Растения приобрели сложность за два всплеска — с перерывом в 250 миллионов лет

Исследование, проведенное под руководством Стэнфорда, показывает, что вместо того, чтобы эволюционировать постепенно в течение сотен миллионов лет, наземные растения претерпели серьезную диверсификацию в виде двух драматических всплесков, разделенных на 250 миллионов лет. Первый произошел в начале истории растений, положив начало развитию семян, а второй — во время диверсификации цветковых растений.

В исследовании используется новая, но простая метрика для классификации сложности растений на основе расположения и количества основных частей в их репродуктивных структурах. Хотя ученые долгое время предполагали, что растения стали более сложными с появлением семян и цветов, новые результаты, опубликованные 17 сентября в журнале Science , дают представление о времени и величине этих изменений.

«Самым удивительным является такой застой, это плато сложности после первоначальной эволюции семян, а затем полное изменение, которое произошло, когда цветущие растения начали диверсифицироваться», — сказал ведущий автор исследования Эндрю Лесли, доцент геологических наук в Стэнфордском университете. Школа Земли, энергетики и наук об окружающей среде (Stanford Earth). «Репродуктивные структуры у всех этих растений выглядят по-разному, но все они имеют примерно одинаковое количество частей во время этого застоя».

Необычное сравнение

Цветы более разнообразны, чем любая другая группа растений, они производят цвета, запахи и формы, которые питают животных и радуют чувства. Они также сложны: лепестки, пыльники и пестики переплетаются в точном порядке, чтобы заманить опылителей и заставить их распространять пыльцу от одного цветка к другому.

Эта сложность мешает ученым сравнивать цветковые растения с растениями с более простыми репродуктивными системами, такими как папоротники или некоторые хвойные деревья. В результате ботаники давно сосредоточились на характеристиках внутри семейных групп и обычно изучают эволюцию нецветущих растений отдельно от их более сложных цветковых родственников.

Лесли и его соавторы преодолели эти различия, разработав систему, которая классифицирует количество различных видов частей в репродуктивных структурах только на основе наблюдений. Каждый вид был оценен в зависимости от того, сколько типов частей у него есть, и степени, в которой он демонстрирует кластеризацию этих частей. Они классифицировали около 1300 видов наземных растений примерно с 420 миллионов лет назад до наших дней.

«Это довольно простая история репродуктивной эволюции растений с точки зрения формы и функций: чем больше функций имеют растения и чем они более специфичны, тем больше у них частей», — сказал Лесли. «Это полезный способ размышления о широкомасштабных изменениях, охватывающих всю историю завода».

От кустов до цветов

Когда наземные растения впервые разнообразились в раннем девоне, примерно 420–360 миллионов лет назад, Земля была более теплым миром, лишенным деревьев и наземных позвоночных животных. Паукообразные, такие как скорпионы и клещи, бродили по земле среди невысоких пятнистых растений, а самым высоким наземным организмом был 20-футовый гриб, напоминающий ствол дерева. После девона в животном мире произошли огромные изменения: у наземных животных появились большие размеры тела и более разнообразное питание, появились разнообразные насекомые, появились динозавры — но растения не заметили серьезных изменений в репродуктивной сложности до тех пор, пока у них не появились цветы.

«Опыление насекомыми и распространение семян животных, возможно, появилось уже 300 миллионов лет назад, но только в последние 100 миллионов лет эти действительно сложные взаимодействия с опылителями привели к сверхсложности цветковых растений», — сказал Лесли. «Был такой долгий период времени, когда растения могли взаимодействовать с насекомыми так же, как сейчас цветущие растения, но не с такой же степенью сложности».

В позднем меловом периоде, примерно от 100 до 66 миллионов лет назад, Земля больше напоминала планету, которую мы знаем сегодня — немного как национальный парк Йосемити без цветущих деревьев и кустов. По словам Лесли, второй всплеск сложности был более драматичным, чем первый, подчеркивая уникальную природу цветущих растений. В этот период появились такие растения, как пассифлора, у которого может быть 20 различных типов частей, что более чем в два раза превышает их количество у нецветущих растений.

Исследователи классифицировали 472 живых вида, часть из которых Лесли проводила в кампусе Стэнфорда и вокруг него, просто разбирая местные растения и считая их репродуктивные органы. В анализ включены сосудистые наземные растения — все, кроме мхов и нескольких ранних растений, у которых отсутствует поддерживающая ткань для проведения воды и минералов.

«В этой статье мы утверждаем, что эта классификация просто отражает их функциональное разнообразие», — сказал Лесли. «Они в основном разделяют свой труд, чтобы быть более эффективными в том, что им нужно делать».

Соавторами исследования являются Карл Симпсон из Музея естественной истории Университета Колорадо и Люк Мандер из Открытого университета.