Многие известные сегодня злаки, такие как лебеда, амарант, просо, конопля и гречиха, имеют черты, указывающие на то, что они эволюционировали вместе с крупными пасущимися млекопитающими. В плейстоцене огромные стада руководили экологией большей части земного шара и вызывали эволюционные изменения в растениях. Исследования экологии и особенностей выращивания некоторых древних родственников сельскохозяйственных культур показывают, что стада мегафауны были необходимы для распространения их семян до вмешательства человека. Понимание этого процесса дает ученым представление о раннем одомашнивании этих растений.
Одомашнивание мелкосемянных однолетников связано с эволюционным переходом от расселения через поедание животными к расселению человеком. Таковы результаты нового исследования Роберта Шпенглера, директора Лабораторий палеоэтноботаники в Институте истории человечества им. Макса Планка, и Натали Мюллер, сотрудника Национального научного фонда Корнельского университета, опубликованных в журнале Nature Plants. Шпенглер и Мюллер демонстрируют, рассматривая экологию пастбищных угодий и закономерности травоядности стадных животных, что предки мелкосеменных культур эволюционировали, чтобы быть рассредоточенными мегафауной жвачных животных. Хотя сегодня дикие разновидности этих видов растут небольшими изолированными участками, исследователи показывают, что интенсивный выпас этих растений стадными животными приводит к образованию плотных участков возле рек или других мест, которые часто посещают животные. В древние времена эти густые участки растений можно было легко собирать, как современные фермерские поля, что объясняет, как и почему древние люди могли сосредоточиться на этих конкретных растениях. Это исследование дает ответ на эту давнюю загадку одомашнивания растений.
Мелкосемянные культуры - продукт другого века
В середине голоцена (7 000-5 000 лет назад) в экологически богатых речных долинах и лугах по всему миру люди начали выращивать небольшие растения для получения семян или зерна. Пшеница, ячмень и рис являются одними из первых растений, у которых появились признаки одомашнивания, и ученые тщательно изучили процесс одомашнивания этих крупносеменных зерновых культур. Значительно меньше исследователей известно об одомашнивании мелкосеменных зерновых культур, таких как лебеда, амарант, гречиха, просо и несколько ныне утраченных культур, одомашненных в Северной Америке. Дикие предки этих культур имеют мелкие семена с неперевариваемыми оболочками или семенными оболочками. Сегодня эти дикорастущие растения существуют небольшими фрагментарными участками, разбросанными по огромным площадям - тот факт, что они не растут плотными группами, как предки пшеницы и риса, похоже, сделал этих предков злаков непривлекательной мишенью для собирателей. Небольшие размеры семян и твердая оболочка семян в сочетании с отсутствием плотных диких популяций заставили многих исследователей утверждать, что они, должно быть, были пищей голода.
Собирание достаточного количества дикорастущих семян этих сортов, чтобы их можно было перемолоть в муку и испечь буханку хлеба, заняло бы недели, особенно для более редких или находящихся под угрозой исчезновения предков сельскохозяйственных культур. Так почему же ранние собиратели так сильно сосредоточились на этих растениях и в конечном итоге приняли их в качестве сельскохозяйственных культур?
Шпенглер и Мюллер представляют новую модель, предполагающую, что, когда люди впервые столкнулись с этими растениями, они росли в густых насаждениях, созданных выпасом мегафауны, что облегчало их сбор. Когда люди начали культивировать эти растения, они взяли на себя функциональную роль распространителей семян, и в конечном итоге растения развили новые черты, благоприятствующие земледелию, и утратили старые черты, которые способствовали распространению стадными животными. Самые ранние признаки одомашнивания, истончение или потеря неперевариваемой защиты семян, потеря периода покоя и увеличение размера семян могут быть объяснены потерей процесса расселения жвачных животных и сопутствующего управления дикими насаждениями человеком.
Новая модель одомашнивания мелкосеменных зерновых культур
Шпенглер и Мюллер интересовались одомашниванием растений с аспирантуры, когда они учились у доктора Гейл Фриц, одной из первых ученых, признавших важность Среднего Запада Америки как центра одомашнивания сельскохозяйственных культур. Несмотря на десятилетия исследований природы одомашнивания растений в Северной Америке, никто не понял, что истинным ключом были огромные стада бизонов. Одомашненные растения, которые Мюллер называет «потерянным урожаем», должны были быть разбросаны бизонами большими полосами, что облегчило их сбор древними людьми и, возможно, побудило эти сообщества активно сажать их самостоятельно. Когда европейцы истребили стада, количество растений, которые полагались на этих животных для распространения своих семян, также начало уменьшаться. Поскольку дикие предки этих потерянных культур сегодня редки, а стада бизонов фактически вымерли, исследователи упустили из виду эту важную коэволюционную особенность в процессе одомашнивания.
Однако этот процесс характерен не только для Среднего Запада Америки, и исследователи предполагают, что может существовать связь между одомашниванием гречихи и выпасом яков в Гималаях, а также одомашниванием амаранта и выпасом лам в Андах. Авторы выявили параллельные закономерности в исследованиях экологии пастбищных угодий, отметив, что тяжелые стадные травоядные животные могут гомогенизировать растительные сообщества. Например, интенсивное выпас скотоводов в горах Средней Азии приводит к гибели многих растений, но некоторые растения, приспособленные к расселению животными, процветают. Откладывание семян растений в богатый питательными веществами навоз приводит к образованию экологических пятен, часто называемых горячими точками, которые собиратели могут легко найти для сбора семян.
На протяжении более века ученые спорят о том, почему ранние собиратели нацеливались на однолетники с мелкими семенами в качестве основного источника пищи (что в конечном итоге привело к их одомашниванию). Сегодня предки многих из этих культур имеют очень фрагментарные популяции, а некоторые из них находятся под угрозой исчезновения или вымерли. Точно так же без больших густых однородных насаждений этих растений в дикой природе, подобных тем, что существуют в дикой природе для прародителей крупносеменных злаковых культур, было бы невозможно собрать их семена. Выводы, которые делают Шпенглер и Мюллер, помогают объяснить, почему люди нацелились на эти растения и смогли их одомашнить. «Мелкосемянные однолетники были одомашнены в большинстве регионов мира», - объясняет Шпенглер. «Таким образом, результаты этого исследования имеют глобальный масштаб. Ученые во всем мире должны будут разобраться с этими идеями, если они хотят заняться вопросами одомашнивания».
Шпенглер и Мюллер продолжают свои исследования роли пастбищных животных в одомашнивании растений. «В настоящее время мы изучаем экологию полей, где пасутся современные стадные животные, в качестве прообраза того, какой была бы экология во время последнего ледникового периода, когда большие стада бизонов, мамонтов и шерстистых лошадей диктовали, какие виды растений могли расти. на Среднем Западе Америки и в Европе», - объясняет Шпенглер.«Мы надеемся, что эти наблюдения помогут лучше понять процесс одомашнивания во всем мире».