Как растения впервые эволюционировали в разные формы и размеры? Мы нанесли на карту миллиард лет истории растений, чтобы выяснить

 Растения варьируются от простых морских водорослей и одноклеточной прудовой пены до мхов, папоротников и огромных деревьев. Палеонтологи, подобные нам, уже давно спорят о том, как именно возник этот разнообразный диапазон форм и размеров, и возникли ли растения из водорослей в многоклеточные и трехмерные формы в результате постепенного цветения или в результате одного большого взрыва.

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые обратились к летописи окаменелостей. На основе наиболее хорошо сохранившихся экземпляров, таких как трилобиты, аммониты и морские ежи, они неизменно приходили к выводу, что диапазон биологических моделей группы достигается в самые ранние периоды ее эволюционной истории. В свою очередь, это привело к появлению гипотез о том, что эволюционные линии обладают более высокой способностью к инновациям на раннем этапе и после этой первой фазы изобилия они придерживаются того, что знают. Это относится даже к нам: все различные плацентарные млекопитающие удивительно быстро произошли от общего предка. Справедливо ли то же самое и с растительным царством?

В нашем новом исследовании мы попытались ответить на этот вопрос, выявляя определенные черты в каждой основной группе растений. Эти черты варьировались от основных характеристик растений – наличия корней, листьев или цветов – до мелких деталей, описывающих вариации и орнаментацию каждого пыльцевого зерна. Всего мы собрали данные о 548 признаках более чем 400 живых и ископаемых растений, что составило более 130 000 отдельных наблюдений.

Затем мы проанализировали все эти данные, сгруппировав растения на основе их общих сходств и различий, и все они были помещены в так называемое «пространство дизайна». Поскольку мы знаем эволюционные взаимоотношения между видами, мы также можем предсказать черты их вымерших общих предков и включить этих гипотетических предков в пространство дизайна.

Например, мы никогда не найдем окаменелости предкового цветкового растения, но от его ближайших ныне живущих потомков мы знаем, что оно было двуполым, радиально-симметричным, с более чем пятью спирально расположенными плодолистиками (женской репродуктивной частью цветка, несущей семязачатки). Вместе данные о живых видах, окаменелостях и предсказанных предках показывают, как растительная жизнь перемещалась в пространстве дизайна на протяжении эволюционной истории и геологического времени.

Две оси суммируют различия в анатомическом строении растений. Цветные точки представляют живые группы, а черные точки представляют вымершие группы, известные только по окаменелостям. Линии, соединяющие эти группы, представляют собой эволюционные отношения между живыми и ископаемыми группами, а также их предками, выведенные на основе эволюционного моделирования. (Хлорофиты и харофиты — морские и пресноводные растения, остальные группы — наземные растения. Покрытосеменные — цветковые растения). (Фото: theconversation.com)

Мы ожидали, что цветущие растения будут доминировать в дизайне, поскольку они составляют более 80% видов растений, но это не так. Фактически, современные мохообразные – мхи, печеночники и роголистники – достигают почти такого же разнообразия форм тела.

В этом нет ничего удивительного, поскольку три линии мохообразных занимаются своим делом более чем в три раза дольше, чем цветковые растения. И несмотря на свою миниатюрность, даже скромные мхи, если рассматривать их под микроскопом, необычайно сложны и разнообразны.

Эволюционные отношения, передаваемые ветвящейся генеалогией на приведенном выше графике, показывают, что, как правило, существует структура занятия пространства дизайна – по мере появления новых групп они расширяются в новые регионы. Тем не менее, есть и некоторые свидетельства конвергенции: некоторые группы, такие как современные голосеменные растения (хвойные и их родственные растения) и цветковые растения, располагаются ближе друг к другу, чем к своему общему предку.

Тем не менее, некоторые особенности различных группировок в пространстве дизайна явно являются результатом исчезновения. Это станет ясно, если мы рассмотрим распределение ископаемых видов (черные точки на рисунке выше), которые часто встречаются между скоплениями живых видов (цветные точки на рисунке).

Так как же развивалось разнообразие строения тела растений?

В целом, общая картина представляет собой постепенное исследование новых образцов в результате инноваций, которые обычно связаны с воспроизводством, таких как эмбрион, спора, семя и цветок. Они представляют собой эволюционные решения экологических проблем, с которыми сталкиваются растения в процессе постепенного освоения все более засушливых и сложных ниш на поверхности земли. Например, появление семян позволило растениям, которые их несут, размножаться даже при отсутствии воды.

В течение геологического времени эти расширения происходят как эпизодические импульсы, связанные с появлением этих репродуктивных инноваций. Движущими силами анатомической эволюции растений, по-видимому, является сочетание геномного потенциала и возможностей окружающей среды.

Неравенство растений предполагает, что Большой взрыв — это крах

Ничто из этого не соответствует ожиданиям о том, что эволюционные линии начинают новаторство, прежде чем исчерпать себя. Вместо этого кажется, что фундаментальные формы растений возникли иерархически в ходе эволюционной истории, развиваясь на анатомическом шасси, унаследованном от их предков. Они не утратили своей способности к инновациям за миллиард или более лет своего эволюционного долголетия.

Так отличает ли это растения от животных, исследования которых являются основанием для ожиданий ранних эволюционных инноваций и истощения? Нисколько. Сопоставимые исследования, которые мы провели на животных и грибах, показывают, что, когда вы изучаете эти многоклеточные царства в целом, все они демонстрируют закономерность эпизодического увеличения анатомического разнообразия. Отдельные родословные могут вскоре исчерпать себя, но в целом королевства продолжают вводить новшества.

Это предполагает общую закономерность эволюционных инноваций в многоклеточных царствах, а также то, что у животных, грибов и растений в резервуарах все еще имеется много эволюционного сока. Будем надеяться, что мы все еще здесь и увидим, какие инновации появятся в будущем.

Источник