W czasach, gdy zmiany klimatyczne powodują, że wiele obszarów planety staje się cieplejsze i bardziej suche, trzeźwiąca jest myśl, że pustynie to stosunkowo nowe biomy, które znacznie się rozrosły w ciągu ostatnich 30 milionów lat. Rozległe suche regiony, takie jak pustynie, które obecnie pokrywają większość zachodniej części Ameryki Północnej, zaczęły pojawiać się dopiero w ciągu ostatnich 5 do 7 milionów lat.
Zrozumienie, w jaki sposób rośliny, które zaatakowały te surowe biomy pustynne, były w stanie przetrwać, może pomóc przewidzieć, jak ekosystemy będą sobie radzić w bardziej suchej przyszłości.
Intensywne badanie grupy roślin, które jako pierwsze zaatakowały rośliny wschodzące pustynie miliony lat temu dochodzi do wniosku, że ci pionierzy — stokrotki skalne — nie przybyli nieprzygotowani do radzenia sobie z upałem, palącym słońcem i brakiem wody. Opracowali przystosowanie do takich naprężeń, żyjąc na suchych, odsłoniętych wychodniach skalnych na starszych, bardziej wilgotnych obszarach, a nawet lasy tropikalne, co ułatwiło im najazd na rozszerzające się suche obszary.
University of California, badacz z Berkeley, Isaac Lichter-Marck i Bruce Baldwin, profesor biologii integracyjnej z UC Berkeley, kurator Jepson Herbarium i główny redaktor „The Jepson Desert Manual: Vascular Plants of Southeastern California” (2002), opublikowali swoje badania dotyczące ewolucja stokrotek skalnych na pustyniach Ameryki Północnej w tym tygodniu w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Badanie jest pierwszym, które dostarcza dowodów na rozwiązanie długotrwałej debaty ewolucyjnej: Czy ikoniczny rośliny pustynne, podobnie jak okazałe kaktusy saguaro, płonące ocotillos i agawy Seussian przystosowują się do suche warunki dopiero po inwazji na pustynie, czy też przybyli wcześniej przystosowani do stresu życia na pustyni?
Pytanie ma znaczenie dzisiaj, powiedział Lichter-Marck, ponieważ przyspieszenie suszy spowodowane zmianami klimatycznymi stanowi wyzwanie dla roślin, aby przystosowały się znacznie szybciej niż w przeszłości. Już teraz około jednej piątej powierzchni Ziemi to pustynia. Jeśli adaptacja do suchych warunków była możliwa tylko w przypadku roślin, które już ewoluowały, aby radzić sobie z takimi stresami, to wiele z nich może nie być dzisiaj wyposażonych w odpowiedni zestaw narzędzi genetycznych, aby przetrwać.
„Jeśli myślisz o suchości tylko jako o bodźcu do ewolucji roślin, to w wielu przypadkach ludzie mogliby powiedzieć, że te rośliny przetrwały, są zdolne do przystosowania się i wszystko będzie dobrze. Wykorzystają te nowe warunki i będą się dobrze rozwijać” – powiedział Lichter-Marck, który jest również pracownikiem naukowym National Science Foundation na UCLA.
Ale historia stokrotek kamiennych sugeruje, że „kiedy pojawiły się pustynie, te rośliny, które miały niezbędne wstępne przystosowania, aby skorzystać z nowych warunków, kwitły” – powiedział. „Dodanie większej ilości osuszenia do systemu niekoniecznie oznacza szybszą ewolucję adaptacyjną. Istnieje ograniczone źródło linii, które mogą wykorzystać nowe poziomy suchości, a to jest ważne dla zrozumienia wpływu zmian klimatu na różnorodność biologiczną”.
Siedem lat wędrowania po pustyni
Botanicy już dawno zdali sobie sprawę, że kiedy rośliny zaatakowały obszary pustynne, szybko się zróżnicowały, aby wypełnić wiele nisz utworzonych przez ten nowy typ siedliska.
„Nawet 1 milion do 1.5 miliona lat temu trudno byłoby znaleźć szeroko rozpowszechnione siedliska pustynne, jakie widzimy dzisiaj w Ameryce Północnej, co jest dość zaskakujące, ponieważ obecnie pustynie i suche siedliska są najbardziej rozpowszechnionym biomem na ziemi, – powiedział Lichter-Marck. „Jednak w późnej epoce miocenu rozprzestrzeniły się suche siedliska, a światowe linie roślin pustynnych, zwłaszcza sukulenty, takie jak kaktusy, agawy i rośliny lodowe – a także wiele innych linii odpornych na suszę – przeszły synchroniczną szybką dywersyfikację. ”
Paleontolodzy zwrócili jednak uwagę, że skamieniałe rośliny, które kwitły dziesiątki milionów lat przed rozpowszechnieniem się pustyń, miały cechy podobne do dzisiejszych roślin pustynnych. Niektórzy naukowcy, jak nieżyjący już paleoekolog Daniel Axelrod z UCLA i UC Davis, argumentowali, że oznacza to, że rośliny, które kwitły dzisiaj na pustyni, ewoluowały wcześniej i były wcześniej przystosowane – lub egzaptowane – do przetrwania warunków pustynnych, rosnąc w suchych mikrostanowiskach, takich jak wychodnie skalne, cienie deszczu lub szczyty gór. Inni, jak Ledyard Stebbins z UC Berkeley, biolog ewolucyjny, który pomógł założyć Departament Genetyki UC Davis, argumentowali, że suchość sama w sobie pobudza rośliny do różnicowania się i rozwijania cech odpornych na suszę, ciepło, intensywne światło słoneczne i silne wiatry.
Pomimo podobieństw między wychodniami skalistymi a pustyniami trudno było udowodnić, że rośliny pustynne wywodzą się z roślin już przystosowanych do stresu związanego z suszą, po części dlatego, że skamieniałości rzadko tworzą się w suchych siedliskach i niewiele mówią nam o środowisku, w którym te starożytne rosły rośliny.
Dla Lichtera-Marcka i Baldwina stokrotki skalne, które są klasyfikowane w plemieniu Perityleae z rodziny słoneczników, wydawały się dobrą grupą do zbadania związku. Niektóre gatunki żyją na suchych, odsłoniętych skałach w tropikalnych obszarach Meksyku — które można uznać za „mikropustynie” — podczas gdy inne w pełni przystosowały się do obszarów pustynnych, takich jak Mojave w Kalifornii i Wielki Basen, pustynie Chihuahua i Sonora, które pokrywają większość zachodniej części Ameryki Północnej.
„Rośliny żyjące na wychodniach skalnych stoją przed wieloma takimi samymi wyzwaniami, jak rośliny żyjące w suchym, pustynnym środowisku” – powiedział Lichter-Marck. „Wychodnie skalne są zwykle narażone na promieniowanie UV, wiatr i suche, wysuszające warunki, a także ciepło i mróz. Są również bardziej narażone na kontakt z roślinożercami.
„Sposoby, w jakie rośliny sobie z nimi radzą, są różnorodne, ale zwykle obejmują jakąś wyspecjalizowaną morfologię korzeni, która pomaga im zakotwiczyć się w wychodniach skalnych, a także radzić sobie z podwyższonymi suchymi warunkami. I zwykle mają mniejsze liście lub liście z gęstym pokryciem włosków, które pomagają chronić je przed suszą i blokować światło słoneczne, w tym promieniowanie UV. Mają też zwykle wzmocnioną obronę chemiczną przed roślinożercami, ponieważ regeneracja po zjedzeniu wymaga dużo energii.
Za jego doktorat doktoryzował się na Wydziale Biologii Integratywnej i w Jepson Herbarium, Lichter-Marck, pochodzący z południowej Kalifornii, przez wiele miesięcy wędrował po pustyniach Arizony, Kalifornii, Teksasu i Meksyku w pickupie w towarzystwie swojego niebieskiego obcasa, Rio , aby zebrać setki okazów stokrotek skalnych. Niektóre stokrotki skalne należą do najbardziej dramatycznych kwitnących wiosną, pokrywając pustynię kolorowymi kwiatami. Jednak wiele z nich ogranicza się do małych regionów geograficznych, gdzie rosną tylko na pionowych ścianach skalnych lub pasmach górskich wysp na niebie, co czyni ich zbieranie niebezpiecznymi. Lichter-Marck jest doświadczonym alpinistą, którego umiejętności są dla niego ważne praca w terenie w trudnym terenie.
Później zsekwencjonował DNA tych okazów – 73 z 84 uznanych gatunków stokrotek skalnych – i skatalogował ich historię życia, na przykład gdzie rosły, jaki typ systemu korzeniowego miały i czy były jednoroczne czy wieloletnie, zioło lub krzew. Następnie porównał je do skamieniałych stokrotek, aby opracować przybliżony harmonogram ewolucji tych cech i ostatecznego przeniesienia linii na pustynie.
To pozwoliło mu dojść do wniosku, że większość stokrotek skalnych — w szczególności rodzaj Laphamia, który jako pierwszy przeniósł się na pustynie i jest największym rodzajem stokrotek skalnych — przystosowała się do stresu związanego z upałem, suchością, wiatrem i słońcem dzięki ich rosną na klifach przed inwazją na pustynie.
„To wyraźna empiryczna demonstracja tego, co pierwotnie było hipotezą Axelroda – pustynnej grupy roślin pochodzącej z suchych mikroklimatów przed powszechnym pojawieniem się siedlisk pustynnych” – powiedział Lichter-Marck. „Oznacza to, że strategie tolerancji na suszę, które są tak charakterystyczne dla roślinności pustynnej, mogą w rzeczywistości nie odzwierciedlać reakcji na suche warunki panujące na pustyniach. Zamiast tego mogą to być cechy, które wyewoluowały wcześniej w związku ze znacznie starszymi i bardziej stabilnymi suchymi mikroklimatami, takimi jak wychodnie skalne w tropikalnych warunkach”.
Preadaptacja może być kluczem do sukcesu wielu roślin pustynnych, w tym kaktusów, o których wiadomo, że zamieszkują wychodnie skalne lub rosną jako epifity w koronach drzew na obszarach tropikalnych, chociaż te duże linie wymagałyby znacznie bardziej rozbudowanej analizy, powiedział. .
Stokrotki skalne, z których wiele żyje w wyspecjalizowanych siedliskach, które czynią je podatnymi na wyginięcie, podkreślają znaczenie ochrony pozornie niszowych gatunków.
„Wiele stokrotek skalnych jest bardzo wyspecjalizowanych i ma bardzo wąski zasięg i może być postrzegane jako mniej istotne dla przetrwania ekosystemu jako całości. W biologii ewolucyjnej i biologii konserwatorskiej wyspecjalizowane organizmy o wąskim zasięgu geograficznym są często uważane za wrażliwe linie, a czasami nawet nazywane ewolucyjnymi ślepymi zaułkami” – powiedział. „Ważną konsekwencją jest to, że grupa ekologów rosnących na klifach w tropikalnych siedliskach zapoczątkowała to główne promieniowanie na pustyni. Tak więc faktycznie pokazuje, że specjaliści to nie tylko te wrażliwe linie rodowe na skraju wyginięcia. W rzeczywistości mogą być naprawdę ważnymi źródłami innowacji w ewolucji”.
Lichter-Marck obecnie rozszerza swoje badania Rośliny które rosną na wychodniach skalnych aż po Hawai'i, gdzie wiele rzadkich gatunków endemicznych żyje tylko na zboczach stromych gór. Jednak zamiast wspinać się po niepewnych klifach w celu zdobycia rzadkich okazów, ma nadzieję użyć dronów.