Мало какие формы растительного мира так легко узнаваемы, как листья папоротника. Эти крупные, кружевные листья прекрасно подходят для акварельной живописи и татуировок. Философ Генри Торо лучше всех выразил это впечатление: «Природа создала папоротники ради листьев, показав все, на что она способна в этом ключе».
Но папоротники служат не только для садов и искусства. Хотя листья папоротника — самая узнаваемая часть системы, эти растения — целые организмы со стеблями и корнями, которые часто находятся под землей или стелются по поверхности почвы. Они существуют уже более 400 миллионов лет эволюционной истории и могут поведать многое о том, как возникло разнообразие планеты Земля. В частности, изучение внутреннего строения папоротника может раскрыть некоторые тонкости эволюции.
Части и целое
Когда одна структура не может измениться, не меняя другую, ученые считают, что они ограничены друг другом. В биологии такая связь между признаками называется ограничением развития. Она объясняет пределы возможных форм, которые могут принимать организмы. Например, поэтому не существует квадратных деревьев или млекопитающих с колесами.
Однако ограничения не всегда касаются формы. В недавно опубликованном исследовании я изучил сосудистую систему папоротника, чтобы показать, как изменения в одной части организма могут привести к переменам в другой, что приводит к новым формам.
До того как Чарльз Дарвин выдвинул теорию эволюции и естественного отбора, многие ученые придерживались креацинизма — идеи о том, что все живое создано Богом. Среди этих верующих был натуралист XIX века Жорж Кювье, которого считают отцом палеонтологии. Его аргумент против эволюции основывался не только на вере, но и на теории, которую он называл «корреляцией частей».
Кювье предположил, что, поскольку каждая часть организма в процессе развития связана со всеми остальными, изменения в одной части приведут к переменам в другой. В рамках этой теории он утверждал, что один зуб или кость можно использовать для реконструкции целого организма.
Он использовал эту теорию для более масштабного подхода: если организмы действительно представляют собой единое целое, а не просто сумму отдельных частей, то как эволюция могла сформировать специфические черты? Он утверждал, что, поскольку изменения в одной части организма влекут за собой перемены в других, то даже небольшие изменения требуют перестройки всех остальных частей. Если все отдельные части организма полностью интегрированы, эволюция отдельных черт невозможна.
Однако не все части организма настолько прочно связаны друг с другом. Более того, некоторые части могут эволюционировать с разной скоростью и под разным давлением отбора. Эта идея была закреплена в концепции квазинезависимости в 1970-х годах эволюционным биологом Ричардом Левонтином. Идея об организмах как о совокупности индивидуально эволюционирующих частей актуальна и сегодня.
Сосудистая система папоротника и процесс эволюции
Папоротники — одна из четырех групп наземных растений, обладающих сосудистыми тканями, специализированными системами трубок, по которым вода и питательные вещества перемещаются по телу. Эти ткани состоят из сосудистых пучков — скоплений клеток, проводящих воду по стеблю.
Расположение проводящих пучков в стеблях папоротников существенно различается. У некоторых видов по стеблю разбросано от трех до восьми и более проводящих пучков. У одних они расположены симметрично, в то время как у других, например, у табачного папоротника (Mickelia nicotianifolia), пучки расположены причудливо, в форме улыбающегося лица.
На протяжении большей части XX века ученые, изучавшие структуру и расположение сосудистых пучков в стеблях папоротников, считали, что общие закономерности могут адаптироваться к условиям окружающей среды. В исследовании я попытался проверить, являются ли определенные типы расположения более устойчивыми к засухе. Но, вопреки первоначальным гипотезам и стремлению установить связь между формой и функцией, расположение сосудистых пучков в стебле оказалось не связанным с устойчивостью к засухе.
Это может показаться нелогичным, но способность папоротника перемещать воду по организму в большей степени связана с размером и формой водопроводящих клеток, а не с их целостным расположением в стебле. Можно привести сравнение с изучением дорожных карт для понимания схем движения транспорта. Расположение дорог на карте (расположение клеток) может быть менее важно для определения схем движения транспорта, чем количество и ширина полос (размер и количество клеток).
Это наблюдение дает намек на нечто более глубокое в эволюции сосудистой системы папоротников. Это побудило меня к дальнейшим исследованиям, чтобы выяснить, что именно привело к возникновению разнообразных сосудистых узоров папоротников.
Простые наблюдения и понимание эволюции
Мне было интересно, как различия в количестве и расположении сосудистых пучков связаны с расположением листьев на стебле. Поэтому я количественно оценил эти различия в расположении сосудов у 27 папоротников, представляющих примерно 30% всех видов папоротников.
Я обнаружил поразительную связь между числами рядов листьев и проводящих пучков в стебле. В некоторых случаях эта корреляция достигала почти 1:1. Например, если на стебле было три ряда листьев, то в стебле — три проводящих пучка.
Более того, расположение листьев на стебле определяло пространственное расположение пучков. Если листья располагались спирально (со всех сторон стебля), проводящие пучки располагались радиально. Если же листья были смещены к дорсальной, то есть задней стороне стебля, получался рисунок в виде улыбающегося лица.
Важно отметить, что есть определенный закон развития этой взаимосвязи, исходя из общего понимания жизни растения. А именно, расположение листьев определяет расположение пучков, а не наоборот.
Возможно, это все не так уж удивительно: кажется логичным, что сосудистая сеть должна соединять листья и стебли. Но это противоречит тому, как ученые рассматривают сосудистую систему папоротников уже более 100 лет. Многие исследования сосудистого рисунка папоротников, как правило, фокусировались на отдельных частях растения, вычленяя сосудистую архитектуру из контекста растения в целом и рассматривая ее как независимо развивающуюся структуру.
Однако, как выяснилось, расположение сосудистых пучков в стеблях папоротника не меняется изолированно. Скорее, как и у идеализированных организмов Кювье, сосудистый рисунок связан с количеством и расположением листьев на стебле и однозначно определяется ими. Это не означает, что сосудистый рисунок не может адаптироваться к условиям окружающей среды. Скорее, движущей силой эволюционных изменений количества и расположения сосудистых пучков, вероятно, являются изменения количества и расположения листьев.
От частного к общему
Хотя это исследование папоротников и их сосудистой системы может показаться чем-то очень узконаправленным, оно ставит более важный вопрос о том, как возникает видоизменение, топливо эволюции, и как вообще протекает эволюция.
Конечно, не все части организма связаны так тесно. Но если мы рассматриваем организм как целое или, по крайней мере, как набор частей единого целого, это поможет исследователям лучше понять, как наблюдаемые черты могут эволюционировать изолированно и возможно ли это вообще. Это приближает ученых к пониманию тонкостей эволюции, способствующей возникновению огромного биоразнообразия на Земле.
Эти процессы важны для промышленности. В сельском хозяйстве селекционеры растений и животных пытаются улучшить один аспект организма, не изменяя другой. Применяя целостный подход и понимая, какие части организма связаны в плане развития или генетически, а какие более квазинезависимы, селекционеры смогут более эффективно создавать организмы с желаемыми признаками.
Порой мы относимся к ограничению, как чему-то подавляющему. Но это не всегда верно. Польский физик-атомщик Станислав Улам отмечал, что рифма «вынуждает искать неочевидное из-за необходимости найти рифмующееся слово, парадоксальным образом действуя как автоматический механизм оригинальности». Будь то литературные законы хайку или развитие папоротника, ограничение может быть генератором формы.
Сообщение Улыбка папоротника: ученые открывают новые закономерности эволюции появились сначала на Идеономика – Умные о главном.
