A fost, scria Charles Darwin în 1879, „un mister abominabil”. În altă parte, el l-a descris ca fiind „un fenomen dintre cele mai perplexe”. La douăzeci de ani de la publicarea lucrării sale fundamentale „Originea speciilor”, existau încă aspecte ale evoluției care îl deranjau pe părintele biologiei evoluționiste. Principala dintre acestea era problema florilor.

Plantele cu flori, de la gardenii la ierburi, de la nuferi la grâu, aparțin unui grup mare și divers numit angiosperme. Spre deosebire de aproape toate celelalte tipuri de plante, ele produc fructe care conțin semințe. Ceea ce l-a îngrijorat pe Darwin a fost faptul că cele mai timpurii eșantioane din arhiva fosilă datau toate de la mijlocul perioadei cretacice, în urmă cu aproximativ 100 de milioane de ani, și că acestea aveau o varietate uimitor de mare de forme și dimensiuni. Acest lucru sugera că plantele cu flori au experimentat o explozie explozivă de diversitate la foarte scurt timp după originile lor – ceea ce, dacă era adevărat, amenința să submineze întregul model al lui Darwin de evoluție treptată prin selecție naturală.

De fapt, cercetările publicate recent au dezvăluit că angiospermele au evoluat relativ treptat, până la urmă. Totuși, acest lucru lasă încă o serie de întrebări cheie. Cele aproximativ 350.000 de specii cunoscute de plante cu flori reprezintă aproximativ 90% din toate speciile de plante vii. Fără ele, nu am avea niciuna dintre principalele noastre culturi, inclusiv cele folosite pentru hrănirea animalelor, iar unul dintre cele mai importante rezervoare de carbon care absorb emisiile noastre de dioxid de carbon ar lipsi. Cum și unde își au originea? Și, poate mai important, de ce au avut un succes atât de spectaculos?

Darwin a fost un expert incontestabil în materie de origini. Perspectivele sale remarcabile au ajutat la stabilirea unui cadru pentru modul în care se formează noile specii – și a fost ferm convins că procesul a fost lent și gradual.

„Deoarece selecția naturală acționează numai prin acumularea de variații ușoare, succesive și favorabile, nu poate produce nicio modificare mare sau bruscă; poate acționa numai prin pași foarte scurți și lenți”, a scris el în Originea speciilor.

Darwin era însă dureros de conștient de faptul că existau excepții aparente la regula sa lentă și constantă. Angiospermele au fost o sursă specială de frustrare. Angiospermele pur și simplu nu au existat în cea mai mare parte a istoriei Pământului. Pădurile timpurii erau populate de plante primitive bizare, asemănătoare copacilor, înrudite îndeaproape cu mușchii de club și coada-calului, care reprezintă o parte foarte mică din comunitățile vegetale de astăzi. Mai târziu, un grup numit gimnosperme – plante cu semințe neînchise, cum ar fi coniferele – a preluat controlul. Și apoi au apărut angiospermele.

La începutul secolului al XIX-lea, oameni de știință precum Adolphe-Théodore Brongniart au început să colaționeze tot ceea ce se știa atunci despre plantele fosile. Lucrări de acest gen au evidențiat faptul că o mare varietate de angiosperme – numite adesea „plante superioare” sau dicotiledonate în secolul al XIX-lea – au apărut prea brusc în mijlocul perioadei geologice Cretacic.

Apariția bruscă a plantelor cu flori a fost mai mult decât perplexă. A fost o muniție împotriva modelului evoluționist al lui Darwin

„apariția bruscă a atâtor dicotiledonate… mi se pare un fenomen extrem de perplex pentru toți cei care cred în orice formă de evoluție, în special pentru cei care cred într-o evoluție extrem de graduală”, îi scria Darwin naturalistului elvețian Oswald Heer în 1875.

El era conștient că apariția bruscă a plantelor cu flori a fost mai mult decât perplexă. De asemenea, le-a oferit criticilor săi muniție împotriva modelului său evoluționist.

Darwin a sugerat totuși o soluție. Angiospermele, spunea el, ar fi putut evolua treptat într-o regiune îndepărtată a lumii, încă neexplorată de oamenii de știință. Până la mijlocul Cretacicului, ceva a făcut ca ele să se revarsă din patria lor și să se răspândească rapid în întreaga lume. Acest lucru, a gândit Darwin, ar da cercetătorilor care lucrează în Europa și America de Nord impresia înșelătoare că o mare varietate de specii de plante cu flori au evoluat toate în același timp. Conștient de lipsa dovezilor care să susțină teoria sa, Darwin a descris-o ca fiind „mizerabil de săracă”.

De fapt, speculația sa s-a dovedit de atunci parțial corectă. Angiosperme care au precedat cu zeci de milioane de ani exemplarele din Cretacicul mijlociu au început să apară în rocile din China. Dar Darwin nu a avut dreptate în totalitate în privința detaliilor, deoarece angiosperme timpurii foarte rare au fost descoperite și în Europa și SUA.

„Cunoștințele noastre au crescut foarte mult de la sfârșitul secolului al XIX-lea”, spune Laurent Augusto de la Institutul Național de Cercetare Agricolă din Bordeaux, Franța. Este posibil ca paleobotaniștii să nu fie încă de acord cu privire la locul și momentul exact în care plantele cu flori au evoluat pentru prima dată, dar apariția lor în arhiva fosilă mult mai devreme decât se știa până acum înseamnă că ele nu mai reprezintă o problemă pentru teoria evoluției treptate a lui Darwin. Cu toate acestea, alte dezbateri despre ele, în special în ceea ce privește diversitatea lor spectaculoasă, rămân active.

„Lumea noastră este o lume a angiospermelor”, spune Augusto. „În multe ecosisteme, ele domină în specii și în biomasă – această dominație ecologică a angiospermelor rămâne neexplicată.”

Cluzii privind originile ultime ale plantelor cu flori se găsesc în Noua Caledonie, o mică insulă situată la aproximativ 1.600 de kilometri est de Australia. Aici, cam în perioada în care Darwin se chinuia cu problema angiospermelor, botaniștii au descoperit o plantă numită Amborella. Un studiu atent efectuat în ultimul secol a arătat că aceasta este singura supraviețuitoare a uneia dintre cele mai timpurii ramuri ale arborelui evolutiv al angiospermelor. Acest lucru înseamnă că relația sa cu toate florile vii este puțin asemănătoare cu cea a ornitorincului cu cioc de rață cu toate mamiferele vii: ar putea părea modestă, dar Amborella ne poate spune mai multe decât chiar și cea mai elaborată orhidee despre modul în care angiospermele au evoluat pentru prima dată.

Anul trecut, planta a dezvăluit, în sfârșit, o parte din secretele sale. Proiectul Genomului Amborella a dezvăluit o versiune preliminară a genomului plantei. Primele angiosperme trebuie să fi evoluat din una dintre speciile de gimnosperme care dominau lumea la acea vreme. Genomul Amborella sugerează că primele angiosperme au apărut, probabil, atunci când gimnospermele ancestrale au suferit un eveniment de „dublare a întregului genom” în urmă cu aproximativ 200 de milioane de ani.

Florile au fost o caracteristică definitorie a angiospermelor încă de la începutul evoluției lor

Dublarea genomului are loc atunci când un organism obține din greșeală o copie suplimentară a fiecăreia dintre genele sale în timpul diviziunii celulare care are loc ca parte a reproducerii sexuale. Materialul genetic suplimentar conferă organismelor cu genom dublat potențialul de a evolua noi trăsături care pot oferi un avantaj competitiv. În cazul primelor angiosperme, materialul genetic suplimentar a oferit plantelor potențialul de a dezvolta structuri noi, nemaiîntâlnite până atunci, cum ar fi florile. Flora lumii nu va mai fi niciodată la fel.

Rezultatele genomului Amborella sugerează cu tărie că florile au fost o trăsătură definitorie a angiospermelor încă de la începutul evoluției lor. Ar putea florile în sine să ajute la explicarea motivelor pentru care angiospermele au devenit atât de diverse?

Darwin a fost cu siguranță deschis la această posibilitate. În timp ce se lupta cu problema reprezentată de apariția aparent bruscă a angiospermelor, el a primit o scrisoare de la Gaston de Saporta, un biolog francez care spunea că dovezile aparente ale înregistrărilor fosile din secolul al XIX-lea care sugerau că grupul de plante a apărut brusc nu trebuie să fie o problemă pentru teoria lui Darwin a evoluției treptate. Pur și simplu arătau că angiospermele erau o excepție neobișnuită de la regula sa generală. Plantele cu flori și insectele lor polenizatoare au evoluat împreună, a argumentat Saporta, iar această „co-evoluție” a determinat ambele grupuri să se diversifice neobișnuit de rapid.

„Ideea ta… mi se pare una splendidă”, a răspuns un Darwin entuziast. „Sunt surprins că ideea nu mi-a venit niciodată în minte, dar așa se întâmplă întotdeauna când auzi pentru prima dată o explicație nouă și simplă a unui fenomen misterios.”

Dar teoria se confruntă cu probleme astăzi, spune Augusto. Este posibil ca angiospermele timpurii să fi avut flori, dar acum știm din fosile că acele prime flori erau foarte simple – și probabil că nu erau atât de atractive pentru polenizatori. În momentul în care au apărut florile mari și îndrăznețe care atrag insectele, angiospermele erau deja diverse.

O altă teorie, avansată de Frank Berendse și Marten Scheffer de la Universitatea Wageningen din Olanda în 2009, se bazează pe faptul că angiospermele sunt mult mai productive decât gimnospermele precum coniferele. Poate că pur și simplu au depășit plantele rivale prin faptul că au crescut mai repede și au înghițit partea leului din nutrienți, au sugerat ei.

„Lucrarea noastră a fost menită să fie un pic provocatoare”, spune Berendse, pentru a-i încuraja pe botaniști și pe cei care studiază plantele fosile să colaboreze mai strâns pentru a explica ascensiunea spectaculoasă a angiospermelor.

Nu există explicații simple pentru diversitatea și dominația ecologică a plantelor cu flori

De fapt, cei doi începuseră deja să lucreze împreună. La începutul anului 2009, o echipă condusă de Tim Brodribb de la Universitatea Tasmania din Hobart, Australia, a publicat prima dintr-o serie de lucrări care explorează evoluția angiospermelor prin examinarea frunzelor fosile. Aceștia au descoperit că frunzele au căpătat mult mai multe nervuri în timpul Cretacicului, ceea ce le-ar fi oferit mai multă apă pentru fotosinteză și le-a permis să crească mai rapid.

„Acest lucru a oferit un sprijin foarte puternic pentru ideile noastre”, spune Berendse. Dar, ca și în cazul ipotezei florilor, rămân probleme cu teoria bazată pe nutrienți. De exemplu, în timp ce frunzele individuale ale angiospermelor sunt mai eficiente la fotosinteză decât acele coniferelor, coniferele ar putea fi capabile să compenseze deoarece acele lor au, în mod colectiv, o suprafață mult mai mare decât cea a frunzelor unui arbore mediu de angiosperme.

Din păcate, nu există explicații simple pentru diversitatea și dominația ecologică a plantelor cu flori. „Foarte probabil că nicio teorie unică nu poate explica ascensiunea masivă a angiospermelor”, admite Berendse.

Este mai probabil, spune Augusto, că mai mulți factori au jucat un rol, fiecare dintre ei fiind mai mult sau mai puțin important în anumite locuri și momente. De exemplu, teoria productivității lui Berendse se poate aplica în centurile tropicale, unde solurile bogate ar putea oferi angiospermelor avide de nutrienți un avantaj vital față de gimnosperme, dar ar putea să nu explice ce se întâmplă în regiunile cu soluri sărace, unde angiospermele sunt potențial lipsite de nutrienții de care au nevoie. Și este posibil ca florile simple ale angiospermelor timpurii să nu fi contribuit prea mult la evoluția grupului, dar atunci când au apărut în cele din urmă flori elaborate, probabil că au ajutat grupul de plante să cucerească lumea.

Asta este, dacă într-adevăr au cucerit lumea. Ar putea părea ciudat să sugerezi contrariul când există ceva de genul 350.000 de specii cunoscute de angiosperme și nu mai mult de 1000 de gimnosperme, dintre care majoritatea sunt conifere. Dar succesul este mai mult decât diversitatea, spune Brodribb. Multe dintre puținele specii de conifere care supraviețuiesc sunt super-abundente.

„În emisfera nordică, coniferele domină vasta zonă boreală și o mare parte din zona temperată”, spune Brodribb. El adaugă că angiospermele nu au devenit dominante din punct de vedere ecologic în multe dintre aceste regiuni. Acest lucru s-ar putea datora faptului că solurile de acolo sunt prea sărace pentru ca ele să-și stabilească un avantaj nutrițional, în conformitate cu ideile lui Berendse, sau poate pentru că temperaturile scad prea mult pentru ca ele să supraviețuiască. Dar de ce, chiar și în 350.000 de încercări, angiospermele nu au reușit să găsească specii care să depășească aceste probleme și să concureze coniferele nordice este un alt mister nerezolvat.

În emisfera nordică coniferele domină

Este de înțeles că oamenii de știință de astăzi au o mai bună stăpânire a originilor plantelor cu flori decât a avut Darwin, dar ei încă se luptă să explice diversitatea grupului și de ce, în ciuda acestui fapt, nu a reușit să devină dominant în unele părți ale lumii.

Augusto, cel puțin, este încrezător că răspunsurile vor fi găsite în cele din urmă, în parte pentru că aceste mistere continuă să fascineze cercetătorii. Și, deși nu există nicio îndoială că această fascinație provine în parte din importanța ecologică și economică a angiospermelor de astăzi, poate că se datorează parțial și lui Darwin și modului său de a folosi cuvintele. „Cred că citatul „mister abominabil” contribuie într-adevăr la interesul general pentru angiosperme”, adaugă Augusto.