Природа постаралась в создании поразительных форм и красок во флоре, и это проявляется в разнообразии цветков покрытосеменных растений. Без цветков невозможно себе представить существование жизни на Земле. Цветы – это не только красота и аромат, которые они источают. Благодаря их наличию, растения живут и размножаются, а человечество имеет растительные продукты питания. Цветок осуществляет все процессы полового размножения, а именно: формирование спор, созревание гаметофитов, опыление, последующее оплодотворение, формирование зародыша, образование семени и плода.Цветки образуются исключительно у покрытосеменных (цветковых) растений. Имея красивую форму и окраску, цветки выполняют важную для размножения растений функцию – привлечение насекомых или птиц-опылителей. В завязи после опыления образуются семена, которые дают жизнь новым растениям. Широко известны такие насекомые-опылители, как пчелы и мухи. Также могут опылять цветки птицы - колибри. Существуют растения, опыляемые насекомыми определенного вида, имеющими необходимые органы для осуществления данного процесса. Ветроопыляемые растения имеют мелкие и невзрачные цветки, потому что их конфигурация и расцветка не оказывают никакого влияния на опыление.
Цветок – важная часть покрытосеменных растений, включающая в себя целую систему органов. Главные функции цветка – участие в опылении и оплодотворении, образовании и развитии плода, другими словами - размножении. Размеры, формы, оттенки окраски цветков чрезвычайно разнообразны. Они бывают мелкие и крупные, ярко окрашенные и зелёные, сильно пахнущие и без запаха, одиночные или собранные вместе в одно общее соцветие, но все они характеризуются наличием определенных структурных элементов.
Цветок состоит из:
- околоцветника;
- венчика;
- тычинок (мужские органы);
- пестика (женский орган).
Все элементы развиваются по спирали или мутовками на цветоложе. В тычинке различают тычиночную нить, на которой расположен пыльник с пыльцой. Пестик состоит из завязи и рыльца. Липкое на ощупь рыльце улавливает пыльцу. Этот процесс называется опылением. Пыльца через столбик прорастает в сторону завязи, где осуществляется оплодотворение семязачатков и созревание семян. Околоцветник обычно двойной и состоит из зеленоватых чашелистиков чашечки и ярко окрашенных лепестков венчика. Околоцветник защищает и способствует опылению. Основной функцией лепестков является привлечение к растению опылителей и содействие эффективному опылению. Форма, цвет и запах лепестков очень разнообразны и привлекают насекомых, которые транспортируют пыльцевые зерна с одного цветка на другой.
Цветы содержат нектарники - особые железки, которые продуцируют нектар – сахаристую жидкость. Нектарники располагаются в разных отделах цветка. Нектар состоит из фруктозы, глюкозы, сахарозы, а также витаминов, аминокислот, белков и других веществ в зависимости от вида растения. Им питаются многие виды насекомых, некоторые виды птиц и животных. Нектар является основной составляющей меда, а также задействован в репродуктивных процессах растений. Многие травы выделяют большое количество нектара, который пчелы используют для производства меда, а растения считаются медоносными.
В природе существует множество различных цветов. Одни яркие и красивые, другие - простые и невзрачные. В чем причина? Можно ли это объяснить схематически? Оказывается, это вполне реально. Но что именно может объяснить схема? у разных растений может сильно отличаться. Но основная разница заключается не в форме или красоте его лепестков. Намного важнее то, что находится у него внутри.
Функция цветка
Чтобы растения могли воспроизводить себя, им необходимы органы размножения. Для этого некоторые виды научились давать начало новой жизни от корневой поросли. У других в процессе эволюции возник цветок, как основной половой орган. В нем происходит зарождение и созревание клеток, которые после опыления дают начало созреванию семян. Выше на рисунке изображена схема строения цветка общего типа. Почему он имеет такой вид?
Считается, что цветок - это производное листьев. Они, совершив причудливую метаморфозу, так приспособились к условиям среды. Одни «научились» самоопыляться. Другие доверились ветру. Третьи преобразились таким образом, чтобы привлекать своим внешним видом насекомых. А те, перебираясь от одного цветка к другому в поисках нектара, на себе переносили бы пыльцу.
Схема: строение цветка
Что собой представляет этот репродуктивный орган? Как правило, цветок является завершающим элементом главной вертикальной или ответвляющейся боковой оси. Он развивается из почки, образуется на укороченном побеге и никогда не может быть на листьях. Место, где он начинает рост от стебля, называется цветоложем. Именно от него отходят «листья», подвергшиеся метаморфозам в процессе эволюционного развития.
Строение цветка (схема общего вида) может быть рассмотрено на примере фото, что расположено ниже. На нем можно видеть утолщенное цветоложе. От него отрастает околоцветник. Его роль второстепенна и заключается в защите более важных частей цветка. Околоцветник может иметь четкое разделение на чашечку и венчик. Он может быть простым и невзрачным, однородного цвета. А в других случаях он делится на чашелистики и яркие лепестки, привлекающие насекомых своими оттенками.
Чем же особенно внутреннее строение цветка? Схема репродуктивного органа обоеполого растения показывает наличие в нем тычинок (мужские органеллы) и пестика (женские). Они-то и являются основными частями цветка. В свою очередь у пестика в нижней части выделяют основание - завязь, в которой находится семяпочка, выше - несущий столбик, на нем верхушка - рыльце. Тычинка состоит из тонкой нити, на которой располагается пыльник.
Обоеполые и раздельнополые цветки
Что лежит в основе такой классификации? В чем их разница? Схема строения обоеполого и раздельнополого цветков отличается набором репродуктивных органелл. Полный комплект предполагает наличие и (обоеполые). Если же образуется только пестик, то цветок будет считаться женским, а если только тычинки - мужским. В этих обоих случаях принято говорить об раздельнополых репродуктивных частях растения.
Чем еще особенна схема: строение цветка? Существует и другая классификация. С обоеполыми цветками дело обстоит проще, их опыление происходит без особых проблем. С раздельнополыми ситуация сложнее. Тут может быть два варианта. У одних видов цветки с женским и мужским началом отрастают рядом на одном стебле (однодомные). В этом случае опыление упрощается. У других же мужские и женские цветки образуются на разных причем они могут располагаться друг от друга на значительном отдалении.
Особенности
Рассмотренная схема (строение цветка) дает возможность понять суть деления растений по половому принципу. Обоеполые цветки (их лепестки), как правило, менее яркие. Это связано с близким расположением мужских и женских органелл. Даже одного насекомого бывает достаточно для опыление. У некоторых видов тычинки вообще располагаются таким образом, что пыльца, осыпаясь, сразу сама попадает на пестик. Раздельнополые цветы сами опылиться не могут. Поэтому их лепестки имеют яркую раскраску, чтобы привлекать насекомых.
Существуют и другие классификации. Одни растения зацветают уже через 3 - 4 недели после посева (однолетние), а другие только на второй или третий год (многолетние). Некоторые деревья вообще достигают половой зрелости лишь спустя десятилетия. Одна часть растений цветет строго определенное время, другие (цитрусовые) «занимаются» этим постоянно. В итоге с такой же периодичностью происходит созревание плодов и семян.
Суть же цветения заключается в открывании доступа к главным репродуктивным органам. По мере созревания половых клеток сначала происходит раскрывание бутона. Обнажается околоцветник: сначала чашелистики, потом лепестки. По мере дозревания они полностью открывают доступ к пыльникам тычинок и не препятствуют восприятию женскими рыльцами пестиков мужской пыльцы.
Центральной частью цветка, его осью является цветоложе , к которому прикрепляются все прочие компоненты цветка. Цветоложе может быть плоским (у пиона), выпуклым (у лютика) или вогнутым (у сливы). Участок побега, несущий на себе цветок, называется цветоножкой .
Цветки, не имеющие цветоножки, прикрепляются основанием цветоложа и называются сидячими (волчье лыко). У некоторых растений на цветоножке имеются один или два маленьких листика, называемых прицветничками .
Наружными элементами цветка являются зеленые (редко ярко окрашенные) чашелистики , образующие чашечку . Внутри чашечки располагаются лепестки , в совокупности составляющие венчик .
И чашелистики, и лепестки могут быть свободными (яблоня, лютик) или сросшимися (картофель, тыква). Чашечка и венчик составляют вместе околоцветник . Околоцветник бывает двойным (имеется чашечка и венчик), простым венчиковидным (тюльпан, ландыш), простым чашечковидным (свекла, конопля, крапива). Существуют цветки и без околоцветника (ясень). Околоцветник защищает внутренние части цветка от неблагоприятных условий, а также привлекает своей яркой окраской насекомых-опылителей.
Внутри цветка располагаются тычинки (от двух до нескольких десятков), состоящие из тычиночных нитей и пыльников, в которых образуется пыльца.
В самом центре цветка находится один или несколько пестиков. Пестик состоит из завязи (нижняя расширенная часть), столбика и рыльца , расположенного на верхушке столбика. У некоторых растений (мак) столбик отсутствует, и тогда рыльце называется сидячим. Рыльце служит для улавливания пыльцы, столбик приподнимает рыльце над завязью, что облегчает улавливание пыльцы, а в завязи расположены семязачатки.
Цветки, имеющие тычинки к пестики, называются обоеполыми (картофель, тюльпан, лютик, яблоня). Некоторые цветки имеют только тычинки - их называют тычиночными (мужскими), или только пестики, тогда их называют пестичными , или женскими. Такие однополые, или раздельнополые, цветки имеются у тополя, кукурузы, огурца и др.
Растения с раздельнополыми цветками могут быть однодомными и двудомными. У однодомных растений мужские и женские цветки размещаются на одном и том же растении (кукуруза, тыква, огурец), у двудомных - на разных особях (облепиха, тополь, конопля).
Столь большое разнообразие в строении цветка связано с возникшими в процессе эволюции различиями в способах опыления.
Для выяснения функционирования цветка необходимо выяснить, какие процессы происходят в тычинках и пестиках. Как сказано выше, тычинка состоит из тычиночной нити и пыльника. Каждый пыльник образован двумя половинками, в которых развивается по две пыльцевые камеры - спорангии. В них имеются диплоидные клетки, материнские клетки микроспор. Каждая из таких клеток претерпевает мейоз и образует четыре микроспоры . Это означает, что в тычинке происходит процесс собственно бесполого размножения, завершающийся образованием громадного количества микроспор. Каждая из микроспор увеличивается в размерах, ядро ее делится митотически, и образуется два ядра - вегетативное и генеративное. На поверхности бывшей микроспоры образуется прочная целлюлозная оболочка с несколькими округлыми порами. В результате каждая микроспора превращается в пыльцевое зерно (пыльцу) - мужской гаметофит цветковых растений.
У однодольных растений в пыльце, находящейся в пыльнике, генеративное ядро делится митотически с последующим образованием двух неподвижных мужских гамет - спермиев. У двудольных растений образование спермиев происходит позже, когда пыльца попадает на рыльце пестика. Таким образом, зрелое пыльцевое зерно состоит из двух (вегетативной и генеративной) или из трех (вегетативной и двух спермиев) клеток .
Образование женского гаметофита происходит в семязачатке (семяпочке), находящейся внутри завязи пестика. В семячатке развивается единственный диплоидный мегаспороцит. После мейотического деления из мегаспорцита образуются четыре гаплоидные макроспоры. Три макроспоры разрушаются, а четвертая развивается в зародышевый мешок. Последний растет, его ядро трижды делится митотически, образуя восемь дочерних ядер. Они располагаются по четыре двумя группами - вблизи пыльцевхода и на противоположном полюсе. Два полярных ядра перемещаются к центру зародышевого мешка и сливаются, превращаясь в одно диплоидное ядро (в некоторых случаях их слияние происходит позднее, при оплодотворении). Остальные шесть ядер, по три на каждом полюсе, разделяются тонкими клеточными стенками. При этом на полюсе у пыльцевхода образуется яйцевой аппарат, состоящий из яйцеклетки и двух клеток-синергид. На противоположном полюсе возникают клетки-антиподы. Такая восьмиядерная семиклеточная структура - зародышевый мешок - и является зрелым женским гаметофитом готовым к оплодотворению.
Образование пыльцы и зародышевого мешка у большинства растений завершается одновременно.
Цветок представляет собой видоизмененный укороченный побег, приспособленный для образования спор, половых клеток (гамет) и перекрестного опыления. После опыления и последующего полового процесса (оплодотворения) образуются семена и плоды. Таким образом, цветок является репродуктивным органом, все части которого приспособлены к функции размножения и воспроизведения.
Стеблевая часть цветка представлена цветоножкой и цветоложем, на котором расположены видоизмененные листья (цветолистики): чашелистики, лепестки, тычинки, пестики. Чаще они располагаются кругами (мутовками) в несколько рядов.
Чашелистики образуют чашечку, лепестки - венчик. Венчик и чашечка являются составными частями околоцветника. Околоцветник выполняет защитную функцию и функцию привлечения опылителей. Чаще всего он состоит из различно окрашенных чашелистиков и лепестков, его называют двойным. Если околоцветник окрашен в один цвет, то его называют простым. Простой чашечковидный околоцветник имеет обычно зеленый цвет, простой венчиковидный окрашен ярко. Цветки, не имеющие околоцветника, называют голыми (мужской и женский цветки). Чашелистики бывают свободными или с более или менее сросшимися основаниями. Венчик состоит из ярко окрашенных лепестков (часто они крупнее чашелистиков) - свободнолепестных или сростнолепестных.
Главными частями цветка являются тычинки и пестики. Цветки, имеющие тычинки и пестики, называют обоеполыми (гермафродитами). Раздельнополые содержат или только тычинки, или только пестики. Поэтому различают соответственно цветки тычиночные (мужские) и пестичные (женские). Растения с тычиночными и пестичными цветками на одном экземпляре называют однодомными, а растения, несущие только тычиночные или пестичные цветки - двудомными. Так, ива, тополь, финиковая пальма относятся к числу растений, у которых одни особи несут только тычиночные цветки, а другие - только пестичные.
Еще более полное представление о строении цветка дает диаграмма, являющаяся проекцией цветка на плоскость, перпендикулярную к его оси. Диаграмма отражает не только наличие частей цветка и число членов, но и их расположение относительно друг друга. Члены цветка обозначаются строго определенными значками.
Внешнее строение
Внутреннее строение
Развитие микро- и мегаспор
В результате мейоза каждая материнская диплоидная клетка пыльцы образует четыре гаплоидных микроспоры, которые после митотического деления ядра превращаются в микрогаметофиты (или пыльцевые зерна пыльцы). При митотическом делении ядра образуется крупное ядро пыльцевой трубки (вегетативное ядро) и меньшее по размерам генеративное ядро. В большинстве случаев на этой стадии пыльца освобождается из пыльника и переносится на рыльце пестика того же или ближайшего цветка. Строение пыльцы довольно однообразно, но покровы ее отличаются разнообразием.
Внешнее строение
Тычинка (мужская часть цветка) состоит из тычиночной нити и пыльника. Тычиночная нить чаще простая, неветвящаяся. Если тычиночная нить отсутствует, то тычинку называют сидячей.
В самом центре цветка располагается один или несколько пестиков. Пестик состоит из завязи, столбика и рыльца. Иногда столбик отсутствует, тогда рыльце будет сидячим. Рыльце обычно выделяет липкую жидкость для улавливания и удержания пыльцевых зерен. В зависимости от числа несообщающихся между собой гнезд завязи бывают одногнездными и многогнездными.
Внутреннее строение
Пыльник, как правило, состоит из двух половинок (тек), каждая из которых содержит по два пыльцевых гнезда (микроспорангия). Таким образом, у подавляющего большинства цветковых растений тычинка несет четыре микроспорангия. Из клеток спорогенной ткани пыльника сначала образуются материнские клетки пыльцы.
Внутри завязи образуются семяпочки, где расположен женский спорангий (мега- или макроспорангий). Он окружен одним или двумя интегументами (покровами). Как правило, каждая семяпочка содержит одну диплоидную материнскую клетку макроспоры, которая в результате мейоза образует четыре гаплоидные макроспоры. Лишь одна из них становится археспориальной и развивается в макрогаметофит, а три других разрушаются.
Развитие микро- и мегаспор
В типичном случае макроспора увеличивается в размерах и ее ядро делится три раза подряд митозом. Образующийся макрогаметофит, называемый зародышевым мешком, представляет собой восьмиядерную клетку с четырьмя ядрами у каждого конца. По одному ядру с каждого конца перемещаются к центру (эти ядра называются полярными). Одно из трех ядер, находящееся на том конце спорофита, где расположено микропиле (вход в семяпочку), становится ядром яйцеклетки, а два других (синергиды) и три ядра (антиподы), находящиеся на другом конце, в последующем (после оплодотворения) исчезают.
После созревания пыльцы пыльники лопаются и пыльца попадает на рыльце пестика - происходит опыление. Различают два вида опыления: самоопыление и перекрестное опыление. Самоопыление осуществляется только в обоеполых цветках. Особенно оно хорошо выражено у нераскрывающихся цветков. Преимущество самоопыления, ведущего к самооплодотворению, состоит в том, что оно более надежно, особенно в тех случаях, когда представители данного вида встречаются относительно редко и на больших расстояниях один от другого. Самоопыление не зависит от внешних агентов (ветер, насекомые), но может приводить к уменьшению жизнеспособности.
Перекрестное опыление происходит с помощью ветра, воды, насекомых, птиц и др. Оно более прогрессивно, поскольку происходит обновление наследственного (генетического) материала, а это открывает более широкие возможности в приспособлении к различным условиям существования. Подавляющее большинство растений имеет перекрестное опыление. Широко известны приспособления цветков к определенным насекомым-опылителям (клевер, орхидея и др.). Различают две формы перекрестного опыления: соседнее, когда опыление осуществляется в пределах одного растения, но пыльца с одного цветка попадает на рыльце другого, и собственно перекрестное, когда пыльца с одной особи переносится на рыльце цветка другой особи. Для предотвращения самоопыления у растений выработались разнообразные приспособления: разновременное созревание тычинок и пестиков в обоеполом цветке; в обоеполых цветках пестики с длинными столбиками, а тычинки с короткими тычиночными нитями или наоборот.
Перекрестное опыление возможно благодаря насекомым, ветру, животным, воде. Животными опыляются тропические растения. Распространено опыление колибри, цветочницами, нектарницами, а также есть случаи опыления летучими мышами. Опыление с помощью воды характерно для роголистников, наяд, водяной чумы и др. Самыми распространенными являются опыление с помощью ветра и насекомых. Первоначально пыльцевые зерна разносились ветром, но в ходе эволюции стали появляться растения, использующие для этой цели насекомых как более надежный способ переноса пыльцы.
В результате опыления пыльца попадает на рыльце пестика и прорастает в завязь. Попав на рыльце, пыльца прорастает с помощью пыльцевой трубки по столбику вниз к семяпочке, расположенной в завязи пестика. Кончик пыльцевой трубки выделяет ферменты, растворяющие клетки столбика, что создает возможность для дальнейшего ее прорастания. Генеративное ядро мигрирует в пыльцевую трубку с образованием двух ядер спермиев (митоз генеративного ядра). В результате зрелый мужской гаметофит состоит из двух клеток (генеративной и пыльцевой трубки), ядра трубки и двух ядер спермиев. Проникнув в макрогаметофит через микропиле, кончик пыльцевой трубки лопается и оба генеративных ядра проникают в макрогаметофит. Перед оплодотворением полярные ядра образуют одну диплоидную клетку, каждая из шести оставшихся окружается цитоплазмой и образует клетку. Формируется восьмиядерная семиклеточная структура зрелого женского гаметофита. Одно из ядер спермиев перемещается к ядру яйцеклетки и сливается с ним, образуя диплоидную (2n) зиготу, давая начало новому поколению спорофита. Другое генеративное ядро (спермий) перемещается к двум полярным ядрам, все три ядра сливаются и образуют ядро эндосперма, содержащее тройной набор хромосом (Зn). Описанное явление двойного оплодотворения, приводящее к возникновению диплоидной зиготы и триплоидного эндосперма, специфично и характерно для цветковых растений. Открытие двойного оплодотворения принадлежит русскому ученому академику С.Г.Навашину (1898 г.). Триплоидность эндосперма впервые была доказана его сыном А.С.Навашиным в начале ХХ века. После двойного оплодотворения из зиготы образуется зародыш (2n), из триплоидной клетки - эндосперм (запасающая ткань, Зn), из покровов - семенная кожура (2n), а из всего семязачатка - семя. Синергиды и антиподы после оплодотворения растворяются, а питательные вещества используются при развитии зародыша, иногда они могут превращаться в запасающую ткань.