Kukurydza, uprawiana na każdym kontynencie, z wyjątkiem Antarktydy, wygląda bardzo podobnie do jej przodka, dzikiej trawy z twardymi ziarnami, która rośnie dziś w południowo-zachodnim Meksyku i nazywa się teosinte.
Botanicy od prawie stulecia debatują nad pochodzeniem kukurydzy, wierząc w pewnym momencie, że współczesna roślina pochodzi od wymarłej dzikiej kukurydzy lub czegoś jeszcze nieodkrytego. Genetycy jednak ostatecznie ustalili w 1990 r., Że kukurydza była związana z twardym ziarnem Teosinte i doszli do wniosku, że pulchna, soczysta roślina, którą znamy dzisiaj, jest udomowioną formą dzikiej trawy. Naukowcy rozumowali, że między 10 000 a 13 000 lat temu rolnicy wybrali i zasadzili nasiona o korzystnych cechach, a z czasem roślina została przekształcona.
Ale w badaniu opublikowanym w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Quaternary International badacz Smithsonian Dolores Piperno, archeobotanista pracujący w stacji terenowej Smithsonian Tropical Research Institute w Gamboa w Panamie, podzielił nową hipotezę o „maszynie czasu”. W poprzednich warunkach środowiskowych, ona i jej koledzy twierdzą, że teosinte wyglądało znacznie inaczej niż dzisiaj i bardziej przypominało współczesną kukurydzę niż obecnie. To może rzucić światło na to, dlaczego pierwsi rolnicy postanowili ją uprawiać.
W poprzednich warunkach środowiskowych Piperno (niosąc nowoczesną herbatę) i jej koledzy twierdzą, że przodek rośliny z czasów plejstocenu wyglądał znacznie inaczej niż obecnie i bardziej przypominał współczesną kukurydzę. (Matthew Lachniet) „Wiemy, że między 10 000 a 13 000 lat temu”, mówi Piperno, „kiedy łowcy-zbieracze po raz pierwszy zaczęli wykorzystywać dzikich przodków [dzisiejszych] upraw, a kiedy pierwsi rolnicy zaczęli faktycznie uprawiać rośliny, temperatura i CO2 w atmosferze były bardzo różne. ”
Piperno współpracował z Klausem Winterem, który zaprojektował szklaną komorę - wehikuł czasu - utrzymywany przy obniżonym poziomie CO2 i utrzymywany w niższych temperaturach, podobnych do temperatur późnego plejstocenu i wczesnego okresu holocenu. Dla celów kontrolnych w pobliżu przygotowano inną szklarnię, która naśladowała dzisiejsze środowisko. Piperno i jej koledzy posadzili teosinte w obu komorach.
To właśnie podczas badania historii skamielin kukurydzy i przeszłych warunków środowiskowych Piperno zaczął się zastanawiać, jak mogliby wyglądać przodkowie rośliny w późnym plejstocenie i wczesnym holocenie, kiedy zostały one zebrane, a następnie wyhodowane. Wówczas temperatura była o 3, 5 do 5, 4 stopnia niższa niż obecnie, a CO2 w atmosferze unosił się na poziomie około 260 części na milion. Później, podczas rewolucji przemysłowej, CO2 wzrósłby do dzisiejszych 405 części na miliard, poziom, na którym rośnie teraz wysoka, długo rozgałęziona roślina Teosinte.
Roślina o fenotypie przypominającym kukurydzę z komory „wehikułu czasu” (A) ma pojedynczy frędzel, który kończy główny trzon, a żeńskie uszy pojawiają się wzdłuż głównego trzonu (strzałki). Wypustka w prawym górnym rogu jest zbliżeniem jednego z żeńskich uszu. Nowoczesne teosinte wyhodowane w komorze kontrolnej (B) ma wiele długich, pierwotnych bocznych gałęzi (np. Górna biała strzałka) zakończonych frędzlami (czarna strzałka). Nierozwinięte, kobiece uszy można zobaczyć na bocznych gałęziach wtórnych (białe strzałki). (Irene Holst, STRI) Piperno był zainteresowany badaniami, w jaki sposób przyszłe wzrosty CO2 i temperatury mogą wywoływać zjawisko zwane „plastycznością fenotypową” lub zmiany wyglądu rośliny w odpowiedzi na jej środowisko. Plastyczność fenotypowa może powodować, że dwa genetycznie identyczne organizmy wyglądają inaczej, jeśli są hodowane w oddzielnych warunkach.
W „wehikule czasu” Piperno i Klaus zaintrygowali się stwierdzeniem, że rośliny teosinte wyrosły, by bardziej przypominać kukurydzę, którą dziś uprawiamy i jemy. Podczas gdy dzisiejsze teosinte ma wiele gałęzi z frędzlami i uszami rosnącymi na drugorzędnych gałęziach, rośliny szklarniowe miały jedną główną łodygę zwieńczoną pojedynczym frędzelkiem, a także kilka krótkich gałęzi z uszami. Nasiona też były inne: w przeciwieństwie do dzikich nasion Teosinte, które dojrzewały sekwencyjnie, wszystkie nasiona w eksperymentalnych roślinach dojrzewały w tym samym czasie, podobnie jak ziarna kukurydzy lub nasiona. Dzisiejsze nasiona teosinte są zamknięte w ciasnych wegetatywnych przylistkach, ale wehikuł czasu produkował rośliny z odsłoniętymi ziarnami nasion.
Według Piperno mniej gałęzi wraz z dobrze widocznymi nasionami ułatwiłoby teosinte zbiory. Te cechy - wcześniej uważane za wynikające z selekcji i udomowienia człowieka - mogły zostać pobudzone przez zmiany środowiskowe, które wywołały plastyczność fenotypową.
W komorze wehikułu czasu teosinte uprawiano w warunkach, z którymi mógł się spotkać 10 000 lat temu. (Irene Holst, STRI) Wygląda na to, że środowisko odgrywało „znaczącą, choć nieoczekiwaną” rolę w koncentrowaniu się na teosinte do uprawy, mówi Piperno. Funkcje podobne do kukurydzy „dały początkującym rolnikom przewagę”.
Daniel Sandweiss, profesor antropologii oraz badań czwartorzędowych i klimatycznych na Uniwersytecie w Maine, przeprowadził szeroko zakrojone badania nad wczesnymi zmianami klimatu w Ameryce Łacińskiej. Nazwał eksperyment Piperno „przełomowym” i powiedział, że wierzy, iż „stanie się wzorem dla całej serii badań”.
Piperno, Klaus i ich zespół byli również zainteresowani tym, jak zauważalny skok temperatury i CO2, który wystąpił między późnymi epokami plejstocenu i holocenu, mógł wpłynąć na produktywność roślin i może pomóc wyjaśnić możliwy powód, dla którego rolnictwo zaczęło się w tym czasie i nie przed.
Podczas plejstocenu poziomy CO2 w atmosferze były nawet niższe niż w holocenie - przynajmniej o jedną trzecią - a temperatura była o 5 do 7 stopni niższa. Piperno, który widział wcześniejsze badania sugerujące, że wzrost roślin w środowisku o niskiej emisji CO2 i niskiej temperaturze hamuje fotosyntezę i obniża plon nasion.
Dziki przodek kukurydzy, Teosinte, rośnie w nowoczesnych warunkach klimatycznych (komora po lewej) i w przeszłości (komora po prawej). Smithowscy naukowcy Dolores Piperno (z prawej) z Irene Holst. (Sean Mattson) Wyniki własne Piperno powtórzyły wcześniejsze badania; Teosinte utworzyło również więcej nasion w komorze o wyższej temperaturze i podwyższonym poziomie CO2. Zjawisko to prawdopodobnie uczyniło rolnictwo po raz pierwszy zrównoważoną praktyką żywienia rodzin. Jak mówi Piperno, zwiększona wydajność zakładu zmieniła rolnictwo w „dobrą strategię adaptacyjną”.
„Wyniki są zaskakujące”, mówi Sandweiss, który zauważył, że pojawienie się Teosinte od dawna utrudniało naukowcom. Po zobaczeniu, jak wyglądało teosinte w plejstoceńskich warunkach wzrostu, jego związek z kukurydzą zaczął „mieć znacznie większy sens”.
Sandweiss zauważył, że eksperyment Piperno może pomóc naukowcom i archeologom zrozumieć proces i czas udomowienia roślin na całym świecie. Pszenica, jęczmień i ryż mogły również doświadczyć zmian fenotypowych i zwiększonej produktywności w późnym okresie plejstocenu i wczesnych epok holocenu. Śledzenie tego procesu może wyjaśniać: „jak się wydaje w przypadku kukurydzy, dlaczego ludzie wybrali te konkretne gatunki, a nie inne, i dlaczego proces udomowienia miał miejsce, kiedy to się stało”.
Piperno planuje kontynuować badania, przeprowadzając badania sztucznej selekcji, hodując kilka pokoleń roślin, aby obserwować dziedzictwo indukowanych fenotypów podobnych do kukurydzy. Mówi, że plastyczność fenotypowa staje się ważną częścią tego, co naukowcy nazywają „nową nowoczesną syntezą” - poszerzając sposób, w jaki naukowcy postrzegają wpływ środowiska na zmiany ewolucyjne.
„Zasadniczo otworzyliśmy okno”, mówi Piperno.
