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10.13: Gymnospermen - Biologie

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Gymnospermen, was "nackte Samen" bedeutet, sind eine vielfältige Gruppe von Samenpflanzen und sind paraphyletisch. Zu ihren Merkmalen gehören nackte Samen, getrennte weibliche und männliche Gameten, Bestäubung durch Wind und Tracheiden (die Wasser und gelöste Stoffe im Gefäßsystem transportieren).

Die Samen von Gymnospermen sind nicht in einem Eierstock eingeschlossen; vielmehr sind sie auf Zapfen oder modifizierten Blättern ausgesetzt. Sporophylle sind spezialisierte Blätter, die Sporangien produzieren. Der Begriff strobilus (Plural = strobili) beschreibt eine enge Anordnung von Sporophyllen um einen zentralen Stiel, wie sie bei Zapfen zu sehen ist. Einige Samen werden nach der Reifung von Sporophytengeweben umhüllt. Die Schicht des Sporophytengewebes, die das Megasporangium und später den Embryo umgibt, wird als bezeichnet Haut.

Gymnospermen waren der dominierende Stamm im Mesozoikum. Sie sind angepasst, um dort zu leben, wo Süßwasser während eines Teils des Jahres knapp ist, oder in den stickstoffarmen Böden eines Moores. Daher sind sie immer noch der prominente Stamm im Nadelbiom oder der Taiga, wo die immergrünen Nadelbäume bei kaltem und trockenem Wetter einen Selektionsvorteil haben. Immergrüne Koniferen setzen während der kalten Monate ein niedriges Niveau der Photosynthese fort und sind bereit, die ersten sonnigen Tage des Frühlings zu nutzen. Ein Nachteil ist, dass Nadelbäume anfälliger für Befall sind als Laubbäume, da Nadelbäume nicht auf einmal ihre Blätter verlieren. Sie können daher keine Parasiten absondern und im Frühjahr mit frischem Laub neu anfangen.

Der Lebenszyklus eines Gymnosperm beinhaltet einen Generationswechsel mit einem dominanten Sporophyten, in dem der weibliche Gametophyt lebt, und reduzierten Gametophyten. Alle Gymnospermen sind heterospor. Die männlichen und weiblichen Fortpflanzungsorgane können sich in Zapfen oder Strobili bilden. Männliche und weibliche Sporangien werden entweder auf derselben Pflanze produziert, beschrieben als einhäusig („ein Haus“ oder bisexuell) oder auf getrennten Pflanzen, bezeichnet als zweihäusig („zwei Häuser“ oder eingeschlechtige) Pflanzen. Als Beispiel für die Fortpflanzung bei Gymnospermen soll der Lebenszyklus eines Nadelbaums dienen.

Lebenszyklus eines Nadelbaums

Kiefern sind Koniferen (kegeltragend) und tragen sowohl männliche als auch weibliche Sporophylle auf demselben reifen Sporophyten. Daher sind sie einhäusige Pflanzen. Wie alle Gymnospermen sind Kiefern heterospor und erzeugen zwei verschiedene Arten von Sporen: männliche Mikrosporen und weibliche Megasporen. In den männlichen Zapfen oder staminat Zapfen, die Mikrosporozyten Durch Meiose entstehen Pollenkörner. Im Frühjahr werden große Mengen gelber Pollen freigesetzt und vom Wind getragen. Einige Gametophyten landen auf einem weiblichen Zapfen. Unter Bestäubung versteht man den Beginn des Pollenschlauchwachstums. Der Pollenschlauch entwickelt sich langsam und die generative Zelle im Pollenkorn teilt sich durch Mitose in zwei haploide Samenzellen. Bei der Befruchtung vereint schließlich eine der Samenzellen ihren haploiden Kern mit dem haploiden Kern einer haploiden Eizelle.

Weibliche Zapfen, oder eiförmige Zapfen, enthalten zwei Samenanlagen pro Schuppen. Eine Megasporen-Mutterzelle, oder Megasporozyt, erfährt in jeder Eizelle eine Meiose. Drei der vier Zellen brechen zusammen; nur eine einzige überlebende Zelle wird sich zu einem weiblichen vielzelligen Gametophyten entwickeln, der Archegonien umschließt (ein Archegonium ist ein Fortpflanzungsorgan, das ein einzelnes großes Ei enthält). Bei der Befruchtung entsteht aus dem diploiden Ei der Embryo, der von einer Samenhülle aus Gewebe der Elternpflanze eingeschlossen ist. Die Befruchtung und Samenentwicklung ist bei Kiefern ein langer Prozess: Nach der Bestäubung kann es bis zu zwei Jahre dauern. Der gebildete Samen enthält drei Generationen von Geweben: die Samenhülle, die aus dem Sporophytengewebe stammt, den Gametophyten, der die Nährstoffe liefert, und den Embryo selbst.

Abbildung 1 veranschaulicht den Lebenszyklus eines Nadelbaums. Der Sporophyt (2n) Phase ist die längste Phase im Leben eines Gymnosperm. Die Gametophyten (1n) – Mikrosporen und Megasporen – werden verkleinert. Zwischen Bestäubung und Befruchtung kann es mehr als ein Jahr dauern, während der Pollenschlauch in Richtung Megasporozyten wächst (2n), die eine Meiose zu Megasporen durchläuft. Die Megasporen reifen zu Eiern (1n).

Vielfalt der Gymnospermen

Moderne Gymnospermen werden in vier Stämme eingeteilt. Coniferophyta, Cycadophyta und Ginkgophyta ähneln sich in ihrer Produktion von sekundärem Kambium (Zellen, die das Gefäßsystem des Stammes oder Stängels bilden und teilweise auf den Wassertransport spezialisiert sind) und ihr Muster der Samenentwicklung. Die drei Stämme sind jedoch phylogenetisch nicht eng miteinander verwandt. Gnetophyta gelten als die den Angiospermen am nächsten stehende Gruppe, da sie echtes Xylemgewebe produzieren.

Koniferen (Coniferophyta)

Nadelbäume sind der dominierende Stamm der Gymnospermen mit der größten Artenvielfalt (Abbildung 2). Die meisten sind typischerweise hohe Bäume, die normalerweise schuppen- oder nadelartige Blätter tragen. Die Wasserverdunstung aus den Blättern wird durch ihre dünne Form und die dicke Nagelhaut reduziert. Schnee gleitet leicht von nadelförmigen Blättern, hält die Last leicht und verringert das Abbrechen von Ästen. Anpassungen an kaltes und trockenes Wetter erklären die Dominanz von Nadelbäumen in großen Höhen und in kalten Klimazonen. Koniferen umfassen bekannte immergrüne Bäume wie Kiefern, Fichten, Tannen, Zedern, Mammutbäume und Eiben. Einige Arten sind laubabwerfend und verlieren im Herbst ihre Blätter. Die Europäische Lärche und die Tamaracke sind Beispiele für sommergrüne Nadelbäume (Abbildung 2c). Viele Nadelbäume werden für Papierzellstoff und Holz geerntet. Das Holz der Koniferen ist primitiver als das Holz der Angiospermen; es enthält Tracheiden, aber keine Gefäßelemente und wird daher als „Weichholz“ bezeichnet.

Cycadeen

Cycadeen gedeihen in milden Klimazonen und werden wegen der Form ihrer großen, zusammengesetzten Blätter oft mit Palmen verwechselt. Cycadeen tragen große Zapfen (Abbildung 3) und können eher von Käfern als vom Wind bestäubt werden: ungewöhnlich für Gymnospermen. Sie dominierten die Landschaft während des Zeitalters der Dinosaurier im Mesozoikum, aber nur etwa hundert Arten blieben bis in die Neuzeit erhalten. Sie sind vom Aussterben bedroht und mehrere Arten sind durch internationale Konventionen geschützt. Aufgrund ihrer attraktiven Form werden sie häufig als Zierpflanzen in Gärten in den Tropen und Subtropen verwendet.

Gingkophyten

Die einzige überlebende Art der Gingkophyten Gruppe ist die Ginkgo Biloba (Figur 4). Seine fächerförmigen Blätter – einzigartig unter den Samenpflanzen, weil sie ein dichotomes Äderungsmuster aufweisen – werden im Herbst gelb und fallen vom Baum. Seit Jahrhunderten, G. bilobawurde von chinesischen buddhistischen Mönchen in Klöstern kultiviert, was ihre Erhaltung sicherstellte. Es wird im öffentlichen Raum gepflanzt, weil es ungewöhnlich widerstandsfähig gegen Verschmutzung ist. Männliche und weibliche Organe werden auf getrennten Pflanzen produziert. Normalerweise pflanzen Gärtner nur männliche Bäume, weil die von der weiblichen Pflanze produzierten Samen einen abstoßenden Geruch nach ranziger Butter haben.

Gnetophyten

Gnetophyten sind den modernen Angiospermen am nächsten und umfassen drei unterschiedliche Pflanzengattungen: Ephedra, Gnetum, und Welwitschia (Abbildung 5). Wie Angiospermen haben sie breite Blätter. In tropischen und subtropischen Zonen sind Gnetophyten Reben oder kleine Sträucher. Ephedra kommt in trockenen Gebieten der Westküste der Vereinigten Staaten und Mexikos vor. EphedraDie kleinen, schuppenartigen Blätter sind die Quelle der Verbindung Ephedrin, die in der Medizin als starkes abschwellendes Mittel verwendet wird. Da Ephedrin sowohl in der chemischen Struktur als auch in der neurologischen Wirkung Amphetaminen ähnelt, ist seine Verwendung auf verschreibungspflichtige Medikamente beschränkt. Wie Angiospermen, aber im Gegensatz zu anderen Gymnospermen, besitzen alle Gnetophyten Gefäßelemente in ihrem Xylem.

Sehen Sie sich dieses Video an, das die erstaunliche Seltsamkeit von Welwitschia beschreibt.

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Lernziele

Gymnospermen sind heterosporen Samenpflanzen, die nackte Samen produzieren. Sie erschienen im Paläozoikum und waren die dominierende Pflanzenwelt im Mesozoikum. Moderne Gymnospermen gehören zu vier Stämmen. Der größte Stamm, Coniferophyta, wird von Nadelbäumen repräsentiert, den vorherrschenden Pflanzen in großen Höhen und Breiten. Cycads (Stamm Cycadophyta) ähneln Palmen und wachsen in tropischen Klimazonen. Ginkgo Biloba ist der einzige Vertreter des Stammes Gingkophyta. Der letzte Stamm, Gnetophyta, ist eine vielfältige Gruppe von Sträuchern, die in ihrem Holz Gefäßelemente produzieren.


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