https://frosthead.com

Aby dekódovali tajemství kukuřice, Smithsonianští vědci znovu vytvořili Zemi tak, jak to bylo před 10 000 lety

Kukuřice, plodina, která se pěstuje na všech kontinentech, s výjimkou Antarktidy, vypadá velmi málo jako její předchůdce, divoká tráva s tvrdými jádry, která dnes roste v jihozápadním Mexiku a nazývá se teosinte.

Botanici debatovali téměř o století o původu kukuřice a věřili v jeden okamžik, že moderní rostlina pochází z vyhynulé divoké kukuřice, nebo ještě něco neobjeveného. Genetici však v roce 1990 nakonec určili, že kukuřice je spojena s tvrdým jádrem teosinte, a dospěli k závěru, že kyprý, šťavnatý závod, který dnes známe, je domestikovanou formou divoké trávy. Před 10 000 až 13 000 lety vědci usoudili, že zemědělci vybrali a zasadili semena s příznivými vlastnostmi a v průběhu času byla rostlina transformována.

Ve studii zveřejněné minulý týden v časopise Quaternary International se však Smithsonianský vědec Dolores Piperno, archeobotanista pracující na polní stanici Smithsonian Tropical Research Institute v Gamboa v ​​Panamě, shodl na nové hypotéze „stroj času“. V minulých podmínkách prostředí se ona a její kolegové domnívali, že teosinte vypadala mnohem jinak, než tomu dnes je, a více se podobala moderní kukuřici než dnes. To může objasnit, proč se raní zemědělci rozhodli pěstovat to.

V minulých podmínkách prostředí, Piperno (nesoucí moderní teosinte) a její kolegové říkají, že předchůdce rostliny pleistocenu vypadal mnohem jinak než dnes a více se podobal moderní kukuřici. V minulých podmínkách prostředí, Piperno (nesoucí moderní teosinte) a její kolegové říkají, že předchůdce rostliny pleistocenu vypadal mnohem jinak než dnes a více se podobal moderní kukuřici. (Matthew Lachniet)

„Víme, že před 10 000 až 13 000 lety, “ říká Piperno, „když lovci-sběratelé poprvé začali využívat divokých předků [dnešních] plodin a když první zemědělci skutečně začali pěstovat plodiny, teplota a atmosférický CO2 byly velmi odlišné. “

Piperno spolupracoval s Klausem Winterem, který navrhl skleník se skleněnou komorou - stroj času - udržovaný se sníženými hladinami CO2 a udržovaný při nižších teplotách, které byly podobné těm pozdního pleistocenu a raného holocenu. Pro účely kontroly byl poblíž skleníku připraven další skleník, který napodoboval dnešní prostředí. Piperno a její kolegové pak zasadili teosinte do obou komor.

Teprve při studiu fosilní historie kukuřice a minulých environmentálních podmínek se Piperno začal ptát, jak vypadali předci rostliny během pozdního pleistocénu a raného holocénu, když byli poprvé sklizeni a poté kultivováni. Tehdy byla teplota o 3, 5 až 5, 4 stupně nižší než dnes a atmosférický CO2 se pohyboval na hladinách kolem 260 dílů na milion. Později, během průmyslové revoluce, by CO2 vzrostl na dnešních 405 dílů na miliardu, úroveň, na které nyní roste vysoká, dlouho rozvětvená rostlina teosintu.

Rostlina fenotypu kukuřice z Rostlina kukuřičného fenotypu z komory „stroj času“ (A) má jediný střapec, který ukončuje hlavní stonek a podél hlavního stonku se objevují ženské uši (šipky). Vložka vpravo nahoře je detailem jedné z ženských uší. Moderní teosinte pěstovaný v kontrolní komoře (B) má mnoho dlouhých, primárních postranních větví (například horní bílá šipka) zakončených střapci (černá šipka). Na sekundárních postranních větvích (bílé šipky) jsou vidět nevyvinuté ženské uši. (Irene Holst, STRI)

Piperno se zajímalo o studie zkoumající, jak by budoucí zvýšení CO2 a teploty mohlo vyvolat něco, co se nazývá „fenotypová plasticita“, nebo změny vzhledu rostliny v reakci na její prostředí. Fenotypová plasticita může způsobit, že dva geneticky identické organismy vypadají jinak, pokud jsou pěstovány v samostatných podmínkách.

V „stroji času“ byli Piperno a Klaus fascinováni, když zjistili, že rostliny teosinte rostly, aby se více podobaly kukuřici, kterou dnes pěstujeme a jíme. Zatímco dnešní teosinte má četné střapaté větve s ušima rostoucím na sekundárních větvích, skleníkové rostliny měly jediný hlavní stonek zakončený jediným střapcem, stejně jako několik krátkých větví s ušima. A semena byla také jiná: na rozdíl od divokých teosinte semen, která postupně dozrála, všechna semena v pokusných rostlinách dozrála všechny současně, podobně jako kukuřičná jádra nebo semena. Dnešní semena teosinte jsou uzavřena v těsných vegetativních listinách, ale stroj času produkoval rostliny, které byly odkryty jádra semen.

Podle Piperna by méně větví, spolu se snadno viditelnými semeny, učinily teosinty snadnější pro sklizeň. Tyto vlastnosti, o nichž se dříve předpokládalo, že pramení z lidského výběru a domestikace, mohly být pobízeny změnami prostředí, které vyvolaly fenotypovou plasticitu.

Uvnitř komory stroj času byl teosinte pěstován v podmínkách, s nimiž se mohl setkat před 10 000 lety. Uvnitř komory stroj času byl teosinte pěstován v podmínkách, s nimiž se mohl setkat před 10 000 lety. (Irene Holst, STRI)

Vypadá to, že prostředí sehrálo „významnou, i když serendipitózní“ roli ve zaměření na kultivaci teosinte, říká Piperno. Kukuřičné rysy „daly začínajícím zemědělcům náskok.“

Daniel Sandweiss, profesor antropologie a kvartérních a klimatických studií na University of Maine, provedl rozsáhlý výzkum o časných klimatických změnách v Latinské Americe. Nazval Pipernov experiment jako „průkopnický“ a řekl, že věří, že „se stane modelem celé řady studií“.

Piperno, Klaus a jejich tým se také zajímali o to, jak znatelný nárůst teploty a CO2, ke kterému došlo mezi pozdními pleistocénními a holocénovými obdobími, mohl mít vliv na produktivitu rostlin a mohl by vysvětlit možný důvod, proč se v té době začalo zemědělství a Ne předtím.

Během pleistocenu byly hladiny CO2 v atmosféře ještě nižší než v holocenu - alespoň o jednu třetinu - a teplota byla o 5 až 7 stupňů nižší. Hladiny a teploty CO2 v pleistocénu byly omezujícími faktory růstu rostlin, uzavřel Piperno, který viděl předchozí výzkum, který naznačuje, že pěstování rostlin v prostředí s nízkým obsahem CO2, nízkoteplotním prostředí inhibuje fotosyntézu a snižuje výnos semen.

Divoký předek kukuřice, teosinte, je zobrazen rostoucí za moderních (komora vlevo) a za minulostí (komora vpravo) klimatických podmínek. Smithsonovští vědci Dolores Piperno (vpravo) s Irene Holst. Divoký předek kukuřice, teosinte, je zobrazen rostoucí za moderních (komora vlevo) a za minulostí (komora vpravo) klimatických podmínek. Smithsonovští vědci Dolores Piperno (vpravo) s Irene Holst. (Sean Mattson)

Pipernoovy vlastní výsledky se opakovaly v předchozích studiích; teosinte také tvořil více semen v komoře s teplejší teplotou a zvýšeným C02. Tento jev možná z zemědělství učinil poprvé udržitelný postup při krmení rodin. Zvýšená produktivita závodu, říká Piperno, změnila zemědělství na „dobrou adaptivní strategii“.

"Výsledky jsou překvapivé, " říká Sandweiss, který poznamenal, že vzhled teosinte měl vědce s dlouhými styly. Když viděl, jak vypadal teosinte v podmínkách růstu pleistocenu, jeho vztah ke kukuřici začal „dávat mnohem větší smysl“.

Piperno experiment může také pomoci vědcům a archeologům pochopit proces a načasování domestikace plodin po celém světě, poznamenal Sandweiss. Pšenice, ječmen a rýže možná také zažily fenotypové změny a zvýšenou produktivitu v pozdějším pleistocénu a časných holocénových dobách. Sledování tohoto procesu by mohlo vysvětlit, „jak se zdá u kukuřice, proč si lidé vybrali tyto konkrétní druhy a ne jiné, a proč k procesu domestikace došlo, když se tak stalo.“

Piperno plánuje pokračovat ve svém výzkumu prováděním studií umělého výběru, pěstováním několika generací rostlin, aby sledovala dědičnost indukovaných fenotypů podobných kukuřici. Říká, že fenotypová plasticita se stává důležitou součástí toho, co vědci nazývají „novou moderní syntézou“ - rozšiřuje způsob, jakým vědci vnímají vliv prostředí na evoluční změnu.

"V podstatě jsme otevřeli okno, " říká Piperno.

Aby dekódovali tajemství kukuřice, Smithsonianští vědci znovu vytvořili Zemi tak, jak to bylo před 10 000 lety