第七章 被子植物

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被子植物是植物进化的最高级阶段,无论是器官还是系统,被子植物都是植物中进化得最完善的,它们在地球上占据了绝对优势。目前为人们所知的被子植物共有1万多属,20多万种,在所有植物界种类中占了一半。被子植物众多的种类和数量也从另一个角度证实了它有着很强的环境适应能力,也与其内部结构的复杂性和完善性密不可分。

第一节 根

植物的根部一般都位于地下,它一直为植物的生长默默地做着工作,担负着把植物固定在地面上、吸收土壤中的水分和矿物质,以促进植物生长的重任,为植物更好地抽枝长叶和开花结果尽心付出。同时,根还能有效改良土壤结构,使土壤变得更加适合植物生长。

根对植物的生长而言,主要有三个方面的作用:首先是对植物体的固定支撑。这一点对于被子植物尤其重要,因为多数被子植物的树干都非常高大,需要有无数发达、壮实的根系紧紧地抓住土壤,这样植物才能站得更安稳,即使遇上狂风暴雨也不会折断。其次,吸收植物体生长所需的水分和矿物质。植物根尖的表面生长着细细的根毛,这些根毛虽然又细又小,但植物体能从土壤中吸收水分和矿物质靠的都是它们。这些根毛伸展在土壤中,就像一台台微型“抽水机”,土壤中大部分的水分和矿物质都能抽取出来。第三,根可以有效改良土壤结构,让土壤能更好地促进植物的生长。

不过,植物界中并不是所有根都拥有上述三个作用,还有许多千奇百怪的根,有着特殊的使命。例如,有些根专门用来呼吸,被称为呼吸根;有些根主要用于支撑植物体,被称为支柱根;有些根用来储存营养物质,这类根通常有肥厚的肉质,所以又被称为储藏根;还有一些根专门吸收其他植物的营养,被称为寄生根,等等。

植物的根通常情况下呈圆锥形,分为主根和侧根两个部分。主根是植物根中最粗壮的部分,侧根则是主根上长出来的一些细小的根。有些植物的主根和侧根十分明显,很容易就能分辨出来,如大豆、油菜等;而有些植物的主根和侧根就很难分辨出来,如玉米、小麦。植物根的顶端部分又叫作根尖,根尖由根冠、分生区、伸长区和根毛区(也称成熟区)四个部分组成,其中,根毛区的主要任务是吸收土壤中的水分和矿物质。

第二节 茎

植物的茎是植物最显著的部分,类似于人类的躯干。由于茎的存在,植物的根、芽、叶和花才能连成一个整体。同时,茎还发挥着向植物体输送根部吸收的水分和养料的作用。

植物的茎包含了芽、节和节间三个部分,茎的顶端是茎尖,整个茎都是由茎尖不断分裂而形成的。此外,茎尖又分成了分生区、伸长区和成熟区三个部分。一般说来,茎有直立型、缠绕型、匍匐型和攀缘型四种不同的类型。直立型是指直立向上生长的茎;缠绕茎是指缠绕着支撑物向上生长的茎,如牵牛花;匍匐茎是指在地面上生长的又长又柔软的茎,如地瓜、西瓜等;攀缘茎则是指根据自身结构,攀缘着支撑物生长的茎。

不过,并非所有植物的茎都属于这四种类型,许多植物在不断适应环境的过程中,演化出了许多变态茎,这一点与根的演化相似。植物的这些变态茎虽然形式多样,但总体来说可以分为两类:一类是如豌豆这样的地面上的变态茎;另一类则是如马铃薯的块茎那样在地底下的变态茎。此外,一些植物还演化形成了茎刺,这也是它们为了避免受到动物伤害而形成的变态,这一类茎刺的主要作用是保护植物,如山楂、柑橘。皮刺则是另一种变态茎,皮刺与乔木植物茎生长的变态刺有着很大区别,它们从茎的外部生长出来,主要作用是保护自身。但与茎刺比起来,它的杀伤力要小得多,也更容易脱落。

根据植物茎的形态,还可以将其分为草本类和木本类两类。草本类的茎较为矮小和柔弱,含有较多水分;木本类的茎则比较坚硬,并且分为灌木和乔木两种。灌木的躯干不太明显,植株矮小;乔木则刚好相反,躯干显著,植株也很大。

茎不只是植物的支柱,支撑着整个植物的躯干和繁茂的枝叶,还构建了植物体的运输系统,输送着来自植物根部从土壤中吸收的水分和无机盐。此外,茎还可以输送叶子制造出来的有机物,为植物的生长创造良好的环境。许多植物的茎还有储存水分和养料的功能,以便植物体能够更好地吸收。

既然水分和无机盐的输导由茎的导管完成,那么水分和无机盐是怎样沿着茎向上传导的呢?这主要是由于水分和无机盐受到了根压和叶的蒸腾拉力作用。根压是指由根部产生的压力,这种压力可以使水分和无机盐形成的溶液进入到茎中,并沿着茎壁上升。如果将植物的茎在靠近基部的地方切断,就会看到有液体从断口处流出,这就是根压形成的结果。此外,叶子的蒸腾拉力作用,是叶片在不断蒸腾水分的过程中产生的向上的拉力,这股拉力促使水分沿着茎不断上升。

叶子制造出来的有机物是植物汲取生长所需要的养分的重要途径,这些有机物主要通过茎韧皮部位的筛管传输到植物体的各个器官中。不过,在筛管中传输的有机物必须是小分子物质,且能够溶解于水中。诸如淀粉、蛋白质、脂肪等大分子物质,是不能被筛管输送的,只有当大分子物质分解成小分子的葡萄糖、氨基酸或是甘油脂肪酸等物质后,才能被筛管输送到各个器官。因此,如果树皮被大面积破坏,植物很快就会死去。这是因为植物根部长期得不到有机养料,根部死亡继而导致整株植物死亡。

第三节 叶

叶子是植物进行光合作用的场所,更是孕育植物生命最基础、最重要的部分。自然界中的植物叶子尽管各种各样,但它们的结构大致相同,大部分都是由叶片、叶柄和托叶三个部分组成。但是,有一些植物不含托叶,也有一些植物没有叶柄,还有一些植物则没有叶片。

叶片的表皮由一层排列紧密、透明的细胞组成,表皮细胞的细胞壁有角质层或蜡层,对里面的物质起着保护作用。位于叶片的上表皮和下表皮中间的绿色薄壁部分,被总称为叶肉,里面含有大量的叶绿体,这是叶片进行光合作用的重要场所。叶片上表皮是接受光照的一面,呈深绿色;下表皮则是背对阳光的一面,呈浅绿色。由于叶片两面的受光度不同,因此内部的叶肉组织也常出现分化,这种叶子被称为异面叶;大多数单子叶植物和少数双子叶植物的叶子,都是以近似直立的姿态生长的,这样叶子两面的受光情况均匀,内部的叶肉组织也就不会出现明显的分化,这种叶子被称为等面叶,如玉米、小麦、胡杨等。异面叶向上一面的表皮叶肉细胞呈长柱形,排列紧密,上面的长轴常与叶表面垂直,并呈栅栏状,所以被称为栅栏组织,通常由1至3层组成;而背光面的叶肉细胞所含的叶绿体比较少,排列疏松,细胞之间的空隙也较大,呈海绵状,所以也被称为海绵组织。

叶柄是叶片与茎的连接部分,常位于叶片的基部,上端连接着叶片,下端连接着茎。不过,少数植物的叶柄着生在叶片中央或偏下方的位置,被称为盾状着生,如莲、千金藤。植物的叶柄通常呈细圆柱形或扁平形。

托叶是生长在叶柄基部、两侧或叶部的细小绿色物质或膜质片状物,托叶通常要比叶片生长得早,早期可以起到保护嫩叶和幼芽的作用。托叶一般较为细小,植物的种类不同,其托叶的大小和形状也会有所不同。有一些植物的托叶存在的时间很短暂,随着叶片的生长会很快脱落,只留下一个不引人注意的痕迹,这一现象又称为托叶早落,如石楠的托叶;还有一些植物的托叶则能够存在很长一段时间,甚至伴随叶片的整个生长期,这叫托叶宿存,如茜草、龙芽草。

第四节 花

花是被子植物的繁殖器官,虽然花的大小和颜色不同,但大多数花都是由花梗、花托、花萼、花冠、雄蕊和雌蕊等部分组成。

花梗是支撑花朵生长的柄,所以也被称为花柄。花梗的长短随着植物大小的不同,也会有所不同,大部分花的花梗都不太长,有些植物的花梗非常短,甚至有些植物没有花梗。

花托是花梗顶部着生花萼、花冠、雄蕊和雌蕊的膨大部分,形态多种多样。花萼则位于花朵的最外层,通常呈绿色,大小不一,对花蕾起保护作用。花萼由若干个萼片组成,大多数植物的花萼会随着花冠的枯萎一起脱落,但也有一些花萼不会随着枯萎的花冠脱落,而是随同子房一起长大,如石榴、茄子。有一些植物的花萼外面长有一层绿色萼片,这层萼片呈叶状,叫副萼,如棉花和蛇莓。

花冠位于花萼内部,由若干个花瓣组成,并排列成一圈或者多圈。大部分植物的花冠都有着绚丽的色彩,但也有一些植物的花瓣是白色的,与花萼相似,花冠也有分离和结合两种情况。分离的花萼称为离瓣花,如蚕豆、桃花;结合的花萼称为合瓣花,如桂花。在鉴别植物时,对于离瓣花和合瓣花的了解非常重要,因为被子植物中的许多科和属的植物,其花冠的分离和结合通常具有一致性。花萼和花冠合称花被。假如一朵花中,不仅存在花萼和花冠,而且两者还有着显著的不同,则被称为双被花,如油菜和番茄的花;如果两者中缺少了一个,则被称为单被花,如榆树和桑树的花;如果两者都不存在,这样的花被称为无被花,如垂柳的花。

雄蕊位于花冠的内侧,它是可以产生花粉粒的器官,由花丝和花药组成。花丝呈细长的丝状,但也有一些植物的花丝是扁平如带状的,也有一些转化为花瓣状,如美人蕉;还有一些植物没有花丝,花药直接长在花冠上,如栀子。花药由四个花粉囊组成,花粉囊在成熟之后会自行破裂,花粉通过裂口向外散出。雄蕊跟花冠相似,也具有分离和结合两种情况:花药分开仅花丝结合成一束的,被称为单体雄蕊,如木槿和棉花;花丝联合成两部分的,被称为两体雄蕊,如蚕豆;花丝结合成多束的,被称为多体雄蕊,如金丝桃;花丝分离,仅花药结合的,被称为聚药雄蕊,如葫芦科植物。

雌蕊位于花的中间部分,是能够生成卵细胞的器官。雌蕊通常由子房、圆柱形的花柱和柱头组成。雌蕊由拥有生殖能力的变态叶逐渐演化而来,这片变态叶被称为心皮,这是构成雌蕊的基本单位。一些植物的雌蕊由一个心皮构成,如桃花;但大部分的子房由两个或多个心皮构成,它们互相结合,形成共同的子房,但花柱、柱头可以结合也可以分离,我们将其称为合生心皮雌蕊。还有一些植物的花有两个或两个以上的心皮,但心皮没有结合,而是彼此分离,每个心皮都单独形成一个雌蕊,有各自的子房、花柱和柱头,这就是离生心皮雌蕊。柱头是接受花粉粒的地方,所以通常是膨胀状或扩展成其他形状,没有柱头的雌蕊是不存在的;花柱是柱头和子房之间连接的部分,多数花柱都又细又长,但也有一些植物的花柱非常短,甚至有些植物的花柱并不明显,如虞美人;子房中间的部位是空的,这个部位叫作子房室,生长着将要发育成种子的胚珠。

第五节 果实

果实是被子植物独有的特征,这意味着,只要是孕育果实的植物都属于被子植物;当这类植物受粉之后,就会逐渐发育成果实。

果实一般由果皮和种子两部分构成,主要起到传播和繁殖后代的作用。大多数被子植物的果实都由子房发育而成,被称为真果,如桃子和大豆的果实;也有一些植物的果实由子房和花被或者花托一起发育而成,被称为假果,如苹果、梨及瓜果。大部分植物仅拥有一个雌蕊,其形成的果实被称为单果;也有一些植物拥有许多离生雌蕊,聚集在花托上,每个雌蕊都能形成一个果实,被称为聚合果,如草莓;还有一些植物的果实由花序发育而成,我们把这种果实称为复果,如桑、凤梨和无花果。

构成果实的果皮分为外果皮、中果皮和内果皮三部分,由于果实种类繁多,所以果皮也多种多样,而且结构各异。果实在受精之后的体积比受精前大出两三百倍,果实成熟之后的大小和形状皆由遗传因素决定。被子植物的果实有许多种,分类方法多种多样,除了我们前面讲的,根据果实的来源和发育情况,分为真果、假果、聚合果、复果外;还根据果实成熟之后果皮的干燥程度,分为干果和肉果;又根据干果成熟后是否裂开,分为裂果和闭果,等等。果实在成长和发育的过程中,不仅会发生形状上的变化,也会发生结构上的变化,而且生理方面也会出现一些变化。通常情况下,果实的颜色首先会发生变化,而颜色的变化是判断果实是否成熟的标志之一;其次是果实的质地、散发出来的香味及其含有的糖分等都会发生变化。

第六节 种子

植物的种子具有延续植物的生命、繁殖后代的作用,而且也是裸子植物和被子植物特有的繁殖器官,自然界中能够产生种子的植物有20多万种。

种子的大小、形状、颜色根据植物种类的不同也会有所差异:椰树有着很大的种子,芝麻的种子却很小,而烟草、马齿苋的种子就更小了;蚕豆的种子是肾脏形的,而豌豆的种子是圆球形的;有些植物拥有光滑明亮的种子,而有些植物的种子则暗淡无光。种子之间的差异在生物学上有着重要意义,例如,尽管椰树的种子非常大,容易发芽,还含有丰富的胚乳,能保证其生长过程中有充足的营养,但椰树的种子产量有限;而种子比较小的,数量则比较多,哪怕只有一部分种子能够发芽,也依然能够产生大量后代,大多数杂草植物都是通过这种方式进行后代繁殖的。

植物的种子通常由种皮、胚、胚乳三个部分构成,种皮由珠被发育而成,对里面的胚和胚乳起着保护作用。裸子植物的种皮分为外层、中层和内层,其中,外层和内层是肉质层,中层是石质层;被子植物的种皮结构多种多样,有的像纸一般薄,而有的非常坚硬。胚由受精卵发育而成,正常情况下的胚由胚芽、胚釉和子叶、胚根组成,不同种子之间子叶数目不同,子叶数目的变动在1至18个之间,但大部分子叶都为2个,如苏铁、银杏等。被子植物的胚形状多样,有椭圆形、长柱形、弯曲形、马蹄形和螺旋形,尽管胚的形状不同,但在种子中的位置是固定的,胚根通常会朝着珠孔。胚乳是单倍体的雌配子体,多数都很发达,里面储存着淀粉或者脂肪,也有的储存着糊粉粒,颜色通常呈淡黄色,少数是白色,但银杏成熟后,种子中的胚乳会呈现绿色。多数的被子植物在种子的发育过程中都会形成胚乳,但某些种类只具有少量的胚乳,而有些种类甚至没有胚乳,这是因为它们的胚乳在发育过程中被胚分解吸收,这是划分种子是否含有胚乳的重要依据。当然,不同植物的种子中含有的胚乳数量以及储存的物质都不相同,其中,最常见的储存物质是淀粉、蛋白质和脂肪,可能还会储存碳水化合物等物质。

尽管种子离开母体之后依然是活的,但它也是有一定寿命的,不同植物的种子有着不同的寿命,这是由遗传因素决定的,此外还会受环境的影响。有些种子的寿命非常短,如巴西橡胶的种子,生存期仅为一周左右;而有些种子的生命很长,如莲的种子可达好几百年,甚至上千年。

矿物卷

矿物是地球提供给人类的它所蕴藏的资源,正是有了这些大自然的馈赠,人类才得以繁衍生息。矿物是天然生成的,是游离的元素或者化合物,也是构成地壳中岩石的最小单位。矿物通常是通过无机作用构成的均匀固体,矿物的晶体结构和化学组成都是相对稳定的,可以在特定的物理环境中稳定存在。

矿物资源被利用的程度标志着各个时代科技与文明发展的水平。