Еволюцію часто уявляють як постійний поступ від простого до складного. Але нові дослідження демонструють, що деякі види папоротей здатні до еволюції «назад».
Розгортається головка різдвяної папороті (Polystichum acrostichoides). (Зображення: Jacob S. Suissa, CC BY-ND) Підпишіться на нашу розсилку
Уявіть світлину ваших предків, бабусь з дідусями та батьків поруч. Ви зауважите подібності, проте кожне наступне покоління матиме відмінності від попередніх. Це є еволюційний процес у найпростішому вигляді: походження зі змінами.
З плином поколінь стає можливою дивовижна кількість модифікацій. Саме так виникла різноманітність життя на нашій планеті.
Поширюючи цю точку зору за межі людства, колишні палеонтологічні теорії щодо стародавнього життя підтримували концепцію ортогенезу, або «прогресивної еволюції», де кожен нащадок еволюційної лінії рухався до більш складних чи оптимізованих форм.
Але еволюція не має кінцевого пункту. Не існує остаточної мети чи кінцевого стану. Організми еволюціонують через природний відбір, що діє в конкретний геологічний період, або просто шляхом дрейфу без значного тиску відбору у будь-якому напрямку.
У недавно опублікованому дослідженні, яке я проводив разом з Макалі Сміт, тодішньою науковою стажеркою Гарвардського університету, що фінансувалася Національним науковим фондом, ми прагнули визначити, чи завжди одновекторна модель репродуктивної еволюції є вірною для рослин. Натомість ми з’ясували, що у багатьох видів папоротей — однієї з найдавніших груп рослин на Землі — еволюція репродуктивних стратегій була двонаправленою, причому рослини іноді еволюціонували «назад» до менш спеціалізованих форм.
Еволюційний шлях не є прямолінійним
Тиск відбору може різко змінитися та спрямувати еволюцію у несподіваних напрямках.
Розглянемо, наприклад, динозаврів та ссавців. Протягом більш ніж 150 мільйонів років динозаври чинили значний тиск відбору на юрських ссавців, які змушені були залишатися малими та жити під землею, щоб уникнути вимирання через полювання.
Згодом, приблизно 66 мільйонів років тому, астероїд Чіксулуб винищив більшість непташиних динозаврів. Раптово дрібні ссавці звільнилися від значного тиску хижацького відбору та отримали можливість жити на поверхні, з часом еволюціонуючи у більші форми, включаючи людину.
Bonacynodon schultzi, прародич сучасних ссавців, мешкав у тіні динозаврів протягом тріасового періоду на території сучасної Бразилії. (Зображення: Jorge Blanco, CC BY-SA)
У 1893 році бельгійський палеонтолог Луї Долло висунув ідею про те, що після досягнення організмом певного еволюційного рівня, він не повернеться до початкового стану у той самий спосіб, у який відбувалася еволюція, навіть за умови зіткнення з умовами, аналогічними тим, які він колись пережив. Закон Долло, як його згодом назвали, передбачає, що спеціалізація — це переважно односторонній шлях, коли організми накопичують нашарування складності, що унеможливлює зворотну еволюцію.
Незважаючи на критику закону Долло, і те, що його початкова ідея значною мірою зникла з популярних дискусій, ця перспектива досі впливає на деякі аспекти сучасної біології.
Рослини та марш прогресу
Реконструкція Куксонії, вимерлої групи судинних рослин з теломами, на кінцях яких розташовані спори. (Зображення: Matteo De Stefano/MUSE via Wikipedia, CC BY-SA)
Музеї нерідко демонструють еволюцію тварин як прямолінійний прогрес до вищих стадій, але вони не є єдиним джерелом такого уявлення. Воно також присутнє у викладанні еволюції розмноження у рослин.
Найдавніші судинні рослини — ті, що мають тканини, здатні транспортувати воду та мінерали по всій рослині — мали безлистяні, стеблоподібні структури, звані теломами, з капсулами на кінчиках, відомими як спорангії, які виробляли спори. Теломи виконували обидві важливі функції рослин: перетворення сонячного світла на енергію через фотосинтез та вивільнення спор для створення нових рослин.
Палеонтологічні знахідки вказують на те, що з часом рослини розвинули більш спеціалізовані структури, які розділили ці репродуктивні та фотосинтетичні функції. Проходячи через еволюційні лінії рослин, від спороносних плаунів до папоротей та квіткових рослин, розмноження стає дедалі більш спеціалізованим. Справді, квітку часто зображають на схемах як кінцеву мету ботанічної еволюції.
Ця схема ілюструє еволюцію наземних рослин таким чином, що розвиток плодів та насіння виділяється як кульмінаційна віха. (Зображення надано: Laurenprue216/Wikipedia, CC BY-SA)
В усьому рослинному світі, після того як види розвинули репродуктивні структури, такі як насіння, шишки та квіти, вони не поверталися до більш простих, недиференційованих форм. Ця тенденція підтверджує поступове зростання репродуктивної складності. Проте, папороті є суттєвим винятком.
Розвивається, але не завжди просувається вперед
Мономорфна папороть-цибулинка (Cystopteris bulbifera) використовує одне й те ж листя для фотосинтезу та утворення спор. (Зображення: Jacob S. Suissa)
Папороті використовують декілька стратегій розмноження. Більшість видів поєднують розвиток спор та фотосинтез на одному типі листка — цю стратегію називають мономорфізмом. Інші ж розділяють ці функції, маючи один тип листка для фотосинтезу та інший для розмноження — ця стратегія відома як диморфізм.
Якщо б моделі спеціалізації, що спостерігаються у інших рослин, були універсальними, то можна було б очікувати, що після того, як еволюційна лінія папоротей розвинула диморфізм, вона не змогла б змінити курс та повернутися до мономорфізму. Проте, використовуючи колекції природничої історії та алгоритми для оцінки еволюції папоротей, ми зі Смітом виявили винятки з цієї моделі.
У межах родини ланцюгових папоротеподібних (Blechnaceae) ми виявили численні випадки, коли рослини розвинули високоспеціалізований диморфізм, але згодом повернулися до більш узагальненої форми мономорфізму.
Відсутність насіння надає папоротям гнучкості
Диморфна чутлива папороть (Onoclea sensibilis) має два окремі листки: один для фотосинтезу, а інший для утворення спор. (Зображення: Jacob S. Suissa)
Чому папороті можуть мати такі адаптивні репродуктивні стратегії? Відповідь полягає в тому, чого їм не вистачає: насіння, квітів та плодів. Це відрізняє їх від понад 350 000 видів насіннєвих рослин, що існують на Землі сьогодні.
Уявіть, що ви берете плідний листок папороті, стискаєте його та щільно загортаєте в крихітну таблетку. Це, по суті, незапліднене насіння — високо модифікований диморфний листок папороті в капсулі.
Насіння є лише однією з високоспеціалізованих структур в наборі репродуктивних ознак, кожна з яких базується на попередній, створюючи настільки специфічну форму, що зворотний розвиток стає майже неможливим. Але оскільки живі папороті не мають насіння, вони можуть змінювати розташування на своєму листі, де розміщують свої спороутворюючі структури.
Наші результати вказують на те, що не вся репродуктивна спеціалізація у рослин є незворотною. Натомість вона може залежати від кількості рівнів спеціалізації, які рослини набули з часом.
У сучасному світі, що швидко змінюється, знання того, які організми чи ознаки «зафіксовані», може бути важливим для прогнозування того, як види реагують на нові екологічні виклики та зміни довкілля, спричинені діяльністю людини.
Організми, що еволюціонували «односторонніми» шляхами, можуть не мати достатньої гнучкості, щоб реагувати на новий тиск відбору певним чином, і їм доведеться вигадувати нові стратегії для змін. У таких лініях, як папороті, види можуть зберігати здатність «еволюціонувати назад» навіть після спеціалізації.
Зрештою, наше дослідження підкреслює ключовий урок еволюційної біології: в еволюції не існує «правильного» напрямку, немає руху до кінцевої мети. Еволюційні шляхи більше нагадують заплутані павутини, де деякі гілки розходяться, інші зближуються, а деякі навіть замикаються на самих собі.
Цю відредаговану статтю перевидано з The Conversation за ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.
Sourse: www.livescience.com