Растения, которые мы употребляем в пищу, резко изменились за 10 000 лет с тех пор, как люди начали заниматься сельским хозяйством, но гоминиды интенсивно взаимодействовали с окружающими их растениями и животными еще до появления нашего вида. Когда люди узнали о способности изменять сельскохозяйственные культуры путем селекции, эволюция новых признаков у растений значительно увеличилась. Тем не менее, растения развивались в ответ на селекционное давление со стороны человека задолго до того, как люди начали сознательно изменять их посредством селекции.
В новом исследовании, опубликованном в Trends in Plant Science, д-р. Роберт Шпенглер исследует эти эволюционные реакции и выдвигает теорию, что все самые ранние черты, развившиеся у диких родственников современных одомашненных культур, связаны с распространением семян человеком и эволюционной потребностью растений в распространении своего потомства.
Синдром одомашнивания и появление сходных признаков
Многие из самых ранних признаков одомашнивания у растений схожи у разных видов сельскохозяйственных культур, явление, которое биологи-эволюционисты называют параллельной эволюцией. Например, у всех крупносемянных травянистых культур - напр. пшеница, ячмень, рис, овес - первым признаком одомашнивания является ужесточение стержня (отдельного стебля, который удерживает зерно злака на колосе). Точно так же у всех крупносемянных бобовых, таких как горох, чечевица, конская фасоль и фасоль, самым ранним признаком одомашнивания является неразрушающийся стручок.
Археоботаники, изучающие раннее одомашнивание растений, согласны с тем, что эволюция более прочных стеблей у зерновых культур была результатом того, что люди использовали серпы для уборки зерна. Во время сбора урожая образцы с наиболее хрупкими стеблями потеряли свои семена, тогда как растения с более жесткими стержнями выиграли от того, что их семена были защищены и сохранены на следующий год. Затем люди убрали конкурирующие растения (прополка), вспахали почву, засеяли семена и сохранили урожай до следующего урожая. Можно предположить, что такой же процесс происходил и для бобовых.
В течение почти столетия ученые осознавали тот факт, что эта параллельная эволюция была результатом одинакового селективного давления со стороны людей в разных центрах одомашнивания по всему миру, что привело к тому, что многие исследователи называют «синдромом одомашнивания». Шпенглер предполагает, что в простейшем биологическом смысле люди обеспечивают лучшее распространение семян для пищевых культур, чем те, которые были бы у этих растений в дикой природе, заставляя их развивать черты, которые облегчают сельское хозяйство и повышают их собственные шансы на воспроизводство.
Эволюция признаков распространения семян у сельскохозяйственных культур
Археоботаники изучали особенности распространения семян у диких родственников зерновых и бобовых культур, но мало кто обсуждал, как дикие родственники других культур распространяли свои семена. В этой рукописи Шпенглер отходит от пристального внимания к этим нескольким растениям и рассматривает дикие процессы распространения семян у других культур.
Шпенглер отмечает, что до последнего ледникового периода мегафауны млекопитающих, включая людей, сыграли ключевую роль в эволюции более крупных плодов в дикой природе. В то время как у некоторых растений есть механические методы распространения семян, наиболее распространенным способом распространения семян растений является привлечение животных, которые делают это за них. Ярко-красные вишни, например, эволюционировали, чтобы привлекать птиц с красно-зеленым цветовым зрением. Птицы съедают сладкие плоды, затем летят в новое место и откладывают семена вишни. Однако более крупные фрукты требуют более крупных животных для их распространения, а это означает, что растения-прародители большинства фруктов на наших товарных рынках сегодня эволюционировали, чтобы распространяться крупными млекопитающими. Палеонтологи ранее отмечали параллельную эволюцию более крупных плодов, привлекающих более крупных животных, во многих неродственных семействах растений, процесс, который, как показывает Шпенглер, отражает эволюцию сельскохозяйственных культур, выращиваемых людьми.
Шпенглер также предполагает, что мегафауна млекопитающих, возможно, сыграла ключевую роль в распространении семян в прародителях мелкосеменных злаков, таких как лебеда, просо и гречиха. Благодаря гладким семенам с твердой оболочкой, которые растут на верхушке растения, отсутствию вторичных защитных соединений или шипов и высокой скорости роста, листва этих растений является идеальной пищей для пасущихся животных. Небольшой размер этих диких семян, возможно, был эволюционной адаптацией, которая позволила им успешно пройти через пищеварительные системы копытных млекопитающих, которые часто пропускают только семена размером менее 2 мм. Представление одомашнивания как эволюции, основанной на распространении семян, как предлагает Шпенглер, объясняет, почему первыми признаками одомашнивания у всех мелкосеменных однолетних культур были истончение семенной кожуры, увеличение размера семян и выход из состояния покоя - обращение вспять признаки, позволившие распространять семена пастбищными млекопитающими. Процесс одомашнивания разорвал мутуалистические связи этих растений с распространителями диких семян и сделал их распространение зависимым от людей.
Понимание одомашнивания растений как мутуализма, основанного на распространении семян
Во время раннего и среднего голоцена растения в определенных местах по всему миру начали приобретать новые черты в ответ на методы выращивания человеком. По мере того, как человеческие популяции увеличивались в размерах и становились более концентрированными, увеличивалось селективное давление, которое люди оказывали на эти растения. В дикой природе растения часто развивают мутуалистические отношения в ответ на сильное давление травоядных. Те же эволюционные реакции, утверждает Шпенглер, можно наблюдать на фермерских полях на ранних этапах одомашнивания, когда растения приобретают черты, позволяющие лучше использовать людей в качестве распространителей семян.
«Люди - лучшие из когда-либо существовавших распространителей семян, распространяющих виды растений по всему миру», - говорит Шпенглер.«В настоящее время мы удаляем все конкурирующие виды растений по всей Амазонке, чтобы распространять семена сои - растения, которое изначально развило черты мутуалистических отношений с людьми в Восточной Азии. Точно так же большая часть прерий Среднего Запада Америки была удалена, чтобы выращивать кукуруза, культура, которая эволюционировала, чтобы набирать людей в тропической южной Мексике. Люди являются мощными распространителями семян, и растения с готовностью приобретут новые черты, чтобы распространять свои семена и более успешно колонизировать новые районы».
Доктор. Шпенглер - директор археоботанических лабораторий Института Макса Планка по истории человечества в Йене, Германия. «Важно взглянуть на одомашнивание растений с точки зрения эволюционной экологии и попытаться найти параллели между эволюцией растений в дикой природе и во время раннего выращивания», - говорит Шпенглер. «Моделируя одомашнивание как процесс, эквивалентный эволюции в дикой природе, и отложив в сторону идею сознательного человеческого новаторства, мы можем более эффективно изучать вопросы того, почему и как этот процесс произошел."