Какие бывают хвойные растения: классификация и особенности

Хвойные растения играют огромную роль в природе и жизни человека. Они широко используются в строительстве, производстве мебели, бумаги. Являются неотъемлемым элементом ландшафтного дизайна. Поражают своими размерами, долголетием, красотой. За много веков совместного существования люди научились ценить и беречь дары хвойных.

Древняя история хвойных растений

Хвойные растения являются древней группой, их ископаемые остатки встречаются на протяжении порядка 300 млн лет, начиная с позднего каменноугольного периода палеозойской эры. Какие бывают хвойные растения - это одна из наиболее распространенных и имеющих наибольшее экономическое значение групп голосеменных растений.

Древнейшими макроостатками хвойных считаются листья Swillingtonia denticulata, найденные на территории Англии. Более современные роды появляются в ископаемых отложениях возрастом 60-120 млн лет.

Хвойные - это группа голосеменных растений, чьи семена развиваются в шишках. Все современные виды хвойных – древесные растения; преобладающее большинство – деревья, хотя есть и кустарники.

Ископаемые хвойные растения были довольно разнообразны, наибольшее отличие от современных представителей этого отряда было у некоторых травянистых хвойных видов, не имеющих древесных волокон.

Современная классификация хвойных

Хвойные растения - это группа голосеменных растений, в настоящее время насчитывающая от 6 до 8 семейств с 65-70 родами и 600-650 видами. Отдел хвойных растений состоит всего из одного класса – Pinopsida, который включает как вымершие, так и существующие таксоны.

Раньше класс Pinopsida чаще всего делили на два порядка – тисовые (Taxales) и собственно хвойные (Pinales). Однако последние исследования последовательностей ДНК доказали, что такое деление делает порядок Pinales парафилетическим. Поэтому порядок Тисовые был включен в состав Pinales.

Более четким было бы деление класса на три порядка: Pinales (хвойные), Araucariales (араукариевые) и Cupressales (кипарисовые). Однако нет достаточных оснований для такого деления, поскольку большинство ученых предпочитает сохранять все семейства внутри единственного порядка Pinales.

В настоящее время в составе класса Pinopsida рассматриваются следующие основные семейства:

• Сосновые (Pinaceae) – наиболее широко распространенное семейство хвойных.
• Кипарисовые (Cupressaceae) – включает большинство хвойных с чешуевидными листьями.
• Тисовые (Taxaceae).
• Подокарповые (Podocarpaceae) – особенно много видов в Южном полушарии.
• Головчатотисовые (Cephalotaxaceae).
• Араукариевые (Araucariaceae).
• Сциадопитисовые (Sciadopityaceae).

Особенности строения хвойных растений

Хвойные - это группа растений с рядом характерных особенностей строения. Большинство хвойных - высокие деревья с одним прямым стволом, боковыми ветвями и выделенной верхушкой. Для многих хвойных характерно наличие мощного стержневого корня, от которого отходят боковые корни.

Помимо длинных корней, у хвойных имеются короткие мелкие сильно ветвистые корни - основные абсорбирующие органы. Эти корни часто содержат микоризу. У подокарповых встречаются корневые клубеньки с азотфиксирующими бактериями.

Для хвойных характерно наличие игловидных, реже чешуевидных или плоских листьев. Листья располагаются по спирали или супротивно, сохраняются на растении от 2 до 40 лет. Есть и листопадные хвойные - лиственница, метасеквойя.

Органы размножения хвойных - это шишки. Опыление происходит с помощью ветра, реже насекомых или птиц. Семена разносятся ветром, водой, птицами.

Разнообразие форм листьев у хвойных

Хвойные растения отличаются большим разнообразием форм листьев. Наиболее распространены длинные тонкие иглы, например у сосен, елей, пихт. Размер таких листьев варьирует от 2 мм до 40 см в длину. Цвет обычно темно-зеленый, что позволяет максимально использовать слабый свет в высоких широтах.

Другие хвойные, особенно из семейств кипарисовых и подокарповых, имеют плоские чешуевидные листья размером всего 2-5 мм. Такие мелкие листья характерны для засушливых регионов, они позволяют сократить потери влаги.

Есть и хвойные с широкими плоскими лентовидными листьями длиной до 40 см, например нагейя овальнолистная. Такие крупные листья встречаются в тропическом и субтропическом климате, где достаточно влаги и интенсивного света для фотосинтеза.

Особого внимания заслуживают листопадные хвойные. Например, лиственницы, метасеквойи, таксодиумы на зиму сбрасывают хвою. Эта особенность позволяет переживать суровые зимы умеренных широт, не теряя влагу на транспирацию.

Разнообразие форм листьев у хвойных - это приспособление к самым разным климатическим условиям: от холодных регионов до жаркого тропического климата.

Хвоя - необычные игловидные листья

У большинства хвойных растений листья представлены хвоей - длинными тонкими иглами разных размеров. Например, длина хвои сосны может варьироваться от 5 до 40 сантиметров. А вот у можжевельника хвоя имеет размер всего 2-5 мм.

Форма хвои тоже бывает разной: от мягкой, гибкой, слегка изогнутой до жесткой, прямой и колючей. Хвоя располагается по спирали, реже мутовками по несколько игл. У некоторых видов хвоя перекручена у основания для максимального улавливания света.

Необычайная форма хвои - приспособление к суровым условиям высоких широт и высокогорий. Игловидные листья лучше переносят низкие температуры зимой, меньше теряют влагу, а благодаря темно-зеленой окраске эффективно поглощают слабый свет.

Хвоя очень долговечна, в среднем живет 3-4 года, а у некоторых сосен до 40 лет на одном побеге! За счет этого хвоя меньше нуждается в обновлении, а растения могут расти в суровых условиях с коротким вегетационным периодом.

Особенности корневой системы хвойных

У хвойных растений хорошо развита корневая система. Для большинства хвойных характерно наличие мощного главного стержневого корня, который закладывается на ранних этапах развития растения и сохраняется всю жизнь.

От главного корня отходят боковые разветвленные корни, образующие обширную корневую систему, прочно укрепляющую растение в почве. Именно боковые корни выполняют основную функцию поглощения воды и минеральных веществ.

Кроме длинных корней, у хвойных есть мелкие поверхностные всасывающие корни, часто с микоризой. Такие корни обычно сильно ветвятся, значительно увеличивая площадь всасывания.

Развитая и глубоко проникающая в почву корневая система - важное приспособление хвойных к произрастанию на бедных почвах с малым количеством доступной влаги.

Уникальное строение устьиц хвойных растений

Хвойные растения обладают своеобразным строением устьиц - особых структур на поверхности листьев, регулирующих газообмен. У большинства хвойных устьица располагаются на нижней поверхности листа в углублениях - криптах, что защищает их от чрезмерного испарения.

Форма и строение устьиц, их размер, количество и распределение на листовой пластине у разных представителей хвойных сильно различается. Эти признаки часто используют для идентификации рода ископаемых хвойных по отпечаткам листьев.

Особенности устьиц хвойных - результат приспособления к жизни в разных климатических условиях. Например, наличие воскового налета на хвое елей и сосен регулирует испарение, защищая от пересыхания в условиях интенсивной солнечной радиации.

Органы размножения - мужские и женские шишки

Органы размножения хвойных растений представляют собой стробилы - видоизмененные укороченные побеги, на которых находятся специализированные листья, формирующие спорообразующие органы. У хвойных стробилы однополые, то есть содержат либо мужские, либо женские генеративные органы.

Мужские стробилы называются микростробилами, они чаще всего растут компактными собраниями, которые называют «мужскими шишками». Микроспорофиллы на них сильно редуцированы, имеют чешуевидную форму. На каждом микроспорофилле образуется 2-15 микроспорангиев, в которых развиваются мужские гаметофиты.

Женские стробилы - мегастробилы - обычно растут поодиночке и называются «женскими шишками». Они состоят из центральной оси, кроющих и семенных чешуй. В пазухе каждой кроющей чешуи расположена семенная чешуя с одним или несколькими семязачатками.

У большинства хвойных растения однодомные, то есть на одном растении находятся как мужские, так и женские шишки. Реже встречаются двудомные растения. Мужские стробилы вырабатывают огромное количество микроспор, которые разносятся ветром на женские шишки для опыления.

Процесс оплодотворения у хвойных растений

Процесс оплодотворения у хвойных растений начинается с опыления. В конце весны - начале лета микроспорангии на мужских шишках начинают производить огромное количество микроспор. Ветер разносит их и заносит на женские шишки. У разных видов хвойных есть несколько способов, как именно микроспоры попадают внутрь женской шишки к семязачаткам.

Например, у сосен семенные чешуйки на шишках выделяют капельки «опылительной жидкости», которые смачивают пыльцевые зерна и всасывают их внутрь. А у псевдотсуги и пихт вместо жидкости используются клейкие волоски или подвижный нуцеллус, который растет навстречу пыльце.

После того, как микроспоры оказываются в женской шишке, они прорастают, образуя пыльцевые трубки. Эти трубки достигают нуцеллуса - женского гаметофита с яйцеклеткой. Происходит оплодотворение и формируется зигота. Но у некоторых видов хвойных, например сосен, между опылением и оплодотворением может пройти очень длительный период - до 2 лет.

После оплодотворения из зиготы развивается зародыш будущего семени. Он питается веществами из окружающего эндосперма. Так формируется семя с кожурой, зародышем, эндоспермом внутри. А остальные части мегастробила преобразуются в различные приспособления для распространения семян - чаще всего крылышки или мясистые сладкие плоды.

Процесс оплодотворения у хвойных довольно сложный и многоэтапный. От опыления до полного формирования зрелого семени с приспособлениями для распространения может пройти от нескольких месяцев до 3 лет. Это связано с медленным ростом и развитием хвойных растений.

Формирование семян и их распространение

После оплодотворения и образования зиготы у хвойных растений начинается процесс формирования семян. Из зиготы развивается зародыш будущего растения, который питается запасными питательными веществами эндосперма. Так образуется семя, состоящее из кожуры (образованной из интегумента), зародыша и окружающего эндосперма.

Одновременно вокруг формирующегося семени происходит преобразование остальных частей мегастробила. У большинства хвойных растений образуются различные приспособления для распространения семян с помощью ветра – крылышки, парашютики. Также могут формироваться яркие мясистые образования, привлекающие птиц и животных.

Когда семена полностью сформировались, происходит их распространение. У сосновых, кипарисовых, тисовых при созревании шишек чешуи раскрываются, и семена разносятся ветром. У других хвойных, например пихт, шишки разрушаются, освобождая семена. А семена можжевельника, тиса, подокарповых распространяются с помощью птиц и животных, поедающих мясистые образования вокруг них.

У хвойных растений существует несколько разных механизмов распространения семян – с помощью ветра, животных, разрушения шишек. Но во всех случаях первоначально происходит формирование полноценных семян с зародышем, эндоспермом и кожурой на основе оплодотворенной яйцеклетки.

Разнообразие размеров и форм шишек

У разных видов хвойных растений шишки могут сильно различаться по размерам и форме. Обычно размер шишек варьирует от 2 мм до 60 см в длину. Самые маленькие шишки, 2-4 мм длиной, встречаются у можжевельника. А самыми крупными являются шишки секвойядендрона гигантского, достигающие 60 см в длину и весом до 2 кг.

По форме шишки могут быть:

• продолговатые цилиндрические (у сосны обыкновенной);
• яйцевидные или шаровидные (ель, пихта);
• удлиненно-конические (лиственница);
• плотные округлые (можжевельник).

Также варьирует строение чешуй на шишках - они бывают деревянистые, кожистые, мясистые.

У некоторых хвойных шишки созревают за один сезон (например, у сосны обыкновенной). А другие виды отличаются затяжным периодом созревания плодов. Например, у сосны Жеффрея шишки созревают только на третий год после опыления цветков.

Также существенно различается раскрывание шишек на ветвях. У одних хвойных зрелые шишки быстро опадают или распадаются (ель, лиственница). А другие могут долгое время оставаться закрытыми на дереве и ждать какого-либо внешнего воздействия. Например, у сосны Жеффрея шишки открываются только после лесного пожара.

Способы распространения семян хвойных

Существует несколько основных способов, которыми семена хвойных растений распространяются в природе. Эти механизмы направлены на максимальный охват территории и увеличение шансов прорастания семян в благоприятных условиях.

Наиболее распространен анемохорный способ - рассеивание семян при помощи ветра. У многих хвойных (сосна, ель, пихта) шишки при созревании раскрываются, и легкие семена с крылышками разносятся потоками воздуха на большие расстояния.

Еще один широко используемый способ - зоохория, то есть распространение животными. Семена можжевельника, подокарповых, тисовых с яркой мясистой оболочкой охотно поедаются птицами. Пройдя через пищеварительный тракт, такие семена в большом количестве выделяются вместе с пометом, таким образом рассеиваясь по лесу.

Некоторые хвойные используют смешанные способы рассеивания семян. Например, у кедра семена могут, как разноситься ветром при раскрывании шишек, так и распространяться с помощью животных (бурундуки, белки), питающихся этими семенами. Такие комбинированные механизмы повышают вероятность успешного возобновления вида.

Огромное экологическое значение хвойных лесов

Хвойные леса играют огромную экологическую роль на планете. Они занимают обширные территории в бореальных и горных районах, являясь местом обитания множества видов растений и животных. Такие экосистемы поддерживают экологический баланс и стабильность окружающей среды:

• Хвойные леса регулируют гидрологический режим территорий. Они задерживают талые и дождевые воды, питают реки и водоемы, предотвращают наводнения и разрушительную эрозию почв. Корни деревьев укрепляют рыхлые грунты.
• Хвойные леса играют важную климаторегулирующую функцию. Огромная фитомасса и постоянный фотосинтез позволяют поглощать из воздуха углекислый газ и выделять кислород. Это способствует смягчению парникового эффекта и предотвращению глобального потепления.

Хвойные деревья являются средой обитания для множества животных, грибов, лишайников. Сохранение таких лесов крайне важно для поддержания биоразнообразия планеты и целостности хрупких полярных и горных экосистем. Уничтожение хвойных лесов грозит вымиранием многих видов.

Хвойные как источник полезных веществ

Хвойные растения являются ценным источником полезных веществ для человека. В первую очередь широко используется древесина этих растений, изделия из которой славятся долговечностью, прочностью и красивой текстурой.

Также различные части хвойных растений (листья, шишки, почки) содержат эфирные масла с уникальным химическим составом. Они обладают широким спектром полезных лечебных свойств. На их основе производят бальзамы и экстракты для терапевтического применения. Особенно ценится хвойное масло, полученное из сибирских видов сосен и пихт.

Также ученые активно изучают целебные свойства отвара и настоя из хвои сосны. Установлено, что такие экстракты богаты витамином C, обладают противовоспалительным, мочегонным и инсектицидным действием. Кроме того, некоторые виды хвойных дают ценную пищу - съедобные семена (кедры, сосны), ягоды (можжевельник).

Хвойные растения - настоящая природная кладовая полезных для человека веществ. Многообразие содержащихся в них биологически активных соединений обеспечивает широчайшее применение в медицине, пищевой промышленности и других областях.

Декоративные качества хвойных ценятся человеком

Хвойные - это древесные растения, которые ценятся человеком не только за их практическое значение, но и за декоративные качества. Многие виды хвойных широко используются в ландшафтном дизайне и озеленении как красивоцветущие деревья и кустарники:

• Разнообразная форма кроны – от узкоколонновидной у туи западной до широкораскидистой у сосны горной.
• Изящество ветвления, особенно у можжевельников.
• Насыщенный зеленый, сизый, голубоватый или желтоватый цвет хвои.
• Красота и разнообразие формы хвоинок – от иголок до чешуевидных листьев.
• Декоративность мужских и женских шишек.

Среди хвойных много видов с привлекательными декоративными признаками:

Декоративные хвойные растения - это растения, которые отличаются наличием хвои вместо листьев. Они обладают особым внешним видом и широко используются для украшения садов, парков и ландшафтных композиций.

Декоративные сорта хвойных выведены в основном для садового озеленения. Их регистрацией занимается Королевское садоводческое общество в Лондоне.