È stato, Charles Darwin ha scritto nel 1879, “un abominevole mistero”. Altrove lo descrisse come “un fenomeno molto perplesso”. Vent’anni dopo la pubblicazione della sua opera seminale L’origine delle specie, c’erano ancora aspetti dell’evoluzione che preoccupavano il padre della biologia evolutiva. Il principale tra questi era il problema dei fiori.

Le piante da fiore, dalle gardenie alle erbe, dalle ninfee al grano, appartengono ad un grande e vario gruppo chiamato angiosperme. A differenza di quasi tutti gli altri tipi di piante, esse producono frutti che contengono semi. Ciò che preoccupava Darwin era il fatto che i primi campioni di fossili risalivano tutti alla metà del periodo Cretaceo, circa 100 milioni di anni fa, e si presentavano in una sconcertante varietà di forme e dimensioni. Questo suggeriva che le piante da fiore avevano sperimentato un’esplosione esplosiva di diversità poco dopo le loro origini – il che, se vero, minacciava di minare l’intero modello di Darwin dell’evoluzione graduale attraverso la selezione naturale.

In effetti una ricerca pubblicata di recente ha rivelato che le angiosperme si sono evolute relativamente gradualmente dopo tutto. Ma questo lascia ancora una serie di domande chiave. Le circa 350.000 specie conosciute di piante da fiore costituiscono circa il 90% di tutte le specie di piante viventi. Senza di loro, non avremmo nessuno dei nostri principali raccolti, compresi quelli utilizzati per nutrire il bestiame, e mancherebbe uno dei più importanti pozzi di carbonio che assorbono le nostre emissioni di anidride carbonica. Come e dove hanno avuto origine? E, forse ancora più importante, perché hanno avuto un successo così spettacolare?

Darwin era un indubbio esperto di origini. Le sue notevoli intuizioni hanno aiutato a stabilire un quadro di riferimento per il modo in cui si formano le nuove specie – ed era irremovibile sul fatto che il processo fosse lento e graduale.

“Poiché la selezione naturale agisce solo accumulando lievi, successive, variazioni favorevoli, non può produrre grandi o improvvise modifiche; può agire solo con passi molto brevi e lenti”, ha scritto in L’origine delle specie.

Ma Darwin era dolorosamente consapevole che c’erano evidenti eccezioni alla sua regola lenta e costante. Le angiosperme erano una particolare fonte di frustrazione. Le angiosperme semplicemente non esistevano per la maggior parte della storia della Terra. Le prime foreste erano popolate da bizzarre piante primitive simili ad alberi, strettamente legate ai muschi e agli equiseti che sono una parte molto minore delle comunità vegetali di oggi. Più tardi un gruppo chiamato gimnosperme – piante con semi non chiusi come le conifere – prese il sopravvento. E poi vennero le angiosperme.

All’inizio del XIX secolo, scienziati come Adolphe-Théodore Brongniart iniziarono a raccogliere tutto ciò che si sapeva allora sulle piante fossili. Un lavoro come questo mise in evidenza il fatto che un’enorme varietà di angiosperme – spesso chiamate “piante superiori” o dicotiledoni nel XIX secolo – spuntarono troppo improvvisamente nel mezzo del periodo geologico Cretaceo.

L’improvvisa apparizione delle piante da fiore fu più che una perplessità. Era una munizione contro il modello evolutivo di Darwin

“L’improvvisa apparizione di così tante Dicotiledoni… mi sembra un fenomeno che lascia perplessi tutti coloro che credono in qualsiasi forma di evoluzione, specialmente quelli che credono in un’evoluzione estremamente graduale”, scrisse Darwin al naturalista svizzero Oswald Heer nel 1875.

Era ben consapevole che l’improvvisa apparizione delle piante da fiore era più che una semplice perplessità. Fornì anche ai suoi critici munizioni contro il suo modello evolutivo.

Darwin suggerì una soluzione, tuttavia. Le angiosperme, disse, potrebbero essersi evolute gradualmente in una remota regione del mondo ancora inesplorata dagli scienziati. Verso la metà del Cretaceo, qualcosa ha fatto sì che uscissero dalla loro patria e si diffondessero rapidamente in tutto il mondo. Questo, ragionava Darwin, avrebbe dato l’impressione fuorviante ai ricercatori che lavoravano in Europa e Nord America che una grande varietà di specie di piante da fiore si fosse evoluta allo stesso tempo. Consapevole della mancanza di prove a sostegno della sua teoria, Darwin la descrisse come “miseramente povera”.

In effetti, la sua speculazione si è rivelata in parte corretta. Angiosperme che precedono gli esemplari del Cretaceo medio di decine di milioni di anni hanno cominciato a comparire nelle rocce della Cina. Ma Darwin non ha azzeccato del tutto i dettagli, perché angiosperme precoci molto rare sono state trovate anche in Europa e negli Stati Uniti.

“Le nostre conoscenze sono molto aumentate dalla fine del XIX secolo”, dice Laurent Augusto dell’Istituto Nazionale di Ricerca Agricola di Bordeaux, in Francia. I paleobotanici possono non essere ancora d’accordo su dove e quando le piante da fiore si sono evolute per la prima volta, ma la loro comparsa nel record fossile molto prima di quanto si sapesse in precedenza significa che non sono più un problema per la teoria dell’evoluzione graduale di Darwin. Altri dibattiti su di loro, specialmente riguardo alla loro spettacolare diversità, rimangono comunque attivi.

“Il nostro mondo è un mondo di angiosperme”, dice Augusto. “In molti ecosistemi esse dominano in specie e in biomassa – questa dominanza ecologica delle angiosperme rimane inspiegabile.”

Le tracce delle origini delle piante da fiore si trovano in Nuova Caledonia, una piccola isola a circa 1.600 chilometri a est dell’Australia. Qui, all’epoca in cui Darwin stava agonizzando sul suo problema delle angiosperme, i botanici scoprirono una pianta chiamata Amborella. Uno studio accurato nel corso dell’ultimo secolo ha dimostrato che è l’unica sopravvissuta di uno dei primissimi rami dell’albero evolutivo delle angiosperme. Questo significa che la sua relazione con tutti i fiori viventi è un po’ come quella dell’ornitorinco con il becco d’anatra con tutti i mammiferi viventi: potrebbe sembrare senza pretese, ma Amborella può dirci più anche della più elaborata orchidea su come le angiosperme si sono evolute per prime.

L’anno scorso, la pianta ha finalmente rivelato alcuni dei suoi segreti. L’Amborella Genome Project ha svelato una bozza del genoma della pianta. Le prime angiosperme devono essersi evolute da una delle specie di gimnosperme che dominavano il mondo all’epoca. Il genoma dell’Amborella suggerisce che le prime angiosperme probabilmente apparvero quando le gimnosperme ancestrali subirono un evento di ‘raddoppio del genoma intero’ circa 200 milioni di anni fa.

I fiori sono stati una caratteristica distintiva delle angiosperme fin dall’inizio della loro evoluzione

Il raddoppio del genoma avviene quando un organismo ottiene erroneamente una copia extra di ogni suo gene durante la divisione cellulare che avviene come parte della riproduzione sessuale. Il materiale genetico extra dà agli organismi con raddoppio del genoma il potenziale di evolvere nuovi tratti che possono fornire un vantaggio competitivo. Nel caso delle prime angiosperme, il materiale genetico aggiuntivo ha dato alle piante il potenziale di evolvere nuove strutture mai viste prima, come i fiori. La flora mondiale non sarebbe più stata la stessa.

I risultati del genoma di Amborella suggeriscono fortemente che i fiori sono stati una caratteristica distintiva delle angiosperme fin dall’inizio della loro evoluzione. I fiori stessi potrebbero aiutare a spiegare perché le angiosperme sono diventate così diverse?

Darwin era certamente aperto a questa possibilità. Mentre stava lottando con il problema posto dalla comparsa apparentemente improvvisa delle angiosperme, ricevette una lettera da Gaston de Saporta, un biologo francese che disse che l’apparente evidenza del record fossile del 19° secolo che suggeriva che il gruppo di piante era apparso improvvisamente non doveva essere un problema per la teoria dell’evoluzione graduale di Darwin. Ha semplicemente dimostrato che le angiosperme erano un’eccezione insolita alla sua regola generale. Le piante da fiore e i loro insetti impollinatori si sono evoluti insieme, ragionava Saporta, e questa “co-evoluzione” ha spinto entrambi i gruppi a diversificarsi insolitamente rapidamente.

“La tua idea … mi sembra splendida”, rispose un entusiasta Darwin. “Sono sorpreso che l’idea non mi sia mai venuta in mente, ma è sempre così quando si sente per la prima volta una nuova e semplice spiegazione di qualche fenomeno misterioso.”

Ma la teoria ha dei problemi oggi, dice Augusto. Le prime angiosperme potrebbero aver avuto dei fiori, ma ora sappiamo dai fossili che quei primi fiori erano molto semplici – e probabilmente non così attraenti per gli impollinatori. Nel momento in cui sono apparsi i fiori grandi e audaci che attirano gli insetti, le angiosperme erano già diverse.

Un’altra teoria, avanzata da Frank Berendse e Marten Scheffer all’Università di Wageningen in Olanda nel 2009, si basa sul fatto che le angiosperme sono molto più produttive delle gimnosperme come le conifere. Forse hanno semplicemente superato le piante rivali crescendo più velocemente e facendo la parte del leone delle sostanze nutritive, hanno suggerito.

“Il nostro articolo voleva essere un po’ provocatorio”, dice Berendse, per incoraggiare i botanici e coloro che studiano le piante fossili a lavorare insieme più strettamente per spiegare la spettacolare ascesa delle angiosperme.

Non ci sono spiegazioni semplici per la diversità e il dominio ecologico delle piante da fiore

In effetti, i due avevano già iniziato a lavorare insieme. All’inizio del 2009, un team guidato da Tim Brodribb presso l’Università della Tasmania a Hobart, in Australia, ha pubblicato il primo di una serie di articoli che esplorano l’evoluzione delle angiosperme esaminando le foglie fossili. Hanno scoperto che le foglie hanno guadagnato molte più vene durante il Cretaceo, che avrebbe fornito loro più acqua per la fotosintesi, e ha permesso loro di crescere più rapidamente.

“Questo ha fornito un sostegno molto forte per le nostre idee”, dice Berendse. Ma come per l’ipotesi del fiore, rimangono problemi con la teoria basata sui nutrienti. Per esempio, mentre le singole foglie delle angiosperme sono più efficienti nella fotosintesi rispetto agli aghi delle conifere, le conifere possono essere in grado di compensare perché i loro aghi hanno collettivamente una superficie molto più grande di quella delle foglie di un albero medio di angiosperme.

Purtroppo, non ci sono spiegazioni semplici per la diversità e il dominio ecologico delle piante da fiore. “Molto probabilmente nessuna singola teoria può spiegare il massiccio aumento delle angiosperme”, ammette Berendse.

È più probabile, dice Augusto, che diversi fattori abbiano giocato un ruolo, con ciascuno più o meno importante in luoghi e tempi specifici. Per esempio, la teoria della produttività di Berendse può essere applicata nelle fasce tropicali, dove i suoli ricchi potrebbero dare alle angiosperme affamate di nutrienti un vantaggio vitale sulle gimnosperme, ma potrebbe non spiegare cosa succede nelle regioni con suoli poveri, dove le angiosperme sono potenzialmente affamate dei nutrienti di cui hanno bisogno. E i semplici fiori delle prime angiosperme possono aver fatto poco per l’evoluzione del gruppo, ma quando i fiori elaborati sono finalmente apparsi, probabilmente hanno contribuito a spingere il gruppo di piante a conquistare il mondo.

Questo è, se davvero hanno conquistato il mondo. Potrebbe sembrare strano suggerire il contrario quando ci sono qualcosa come 350.000 specie di angiosperme conosciute e non molte più di 1000 gimnosperme, la maggior parte delle quali sono conifere. Ma c’è più successo della diversità, dice Brodribb. Molte delle poche specie di conifere che sopravvivono sono sovrabbondanti.

“Nell’emisfero settentrionale le conifere dominano la vasta zona boreale e gran parte della zona temperata”, dice Brodribb. Aggiunge che le angiosperme non sono diventate ecologicamente dominanti in molte di queste regioni. Questo potrebbe essere perché i suoli sono troppo poveri per loro per stabilire un vantaggio nutrizionale, in linea con le idee di Berendse, o forse è perché le temperature scendono troppo in basso per la loro sopravvivenza. Ma perché anche in 350.000 tentativi le angiosperme non sono riuscite a trovare specie in grado di superare questi problemi e superare le conifere del nord è un altro mistero irrisolto.

Nell’emisfero settentrionale le conifere dominano

Gli scienziati delle piante di oggi hanno comprensibilmente una mano migliore sulle origini delle piante da fiore rispetto a Darwin, ma stanno ancora lottando per spiegare la diversità del gruppo, e perché nonostante questo non è riuscito a diventare dominante in alcune parti del mondo.

Augusto, almeno, è fiducioso che le risposte saranno trovate, in parte perché questi misteri continuano ad affascinare i ricercatori. E mentre non c’è dubbio che questo fascino deriva in parte dall’importanza ecologica ed economica delle angiosperme oggi, forse è anche in parte dovuto a Darwin e al suo modo di parlare. “Penso che la citazione ‘abominevole mistero’ contribuisca all’interesse generale per le angiosperme”, aggiunge Augusto.