tofauti zaidi duniani baada ya wadudu; maua huja katika safu ya ukubwa, maumbo, rangi, harufu, na mipango. Maua mengi yana pollinator ya mutualistic, na sifa tofauti za maua zinazoonyesha asili ya wakala wa pollination. Uhusiano kati ya pollinator na sifa za maua ni mojawapo ya mifano mikubwa ya ushirikiano.

Kufuatia mbolea ya yai, ovule inakua ndani ya mbegu. Tissue zinazozunguka za ovari huongezeka, zinazoendelea kuwa matunda ambayo yatalinda mbegu na mara nyingi huhakikisha kuenea kwake juu ya aina mbalimbali za kijiografia. Sio matunda yote yanayotokana na ovari; miundo kama hiyo ni “matunda ya uongo.” Kama maua, matunda yanaweza kutofautiana sana kwa kuonekana, ukubwa, harufu, na ladha. Nyanya, shells za walnut na avocados ni mifano yote ya matunda. Kama ilivyo na poleni na mbegu, matunda pia hufanya kama mawakala wa kutawanyika. Baadhi inaweza kuchukuliwa na upepo. Wengi huvutia wanyama ambao watakula matunda na kupitisha mbegu kupitia mifumo yao ya utumbo, halafu waweke mbegu mahali pengine. Cockleburs hufunikwa na miiba ngumu, iliyopigwa ambayo inaweza kuingia ndani ya manyoya (au nguo) na kupiga safari ya mnyama kwa umbali mrefu. Cockleburs kwamba kushikamana na suruali velvet ya enterprising Swiss hiker, George de Mestral, aliongoza uvumbuzi wake wa kitanzi na ndoano fastener yeye aitwaye Velcro.

Uunganisho wa Mageuzi: Kujenga Miti ya Phylogenetic na Uchambuzi wa Alignments

Viumbe hai vyote vinaonyesha mifumo ya mahusiano inayotokana na historia yao ya mageuzi. Phylogeny ni sayansi inayoelezea uhusiano wa jamaa kati ya viumbe, kwa suala la aina za mababu na wazao. Phylogenetic miti, kama vile kupanda historia ya mabadiliko inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\), ni mti-kama matawi michoro kwamba inaonyesha mahusiano haya. Aina hupatikana kwenye vidokezo vya matawi. Kila hatua ya matawi, inayoitwa node, ni hatua ambayo kundi moja la taxonomiki (taxon), kama vile spishi, hutenganisha katika aina mbili au zaidi.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Mti huu wa phylogenetic unaonyesha mahusiano ya mabadiliko ya mimea.

Miti ya phylogenetic imejengwa kuelezea uhusiano kati ya spishi tangu wakati wa Darwin. Mbinu za jadi zinahusisha kulinganisha miundo ya anatomia ya homologous na maendeleo ya embryonic, kudhani kuwa viumbe vinavyohusiana kwa karibu hushirikisha vipengele vya anatomical wakati wa maendeleo ya Tabia zingine zinazopotea kwa watu wazima zipo katika kiinitete; kwa mfano, fetusi ya binadamu, wakati mmoja, ina mkia. Utafiti wa rekodi za mafuta unaonyesha hatua za kati zinazounganisha fomu ya mababu kwa wazao wake. Mbinu nyingi hizi ni zisizo sahihi na zinajikopesha kwa tafsiri nyingi. Kama zana za biolojia ya Masi na uchambuzi wa computational zimeandaliwa na kukamilika katika miaka ya hivi karibuni, kizazi kipya cha mbinu za kujenga miti imechukua sura. Dhana muhimu ni kwamba jeni kwa protini muhimu au miundo ya RNA, kama vile RNA ya ribosomal, huhifadhiwa kiasili kwa sababu mabadiliko (mabadiliko katika mlolongo wa DNA) yanaweza kuathiri maisha ya viumbe. DNA kutoka kiasi cha dakika ya viumbe hai au fossils zinaweza kukuzwa na mmenyuko wa mnyororo wa polymerase (PCR) na mpangilio, kulenga mikoa ya jenomu ambayo inawezekana kuhifadhiwa kati ya spishi. Jeni encoding RNA ribosomal kutoka ndogo 18S subunit na jeni plastidi ni mara nyingi kuchaguliwa kwa ajili ya uchambuzi DNA alignment.

Mara baada ya utaratibu wa maslahi kupatikana, wao ni ikilinganishwa na Utaratibu zilizopo katika hifadhidata kama vile GenBank, ambayo ni iimarishwe na Kituo cha Taifa cha Taarifa Bioteknolojia. Vifaa kadhaa vya computational vinapatikana ili kuunganisha na kuchambua utaratibu. Mpango wa kisasa wa uchambuzi wa kompyuta huamua asilimia ya utambulisho wa mlolongo au homolojia. Homolojia ya mlolongo inaweza kutumika kukadiria umbali wa mageuzi kati ya utaratibu wa DNA mbili na kutafakari muda uliopita tangu jeni zilizotenganishwa na babu wa kawaida. Uchunguzi wa Masi umebadilisha miti ya phylogenetic. Katika baadhi ya matukio, matokeo ya awali kutoka kwa masomo ya kimaadili yamehakikishiwa: kwa mfano, kuthibitisha Amborella trichopoda kama angiosperm ya kwanza inayojulikana. Hata hivyo, baadhi ya vikundi na mahusiano yameandaliwa upya kutokana na uchambuzi wa DNA.

Muhtasari

Mimea ya mbegu ilionekana karibu miaka milioni moja iliyopita, wakati wa kipindi cha Carboniferous. Mbili ubunifu makubwa-mbegu na pollen- kuruhusiwa mimea ya mbegu kuzaliana kwa kutokuwepo kwa maji. Gametophytes ya mimea ya mbegu ilipungua, wakati sporophytes ikawa miundo maarufu na hatua ya diploid ikawa awamu ndefu zaidi ya maisha. Gymnosperms ikawa kundi kubwa wakati wa Triassic. Katika hizi, nafaka za poleni na mbegu hulinda dhidi ya kukausha. Mbegu, tofauti na spore, ni kiinitete cha diploid kilichozungukwa na tishu za kuhifadhi na tabaka za kinga. Ina vifaa vya kuchelewesha kuota mpaka hali ya ukuaji ni sawa. Angiosperms hubeba maua na matunda. Miundo hulinda gametes na kiinitete wakati wa maendeleo yake. Angiosperms ilionekana wakati wa zama za Mesozoic na imekuwa maisha makubwa ya mimea katika makazi ya duniani.

faharasa

ua

matawi maalumu kwa ajili ya uzazi hupatikana katika baadhi ya mimea yenye kuzaa mbegu, zenye viungo maalumu vya kiume au vya kike au viungo vya kiume na vya kike

matunda

thickened tishu inayotokana na ukuta ovari ambayo inalinda kiinitete baada ya mbolea na kuwezesha kusambaza mbegu

ovule

gametophyte ya kike

poleni nafaka

muundo ulio na gametophyte ya kiume ya mmea

chupa ya poleni

ugani kutoka nafaka poleni kwamba alitangaza mbegu kwa kiini yai

progymnosperm

mpito kundi la mimea kwamba alifanana conifers kwa sababu zinazozalishwa mbao, lakini bado tena kama ferns

mbegu

muundo zenye kiinitete, kuhifadhi tishu na kanzu ya kinga

spermatophyte

kupanda mbegu; kutoka kwa mbegu ya Kigiriki (mbegu) na phyte (mmea)