Цветковые растения более сходны с папоротниками. У них спорофит — это и есть само растение, которое каждый может воочию видеть. Но существует у них и гаметофит, жизнь которого скрытно протекает в тканях цветка. Увидеть гаметофит доступно лишь исследователям, вооруженным микроскопом.
Но можно ли и должно ли говорить о чередовании поколений у цветковых растений, если у них и спорофит и гаметофит воплощены в одном растении? Для биологов это необходимо, чтобы понять ход эволюции растительного царства и историю возникновения тех или иных приспособительных механизмов у растения.
Клетка и наследственность
Поразительное разнообразие ныне живущих форм растений — отличное пособие для биолога-эволюциониста, пытающегося восстановить картину истории развития зеленого царства. Ведь сегодняшние одноклеточные, колонии водорослей, мхи, папоротники и все другие формы растительной жизни — это отражение определенных этапов эволюции и конкретных путей ее.
Одно из главнейших проявлений жизни — размножение. Каждый живой индивидуум представляет собой слишком хрупкую и, в общем, недолговечную конструкцию. Только воспроизводя себе подобных, живые существа могли завоевать планету.
Первыми представителями жизни на Земле были одноклеточные, населявшие океан.
Одиночные клетки размножались делением. Кажется, простой способ. Однако механизм размножения должен обеспечивать воспроизведение существ, себе подобных. А для этого нужно, чтобы в каждой из дочерних клеток наследственный материал оставался качественно и количественно таким же, как в материнской.
Рис. 6. Организм непрерывно растет и обновляется. Это происходит потому, что непрестанно удваиваются, делятся клетки, его составляющие. Простое деление клетки — митоз
Такое непрямое деление клетки называется митозом. Детали этого сложного процесса описаны в школьном учебнике, а если кто и забыл их, то легко вспомнить, поглядев на рисунок. Здесь важно лишь помнить, что наследственные свойства организма — программа его развития и функционирования — "записаны" в структурах ядра клетки, называемых хромосомами. В ходе подготовки к митотическому делению каждая из хромосом удваивается, создает рядом с собой свою точную копию — "двойника". При делении клетки "двойники" расходятся и включаются в ядра дочерних клеток. Так обеспечивается одинаковое число хромосом и одинаковость наследственного материала в каждой из них. Посредством митоза происходит также деление клеток многоклеточного — животного или растительного — организма при его росте. В результате такого деления каждая дочерняя клетка имеет двойной набор хромосом и является точной копией материнской клетки.
Но вернемся к одноклеточным. Иногда в массе клеток, по-видимому, происходил и противоположный митозу процесс — слияние их. Это могло быть благоприятно для одноклеточных организмов, так как жизненные возможности таких удвоенных слиянием клеток были выше, чем у предшественников. Может быть, именно по этой причине слияние стало случаться все чаще и, наконец, превратилось не только в обычное, но и необходимое явление.
Рис. 7. В половых клетках содержится вдвое меньшее количество хромосом, чем в соматических. Иначе в каждом новом поколении непрестанно и до бесконечности происходило бы удвоение их числа. Поэтому при образовании половых клеток — гамет — идет процесс редукционного, 'уменьшительного' деления — мейоз
Предположение о том, что слияние клеток могло происходить часто и даже постоянно, доказывается лабораторными наблюдениями над культурами одноклеточных организмов и культурами тканей. Здесь — это довольно обычное явление.
Но подобные удвоения породили свои проблемы. Каждая клетка обладает строго определенным числом хромосом, а следовательно, определенным запасом наследственного материала и информации. При одном слиянии количество наследственной информации удваивается и это способствует повышению жизнеспособности клетки. Последующие слияния могут привести к дезорганизации жизни клетки или по крайней мере к значительному изменению ее свойств в каждом новом поколении, что далеко не всегда желательно.
У живых организмов в процессе эволюции выработался механизм, препятствующий бесконечному "удвоению" клетки — редукционное, "уменьшительное" деление, или, иначе, мейоз.
В итоге мейотического деления образуются половые клетки — с половинным по сравнению с материнскими клетками количеством хромосом. Впоследствии отцовские и материнские "половинки" сливаются воедино и дают начало новому организму, в клетках которого будет двойной набор хромосом, как и в клетках каждого из родителей.
Процесс мейоза состоит из двух последовательных делений: первого, собственно редукционного, и второго, происходящего по типу митоза.
Каждой хромосоме соответствует вторая хромосома, парная — гомологичная, сходная по строению и характеру наследственного материала. Перед началом первого, редукционного деления обе хромосомы объединяются в пары. Потом, подобно тому как это происходит при митозе, каждый из двух членов пары расходится к противоположным полюсам клетки. По завершении процесса деления оказывается, что в каждом дочернем ядре остается вдвое меньшее число хромосом, чем было в родительской клетке.
Второе деление следует сразу за первым. Все здесь идет по типу митоза: каждая хромосома в новых клетках строит своего "двойника", после чего они расходятся к разным полюсам. Потом клетка делится. В итоге из начальной клетки образуются четыре, каждая из которых содержит сходный и вдвое меньший, чем в начальной клетке, набор хромосом. Сходный, но не одинаковый по наследственным свойствам.
Отвлечение в эволюцию
Мы уже упомянули, что одно из главнейших свойств живых организмов, которым они коренным образом отличаются от неживой природы, заключается в способности воспроизводить себе подобных. Если бы это подобие было полным, если бы дети были во всем похожи на родителей, — это значит, что у живых организмов отсутствовала бы наследственная гибкость и была бы невозможна эволюция, не совершенствовались бы формы жизни.
Слияние клеток (конъюгация) и деление их посредством митоза и мейоза были, по-видимому, первым по времени возникновения генетическим механизмом жизни. Несомненно, на заре эволюции деление и слияние клеток осуществлялись более простыми, чем сегодня, способами. Сами процессы митоза и мейоза, прежде чем достигнуть современной законченной точности, неминуемо должны были совершенствоваться. Кстати, предположение о возможности существования упрощенных — без образования специализированных клеток, какими являются споры, — способов воспроизведения себе подобных подтверждается и некоторыми ныне существующими организмами. Так у водорослей сцеплянок сливаются обычные вегетативные клетки, не "уполовинившиеся" в процессе мейоза. Подобное случается лишь тогда, когда изменяются условия существования — наступает похолодание или не хватает азотистых веществ для питания. Сцеплянки в данном случае иллюстрируют роль слияния клеток в повышении их жизнеспособности.
Эволюция отнюдь не всегда идет по пути усложнения организации живых существ и вымирания более простых, первоначальных форм. Сегодня на нашей планете обитают и одноклеточные, и грибы, и папоротники, и цветковые растения, и иные группы растительного царства — растения с очень различной степенью организации, но всегда с рациональным приспособлением к обитанию в тех или иных условиях.
Если бы ничто не мешало безграничному размножению, многие одноклеточные организмы в весьма небольшой срок укутали бы весь земной шар сплошным и толстым покрывалом из своих тел. Большая скорость размножения — это и есть их главное приспособление, выработавшееся в процессе эволюции при условии, что шансы на выживание и оставление потомства у каждой отдельно взятой клеточки очень и очень малы.
Иными путями шла эволюция многоклеточных форм.
История многоклеточных организмов началась вероятнее всего с того, что одноклеточные водоросли делились, но не расходились порознь, а начинали жить совместно, в колониях. Однако, и объединившись, каждая из клеток продолжала жить прежней жизнью, выполняя те же функции, что и ее соседки: передвижения, снабжения питанием, размножения. Постепенно в таких колониях произошло первое разделение труда: одни клетки взяли на себя функцию снабжения всей колонии питанием, на долю других выпала задача воспроизведения себе подобных.
Наверное, поначалу последние просто отделялись от старой колонии и давали начало новой. Позднее возник механизм полового воспроизведения. Воспроизводящие клетки, по-видимому, приступали к редукционному делению, и каждая из них давала начало четырем гаметам — клеткам с половинным набором хромосом. Им предстояло далее найти себе партнеров для слияния. Наилучшим вариантом для потомства был тот, когда сливались гаметы, образовавшиеся в разных колониях: ведь чем богаче генетический фонд организма, тем больше у него шансов на победу в борьбе за жизнь. Но для того чтобы найти подходящего с этой точки зрения партнера, нужен был механизм передвижения. И как только он возник (сегодня даже у самых примитивных многоклеточных гаметы обладают жгутиками), отпала необходимость в движении всей колонии. Так могли возникнуть "сидячие" формы организмов.
Слившиеся гаметы образовывали зиготу — клетку с "нормальным", двойным набором хромосом, которая давала начало новой колонии.
Иногда в одной и той же колонии образовывались и гаметы, и споры. По-видимому, это было необходимо для расселения пассивных колониальных организмов. Жгутики гамет слабы и не смогут унести их сколько-нибудь далеко от родной колонии, тем более что сами эти клетки нежны и беззащитны. Споры же могли хорошо противостоять неблагоприятным внешним условиям и какими-то внешними силами могли быть унесены на значительные расстояния. Еще больше возможностей расселения было у активных, способных к самостоятельному передвижению зооспор. Они могли уже не надеяться на волю случая, а самостоятельно забираться в новые места с подходящими для их жизни условиями. Именно такую форму жизни представляет и ныне обитающая в наших пресноводных водоемах водоросль улотрикс, у которой на одной и той же многоклеточной особи формируются и споры, и гаметы.