Je to, jak napsal Charles Darwin v roce 1879, „ohavná záhada“. Na jiném místě ji popsal jako „nanejvýš matoucí jev“. Dvacet let po vydání jeho stěžejního díla Původ druhů stále existovaly aspekty evoluce, které otce evoluční biologie trápily. Hlavním z nich byl problém květin.
Květnaté rostliny od gardénií přes trávy, lekníny až po pšenici patří do velké a rozmanité skupiny zvané nahosemenné. Na rozdíl od téměř všech ostatních druhů rostlin vytvářejí plody, které obsahují semena. Darwina znepokojilo, že všechny nejstarší vzorky ve fosilním záznamu pocházejí z poloviny období křídy, tedy z doby před asi 100 miliony let, a že se vyskytují v ohromujícím množství různých tvarů a velikostí. To naznačovalo, že kvetoucí rostliny zažily explozivní nárůst rozmanitosti velmi krátce po svém vzniku – což, pokud by to byla pravda, hrozilo zpochybnit celý Darwinův model postupné evoluce přírodním výběrem.
Ve skutečnosti nedávno publikovaný výzkum odhalil, že nahosemenné rostliny se přece jen vyvíjely relativně postupně. Přesto stále zůstává řada klíčových otázek. Zhruba 350 000 známých druhů kvetoucích rostlin tvoří asi 90 % všech žijících druhů rostlin. Bez nich bychom neměli žádnou z našich hlavních plodin včetně těch, které se používají ke krmení hospodářských zvířat, a chyběl by jeden z nejdůležitějších pohlcovačů uhlíku, který pohlcuje naše emise oxidu uhličitého. Jak a kde vznikly? A co je možná ještě důležitější, proč se staly tak velkolepě úspěšnými?
Darwin byl nepochybným odborníkem na původ. Jeho pozoruhodné poznatky pomohly stanovit rámec pro způsob, jakým vznikají nové druhy – a byl pevně přesvědčen, že tento proces je pomalý a postupný.
„Protože přírodní výběr působí výhradně hromaděním nepatrných, postupných, příznivých změn, nemůže způsobit žádnou velkou nebo náhlou modifikaci; může působit jen velmi krátkými a pomalými kroky,“ napsal v knize Původ druhů.
Darwin si však byl bolestně vědom toho, že z jeho pravidla pomalého a postupného výběru existují zjevné výjimky. Obzvlášť frustrujícím zdrojem byly nahosemenné rostliny. Obojživelníci po většinu historie Země prostě neexistovali. Rané lesy obývaly bizarní primitivní stromovité rostliny blízce příbuzné paličkovitým mechům a přesličkám, které jsou velmi malou součástí dnešních rostlinných společenstev. Později převzala vládu skupina zvaná gymnospermy – rostliny s neuzavřenými semeny, jako jsou jehličnany. A pak přišly nahosemenné rostliny.
Na počátku 19. století začali vědci jako Adolphe-Théodore Brongniart shromažďovat vše, co bylo tehdy známo o fosilních rostlinách. Takové práce upozornily na skutečnost, že se uprostřed geologického období křídy až příliš náhle objevila obrovská škála nahosemenných rostlin – v 19. století často nazývaných „vyšší rostliny“ nebo dvouděložné rostliny.
Náhlý výskyt kvetoucích rostlin byl více než jen matoucí. Byla to munice proti Darwinovu evolučnímu modelu.
“ náhlý výskyt tolika dvouděložných rostlin… se mi jeví jako velmi matoucí jev pro všechny, kdo věří v jakoukoli formu evoluce, zejména pro ty, kdo věří v extrémně pozvolný vývoj,“ napsal Darwin v roce 1875 švýcarskému přírodovědci Oswaldu Heerovi.
Dobře si uvědomoval, že náhlý výskyt kvetoucích rostlin je více než jen matoucí. Poskytoval také jeho kritikům munici proti jeho evolučnímu modelu.
Darwin však navrhl řešení. Obojživelníci se podle něj mohli vyvinout postupně ve vzdálené, vědci dosud neprozkoumané oblasti světa. V polovině křídy něco způsobilo, že se rozlétly ze své domoviny a rychle se rozšířily po celém světě. To by podle Darwinovy úvahy mohlo u vědců pracujících v Evropě a Severní Americe vyvolat mylný dojem, že se nejrůznější druhy kvetoucích rostlin vyvinuly ve stejnou dobu. Darwin si byl vědom nedostatku důkazů, které by jeho teorii podpořily, a proto ji označil za „uboze chudou“.
Ve skutečnosti se jeho spekulace od té doby ukázaly jako částečně správné. V horninách z Číny se začaly objevovat mnohonožky, které předcházely exemplářům ze střední křídy o desítky milionů let. Darwin však nezjistil podrobnosti zcela správně, protože velmi vzácné rané nahosemenné rostliny byly nalezeny i v Evropě a USA.
„Naše znalosti se od konce 19. století výrazně rozšířily,“ říká Laurent Augusto z Národního ústavu pro zemědělský výzkum ve francouzském Bordeaux. Paleobotanici se sice zatím neshodnou na tom, kde a kdy přesně se kvetoucí rostliny poprvé vyvinuly, ale jejich výskyt ve fosilním záznamu mnohem dříve, než bylo dosud známo, znamená, že už nepředstavují problém pro Darwinovu teorii postupné evoluce. Jiné debaty o nich, zejména pokud jde o jejich velkolepou rozmanitost, však zůstávají aktivní.
„Náš svět je světem nahosemenných rostlin,“ říká Augusto. „V mnoha ekosystémech dominují co do druhů i biomasy – tato ekologická dominance angiospermů zůstává nevysvětlena.“
Klíč ke konečnému původu kvetoucích rostlin se nachází na Nové Kaledonii, malém ostrově asi 1600 kilometrů východně od Austrálie. Zde, přibližně v době, kdy se Darwin trápil nad svým problémem s nahosemennými rostlinami, objevili botanici rostlinu zvanou Amborella. Pečlivé studium v minulém století ukázalo, že se jedná o jedinou přeživší rostlinu jedné z nejranějších větví evolučního stromu nahosemenných rostlin. To znamená, že její vztah ke všem žijícím květinám je trochu podobný vztahu kachnozobého ploskoroha ke všem žijícím savcům: může vypadat nenápadně, ale Amborella nám může říci více než i ta nejpropracovanější orchidej o tom, jak se poprvé vyvinuly nahosemenné rostliny.
Loni rostlina konečně prozradila některá ze svých tajemství. Projekt Amborella Genome Project odhalil pracovní verzi genomu této rostliny. První nahosemenné rostliny se musely vyvinout z některého z gymnospermů, které v té době dominovaly světu. Genom Amborelly naznačuje, že první nahosemenné rostliny se pravděpodobně objevily, když předek gymnospermů prodělal „zdvojení celého genomu“ asi před 200 miliony let.
Květy byly charakteristickým znakem nahosemenných rostlin od samého počátku jejich evoluce
Zdvojení genomu nastává, když organismus omylem získá extra kopii každého ze svých genů během buněčného dělení, ke kterému dochází v rámci pohlavního rozmnožování. Díky dodatečnému genetickému materiálu mají organismy se zdvojeným genomem potenciál vyvinout nové vlastnosti, které jim mohou poskytnout konkurenční výhodu. V případě prvních nahosemenných rostlin dal dodatečný genetický materiál rostlinám potenciál vyvinout nové, dosud nevídané struktury – například květy. Světová flóra by už nikdy nebyla stejná.
Výsledky výzkumu genomu Amborelly silně naznačují, že květy byly určujícím znakem nahosemenných rostlin od samého počátku jejich evoluce. Mohly by květy samy o sobě pomoci vysvětlit, proč se nahosemenné rostliny staly tak rozmanitými?“
Darwin byl této možnosti jistě otevřený. Zatímco se potýkal s problémem, který představoval zdánlivě náhlý výskyt nahosemenných rostlin, obdržel dopis od francouzského biologa Gastona de Saporta, který tvrdil, že zjevné důkazy fosilního záznamu z 19. století naznačující, že se tato skupina rostlin objevila náhle, nemusí být pro Darwinovu teorii postupné evoluce problémem. Pouze ukazoval, že nahosemenné rostliny jsou neobvyklou výjimkou z jeho obecného pravidla. Kvetoucí rostliny a jejich hmyzí opylovači se vyvíjeli společně, uvažoval Saporta, a tato „koevoluce“ vedla obě skupiny k neobvykle rychlé diverzifikaci.
„Vaše myšlenka … mi připadá skvělá,“ reagoval nadšený Darwin. „Překvapuje mě, že mě ta myšlenka nikdy nenapadla, ale tak je to vždycky, když člověk poprvé slyší nové a jednoduché vysvětlení nějakého záhadného jevu.“
Ale tato teorie dnes naráží na problémy, říká Augusto. Rané nahosemenné rostliny sice měly květy, ale z fosilií dnes víme, že tyto první květy byly velmi prosté – a pravděpodobně ne tak atraktivní pro opylovače. V době, kdy se objevily velké, odvážné květy, které lákají hmyz, byly už nahosemenné rostliny rozmanité.
Další teorie, kterou v roce 2009 představili Frank Berendse a Marten Scheffer z nizozemské Wageningenské univerzity, se opírá o skutečnost, že nahosemenné rostliny jsou mnohem produktivnější než gymnospermy, jako jsou jehličnany. Možná jednoduše předstihly konkurenční rostliny tím, že rostly rychleji a pohltily lví podíl živin, navrhli.
„Náš článek měl být trochu provokativní,“ říká Berendse, aby povzbudil botaniky a ty, kteří studují fosilní rostliny, k užší spolupráci na vysvětlení velkolepého vzestupu nahosemenných rostlin.
Neexistuje žádné jednoduché vysvětlení rozmanitosti a ekologické dominance kvetoucích rostlin
V podstatě již začali spolupracovat. Počátkem roku 2009 publikoval tým vedený Timem Brodribbem z Tasmánské univerzity v australském Hobartu první ze série prací zkoumajících evoluci nahosemenných rostlin na základě zkoumání fosilních listů. Zjistili, že jejich listy získaly během křídy mnohem více žilek, což jim mohlo zajistit více vody pro fotosyntézu a umožnit jim rychlejší růst.
„To poskytlo velmi silnou podporu našim myšlenkám,“ říká Berendse. Stejně jako u hypotézy o květinách však i u teorie založené na živinách přetrvávají problémy. Například zatímco jednotlivé listy nahosemenných rostlin jsou při fotosyntéze účinnější než jehlice jehličnanů, jehličnany to mohou kompenzovat, protože jejich jehlice mají dohromady mnohem větší povrch než listy průměrného nahosemenného stromu.
Naneštěstí neexistuje jednoduché vysvětlení pro rozmanitost a ekologickou dominanci kvetoucích rostlin. „Velmi pravděpodobně žádná jednotná teorie nedokáže vysvětlit masivní vzestup nahosemenných rostlin,“ připouští Berendse.
Je pravděpodobnější, říká Augusto, že svou roli sehrálo několik faktorů, přičemž každý z nich byl na určitém místě a v určité době více či méně důležitý. Například Berendseho teorie produktivity se může uplatnit v tropických pásech, kde by bohaté půdy mohly dát živin chtivým nahosemenným rostlinám zásadní náskok před gymnospermy, ale nemusí vysvětlovat, co se děje v oblastech s chudými půdami, kde nahosemenné rostliny potenciálně strádají nedostatkem živin, které potřebují. A jednoduché květy raných nahosemenných rostlin možná pro evoluci této skupiny udělaly málo, ale když se nakonec objevily složité květy, pravděpodobně pomohly této skupině rostlin ovládnout svět.
Tedy pokud skutečně ovládly svět. Mohlo by se zdát zvláštní tvrdit opak, když je známo něco kolem 350 000 druhů nahosemenných rostlin a ne o mnoho více než 1000 druhů gymnospermů, z nichž většinu tvoří jehličnany. Podle Brodribba však za úspěchem stojí víc než jen rozmanitost. Mnohé z mála druhů jehličnanů, které přežívají, jsou nadmíru početné.
„Na severní polokouli vládnou jehličnany rozsáhlému boreálnímu a velké části mírného pásma,“ říká Brodribb. Dodává, že v mnoha z těchto oblastí se nahosemenné rostliny nestaly ekologicky dominantními. Možná je to proto, že tamní půdy jsou příliš chudé na to, aby si mohly vytvořit nutriční výhodu, což je v souladu s Berendseho myšlenkami, nebo možná proto, že teploty klesají příliš nízko na to, aby přežily. Ale proč ani při 350 000 pokusech nepřišly nahosemenné rostliny na druh, který by dokázal tyto problémy překonat a konkurovat těmto severským jehličnanům, je další nevyřešenou záhadou.
Na severní polokouli vládnou jehličnany
Dnešní rostlinní vědci pochopitelně zvládají původ kvetoucích rostlin lépe než Darwin, ale stále se snaží vysvětlit rozmanitost této skupiny a to, proč se navzdory tomu nepodařilo získat v některých částech světa dominantní postavení.
Augusto je alespoň přesvědčen, že odpovědi nakonec najdou, částečně proto, že tyto záhady vědce stále fascinují. A i když není pochyb o tom, že tato fascinace částečně pramení z ekologického a hospodářského významu nahosemenných rostlin v současnosti, možná za ni částečně může i Darwin a jeho způsob práce se slovy. „Myslím, že citát ‚ohavná záhada‘ přispívá k všeobecnému zájmu o nahosemenné rostliny,“ dodává Augusto.