Otavan Opiston logoOtavan OpistoNettilukioNettiperuskouluMuikku
OPPIMATERIAALIT|OPISKELU|REKISTERÖIDY|OPPILAITOSKÄYTTO|OHJEITA|YHTEYSTIEDOT|PALAUTE|
Etusivulle Muikku-ympäristö

Elämä siirtyy maalle: kasvien kehitys

Kasvien rakenne

Ensimmäisten kolmen miljardin vuoden aikana elämä maapallolla oli rajoittunut meriin ja muihin vesiympäristöihin. Elämä alkoi siirtyä maalle noin 460 miljoonaa vuotta sitten. Maan valtaajina toimivat kasvit ja niiden ohella myös sienet.

Lähes kaikki kasvit elävät maalla, vaikka osa niistä on palannut takaisin vesiympäristöihin evoluutionsa aikana.

Kasvit kehittyivät monisoluisista levistä. Monisoluisten eliöiden tapaan kasvien solut ovat erikoistuneet hyvin moniin tehtäviin ja sen vuoksi ne pystyivät asuttamaan uusia elinympäristöjä. Kasvien monimuotoisuus on valtaisa, mutta niillä on myös monia yhteisiä piirteitä.

1.   Kasvit ovat monisoluisia ja aitotumallisia.

2.   Kasvien soluseinät ovat pääasiassa selluloosaa.

3.   Kasvit ovat fotosynteettisesti autotrofeja.

4.   Yhteyttämistuotteet varastoidaan tärkkelyksenä.

5.   Lähes kaikki kasvit lisääntyvät suvullisesti: siittiösolu hedelmöittää munasolun

6.   Sukupolvenvuorottelussa esiintyvät välillä haploidi- l. gametofyyttivaihe ja välillä diploidi – eli sprofyyttivaihe. Kasvien evoluutiossa näiden vaiheiden keskinäinen osuus muuttuu vähitellen.

7.   Kasvit ovat sopeutuneet hyvin maaelämään.

Kasvien kehityshistoriaa

Kasvit kehittyivät todennäköisesti näkinpartaislevistä (Charophyta). Todisteina näiden kahden ryhmän homologisista yhtäläisyyksistä ovat:

1.   Viherhiukkasten DNA on samankaltainen

2.   Soluseinien biokemiallinen rakenne ja peroksisomien (soluelimiä) rakenne ovat samantyyppiset

3.   Mitoosin mekanismit ja eräiden solunrakenteiden kehittyminen

4.   Siittiösolujen rakenteen samankaltaisuus

5.   Tuman geeneissä ja ribosomaalisessa RNA:ssa on geneettisiä yhtäläisyyksiä.

Ordovikikauden matalilla ranta-alueilla eläneet näkinpartaislevät ovat saattaneet olla ensimmäisiä yhteyttäviä eliöitä, jotka ovat siirtyneet maalle. Vedenpinnan vaihdellessa osa levistä on jäänyt välillä kuivalle maalle ja ne ovat selviytyneet siellä, kunnes vesi on jälleen peittänyt ne. Vahamaisen kutikulan ja suojattujen lisääntymiselinten avulla ne ovat pystyneet selviytymään yhä pidemmistä kuivista jaksoista. Niistä kehittyivät vähitellen kasvikunnan ensimmäiset lajit.

Kasvit ovat sopeutuneet maaelämään

Maaelämään sopeutuminen edellytti aivan uusia ratkaisuja verrattuna elämään vesiympäristöissä. Kasvien sopeumia maaelämään olivat esimerkiksi:

1.   Varren ja lehtien pinnassa oleva vahamainen kutikula, joka estää veden haihtumista

2.   Hiilidioksidi (CO2) ja happi (O2) vaihtuvat ilmarakojen kautta.

3.   Kasveilla on sekundäärituotteita, kuten vahaa, ligniiniä ja sporopolleniiniä, jota ne voivat erittää pinnalleen.

4.   Sukusolut eivät siirry vedessä (kuten monisoluisilla levillä tapahtuu). Siirtymisen väliaineena voi olla kuitenkin ohut vesikalvo.

5.   Kasvien munasolu hedelmöityy ja kehittyy alkioksi. Alkio on suojattu, joten se kestää jonkin verran kuivumista.

Kasvien luokittelu

Kasvit luokitellaan kahteen pääryhmään:

1.   Ei-putkilokasvit (mm. sammalet)

2.   Putkilokasvit (itiökasvit, siemenkasvit)

Kaavio 1: Kasvien pääryhmät

Sammalet maalle siirtymisen etujoukkona

Kasveista ensimmäisille, sammalille oli kehittynyt ominaisuuksia, joiden avulla ne pystyivät siirtymään maalle. Maaekosysteemeissä ne pystyivät yhteyttämään ja lisääntymään. Sammalten tyypillisiä piirteitä ovat:

1.   Alkio kehittyy suojattuna

2.   Sukusolut kehittyvät sukupuolisolupesäkkeissä

3.   Siittiösolujen siirtymisessä vesi on välttämätön väliaine

Sammalet eroavat putkilokasveista seuraavilla ominaisuuksilla:

1.   Useimmilla sammalilla ei ole johtosolukkojärjestelmää. Niiden on otettava vesi suoraan pinnan läpi (ei juurilla)

2.   Tukea antava ligniini puuttuu soluseinistä: sammalet ovat matalakasvuisia eivätkä ne voi kasvaa pystyssä

3.   Elinkierrossa haploidi vaihe on hallitseva

Sammalten ryhmässä on useita kaaria. Lehtisammalilla on ”varsi”, ”lehdet” ja juurtumahapset (ritsoidit) eivät ole homologisia putkilokasvien vastaaville rakenteille. Maksasammalissa on sekovartisia (ei oikeaa vartta) ja lehdellisiä muotoja. Niiden suurin lajirunsaus on tropiikissa. Sammalista sarvisammalet ovat evolutiivisesti lähimpänä putkilokasveja.

Sammalet. Rahkasammalet ovat sopeutuneet kasvamaan märissä olosuhteissa, kuten suolla. Ne pystyvät varastoimaan vettä ja sietämään siten kuiviakin olosuhteita.

Tehtävä: Kivihiilikauden metsät

Perehdy kivihiilikauden metsiin Internetistä saatavien kuvien avulla. Anna esimerkiksi selainohjelman kuvahakuun hakusanaksi ” carboniferous forests”:

  • Kiinnitä huomiota puumaisiin metsiin. Puut olivat suuria lieko- ja saniaispuita.
  • Katso erästä suurta liekopuuta: anna selainohjelman kuvahakuun hakusanaksi ”lepidodendron”.

Putkilokasvit alkavat kehittyä

Putkilokasveja ovat

1.   Itiökasvit (esimerkiksi kortteet, lieot ja sanikkaiset)

2.   Siemenkasvit (paljassiemeniset ja koppisiemeniset)

Putkilokasveissa on monia rakenteiden edistysaskeleita maaelämään sopeutumista varten:

1.   Veden ja ravinteiden otossa sekä kiinnittymisessä toimivat maanalaiset juuret.

2.   Energiantuotanto fotosynteesin avulla lehdissä.

3.   Aineiden kuljetus johtosolukon avulla.

4.   Ligniini vahvistaa selluloosaa, joten kasvi pysyy pystyssä

Ensimmäiset putkilokasvit lisääntyivät itiöiden avulla. Niillä itiöpesäkkeiden määrä lisääntyi yksilöä kohti. Samalla yksi yksilö pystyi tuottamaan entistä enemmän itiöitä. Kasvien levittäytyminen uusille alueille tapahtui entistä paremmin.

Itiökasveilla on kehittyneitä piirteitä

Itiökasvit pystyivät kehittymään vahvan soluseinänsä ansiosta suuremmiksi kuin sammalet ja kasvattamaan varren.

Liekomaiset kasvien kaarten lajit kasvoivat suuriksi puumaisiksi metsiköiksi. Hiilikaudella niden monimuotoisuus oli suurimmillaan. Näistä valtavan laajalle levinneistä liekopuumetsistä ovat peräisin nykyisin käyttämämme hiilivarat. Nykyisten liekomaisten kasvien monimuotoisuus on vain jäänne menneisyydestä. Nykyisistä liekokasveista suurin osa kuuluu liekoihin ja mähkiin (Suomessakin kasvavat) ja ne ovat pieniä itiökasveja.

Kortemaisten kasvien kaaresta esiintyvät nykyisin kortteet. Saniaisten kaaressa olevilla itiökasveilla on muista poiketen lehdissä haaroittunut johtojännesysteemi.

Lieot ovat itiökasveja. Riidenlieko on pohjoisten havumetsien tyypillinen liekokasvi. Kasvin latvassa sijaitsevat itiötähkät ovat noin 2 cm pituisia.

Saniaisilla pitkä kehityshistoria. Nykyiset saniaiset ovat vain pieni jäänne muinaisista, kivihiilikauden ajan valtavan laajoista saniaismetsistä.

Siemenkasvien kehittyminen

Siemenkasvien kehittyminen oli uusi askel kasvien evoluutiossa. Merkittävä ominaisuus niiden monimuotoisuuden kehittymisessä oli uusien lisääntymisstrategioiden muotoutuminen.

Siemenkasvien evoluutio

Siemenkasvien lisääntyminen eroaa itiökasvien lisääntymisestä. Siemenkasvit ovat sopeutuneet maalla elämiseen paremmin kuin mitkään muut kasvit. Uusia edistysaskeleita itiökasveihin verrattuna olivat:

1.   Monisoluinen ja kestävä siemen tuli lisääntymiselimeksi. Siemenen kuori suojaa alkiota. Lisäksi siemenessä on vararavintoa kehittyvän taimen tarpeisiin.

2. Pölytys korvaa uivat siittiöt. Vesi väliaineena ei ollut enää tarpeellista hedelmöitysvaiheessa. Tämä oli ratkaiseva askel kuiviin maaolosuhteisiin sopeutumisessa.

Elinkierrossa sporofyyttivaihe tuli entistä vallitsevammaksi.

Siemenkasvien evoluutiossa ensiksi kehittyivät paljassiemeniset ja myöhemmin koppisiemeniset.

Paljassiemeniset ja niiden evoluutio

Paljassiemenisiä ovat mm. käpypalmukasvit, neidonhiuspuut ja havupuut.

Paljassiemenisiä. Suomessa tuttuja paljassiemenisiä ovat mm. havupuihin kuuluva mänty.

Tehtävä: Paljassiemenisten elinkierto

Tutki paljassiemenisten elinkiertoa Internetistä saatavien kuvien avulla. Anna esimerkiksi selainohjelman kuvahakuun hakusanaksi ”pine life cycle” (männyn elinkierto):

  • huomaa siitepölyn ja munasolun hedelmöityminen ja kävyn kehittyminen

Koppisiemeniset ja niiden evoluutio

Tällä hetkellä koppisiemeniset ovat kasvien laajimmalle levinnyt ryhmä. Niitä tunnetaan peräti 250 000 lajia. Ne jaetaan kahteen luokkaan: kaksisirkkaisiin ja yksisirkkaisiin (ks. oheiset kuvat).

1.  Kaksisirkkaiset: esim. pajut, varvut, ruusut, tammet 

Kaksisirkkaiset kasvit. Suomessa esiintyviä kaksisirkkaisia ovat esimerkiksi yleinen harmaaleppä sekä oikean kuvan etualalla kasvavat suopursu ja juolukka, jotka ovat varpuja.

2.  Yksisirkkaiset: esim. heinät, ruohot, liljakasvit, orkideat, palmut

Yksisirkkaiset kasvit. Yksisirkkaisia ovat esimerkiksi suolla kasvava villapääluikka ja mm. lehdoissa kasvava tikankontti.

Koppisiemenisille oli kehittynyt joitakin uusia kehityspiirteitä paljassiemenisiin verrattuna. Ne olivat luonnonvalinnassa suosittuja ominaisuuksia, koska ne lisäsivät niiden sopetumismahdollisuuksia.

1.   Kukka kehittyi lisääntymiselimeksi. Kukan kehittymnen oli ratkaisevaa, koska sen avulla lisääntyminen tehostui ja kasvit pystyivät levittäytymään uusille, tyhjille elinpaikoille.

2.   Eläinpölytys tuulipölytyksen rinnalle. Eläinpölytys on varmempi (”täsmällisempi”) kuin tuulipölytys, koska pölyttävät hyönteiset kulkevat pääasiassa saman lajin muiden yksilöiden kukissa. Samalla kasvi voi säästää energiaa, koska sen ei tarvitse tuottaa siemeniä niin paljoa. Joillakin koppisiemenisillä tuulipölytys on edelleen ainoa pölytystapa.

3.   Johtosolukko erikoistui evoluution aikana.

4.   Putkiloelementit kehittyivät mekaaniseen tukemiseen ja veden kuljetukseen.

Kukan rakenne

Koppisiemenisten kukan rakenne koostuu monesta osasta. Oletetaan, että kaikki kukan osat kehittyivät evoluution aikana kasvin lehdistä. Kukan osia ovat verholehdet, kehälehdet ja heteet. Heteissä ovat siitepölyhiukkaset, joissa voidaan erottaa palho ja ponsi. Kukan emit ottavat vastaan siitepölyn. Emissä voidaan vastaavasti erottaa luotti, vartalo, sikiäin, siemenaihe ja kukkapohjus.

Kukan monet eri muodot: kämmekkä. Maariankämmekän kukan rakenteessa voidaan havaita kukan perusrakenteet. Sen iso vaaleanpunakirjava kukinto on rakenteeltaan kookas ja monimutkainen.

Kukan monet eri muodot: sara. Sarojen kukinnot ovat yksinkertaisia. Kuvan äimäsaralla emikukat (”naaraskukat”) siirottavat tähtimäisesti ja eri yksilöissä kuin hedekukat. Hedekukat ovat tappimaisena muodostumana kasvin päässä (näkyvät kuvan alapuoliskossa).

Hedelmä suojaa siemeniä

Hedelmällä on useita tarkoituksia, jotka kaikki edistävät kasvin lisääntymistä:

1.   Hedelmää suojaa siemeniä.

2.   Hedelmä edistää siementen leviämistä. Esimerkiksi vaahteralla siemenessä ovat lenninsiivet, jotka tuulella voivat lennättää siemenen kauaksikin puusta. Syötävät hedelmät leviävät esimerkiksi eläinten mukana

Kasvien ja eläinten yhteinen evoluutio

Kasvien siirtyminen maalle tapahtui suurinpiirtein samaan aikaan sienten kanssa. Symbioosista on merkkejä kasvien fossiloituneissa juurissa. Kasvien ja sienten maallenousua seurasivat eläimet.

Kasvien evoluutio on vaikuttanut eläinten evoluutioon ja päinvastoin. Edellä tarkasteltu kasvien hedelmän kehittyminen on yksi sellainen. Siinä kasvit ja eläimet haittaavat toistensa elinmahdollisuuksia, mutta toisaalta parantavat niitä. Kasvien ja eläinten toisistaan riippuva evolutiivinen kehitys voi lisätä molempien osapuolten kelpoisuutta. Tätä kutsutaan koevoluutioksi. Molemmissa tapauksissa luonnonvalinta on vaikuttanut suhteen muodostumiseen ratkaisevasti.

Kasvit ovat sopeutuneet käyttämään eläimiä avuksi levittäessään siemeniään. Toisaalta eläimet saavat ravintoa siemenen ympärillä olevasta hedelmästä tai itse siemenistä. Koevoluutiota on tapahtunut myös kasvien pölytyksessä. Äärimmäisessä tapauksessa pölytyksen voi tehdä vain yksi laji.

Kasvien ja eläinten yhteinen evoluutio ilmenee seuraavasti: