Кукуруза, культура, выращиваемая на всех континентах, кроме Антарктиды, очень мало похожа на своего предка, дикую траву с твердыми ядрышками, которая растет сегодня на юго-западе Мексики и называется теосинтом.
В течение почти столетия ботаники спорили о происхождении кукурузы, полагая, что в какой-то момент современное растение произошло от вымершей дикой кукурузы или чего-то еще неизвестного. Генетики, однако, в конце концов определили в 1990 году, что кукуруза была связана с твердым ядом теосинта, и пришли к выводу, что пухлое, сочное растение, которое мы знаем сегодня, является одомашненной формой дикой травы. Ученые пришли к выводу, что между 10 000 и 13 000 лет назад фермеры отобрали и посадили семена с благоприятными свойствами, и со временем растение было преобразовано.
Но в исследовании, опубликованном на прошлой неделе в журнале Quaternary International, смитсоновский исследователь Долорес Пиперно, археоботаник, работающий на полевой станции Смитсоновского института тропических исследований в Гамбоа, Панама, поделился новой гипотезой «машины времени». В прошлых условиях окружающей среды, говорят она и ее коллеги, теосинты выглядели совсем не так, как сегодня, и больше напоминали современную кукурузу, чем сейчас. Это может пролить свет на то, почему ранние фермеры решили его выращивать.
В прошлых условиях окружающей среды Пиперно (несущая современную теосинтез) и ее коллеги говорят, что предок плейстоценовой эры растения выглядел совсем не так, как сегодня, и больше напоминал современную кукурузу. (Мэтью Лакниет) «Мы знаем, что между 10 000 и 13 000 лет назад, - говорит Пиперно, - когда охотники-собиратели впервые начали эксплуатировать диких предков [сегодняшних] культур и когда первые фермеры действительно начали культивировать зерновые культуры, температура и содержание CO2 в атмосфере были очень разными. »
Пиперно работал с Клаусом Винтером, который спроектировал теплицу со стеклянными камерами - машину времени - поддерживающую пониженные уровни СО2 и поддерживающую более низкие температуры, подобные тем, которые были в позднем плейстоцене и раннем голоцене. В целях контроля неподалеку была подготовлена еще одна теплица, имитирующая сегодняшнюю обстановку. Затем Пиперно и ее коллеги посадили теосинт в обеих камерах.
Именно во время изучения истории окаменелости кукурузы и прошлых условий окружающей среды Пиперно начал задумываться, как могли выглядеть предки растения во время позднего плейстоцена и раннего голоцена, когда их сначала собирали, а затем выращивали. В то время температура была на 3, 5-5, 4 градусов ниже, чем сегодня, а атмосферный CO2 колебался на уровне около 260 частей на миллион. Позже, во время промышленной революции, уровень CO2 увеличится до сегодняшних 405 частей на миллиард, уровня, на котором сейчас растет высокий завод с длинноразветвленным теосинтезом.
Подобное кукурузе растение-фенотип из камеры «машины времени» (A) имеет одну кисточку, которая заканчивает основной стебель, а женские уши появляются вдоль основного стебля (стрелки). Вставка в правом верхнем углу - крупный план одного из женских ушей. Современный теосинт, выращенный в контрольной камере (B), имеет много длинных первичных боковых ветвей (например, верхняя белая стрелка), оканчивающихся кистями (черная стрелка). На вторичных боковых ветвях (белые стрелки) видны неразвитые женские уши. (Ирэн Холст, STRI) Пиперно интересовались исследованиями, посвященными тому, как будущие повышения СО2 и температуры могут вызвать нечто, называемое «фенотипической пластичностью», или изменения внешнего вида растения в ответ на его окружающую среду. Фенотипическая пластичность может привести к тому, что два генетически идентичных организма будут выглядеть по-разному, если их выращивать в разных условиях.
В «машине времени» Пиперно и Клаус были заинтригованы, обнаружив, что растения теосинта стали больше похожи на кукурузу, которую мы выращиваем и едим сегодня. В то время как у сегодняшнего теосинта есть многочисленные ветви с кисточками с колосьями, растущими на вторичных ветвях, у тепличных растений был один основной стебель, увенчанный одной кисточкой, а также несколько коротких ветвей с колосьями. И семена тоже были разными: в отличие от семян дикого теосинта, которые созревали последовательно, все семена на опытных растениях созревали одновременно, подобно зернам кукурузы или семенам. Сегодняшние семена теосинта заключены в плотные вегетативные прицветники, но машина времени производила растения с открытыми ядрами семян.
По словам Пиперно, меньшее количество веток, наряду с хорошо видимыми семенами, сделало бы теосинте более легкой культурой для сбора урожая. Эти характеристики, которые, как ранее считалось, обусловлены человеческим отбором и одомашниванием, могли быть вызваны изменениями окружающей среды, которые вызвали фенотипическую пластичность.
Внутри камеры машины времени, теосинт был выращен в условиях, с которыми он мог столкнуться 10000 лет назад. (Ирэн Холст, STRI) Похоже, что окружающая среда сыграла «значительную, хотя и счастливую» роль в сосредоточении внимания на теосинте для культивирования, говорит Пиперно. Подобные кукурузе особенности «дали ранним фермерам преимущество».
Даниэль Сандвейс, профессор антропологии, четвертичных и климатических исследований в университете штата Мэн, провел обширные исследования ранних изменений климата в Латинской Америке. Он назвал эксперимент Пиперно «новаторским» и сказал, что верит, что он «станет моделью для целой серии исследований».
Пиперно, Клаус и их команда были также заинтересованы в том, чтобы заметный скачок температуры и СО2, произошедший между поздним плейстоценом и голоценом, мог повлиять на продуктивность растений и мог помочь объяснить возможную причину, по которой сельское хозяйство началось в то время, и не раньше, чем.
Во время плейстоцена атмосферные уровни CO2 были даже ниже, чем они были во время голоцена - по крайней мере, на одну треть - и температура была на 5-7 градусов ниже. Плистоценовые уровни CO2 и температуры были ограничивающими факторами для роста растений, заключил Пиперно, который видел предыдущие исследования, предполагающие, что выращивание растений в условиях низкой CO2 и низкой температуры ингибирует фотосинтез и снижает урожай семян.
Дикий предок кукурузы, teosinte, показан растущим в современных (камера слева) и в прошлом (камера справа) климатических условиях. Смитсоновские ученые Долорес Пиперно (справа) с Иреной Холст. (Шон Маттсон) Собственные результаты Пиперно повторили предыдущие исследования; Теозинт также образовал больше семян в камере с более высокой температурой и повышенным содержанием СО2. Это явление, возможно, впервые сделало сельское хозяйство устойчивой практикой для питания семей. По словам Пиперно, повышение производительности завода превратило сельское хозяйство в «хорошую адаптивную стратегию».
«Результаты поразительны», - говорит Сандвейс, который отметил, что появление теосинта давно запутало ученых. После того, как теозинт выглядел в условиях плейстоцена, его отношение к кукурузе стало «иметь больше смысла».
Эксперимент Пиперно может также помочь ученым и археологам понять процесс и сроки одомашнивания сельскохозяйственных культур по всему миру, отметил Сандвейс. Пшеница, ячмень и рис могли также испытывать фенотипические изменения и повышать продуктивность в поздний плейстоцен и ранний голоцен. Отслеживание этого процесса может объяснить, «как это происходит с кукурузой, почему люди выбрали именно эти виды, а не другие, и почему процесс одомашнивания произошел, когда он это сделал».
Пиперно планирует продолжить свои исследования, проводя исследования по искусственному отбору, выращивая несколько поколений растений, чтобы наблюдать наследование индуцированных кукурузоподобных фенотипов. Она говорит, что фенотипическая пластичность становится важной частью того, что ученые называют «новым современным синтезом» - расширяя взгляд ученых на влияние окружающей среды на эволюционные изменения.
«Мы в основном открыли окно», - говорит Пиперно.
