Forskare löser äntligen Charles Darwins "Avskyvärda Mysteri"

I många år var Charles Darwin spökad av blommor. 1859 publicerade naturisten sitt mest kända arbete, På artens ursprung, boken som allmänt betraktas som grunden för evolutionär biologi. Men 20 år senare var han fortfarande störd av en stor sak: Var hecket kom alla blommorna från? I ett brev till botaniker Joseph Dalton Hooker 1879 kallade Darwin det här problemet som ett "avskyvärt mysterium". Det kanske låter dumt, men Darwin kunde verkligen inte förklara hur blommande växter - så kallade angiospermer - hade stigit till dominans så snabbt över de mer primitiva angiospermer - en grupp som innehåller tallar och palmer.

Den fossila skivan visar oss att omkring 100 miljoner år sedan, under krittiden, kom ett stort antal angiospermer på plats och ersatte gymnospermer som den dominerande typen av växt på jorden. Denna plötsliga överflöd av växter - förfäderna av modern lavendel, vete, rosor, magnolior, tusenskönor och så vidare - strider mot Darwins teori om att nya arter uppstår väldigt långsamt över tiden som ett resultat av selektivt tryck. Nuvarande hypoteser tyder på att de flesta angiospermer utvecklats utmed insekterna eller andra djur som pollinerar dem, utan vilka det inte går att plantorna producerar fröbärande frukter. Men dessa hypoteser förklarar inte den episka bommen i gamla angiospermer.

I ett papper publicerades torsdag i tidningen PLOS biologi, ett antal forskare föreslog ett svar på det avskyvärda mysteriet om varför angiospermer ersatte gymnospermer så brått. Kevin Simonin, en biträdande professor i ekologi och evolution vid San Francisco State University och Adam Roddy presenterar bevis för att allt kommer ner på cellens effektivitet. Hemligheten med angiospermernas framgång, säger de, är en snabb nedläggning av växternas celler som börjar omkring 140 miljoner år sedan. Denna minskning ökade dramatiskt deras effektivitet. När angiospermer blev så mycket effektivare, var dominans av markbundna ekosystem bara en fråga om tid.

Forskargruppen kom fram till denna slutsats genom att undersöka den relativa storleken på genomerna i angiospermer och gymnospermer och sedan jämföra dessa siffror med växternas koldioxidupptagningsförmåga och flytande överföringseffektivitet. Cellstorlekar kan variera mycket på grund av olika faktorer, men genomstorlek är en stark förutsägelse för cellstorleken. Därför sluts de att ett mindre genom betyder en mindre cell - och därför kan fler celler packas i samma volym växtvävnad, vilket gör det möjligt för en växt att ta in mer koldioxid och vatten och därigenom producera mer kolhydrater som ger energi och driv tillväxt.

Fotosyntes är också en stor del av den här bilden, eftersom vi alla vet att växter behöver solljus för att förvandla vatten och koldioxid till kolhydrater. Tidigare forskning har visat att de högre fotosyntetiska egenskaperna hos angiospermer hjälpte dem att växa mycket snabbare än deras gymnosperm-kusiner, men den här nya studien visar oss på vilket sätt angiospermer uppnådde denna höga effektivitet.

Så även om samvolution med pollinatorer spelade en stor roll i de specifika mekanismerna för angiospermutveckling, säger Simonin och Roddy att det finns något som är gemensamt för alla dessa växter, något som är grundläggande för deras biofysiska arkitektur, vilket gjorde det möjligt för dem att ta över världen. Kanske skulle den här forskningen ställa Darwins sinne tillfredsställande. Men mer sannolikt skulle han bara få nya frågor.

Abstrakt: Det plötsliga ursprunget och den snabba diversifieringen av blommande växter under kriget har länge betraktats som ett "avskyvärt mysterium". Medan orsaken till deras stora mångfald har tillskrivits i stor utsträckning samverkan med pollinatorer och växtätare, deras förmåga att utkämpa de tidigare dominerande bärnstenarna och gymnospermer har varit föremål för många hypoteser. Vanligt bland dessa är att endast angiospermerna utvecklade blad med mindre, mer talrika stomata och mer förgrenande venationsnätverk som möjliggör högre transpirationshastigheter, fotosyntes och tillväxt. Ändå, hur angiospermer packar sina löv med mindre, mer riklig stomata och fler vener är okända men kopplade - vi visar - till enkla biofysiska begränsningar av cellstorleken. Endast angiospermlinjeringar genomgick snabbgenomminskning under den tidiga Kretaceous perioden, vilket underlättade reduktionerna i cellstorlek som var nödvändiga för att packa flera åder och stomata i sina löv, vilket effektivt bringar den faktiska primära produktiviteten närmare sin maximala potential. Sålunda beror angiospermernas ökade kompetensförmåga inte på någon liten del för att nedbringa genom.