Znanstveniki na koncu rešujejo Charles Darwinovo "gnusno skrivnost"

Dolgoletni Charles Darwin je preganjal cvetje. Leta 1859 je naturalist objavil svoje najbolj znano delo, O poreklu vrst knjigo, ki se na splošno obravnava kot temelj evolucijske biologije. Toda 20 let kasneje ga je še vedno motilo ena velika stvar: od kje za vraga je prišlo vse rože? V pismu botaniku Josephu Daltonu Hookerju leta 1879 je Darwin to težavo označil kot »gnusno skrivnost«. Morda se sliši neumno, toda Darwin resnično ni mogel razložiti, kako so cvetoče rastline - znane kot kritosemenke - tako hitro narasle na prevlado. primitivni angiospermi - skupina, ki vključuje borovce in dlani.

Fosilni zapisi nam kažejo, da je pred 100 milijoni let, v obdobju krede, na sceno prišlo veliko različnih kritosjemcev, ki so zamenjali gnosersperme kot dominantni tip rastline na Zemlji. Ta nenadna obilja rastlin - prednikov sodobne sivke, pšenice, vrtnic, magnolij, marjetic in tako naprej - je nasprotovala Darwinovi teoriji, da se nove vrste pojavljajo zelo počasi skozi čas zaradi selektivnih pritiskov. Trenutne hipoteze kažejo, da se je večina kritosjemenk razvila skupaj z žuželkami ali drugimi živalmi, ki jih oprašujejo, brez katerih rastline ne morejo proizvajati sadnih plodov. Vendar te hipoteze ne pojasnjujejo epskega razcveta v starih kritosemenkah.

V članku, objavljenem v četrtek v reviji PLOS Biology, nekaj znanstvenikov je predlagalo odgovor na gnusno skrivnost, zakaj so angiospermi tako nenadoma zamenjali gimnoseme. Kevin Simonin, docent za ekologijo in evolucijo na državni univerzi v San Franciscu, in Adam Roddy predstavljata dokaze, da je vse to odvisno od učinkovitosti celic. Skrivnost uspeha kritosemenke, pravijo, je hitro zmanjšanje števila rastlinskih celic, ki se je začelo pred približno 140 milijoni let. To zmanjšanje je močno povečalo njihovo učinkovitost. Ko so angiospermi postali toliko bolj učinkoviti, je bila njihova dominacija nad kopenskimi ekosistemi le vprašanje časa.

Raziskovalna skupina je prišla do tega zaključka s preučevanjem relativne velikosti genomov v kritosemenkah in golosemenjah, nato pa primerjala te številke z zmogljivostjo za zajemanje ogljikovega dioksida in učinkovitostjo prenosa tekočin. Velikosti celic se lahko zaradi različnih dejavnikov zelo razlikujejo, velikost genoma pa je močan napovedovalec velikosti celic. Zato so sklenili, da manjši genom pomeni manjšo celico - zato lahko več celic zapakiramo v isti volumen rastlinskega tkiva, kar omogoča rastlini, da sprejme več ogljikovega dioksida in vode, s čimer proizvede več ogljikovih hidratov, ki proizvajajo energijo in spodbujajo rast..

Tudi fotosinteza je velik del te slike, saj, kot vsi vemo, rastline potrebujejo sončno svetlobo, da spremenijo vodo in ogljikov dioksid v ogljikove hidrate. Prejšnje raziskave so pokazale, da so jim višje fotosintetične zmožnosti angiospermov pomagale pri rasti veliko hitreje kot njihovi rodovniki, vendar je ta nova študija pokazala, da kako angiospermi dosegli tako visoko stopnjo učinkovitosti.

Čeprav je koevolucija z opraševalci igrala velik zvitek v specifičnih mehanizmih razvoja kritosjemenk, Simonin in Roddy pravita, da je nekaj skupnega za vse te rastline, nekaj temeljnega za njihovo biofizično arhitekturo, ki jim je omogočila prevzem sveta. Morda bi ta raziskava olajšala Darwinov um. Bolj verjetno pa bi imel nova vprašanja.

Izvleček: Nenaden nastanek in hitra diverzifikacija cvetočih rastlin v času krede že dolgo velja za »gnusno skrivnost«. Čeprav je bil vzrok njihove velike raznolikosti v veliki meri posledica koevolucije z opraševalci in rastlinojedci, njihove zmožnosti, da bi izkrivljali prej prevladujoče praproti in golosemenjaki so bili predmet mnogih hipotez. Skupna med njimi je, da so same kritosemenk razvile liste z manjšimi, številnejšimi stomami in bolj razvejanimi venacijskimi mrežami, ki omogočajo višje stopnje transpiracije, fotosinteze in rasti. Toda, kako so angiospermi zapakirali svoje liste z manjšimi, bolj obilnimi lovkami in več žilami, ni znano, vendar smo povezani - pokazali smo - povezani s preprostimi biofizičnimi omejitvami velikosti celic. Samo rože angiosperma so bile v zgodnjem kredah podvržene hitremu zmanjševanju genoma, kar je olajšalo zmanjšanje velikosti celic, ki je potrebno, da bi zapakirali več žil in puči v njihove liste, s čimer se je dejanska primarna produktivnost približala največjemu potencialu. Zato so povečane konkurenčne sposobnosti angiospermov posledica majhnega zmanjšanja genoma.