Фабрика жизни: как появление семян определило эволюционный успех растений

У семенных растений, к которым относятся хвойные и цветковые, то есть подавляющая масса окружающих нас видов, жизненный цикл замыкает маленькое, но очень важное образование — семя. Из него рождается новый организм, и ради этой цели природа наделила семя поистине магическими способностями. Оно может пережить все неблагоприятные моменты, чтобы в нужное время вернуться к жизни и быстро развиться в полноценное растение.

Семя — это многоклеточное образование с зародышем и запасом питательных веществ. Оно способно выживать в неблагоприятные сезоны, и в этом было его изначальное предназначение. Но, как нередко случается в эволюции, структура, возникшая для одних целей, оказывается полезной и для других. Так, семя стало решать еще две важнейшие задачи на пути к сохранению вида: расселение и размножение.

В отличие от споры — одной-единственной клетки, которой для превращения в жизнеспособный организм нужны время и питательная среда, семя ко всему подготовлено заранее.

Еще до того как оно покинет материнское растение, у находящегося в нем зародыша формируются все основные органы: зародышевый корешок, готовый по первому требованию взломать семенной шов, чтобы нащупать почву и дотянуться до почвенных растворов, зачаточные листья-семядоли, которые, получив от корешка влагу, разбухнут, развернутся, скинут оковы кожуры и запустят фотосинтез, а почка на верхушке зародышевого стебелька ждет притока свежих питательных веществ, чтобы пуститься в рост и превратиться в молоденькое растеньице. Большая часть семени заполнена провизией — особой тканью, клетки которой плотно набиты зернами крахмала и белков.

К слову сказать, у семенных растений есть и другие приспособления, которые позволяют переживать неблагоприятные условия. Вспомним, как перезимовывают морковь, свекла, картофель или лук — в виде подземных корневищ, клубней и луковиц.

Принцип формирования этих вегетативных стадий покоя тот же, что и в семени: есть зачатки будущего растения — почки и «емкости» с питательными веществами. Но способ консервации провизии и, главное, самого зародыша у семян гораздо надежнее и позволяет хранить их существенно дольше.

Если вегетативные органы предназначены только для зимовки, да и то не слишком холодной, то семена не боятся ни засухи, ни промораживания и могут храниться годами, а порой и тысячелетиями. В Японии нашли семена лотоса, которые пролежали в торфе более 1000 лет, после чего из них выросли нормальные растения.

Читайте также

Крокодил не ловится, но растет кокос: как в России выращивают экзотические растения за полярным кругом

Просто добавь воды

Главный секрет такого успеха — глубокое обезвоживание. Откачка воды из семени в ходе его созревания — это активный многоступенчатый процесс. Он происходит не сам собой, не простым высыханием — ведь в тканях, окружающих семя, влажность гораздо выше. В семенах пшеницы, к примеру, влаги всего 14%, а бывает и того меньше, в то время как в окружающих тканях — примерно 85%.

В ходе формирования семени, когда зародыш достигает окончательного размера, в нем синтезируется гормон покоя — абсцизовая кислота, которая останавливает рост, активизирует синтез крахмала в эндосперме и белков в алейроновом слое под семенной кожурой, запускает аккуратное свертывание ДНК и быстро, но плавно уменьшает концентрацию воды.

В таком виде ткани зародыша могут переживать и жару, и мороз — в силу высокой концентрации внутриклеточных растворов, они не превратятся в лед, кристаллы которого способны безвозвратно разрушить любые структуры. Абсцизовая кислота надежно контролирует безмятежный покой семян. У некоторых растений они погружаются в сон настолько глубоко, что не могут выйти из него, пока не испытают сильного или длительного охлаждения, что необходимо для разрушения этого гормона.

Бывает, что для пробуждения у семян нужно нарушить целостность кожуры или как следует вымочить их в воде, чтобы вымыть абсцизовую кислоту. В природе это достигается действием талых вод и трением о частицы грунта или повреждением скорлупы камешками в желудках птиц. При контакте с эндоспермом влага растворяет алейроновые зерна, высвобождает из них ферменты, разлагающие крахмал на простые сахара, те, в свою очередь, поступают в семядоли, по проводящей системе стебелька передаются в корешок, и он пускается в рост. Переживание позади, впереди — жизнь.

Читайте также

Здравствуй, дерево: как растения общаются втайне от людей

По ветрам, по волнам

Любым существам, не способным двигаться самостоятельно, нужны приспособления для расселения. Ведь они не могут ни переместиться на более плодородный участок в случае истощения старого, ни избежать конкуренции с ближайшими родственниками, ни уклониться от нападения вредителей, расплодившихся на соседях.

К каким только ухищрениям не прибегают растения, чтобы обрести хоть какую-то свободу передвижения: дают укореняющиеся отводки, выпускают усы и даже целиком пускаются в путь, как перекати-поле. Но появление семян дало растениям возможности, прежде невиданные: теперь они могут и летать, и плавать, и путешествовать разными видами живого транспорта.

Многие растения в переносе своих, как правило, округлых и мелких семян полагаются на ветер. Классический пример — орхидеи, чьи семена настолько мелки, что могут быть подхвачены даже слабыми восходящими струями, это важно, поскольку под пологом тропического леса царит затишье. В семени орхидей из-за их крошечного размера не помещаются ни оформленный зародыш, ни достаточный запас провизии. Судьба молодого растения полностью зависит от встречи с грибным мицелием, который должен проникнуть внутрь, пробудить семя ото сна, заменить ему недостающие органы и обеспечить зародыш всем необходимым питанием.

Но рекорд миниатюрности принадлежит не орхидеям, а паразитическому растению заразихе, чьи семена весят всего одну стомиллионную долю грамма. Это объяснимо: заботиться о пропитании эмбриону паразита не нужно.

На другом полюсе рекордов — гигантские семена сейшельской пальмы весом до 25 килограммов. С такими, конечно, ветру не справиться, они предназначены для путешествий по морю. Некоторые растения предпочитают разбрасывать семена собственными силами, например, выстреливая ими куда подальше, как недотрога или бешеный огурец. У деревьев семена нередко снабжены пленчатыми выростами, которые придают им способность к весьма далекому планирующему полету.

Но чаще всего семя в путешествие отправляется внутри оригинальной упаковки — плода. Если у голосеменных растений семена образуются прямо на поверхности семенных чешуй, плодов у них нет, то у покрытосеменных семяпочки спрятаны внутри женских органов цветка — пестиков.

Все великолепное разнообразие плодов — сухих, сочных, крылатых, с парашютами или шипами — это результат их превращений. Фантазия природы нацелена на одно: поиск оптимального способа транспортировки будущего растения в подходящее место, поэтому вкусные сочные плоды растение создает для ублажения того, кто согласится их съесть, чтобы принудить к невольному распространению своих семян.

Читайте также

Дерби Нового Света: как геотектоника повлияла на эволюцию в Южной Америке

Сопряженная эволюция

Расследуя историю семян и плодов, ученые пришли к заключению, что развитие этих органов было сопряжено с эволюцией сухопутных позвоночных животных. В палеонтологической летописи первые семена найдены в отложениях девонского периода, 400 миллионов лет назад, когда на суше царствовали папоротники. Именно они первыми «изобрели» семена, но тогда их «изобретение» было мельче большинства современных семян и выглядело иначе: кожура укрывала семязачаток не полностью, сначала — лишь наполовину, потом — на три четверти, а зародыш в них развивался уже после опадения на землю.

Со временем защита эмбриона усовершенствовалась, кожура окружила его целиком, развитие сместилось на более ранние стадии формирования этого органа. Распространялись такие семена, видимо, ветром.

Плоды же появились почти 100 миллионов лет спустя, в конце каменноугольного периода, когда занялась заря эпохи динозавров. В пермском периоде растительноядных рептилий стало много, и одновременно возросло и разнообразие плодов. О том, что животные ели плоды, убедительно свидетельствует находка семян в желудках нескольких проторозавров. Найдены семена и в их копролитах — окаменелых фекалиях.

Отношения между растениями и животными, при которых поедание семян, заключенных в плоды, стало приносить растению не вред, а пользу, начали складываться в конце мезозоя — эта задача выпала на долю мелких ящериц, птиц и первых млекопитающих. Все последующее время шла сопряженная эволюция плодов покрытосеменных растений и позвоночных. У некоторых плодов форма настолько своеобразна, что она могла возникнуть только после появления соответствующего разносчика. Например, развитие цепких крючков на плодах лопуха и череды связано с появлением млекопитающих с шерстистым покровом.

Читайте также

Растения-репелленты: энциклопедия трав, которые отпугивают вредителей

Эффективная экономичность

Несмотря на хорошую защищенность семян, далеко не всем из них удается взойти, а тем растениям, кому повезло, еще надо дотянуть до периода собственного размножения. Получается, что эффективность размножения семенами не так уж и велика: из всех зародышей лишь малое количество продолжит свой род. Но есть и другой способ.

Увеличить число организмов можно быстро и легко с помощью вегетативного размножения, при котором новые особи вырастают из почек, фрагментов стебля, корневищ и даже из листьев. Тогда почему растения не размножаются только черенками и усами, зачем нужно еще семя?

Оказывается, оно приносит пользу виду в целом — только семенным размножением можно улучшить качество потомства, поскольку в ходе полового процесса «освежается» генетический материал. Чтобы образовался зародыш, пыльца должна оплодотворить яйцеклетку, расположенную внутри шишки (у хвойных) или пестика (у цветковых), тем самым соединив в будущем семени признаки родительских растений.

Клоны из генетически идентичных растений, которые получаются в ходе вегетативного размножения, хороши при стабильности внешней среды, но когда среда меняется, для выживания вида полезнее разнообразие: глядишь, кто-нибудь да сможет соответствовать моменту.

Осталось разобраться, как же в процессе эволюции появилось такое чудо, как семя? Были ли у него предшественники, или это что-то совершенно новое? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, как размножаются ближайшие предки семенных — споровые растения, к которым относятся папоротники, хвощи и плауны.

Глядя, скажем, на папоротник, трудно догадаться, что перед нами лишь одно из двух поколений, которые, чередуясь, обеспечивают продление рода. Тем не менее это так: то, что мы видим, — это бесполое поколение-спорофит, которому надлежит распылять споры и тем самым обеспечивать размножение. Из спор вырастают растения полового поколения — гаметофиты. Они совсем иного облика, очень маленькие или даже микроскопические, нежные, так как могут расти только во влажной среде. Их задача — произвести половые клетки, которые, встретившись, сольются, чтобы дать начало спороносному поколению.

Для того чтобы мужская половая клетка сквозь внешнюю среду смогла добраться до яйцеклетки, необходим покрывающий гаметофит тонкий слой воды. Поэтому распространение споровых растений ограничено влажными местами обитания. Именно эти несовершенства и не позволили споровым растениям достичь на суше такого разнообразия и распространения, какое получили семенные растения.

Семя заменило собой уязвимое половое поколение, взяв на себя часть его задач, а заодно и функции спор. Теперь женская половая клетка перестала зависеть от влажности внешней среды, поскольку развивается в семяпочке прямо на материнском растении, а период покоя переместился со стадии споры на зрелое семя. В результате семена оказались гораздо экономичнее, чем споры, и позволили эффективнее размножаться при меньших затратах.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 11, март 2009, частично обновлен в мае 2024}