التنوع النباتي

من الماء إلى الأرض

ظهرت Kingdom Plantae لأول مرة منذ حوالي 410 ملايين سنة عندما انتقلت الطحالب الخضراء من الماء إلى الأرض. على الرغم من أن هذا الانتقال كان صعبا ، إلا أنه أفاد المستعمرين الأوائل بعدة طرق. في البداية ، كانت معظم الكائنات الحية (بما في ذلك النباتات) تعيش في المحيطات ، مما يجعل البيئات المائية مزدحمة وتنافسية للغاية. في المقابل ، كانت الأرض بيئة غير مستعمرة نسبيا مع موارد وفيرة وقليل من المفترسة أو المنافسين. كما قدمت البيئات الأرضية مزيدا من الضوء وثاني أكسيد الكربون ، الذي تحتاجه النباتات للنمو والبقاء على قيد الحياة. وفقا لذلك ، كانت المنافذ الأرضية الجديدة ناضجة مع إمكانية لأول طحالب شبه مائية انتقلت إلى بيئات جافة.

ومع ذلك ، فإن الاختلافات الصارخة بين البر والبحر شكلت تحديا هائلا للأنواع المستعمرة المبكرة. دفعت هذه التحديات إلى العديد من التكيفات الجديدة التي أدت إلى مجموعة متنوعة من الأشكال النباتية التي لوحظت اليوم. يتطلب التكيف مع الحياة على الأرض تغييرات جوهرية في الهيكل واستراتيجيات التكاثر وآليات التغذية والدفاع للأنواع النباتية. على سبيل المثال ، تعتمد النباتات المائية عموما على بيئة سائلة لامتصاص الماء والمواد المغذية مباشرة ، والطفو للدعم المادي ، ونقل الأمشاج عبر الماء للتخصيب. بالنسبة للنباتات البرية ، أصبحت هذه الاستراتيجيات مستحيلة. لعبت هذه العقبات التي تحول دون الحياة على الأرض دورا مهما في التطور المبكر للنباتات الأرضية وتستمر في تشكيل تطورها اليوم.

كان أحد التكيفات المبكرة هو تطوير طلاء شمعي خارجي يسمى بشرة ¹ . تعمل البشرة على حماية النباتات من الجفاف أو التجفيف الشديد عن طريق حبس الرطوبة في الداخل. ومع ذلك ، فإن هذا التكيف منع التبادل المباشر للغازات عبر سطح النباتات. نتيجة لذلك ، تطورت المسام على الأسطح الخارجية للنباتات التي سمحت بامتصاص ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين. يمكن فتح هذه المسام ، التي تسمى الثغور ، أو إغلاقها حسب الظروف البيئية. من خلال تقلص الخلايا الحارسة المحيطة بالثغور ، تغلق النباتات هذه الفتحات خلال فترات الجفاف لمنع فقدان الرطوبة الزائدة. ساعدت هذه التعديلات على الاحتفاظ بالمياه للنباتات التي تعيش في البرية. ومع ذلك ، كانت الهياكل الإضافية ضرورية لتسهيل نقل المياه والمغذيات من التربة إلى الأجزاء العليا من النبات. نتيجة لذلك ، تطورت أنسجة الأوعية الدموية التي لا تعمل فقط على نقل المياه والمواد المغذية إلى جميع مناطق النبات ، ولكن يمكنها أيضا توفير الدعم الهيكلي حيث تنمو السيقان أطول وأقوى.

لاستيعاب التكاثر على الأرض ، حدثت العديد من التغييرات في هياكل وآليات تسميد النبات وتطويره. أولا ، طورت النباتات الأرضية gametangia ، وهي هياكل تكاثرية تحمي الأمشاج والأجنة من البيئة القاسية خارج النبات. في الذكور ، يطلق على هذا الهيكل اسم أنثريديا بينما في الإناث يطلق عليه الأركيجونيا. لتسهيل نقل المنوية من الأنثريديا إلى البويضات داخل الأركيجونيا ، تطورت استراتيجيات مختلفة. وتشمل هذه المنوية التي تسبح من هيكل إلى آخر ، أو تحملها الرياح ، أو تنقلها الملقحات مثل النحل والطيور. الوضع المحدد المستخدم فريد من نوعه لكل تصنيف للنباتات. بعد الإخصاب ، يتم الاحتفاظ بالبويضات داخل الأركيجونيا لحماية وتغذية الجنين النامي ، أو النبات البوغي.

كان التكيف الإنجابي المهم الآخر هو توليد البذور. على الرغم من عدم زرع جميع النباتات الأرضية ، إلا أن استخدام البذور مفيد لأسباب عديدة. بدون هذه الهياكل ، تتطلب النباتات بيئات رطبة لنقل الأمشاج من مكان إلى آخر. في كثير من الأحيان في مثل هذه النباتات ، تكون جراثيم الذكور والإناث بنفس الحجم تقريبا وكلاهما ينتقل. ومع ذلك ، تحتوي النباتات المصنفة عموما على جراثيم ذكورية صغيرة تتكيف لتكون عالية الحركة ، تسمى حبوب اللقاح. تنتقل حبوب اللقاح إلى النباتات المشيجية الأنثوية لإيداع المنوية مباشرة في البويضة. بمجرد حدوث الإخصاب ، تتشكل بذرة تحتوي على جنين النبات وإمدادات من العناصر الغذائية. تحتوي العديد من البذور أيضا على طبقة واقية وقادرة على البقاء في البيئات الجافة والتشتت لمسافات طويلة. يمكن أن يوجد البعض في حالة نائمة لفترات طويلة من الزمن ، "في انتظار" الظروف البيئية المناسبة لتحفيز الإنبات. خلقت هذه التكيفات أنواعا نباتية تتكيف جيدا مع الحياة في البيئات الأرضية.

السلالات الرئيسية للنباتات

على الرغم من وجود أنواع لا حصر لها من النباتات الآن ، إلا أنه يمكن تقسيمها جميعا إلى واحدة من ثلاث مجموعات: غير وعائية ، وعائية خالية من البذور ، وبذور الأوعية الدموية. النباتات غير الوعائية هي الأكثر أسلاف والأقل تعقيدا ، بما في ذلك الطحالب وعشبة الكبد ونباتات القرن. نظرا لأن هذه النباتات تفتقر إلى الهياكل الوعائية والبذور ولا تحتوي إلا على بشرة رفيعة أو لا تحتوي على أي شيء على الإطلاق ، فإنها تعتمد على الماء للبقاء على قيد الحياة والتكاثر. قد تدخل بعض الأنواع في حالة سكون خلال فترات الجفاف حتى يسهل هطول الأمطار الإضافي النمو أو التكاثر. يؤدي نقص الهياكل الداعمة في هذه النباتات إلى أشكال منخفضة بشكل عام ، ويبدو أنها تعانق السطح الذي تنمو عليه. للتكاثر ، تطلق النباتات غير الوعائية منوية عارية يجب أن تسبح عبر المياه المحيطة إلى الأركيجونيا. على الرغم من أن هذه النباتات تمتلك عددا قليلا جدا من التكيفات التي تمتلكها المجموعات الأرضية الأخرى ، إلا أن النباتات غير الوعائية متخصصة للعيش في البيئة الرطبة التي توجد فيها.

بعد ذلك ، تشمل النباتات الوعائية الخالية من البذور السرخس وذيل الحصان. يمكن العثور عليها في الموائل الرطبة ، عادة في الطوابق السفلية للغابات المطيرة المعتدلة. على عكس الأنواع غير الوعائية ، تحتوي هذه النباتات على بشرة أكثر سمكا ، وثغور عاملة ، وأنسجة وعائية تسمح لها بالنمو أطول ونقل المياه والمواد المغذية بنشاط. لا تحتوي السرخس على بذور ، ولكنها بدلا من ذلك تستخدم الجراثيم لنقل الأمشاج على الرغم من الرطوبة من الأنثريديا إلى الأركيجونيا. نتيجة لذلك ، تمثل هذه الأنواع سلالة تطورية وسيطة يمكن أن تعيش في بيئات جافة ، ولكنها تتطلب ظروفا رطبة للتكاثر.

المجموعة الأخيرة ، النباتات المصنفة الوعائية ، تشمل جميع الأنواع المتبقية. هذه المجموعة هي الأكثر تنوعا وتحتل أوسع مجموعة من الموائل ² . ومع ذلك ، تتميز جميع الأنواع بالعديد من التكيفات الشائعة ، بما في ذلك أنسجة الأوعية الدموية وحبوب اللقاح شديدة الحركة والبذور. تنقسم هذه المجموعة الكبيرة إلى مجموعتين فرعيتين رئيسيتين ، كاسيات البذور وعاريات البذور. تشمل كاسيات البذور جميع النباتات المزهرة والمثمرة ، حيث تحملها الرياح حبوب اللقاح أو تنقلها الملقحات ^3-4 . إن نمو الزهور والفواكه قابل للتكيف مع توزيع حبوب اللقاح والبذور. تساعد العديد من ، بما في ذلك النحل والطيور الطنانة ، في نقل حبوب اللقاح من زهرة إلى أخرى. الفاكهة التي تنتجها هذه المجموعة مهمة للغاية للنظام الغذائي للعديد من ، بما في ذلك البشر. من خلال تعريفها البيولوجي ، تشمل الفاكهة أي بنية تحمل البذور وتتكون من المبيض ، وتشمل أصنافا معروفة بما في ذلك التفاح والبرتقال بالإضافة إلى منتجات مثل الطماطم والأفوكادو والخيار. يمكن أن يساعد استهلاك أو نقل الفاكهة من قبل البشر الأخرى في نشر البذور لمسافات كبيرة. في المقابل ، عاريات البذور هي نباتات غير مزهرة بما في ذلك الصنوبريات والسيكاسيات وأشجار الجنكة. تنتج هذه الأنواع بذورا عارية غير محمية بالفاكهة وحبوب اللقاح التي تحملها الرياح. يشكل كل من كاسيات البذور وعاريات البذور الغالبية العظمى من النباتات التي لوحظت اليوم.

بالإضافة إلى الأنواع التي تطورت بشكل طبيعي على مدى فترات طويلة من الزمن ، شارك البشر في الانتقاء الاصطناعي وتربية العديد من أنواع النباتات للاستخدام البشري أو الاستهلاك. على سبيل المثال ، خضع نبات الخردل البري داخل مجموعة Brassica لاختيار اصطناعي واسع النطاق لإنتاج اللفت والبروكلي وبراعم بروكسل والملفوف واللفت والكرنب والقرنبيط. قام البشر أيضا بتغيير مشهد الحياة النباتية من خلال إدخال الأنواع الغازية إلى المناطق غير الأصلية. غالبا ما تتفوق هذه الأنواع على الكائنات الحية المحلية ، لأنها غالبا ما تفتقر إلى المنافسين الطبيعيين أو المفترسة في البيئة الجديدة. أحد الأمثلة على ذلك هو kudzu ، وهو نبات بازلاء ينمو بسرعة وينتشر بكفاءة. تم إدخال Kudzu عمدا إلى شرق الولايات المتحدة من جنوب شرق آسيا في محاولة لتحقيق الاستقرار في التربة ومنع التعرية بالقرب من الطرق والمزارع. ومع ذلك ، بمجرد تقديمه ، سرعان ما تجاوز kudzu الأنواع المحلية ، مما أدى إلى منع الضوء والإفراط في استهلاك الموارد. تشير التقديرات الآن إلى أن kudzu يتسبب في أكثر من 500 مليون دولار من الأضرار الحرجية والزراعية كل عام. تعد الآثار البيئية لهذا النوع الغازي وغيره من الأنواع الغازية مصدر قلق كبير لعلماء الأحياء والاقتصاديين على حد سواء.

المراجع

1. زيف ، سي ، وآخرون (2018). "الأدوار متعددة الوظائف لبشرة النبات أثناء تفاعلات النبات ومسببات الأمراض". علم النبات الأمامي 9 : 1088.
2. جوبتا ، ر. و ر. ديسوال (2014). "البروتينات المضادة للتجمد تمكن النباتات من البقاء على قيد الحياة في ظروف التجمد". J Biosci 39 (5): 931-944.
3. Jurgens، A.، et al. (2012). "صراع الملقحات والفريسة في النباتات آكلة اللحوم". Biol Rev Camb Philos Soc 87(3): 602-615.
4. Thomann، M.، et al. (2013). "النباتات المزهرة تحت انخفاض الملقحات العالمية". اتجاهات نبات العلوم 18 (7): 353-359.

قبل أن تستعمر النباتات الأرض من البحر ، كانت القارات قاحلة. الآن تعيش ملايين أنواع الميكروبات والنباتات على الأرض ، وكان تطور النباتات البرية هو الذي جعل كل هذا ممكنا. لفهم هذا التحول المذهل ، نحتاج إلى فهم ماهية النباتات بالضبط وكيف تطورت لمواجهة تحديات الحياة على الأرض.

هناك بعض الخصائص التي تشترك فيها جميع النباتات ، من أطول الأشجار إلى أصغر الطحالب. أولا ، جميع النباتات هي حقيقيات النوى متعددة الخلايا. ثانيا ، تنتج النباتات صبغة التمثيل الضوئي الكلوروفيل في عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء ، مما يمكنها من إنتاج طعامها باستخدام الطاقة من الشمس. ثالثا ، تحتوي جميع النباتات على خلايا محاطة بجدران مصنوعة من السليلوز. أخيرا ، تتمتع جميع النباتات بدورة حياة تتميز بالتناوب بين الأجيال ، والتي تعرف بأنها الانتقال بين المراحل أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصبغيات متعددة الخلايا على مدار دورة الحياة. هنا ، تشير الأجيال إلى مرحلتين مختلفتين متعددة الخلايا في دورة الحياة. مرحلة واحدة هي الطور المشيجي أحادي الصيغة الصبغية. ينتج الطور المشيجي الأمشاج عن طريق الانقسام ، والتي تندمج أثناء الإخصاب لتشكيل خلية ثنائية الصبغيات ، والتي تخضع بعد ذلك للانقسام لتتطور إلى نبات بوغي. ينتج البوغ ، بدوره ، جراثيم أحادية الصيغة الصبغية عن طريق الانقسام ، ويكمل الدورة عن طريق ظهور نباتات مشيجية جديدة.

على الرغم من أن جميع النباتات تشترك في هذه الخصائص ، إلا أن هناك اختلافات صارخة بين سلالات النباتات المتنوعة في كيفية التعبير عن بعض هذه الخصائص. دعونا نفحص هذا التنوع. تنقسم النباتات البرية إلى ثلاث مجموعات رئيسية ، النباتات غير الوعائية ، والنباتات الوعائية الخالية من البذور ، ونباتات البذور. تحتوي كل مجموعة من هذه المجموعات على عدة آلاف من الأنواع.

تنتمي الطحالب إلى قسم Bryophyta. تتميز هذه النباتات البسيطة نسبيا بثلاث خصائص رئيسية ، وهي نقص الأنسجة الوعائية ، والطور المشيجي هو مرحلة الحياة الحرة السائدة في دورة حياتها ، والنبات البوغي صغير وغير متفرع ويعتمد على الطور المشيجي للتغذية.

كانت المجموعة الرئيسية التالية من النباتات البرية التي تطورت هي النباتات الوعائية الخالية من البذور ، والتي يمثلها هنا قسم Monilophyta. تشمل هذه المجموعة السرخس وذيل الحصان. تحتوي هذه النباتات على أنسجة وعائية حقيقية ولكنها لا تنتج بذورا مثل نباتات الأوعية الدموية الأخرى. النبات البوغي هو السائد والمتفرع مع بشرة شمعية ومسام أوراق تسمى الثغور التي تنظم تبادل الغازات. الطور المشيجي أصغر بكثير ولكنه يعيش بحرية في معظم أعضاء هذه المجموعة. تتطلب جراثيم السرخس المنوية الماء السائل لتشتيتها. تعد أنظمة الجذر الواسعة والأنسجة الوعائية من الابتكارات الرئيسية في نباتات الأوعية الدموية الخالية من البذور التي توفر الدعم الهيكلي وتسمح بجمع المياه بكفاءة من التربة.

كانت نباتات البذور هي المجموعة الرئيسية التالية التي تطورت. هناك نوعان من السلالات الرئيسية في هذه المجموعة ، عاريات البذور وكاسيات البذور. على الرغم من اختلافها في العديد من التفاصيل ، إلا أن جميع بذور عاريات البذور وكاسيات البذور تتكون من جنين ومخزن للطعام محاط بقشرة واقية تسمى طبقة البذور. يزود مخزن الطعام الشتلات بالموارد حتى تتمكن من إطعام نفسها. تشمل عاريات البذور أشجارا مألوفة مثل أشجار الصنوبر والتنوب والجنكة. النبات البوغي هو مرحلة دورة الحياة السائدة في عاريات البذور. النباتات المشيجية صغيرة جدا وتنمو على مخاريط الذكور أو الإناث. تحمل الرياح الطور المشيجي الذكري ، المسمى حبوب اللقاح ، إلى النباتات المشيجية الأنثوية. بعد الإخصاب ، يتطور هيكل أنثوي يسمى البويضة إلى بذرة. كانت كاسيات البذور ، أو النباتات المزهرة ، هي المجموعة التالية من نباتات البذور التي تطورت. هذه المجموعة هي مجموعة النباتات الأكثر انتشارا وغنية بالأنواع ، بما في ذلك العديد من النباتات والأشجار المألوفة مثل الزنابق والبلوط والتفاح. مثل عاريات البذور ، فإن النباتات البوغية كاسيات البذور كبيرة وتعيش بحرية والنباتات المشيجية صغيرة جدا ومقسمة إلى أشكال ذكورية وأنثوية. ولكن على عكس عاريات البذور ، يمكن للحيوانات المتنوعة تلقيح الأزهار بالإضافة إلى الرياح ، وجمع حبوب اللقاح أثناء زيارتها للزهور وتوزيعها أثناء مغادرتها لزيارة الآخرين. بعد التلقيح والتخصيب ، يتطور المبيض إلى فاكهة تحتوي على البذور.

لقد أكملنا الآن جولتنا المبسطة للتنوع النباتي التي سلطت الضوء على بعض السمات النباتية الرئيسية من أنسجة الأوعية الدموية إلى تطور الفاكهة. معا ، مكنت هذه التكيفات النباتات من السيطرة على معظم المناطق الأحيائية الأرضية. في هذا المختبر ، سوف تحقق من التنوع النباتي من خلال فحص العينات من السلالات الرئيسية المختلفة للنباتات ومراقبة هياكلها في كل من المختبر والميدان.