Стебли папоротников раскрывают тайны эволюции: как ограничения в развитии могут привести к новым формам

от

Папоротниковые листья — одна из самых узнаваемых форм в ботаническом мире. Эти часто крупные, ажурные листья прекрасно подходят как для акварельных картин, так и для татуировок на трицепс. Как сказал Торо: «Природа создала папоротники ради чистых листьев, чтобы показать, что она может в этом направлении».

Но папоротники — это не только искусство и сады. Хотя листья папоротников являются самой знаковой частью их тела, эти растения — целостные организмы со стеблями и корнями, которые часто находятся под землёй или ползут по поверхности почвы. Имея более 400 миллионов лет эволюционной истории, папоротники могут многому научить нас о том, как возникло разнообразие жизни на Земле. В частности, изучение их внутренней анатомии может раскрыть некоторые тонкости эволюции.

Ограничения в развитии

Когда одна структура не может измениться без изменения другой, исследователи считают, что они ограничены друг другом. В биологии такая связь между признаками называется ограничением в развитии. Оно объясняет пределы возможных форм организмов. Например, почему не бывает квадратных деревьев или млекопитающих с колёсами?

Однако ограничения не всегда ограничивают форму. В моём недавно опубликованном исследовании я изучил сосудистую систему папоротников, чтобы подчеркнуть, как изменения в одной части организма могут привести к изменениям в другой, что может генерировать новые формы.

Эволюция и креационизм

До того как Чарльз Дарвин предложил свою теорию эволюции путём естественного отбора, многие учёные верили в креационизм — идею о том, что все живые существа были созданы богом. Среди этих верующих был натуралист XIX века Жорж Кювье, которого называют отцом палеонтологии. Его аргумент против эволюции основывался не только на вере, но и на теории, которую он назвал корреляцией частей.

Кювье предположил, что, поскольку каждая часть организма связана с развитием каждой другой части, изменения в одной части приведут к изменениям в другой. С помощью этой теории он утверждал, что по одному зубу или кости можно реконструировать весь организм.

Однако не все части организма связаны так тесно. Действительно, некоторые части могут эволюционировать с разной скоростью и под разным давлением отбора. Эта идея была сформулирована как концепция квази-независимости в 1970-х годах эволюционным биологом Ричардом Левонтином. Идея организмов как совокупности индивидуально эволюционирующих частей остаётся актуальной и сегодня, влияя на то, как исследователи и студенты думают об эволюции.

Сосудистые ткани папоротников

Папоротники — одна из четырёх линий наземных растений, у которых есть сосудистые ткани — специализированные наборы трубок, которые перемещают воду и питательные вещества по их телам. Эти ткани состоят из сосудистых пучков — скоплений клеток, которые проводят воду через стебель.

Расположение сосудистых пучков в стеблях папоротников существенно различается. У некоторых их от трёх до восьми или более, разбросанных по всему стеблю. Некоторые расположены симметрично, в то время как у других, таких как табак-папоротник (Mickelia nicotianifolia), пучки расположены в причудливом, улыбающемся узору.

Исследование сосудистых пучков

На протяжении большей части XX века учёные, изучающие расположение и расположение сосудистых пучков в стеблях папоротников, считали, что эти широкие закономерности могут быть адаптивными к условиям окружающей среды. Я решил проверить, действительно ли определённые типы расположения более устойчивы к засухе. Но вопреки моим первоначальным гипотезам — и моему желанию найти связь между формой и функцией — расположение сосудистых пучков в стебле, похоже, не коррелировало с устойчивостью к засухе.

Это может показаться нелогичным, но оказывается, что способность папоротника перемещать воду по своему телу больше связана с размером и формой проводящих воду клеток, а не с тем, как они расположены в стебле в целом. Это наблюдение аналогично изучению дорожных карт для понимания транспортных потоков. Расположение дорог на карте (как расположены клетки) может быть менее важным для определения транспортных потоков, чем количество и размер полос движения (размер и количество клеток).

Это наблюдение намекнуло на нечто более глубокое об эволюции сосудистых систем папоротников. Оно отправило меня в путешествие, чтобы выяснить, что именно привело к возникновению различных сосудистых узоров у папоротников.

Я задавался вопросом, как эта вариация в количестве и расположении сосудистых пучков соотносится с расположением листьев вокруг стебля. Поэтому я количественно определил эту вариацию в сосудистом узоре для 27 папоротников, представляющих примерно 30% всех видов папоротников.

Я обнаружил поразительную корреляцию между количеством рядов листьев и количеством сосудистых пучков в стебле. В некоторых случаях эта взаимосвязь была почти один к одному. Например, если вдоль стебля было три ряда листьев, в стебле было три сосудистых пучка.

Более того, расположение листьев вокруг стебля определяло пространственное расположение пучков. Если листья были расположены спирально (со всех сторон стебля), сосудистые пучки располагались радиально. Если листья были смещены на дорсальную сторону стебля, возникал улыбающийся узор.

Важно отметить, что, основываясь на нашем понимании развития растений, здесь присутствовала направленность. В частности, расположение листьев определяет расположение пучков, а не наоборот.

Это может показаться не таким уж удивительным — кажется логичным, что сосудистая система должна соединяться между листьями и стеблями. Но это противоречит тому, как учёные рассматривали сосудистую систему папоротников более 100 лет. Многие исследования сосудистого узора папоротников были склонны сосредотачиваться на отдельных частях растения, удаляя сосудистую архитектуру из контекста растения в целом и рассматривая её как независимо развивающийся узор.

Однако эта новая работа показывает, что расположение сосудистых пучков в стеблях папоротников не может меняться изолированно. Скорее, как в идеализированных организмах Кювье, сосудистый узор связан и явно определяется количеством и расположением листьев вдоль стебля. Это не означает, что сосудистые узоры не могут быть адаптивными к условиям окружающей среды, но это означает, что эволюционные изменения в количестве и расположении сосудистых пучков, вероятно, связаны с изменениями в количестве и расположении листьев.

Понимание этих процессов также важно для промышленности. В сельскохозяйственных условиях селекционеры растений и животных пытаются увеличить один аспект организма, не меняя другой. Понимая, какие части организма связаны в развитии или генетически, а какие более квази-независимы, селекционеры могут более эффективно создавать организмы с желаемыми признаками.

Ограничения часто рассматриваются как ограничивающие, но это не всегда так. Польский физик-ядерщик Станислав Улам отметил, что рифмы «заставляют искать неочевидное из-за необходимости найти слово, которое рифмуется», парадоксально действуя как «автоматический механизм оригинальности». Будь то литературные правила хайку или развитие папоротников, ограничения могут быть генераторами форм.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте