Хозяева планеты
А нужен он, вероятно, для того, чтобы предупредить собратьев об опасности. Вот только предупредят – и что, разве какой-нибудь томат способен убежать от фермера или полить сам себя? В общем, в этой истории много неясного. Зато ясно одно: все мы произошли от одного предка – бактерии, поэтому исключать то, что растения способны на подобное животным поведение, нельзя. Как же появилась окружающая нас зеленая биомасса? Рассказываем.
Микробы-эльфы
Вначале был микроб. Не только одноклеточный, но и безъядерный. Его называют прокариотом – тем, кто не обладает клеточным ядром и другими важными «примочками», например, мембранными органеллами. Такой организм не был способен перерасти в буквальном смысле в нечто большее – в многоклеточный, зато как он был живуч! И не только на заре своего появления, но и теперь: с точки зрения биомассы и количества видов прокариоты до сих пор считаются наиболее внушительной формой жизни на Земле. В мировом океане, например, эти организмы составляют 90 % всего живого! В одном грамме плодородной почвы содержится более 10 млрд бактерий!
А еще наш микроб был гетеротрофным. То есть питался исключительно готовыми органическими веществами и не умел их синтезировать из неорганических. Благо, в океанах тех времен (по современным оценкам, жизнь на Земле зародилась от 4,1 до 3,8 млрд лет назад) этого добра было завались. Но, как и всякое добро, питательные вещества рано или поздно должны были закончиться. Так и случилось: микроорганизмов становилось все больше, а еды – все меньше.
Чтобы выжить, нужно было придумывать что-то новенькое. И микробы придумали! Так появились первые фотосинтезирующие организмы – те, что, совсем как сказочные эльфы, питаются солнечным светом и производят из этой энергии органические вещества. Те, кто научился это делать, и стали предками нынешних зеленых, пурпурных и цианобактерий. А получилось это у них при помощи особых светочувствительных молекул – бактериохлорофиллов и связанных с ними белковых комплексов.
Вот только аппарат по извлечению питания из света сложен, как операция на сердце. Неудивительно, что эффективный фотосинтез возник не сразу. Началось все с того, что некоторые особо продвинутые микробы просто научились немного кормиться за счет солнечного света, а остальную еду добывать из окружающей среды, как обычно. Для такой подкормки сложные молекулярные комплексы не нужны – хватит и одного-единственного светочувствительного белка. Неудивительно, что такая схема отлично работала и работает до сих пор – на Земле и сегодня полно прокариот, которые используют подобную систему питания.
Фотосинтез и слоеный пирог
Но и этого со временем оказалось мало. Чтобы добыть пищу, микробы начали объединяться. Уже 3,5 млрд лет назад на Земле, вероятно, существовали микробные сообщества – бактериальные маты. Они-то, видимо, и создали древнейшие строматолиты, которые «вырастали» на мелководье. С виду такой строматолит напоминает обычный округлый шершавый камень. Их и сегодня можно иногда встретить в теплом климате на мелководье, по преимуществу у берегов Западной Австралии.
Строматолиты. Фото: Tomás Poch, flickr.com
Внутри строматолит похож на слоеный пирог: каждый слой – определенный тип цианобактерий или, как их еще называют, сине-зеленых водорослей.
Именно их, устилающих берега водоемов, многие принимают за грязь. Это и понятно – выглядит эта сине-зеленая слизь и вправду отвратительно, да к тому же дурно пахнет. А между тем, именно ей мы обязаны тем, без чего не можем прожить ни минуты, – кислородом. Потому что 2,5–2,7 млрд лет назад строматолиты изобрели кислородный (оксигенный) фотосинтез. А потом миллиарды лет выделяли в атмосферу кислород, который, между прочим, в те времена был настоящим ядом для других микробов (в том числе и для самих цианобактерий).
Неудивительно, что это событие называют кислородной катастрофой. Вот только именно она (а еще давние традиции бактерий к кооперации и симбиозу) толкнула эволюцию вперед. Сине-зеленые водоросли нашли способ обезвреживать продукты собственной жизнедеятельности. То же самое, даже более эффективно, сделали и обитатели второго «этажа» строматолита – пурпурные бактерии. Для этого, вероятно, они начали обмениваться генами. Эволюция, как обычно, стала лепить новый организм для адаптации к кислороду из того, что было.
По сравнению с бескислородным фотосинтезом, оксигенный – куда более сложный процесс. Для его изобретения цианобактериям понадобилось приобрести второй светоулавливающий белковый комплекс (первый называется фотосистемой). Важность этого изобретения сложно переоценить. Потому что растительная клетка – это и есть результат симбиоза нефотосинтезирующего, то есть гетеротрофного одноклеточного организма, с цианобактериями.
Дело в том, что фотосинтез растения осуществляют за счет особых органелл – пластид, которые и представляют собой эти самые симбиотические цианобактерии. Тут даже не вполне понятно, кто из них главнее: некоторые биологи говорят, что растения – это лишь удобные «жилища» для проживания в них цианобактерий. Именно эти крошки по итогу создали и всю современную биосферу, продолжая делать это и сегодня, производя кислород и органику из углекислого газа.
Но случилось и еще одно важное новшество. В один прекрасный момент уровень интеграции в таком бактериальном мате достиг такой степени, что несколько разных видов микробов слились воедино, образовав эукариотическую клетку, ту самую, что имеет ядро. Именно из таких клеток состоят сегодня все сложные организмы – грибы, животные, растения и мы с вами.
Уже не бактерии, еще не растения
Цианобактерии, то есть сине-зеленые водоросли, – это, как помним, одноклеточные водоросли. Что стало логичным следующим этапом эволюции? Правильно, многоклеточные водоросли, которые обитали исключительно в воде – суша в те времена была безжизненной. Они уже состояли из эукариотических клеток.
«Тело» таких водорослей – это хаотичный набор клеток, его называют таллом или слоевище. Нечто похожее есть у грибов, лишайников (которые представляют собой симбиоз грибов и цианобактерий) и некоторых мхов. И да, у таких водорослей уже были зачатки корней – ризоиды – нитевидные образования из одной или нескольких клеток, которые прикреплялись ко дну и поглощали из него питательные вещества. Никаких специализированных отделов, как у современных корней, такие «нити» не имели.
Споры криптомицеты Rozella allomycis. Фото: Timothy James, mycocosm.jgi.doe.gov
И водоросли, и растения
А дальше пути водорослей разошлись. Потомки первой группы стали мхами, которые так и не развили настоящих корней, до сих пор довольствуясь ризоидами. Потомки второй – это вымершие ныне риниофиты или псилофиты. Не слышали о таких? А зря! Именно их «дети» захватят мир и одержат сокрушительную победу в эволюционной гонке. Большая часть растений, которые мы видим сегодня, – потомки этих новаторов.
Что же собой представляли псилофиты? Примитивные споровые травянистые сосудистые растения, впервые вышедшие на сушу (это случилось примерно 450 млн лет назад; до них это уже сделали грибы, водоросли и лишайники). Зачем? Вероятно, ища пропитание на новых территориях и, возможно, спасаясь от хищников, ведь к тому моменту давным-давно появились примитивные животные вроде червей.
Сначала риниофиты были маленькими, но, освоившись на суше, стали достигать трех метров в высоту! Один из самых ярких представителей этого рода – куксония: настоящий прогрессивный организм по тем временам, и примитивный – по нынешним. Это уже полноценное сосудистое растение, правда, без корней – за субстрат куксония цеплялась все теми же ризоидами, а размножалась спорами. Ни листьев, ни стеблей у нее не было. Да и сухопутным растением она была лишь условно – жила в прибрежной зоне, как современные камыши. Куксония – это переходная форма между примитивными несосудистыми мохообразными и сосудистыми растениями. С этого момента эволюция и тех, и других будет уже проходить на суше.
Сплошные споры
Псилофиты обитали на планете повсеместно, но недолго. Одни их потомки, как помним, стали мхами, а вот другие – папоротниковидными (или по-простому папоротниками), хвощевидными и плауновидными. Все это были уже совсем настоящие сосудистые растения, органы которых снабжены сосудисто-волокнистыми пучками. А еще у них появились листья, чтобы эффективнее поглощать солнечную энергию за счет плоской и широкой части, и корни, чтобы полноценно цепляться за почву и высасывать из нее питательные вещества. Именно к этой группе относятся все высшие растения (за исключением, опять же, мхов), появившиеся около 405 млн лет назад.
Папоротники в те далекие времена напоминали, скорее, пальмы, чем современных скромных обитателей лесной подстилки. Гигантские растения из группы древовидных папоротников (сегодня они сохранились в основном лишь в высокогорных тропических лесах) росли по всей планете в конце палеозойской и начале мезозойской эры – 252 млн лет назад. Такими же гигантами были хвощи и плауны, которых сегодня можно встретить, например, на болоте (кстати, наш номер про эту удивительную экосистему читайте здесь.
Каменноугольный период. gettyimages.dk
Все три рода размножались исключительно спорами – другого способа они не знали и никаких цветов не имели (неудивительно, что в славянской мифологии мифический цветок папоротника наделялся магическими свойствами – его невозможно найти). Споры – это клетки (они могут быть как половые, так и бесполые), и из каждой может появиться отдельное растение. Их настолько много, что гибель подавляющего большинства не имеет значения – все равно часть из них прорастет. Но для этого нужны подходящие условия: тепло и высокая влажность.
Растения набивают шишки
Но климат, как водится, имеет свойство меняться. Из влажного и жаркого он превратился в более холодный и сухой, и теплолюбивые древовидные папоротники стали массово вымирать. Некоторые их виды, впрочем, дали начало так называемым семенным папоротникам, которые, в свою очередь, породили голосеменные растения. Именно их потомки 370 млн лет назад станут хвойными – теми, чьи семена развиваются внутри шишек. Но голосеменные – это не только самые распространенные и совершенные из них – хвойные.
Это более реликтовые и редкие гинкговые, современный вид которых представлен единственный видом – знаменитым живым ископаемым гинкго билоба.
Еще один ныне живущий реликт голосеменных – гнетовидные с его единственным классом – гнетовых. К нему относится не менее знаменитая вельвичия удивительная, произрастающая только в нескольких местах в Африке и отличающаяся в самом деле удивительным видом – у нее всего два листа, которые растут всю жизнь, закручиваясь, как кудри.
Вельвичия. Фото: Ragnhild&Neil Crawford, flickr.com
Последний, не менее реликтовый класс голосеменных, доживший до наших дней, – саговниковые, произрастающие в тропических частях планеты и похожие на пальмы.
Половое размножение споровых зависит от наличия воды: сперматозоид и яйцеклетка сливаются друг с другом и образуют зиготу только во время дождя. Семена голосеменных, в отличие от спор, намного меньше зависят от воды в почве и влажности – в воздухе, а еще – от температуры. Вместо подвижных сперматозоидов у них есть спермий – неподвижная мужская клетка. Она находится в пыльце – очень легком материале, который прекрасно разносится ветром и попадает на женские шишки, растущие на том же дереве.
Когда это происходит – чешуйки женской шишки склеиваются. Оплодотворение, впрочем, случится только через год – женские шишки при этом увеличатся в размерах и станут зелеными. Пыльца внутри шишек превратится в пыльцевую трубку, по которой спермий попадет к яйцеклетке. Так происходит оплодотворение, и из зиготы образуется зародыш – семена с питательной тканью (эндоспермом). И это тоже не быстрый процесс. Например, семена сосны созревают только через 1,5 года после опыления. К этому времени шишка становится бурой и деревенеет – ее чешуйки раскрываются, и семена выпадают. Внутри таких семян запечатаны питательные вещества, а еще они покрыты твердой скорлупой. Все это помогает им выжить в суровых условиях, дождавшись хорошего дождя и тепла, чтобы сформировать новые побеги. Впрочем, пока семя созревает – оно беззащитно от неблагоприятных условий среды.
Семена – цветы жизни
Решая эту проблему, около 130 млн лет назад эволюция «придумала» покрытосеменные растения. Они же – цветковые. Не все отдают себе отчет: то, чем мы так восхищаемся и дарим девушкам, – есть не что иное, как орган полового размножения растений. Сначала эти прекрасные создания ютились под сенью голосеменных, но примерно 60 млн лет назад, через пять миллионов лет после вымирания динозавров, стали полноценными хозяевами планеты.
Цветковые растения еще лучше приучены к жизни на суше, чем голосеменные – их семя защищено цветком. А еще они эффективнее приспособились к использованию окружающей среды, так как их опыление происходит не только с помощью ветра, но и насекомых. Чтобы их привлекать, цветы стали яркими и истончающими сладкий аромат. Семена цветковых растений находятся в плодах, которые едят животные и птицы, распространяя их, а заодно унаваживая. О размножении цветковых растений знают все, кто учился в школе: они делают это с помощью пестика (женского органа цветка) и тычинок (мужского органа). В одном органе формируются женские клетки, в другом – мужские.
Процесс опыления цветка – это перенос пыльцы с тычинок на пестик с одного растения на другое, что и делают насекомые. Это называется перекрестным опылением. Хотя существует и самоопыление (например, у фасоли, гороха, риса или пшеницы) – оно происходит в закрытом бутоне. Потомство таких растений очень похоже на родителя, наследственные признаки у них почти одинаковые, что понижает жизнеспособность. Поэтому в природе больше распространено перекрестное опыление.
Как видим, эволюция растений не менее сложна и запутана, чем история животных. И, вероятно, на цветах она не закончится – остается подождать несколько миллионов лет, чтобы понять, что придумают эти зеленые изобретатели в следующий раз.
Наука
Ольга Фадеева
Искусство заставить есть
Хемингуэй и звездные врата
