Ez volt, írta Charles Darwin 1879-ben, “egy förtelmes rejtély”. Másutt úgy jellemezte, hogy “a legzavarosabb jelenség”. Húsz évvel A fajok eredete című korszakalkotó műve megjelenése után még mindig voltak olyan aspektusai az evolúciónak, amelyek zavarták az evolúcióbiológia atyját. Ezek közül a legfontosabb a virágprobléma volt.
A virágos növények a gardéniáktól a fűfélékig, a tavirózsáktól a búzáig az angiospermák nagy és változatos csoportjába tartoznak. Szinte minden más növénytípustól eltérően ezek termést hoznak, amely magokat tartalmaz. Darwint az aggasztotta, hogy a legkorábbi fosszilis minták mind a kréta korszak közepére, mintegy 100 millió évvel ezelőttre nyúlnak vissza, és zavarba ejtően sokféle alakú és méretűek. Ez arra utalt, hogy a virágos növények nagyon röviddel keletkezésük után robbanásszerű sokféleségrobbanáson mentek keresztül – ami, ha igaz, azzal fenyegetett, hogy aláássa Darwin egész modelljét a természetes szelekció révén történő fokozatos evolúcióról.
Valójában a közelmúltban közzétett kutatások kimutatták, hogy az angiospermák mégiscsak viszonylag fokozatosan fejlődtek. Ez azonban még mindig számos kulcsfontosságú kérdést hagy maga után. A virágos növények nagyjából 350 000 ismert faja az összes élő növényfaj mintegy 90%-át teszi ki. Nélkülük nem lennének meg a legfontosabb haszonnövényeink, beleértve az állatok takarmányozására használtakat is, és hiányozna az egyik legfontosabb szén-dioxid-nyelő, amely felszívja a szén-dioxid-kibocsátásunkat. Hogyan és honnan származnak? És ami talán még fontosabb, miért lettek ilyen látványosan sikeresek?
Darwin kétségtelenül az eredet szakértője volt. Figyelemre méltó meglátásai segítettek megteremteni az új fajok kialakulásának kereteit – és hajthatatlan volt abban, hogy a folyamat lassú és fokozatos.
“Mivel a természetes szelekció kizárólag apró, egymást követő, kedvező változások felhalmozásával hat, nem tud nagy vagy hirtelen változásokat létrehozni; csak nagyon rövid és lassú lépésekkel tud hatni” – írta A fajok eredete című könyvében.
De Darwin fájdalmasan tudatában volt annak, hogy a lassú és fokozatos szabály alól nyilvánvalóan vannak kivételek. Az angiospermák különösen sok csalódást okoztak. Az angiospermák egyszerűen nem léteztek a Föld történetének nagy részében. A korai erdőket bizarr, primitív, fához hasonló növények népesítették be, amelyek szoros rokonságban álltak a klubmohákkal és lószőrökkel, amelyek a mai növényközösségek igen csekély részét képezik. Később a gymnospermák – a tűlevelűekhez hasonló, nem zárt magvú növények – csoportja vette át az uralmat. Aztán jöttek az angiospermák.
A 19. század elején olyan tudósok, mint Adolphe-Théodore Brongniart, elkezdték összegyűjteni mindazt, amit akkoriban a fosszilis növényekről tudtak. Az ehhez hasonló munkák rávilágítottak arra a tényre, hogy az angiospermák – a 19. században gyakran “magasabb rendű növényeknek” vagy kétszikűeknek nevezték őket – óriási változatossága túlságosan hirtelen bukkant fel a kréta földtörténeti időszak közepén.
A virágos növények hirtelen megjelenése több volt, mint zavarba ejtő. Ez muníció volt Darwin evolúciós modellje ellen
“ennyi kétszikű növény hirtelen megjelenése… igen zavarba ejtő jelenségnek tűnik számomra mindazok számára, akik hisznek az evolúció bármely formájában, különösen azok számára, akik a rendkívül fokozatos evolúcióban hisznek” – írta Darwin Oswald Heer svájci természettudósnak 1875-ben.
Azt jól tudta, hogy a virágos növények hirtelen megjelenése több mint zavarba ejtő. Kritikusainak is muníciót szolgáltatott az evolúciós modellje ellen.
Darwin azonban megoldást javasolt. Szerinte az angiospermák fokozatosan fejlődhettek ki a világ egy távoli, a tudósok által még fel nem fedezett régiójában. A kréta korszak közepére valami arra késztette őket, hogy kiáramoljanak szülőföldjükről, és gyorsan elterjedjenek az egész világon. Ez – érvelt Darwin – azt a félrevezető benyomást keltette volna az Európában és Észak-Amerikában dolgozó kutatókban, hogy a virágos növényfajok széles választéka egy időben fejlődött ki. Darwin tisztában volt azzal, hogy elméletének alátámasztására nincsenek bizonyítékok, ezért azt “nyomorúságosan szegényesnek” nevezte.
Valójában az elmélete azóta részben helyesnek bizonyult. A középső kréta kori példányokat több tízmillió évvel megelőző angiospermák kezdtek felbukkanni a Kínából származó kőzetekben. De Darwin a részletekben nem volt teljesen igaza, mert nagyon ritka korai angiospermiumokat találtak Európában és az Egyesült Államokban is.
“A 19. század vége óta jelentősen bővültek ismereteink” – mondja Laurent Augusto, a franciaországi Bordeaux-i Nemzeti Mezőgazdasági Kutatóintézet munkatársa. A paleobotanikusok talán még nem értenek egyet abban, hogy pontosan hol és mikor alakultak ki először a virágos növények, de a korábban ismertnél jóval korábbi megjelenésük a fosszilis feljegyzésekben azt jelenti, hogy már nem jelentenek problémát Darwin fokozatos evolúcióról szóló elmélete számára. A velük kapcsolatos egyéb viták, különösen látványos változatosságukkal kapcsolatban, azonban továbbra is aktívak maradnak.
“A mi világunk egy angiospermák világa” – mondja Augusto. “Sok ökoszisztémában fajokban és biomasszában is dominálnak – ez az angiospermák ökológiai dominanciája továbbra is megmagyarázatlan.”
A virágos növények végső eredetére utaló nyomokat Új-Kaledónián, egy Ausztráliától mintegy 1600 kilométerre keletre fekvő kis szigeten találunk. Itt, nagyjából abban az időben, amikor Darwin az angiospermák problémáján gyötrődött, a botanikusok felfedeztek egy Amborella nevű növényt. Az elmúlt évszázad során végzett gondos vizsgálatok kimutatták, hogy ez a növény az angiospermák evolúciós fájának egyik legkorábbi ágának egyetlen túlélője. Ez azt jelenti, hogy kapcsolata az összes élő virággal kicsit olyan, mint a kacsacsőrű vízilóé az összes élő emlőssel: lehet, hogy szerénynek tűnik, de az Amborella még a legbonyolultabb orchideánál is többet tud mondani arról, hogyan fejlődtek ki először az angiospermák.
Tavaly a növény végre kiárulta néhány titkát. Az Amborella Genom Projekt nyilvánosságra hozta a növény genomjának vázlatos változatát. Az első angiospermák az akkori világot uraló gymnospermák valamelyikéből fejlődhettek ki. Az Amborella genomja arra utal, hogy az első angiospermák valószínűleg akkor jelentek meg, amikor az ősi gymnospermák mintegy 200 millió évvel ezelőtt “teljes genomduplázódáson” estek át.
A virágok az angiospermák meghatározó jellemzői voltak evolúciójuk nagyon korai szakaszától kezdve.
A genomduplázás akkor következik be, amikor egy szervezet tévesen minden génjéből egy extra példányt kap a szexuális szaporodás részeként bekövetkező sejtosztódás során. Az extra genetikai anyag a genomduplázódott szervezeteknek lehetőséget ad arra, hogy új tulajdonságokat fejlesszenek ki, amelyek versenyelőnyt jelenthetnek. A legkorábbi angiospermák esetében a plusz genetikai anyag lehetőséget adott a növényeknek arra, hogy új, korábban soha nem látott struktúrákat – például virágokat – fejlesszenek ki. A világ növényvilága soha többé nem lesz ugyanaz.
Az Amborella genomjának eredményei határozottan arra utalnak, hogy a virágok az angiospermák evolúciójának nagyon korai szakaszától kezdve meghatározó jellemzői voltak. Vajon maguk a virágok segíthetnek megmagyarázni, hogy az angiospermák miért váltak ilyen változatossá?
Darwin minden bizonnyal nyitott volt erre a lehetőségre. Miközben az angiospermák látszólag hirtelen megjelenése által felvetett problémával birkózott, kapott egy levelet Gaston de Saporta francia biológustól, aki szerint a 19. századi fosszilis feljegyzések azon látszólagos bizonyítékai, amelyek szerint a növénycsoport hirtelen jelent meg, nem kell, hogy problémát jelentsenek Darwin fokozatos evolúcióról szóló elmélete számára. Ez egyszerűen azt mutatja, hogy az angiospermák szokatlan kivételt képeznek az általános szabály alól. A virágos növények és rovarporzóik együtt fejlődtek, érvelt Saporta, és ez az “együttes evolúció” mindkét csoportot szokatlanul gyors diverzifikációra késztette.
“Az ötlete … nekem nagyszerűnek tűnik” – válaszolta egy lelkes Darwin. “Meglep, hogy ez az ötlet soha nem jutott eszembe, de ez mindig így van, amikor az ember először hall egy új és egyszerű magyarázatot valamilyen rejtélyes jelenségre.”
Az elmélet azonban ma már bajba kerül, mondja Augusto. A korai angiospermáknak lehettek virágaik, de ma már tudjuk a fosszíliákból, hogy ezek az első virágok nagyon egyszerűek voltak – és valószínűleg nem túl vonzóak a beporzók számára. Mire megjelentek a rovarokat csábító nagy, merész virágok, az angiospermák már sokfélék voltak.
A másik elmélet, amelyet Frank Berendse és Marten Scheffer a hollandiai Wageningeni Egyetemen 2009-ben terjesztett elő, azon a tényen alapul, hogy az angiospermák sokkal termőképesebbek, mint a gymnospermák, például a tűlevelűek. Lehet, hogy egyszerűen túlszárnyalták a rivális növényeket azáltal, hogy gyorsabban nőttek, és elnyelték a tápanyagok oroszlánrészét – vélekedtek.
“A cikkünk célja az volt, hogy egy kicsit provokatív legyen” – mondja Berendse -, hogy a botanikusokat és a fosszilis növényeket tanulmányozókat szorosabb együttműködésre ösztönözze az angiospermák látványos felemelkedésének magyarázatán.
A virágos növények sokféleségére és ökológiai dominanciájára nincs egyszerű magyarázat
Sőt, már el is kezdtek együtt dolgozni. Korábban, 2009-ben az ausztráliai Hobartban található Tasmániai Egyetem Tim Brodribb vezette kutatócsoportja publikálta az angiospermák evolúcióját a fosszilis levelek vizsgálatával vizsgáló tanulmánysorozat első darabját. Azt találták, hogy leveleik a kréta korban sokkal több erezettel gyarapodtak, ami több vizet biztosíthatott számukra a fotoszintézishez, és lehetővé tette számukra a gyorsabb növekedést.
“Ez nagyon erős támogatást nyújtott az elképzeléseinknek” – mondja Berendse. De akárcsak a virághipotézis esetében, a tápanyag-alapú elmélettel is maradtak problémák. Például, míg az angiospermák egyes levelei hatékonyabbak a fotoszintézisben, mint a tűlevelek, a tűlevelek képesek lehetnek kompenzálni, mert tűleveleiknek együttesen sokkal nagyobb a felületük, mint egy átlagos angiosperm fa leveleinek.
Sajnos a virágos növények sokféleségére és ökológiai dominanciájára nincs egyszerű magyarázat. “Nagyon valószínű, hogy egyetlen elmélet sem tudja megmagyarázni az angiospermák tömeges felemelkedését” – ismeri el Berendse.
A Augusto szerint sokkal valószínűbb, hogy több tényező játszott szerepet, amelyek mindegyike bizonyos helyeken és időkben többé-kevésbé fontos volt. Például Berendse termelékenységi elmélete alkalmazható a trópusi övekben, ahol a gazdag talajok a tápanyagéhes angiospermáknak létfontosságú előnyt biztosíthatnak a gymnospermákkal szemben, de nem biztos, hogy megmagyarázza, mi történik a szegény talajokkal rendelkező régiókban, ahol az angiospermák potenciálisan éheznek a számukra szükséges tápanyagokra. És a korai angiospermák egyszerű virágai talán keveset tettek a csoport evolúciójáért, de amikor végül megjelentek a bonyolult virágok, valószínűleg segítettek abban, hogy a növénycsoport átvegye a világuralmat.
Ez azt jelenti, ha valóban átvették a világuralmat. Furcsának tűnhet az ellenkezőjét feltételezni, amikor körülbelül 350 000 ismert angiosperm faj van, és nem sokkal több, mint 1000 gymnosperm faj, amelyek többsége tűlevelű. Brodribb szerint azonban a siker többről szól, mint a sokféleségről. A kevés tűlevelű faj közül, amelyek túlélnek, sokan szuperbőségesek.
“Az északi féltekén a tűlevelűek uralják a hatalmas boreális és a mérsékelt égöv nagy részét” – mondja Brodribb. Hozzáteszi, hogy az angiospermák sok ilyen régióban nem váltak ökológiailag dominánssá. Ennek oka lehet, hogy az ottani talajok – Berendse elképzeléseivel összhangban – túl szegényesek ahhoz, hogy táplálkozási előnyre tegyenek szert, vagy talán azért, mert a hőmérséklet túl alacsonyra esik ahhoz, hogy túléljenek. De hogy miért nem sikerült az angiospermáknak még 350 000 kísérlet után sem olyan fajokkal előállniuk, amelyek képesek lennének legyőzni ezeket a problémákat és felülkerekedni az északi tűlevelűeken, az egy másik megoldatlan rejtély.
Az északi féltekén a tűlevelűek uralkodnak
A mai növénytudósok érthető módon jobban ismerik a virágos növények eredetét, mint Darwin, de még mindig küzdenek a csoport sokszínűségének magyarázatával, és azzal, hogy ennek ellenére miért nem sikerült a világ egyes részein uralkodóvá válniuk.
Augusto legalábbis bízik abban, hogy a válaszok végül megtalálhatók lesznek, részben azért, mert ezek a rejtélyek továbbra is lenyűgözik a kutatókat. És bár kétségtelen, hogy ez a vonzalom részben az angiospermák mai ökológiai és gazdasági jelentőségéből fakad, talán részben Darwinnak és a szavakkal való bánásmódjának is köszönhető. “Azt hiszem, a “förtelmes rejtély” idézet hozzájárul az angiospermák iránti általános érdeklődéshez” – teszi hozzá Augusto.