Ископаемая история цветковых растений
Ископаемая история цветковых растений фиксирует развитие цветов и других отличительных структур покрытосеменных растений , которые сейчас являются доминирующей группой растений на суше. История противоречива, поскольку цветковые растения появились в большом разнообразии в меловой период , а до этого были скудные и спорные записи, что создает загадку для биологов-эволюционистов, которую Чарльз Дарвин назвал « отвратительной загадкой ». Тем не менее, в апреле 2024 года ученые представили обзор происхождения и развития цветковых растений на протяжении многих лет, основанный на обширных генетических исследованиях. [ 1 ] [ 2 ]
Палеозой
[ редактировать ]Окаменелые споры позволяют предположить, что наземные растения ( эмбриофиты ) существовали как минимум 475 миллионов лет. [ 3 ] Ранние наземные растения размножались половым путем с помощью жгутиковых плавающих сперматозоидов, как и зеленые водоросли, из которых они произошли. [ нужна ссылка ] Адаптацией к наземной жизни стало развитие прямостоячих спорангиев для распространения спорами по новым местам обитания. [ нужна ссылка ] Эта особенность отсутствует у потомков их ближайших родственников – харофицовых зеленых водорослей. Более поздняя наземная адаптация произошла с сохранением нежной бессосудистой половой стадии, гаметофита, в тканях сосудистого спорофита. [ нужна ссылка ] Это происходило за счет прорастания спор внутри спорангиев, а не за счет высвобождения спор, как у несеменных растений. Современный пример того, как это могло произойти, можно увидеть в преждевременном прорастании спор у Selaginella , колючего мха. В результате предки покрытосеменных и голосеменных растений женскую гамету заключили в оболочку — семя. Первыми семенными растениями были голосеменные растения, такие как гинкго , и хвойные деревья (например, сосны и ели ). Они не давали цветов. Пыльцевые зерна (мужские гаметофиты) гинкго и саговников производят пару подвижных сперматозоидов со жгутиками, которые «плывут» по развивающейся пыльцевой трубке к самке и ее яйцам.
Покрытосеменные появляются внезапно и в большом разнообразии в палеонтологической летописи раннего мела. [ 4 ] Это создает такую проблему для теории постепенной эволюции , что Чарльз Дарвин назвал это « отвратительной тайной ». [ 5 ] Несколько групп вымерших голосеменных растений, в частности семенные папоротники , были предложены в качестве предков цветковых растений, но не существует постоянных ископаемых свидетельств, показывающих, как развивались цветы. [ 6 ]
Было сделано несколько заявлений об окаменелостях домеловых покрытосеменных, таких как верхнего триаса Sanmiguelia lewisi , но ни одно из них не получило широкого признания палеоботаниками. [ 7 ] Олеанан , вторичный метаболит , вырабатываемый многими цветковыми растениями, был обнаружен в пермских отложениях того возраста вместе с окаменелостями гигантоптерид . [ 8 ] [ 9 ] Гигантоптериды — это группа вымерших семенных растений, которые имеют много общих морфологических признаков с цветковыми растениями. [ 10 ] Молекулярные данные позволяют предположить, что предки покрытосеменных растений отделились от голосеменных растений в конце девона , около 365 миллионов лет назад. [ 11 ]
Триасовый и Юрский период
[ редактировать ]Основываясь на ископаемых свидетельствах, некоторые предположили, что предки покрытосеменных отделились от неизвестной группы голосеменных растений в триасовый период (245–202 миллиона лет назад). Ископаемая пыльца покрытосеменных из среднего триаса (247,2–242,0 млн лет назад) предполагает более древнюю дату их происхождения, что дополнительно подтверждается генетическими свидетельствами дивергенции предков покрытосеменных растений в девоне. [ 11 ] [ 12 ] Тесная связь между покрытосеменными и гнетофитами , предложенная на основе морфологических данных, в последнее время оспаривается на основе молекулярных данных , которые предполагают, что гнетофиты вместо этого более тесно связаны с хвойными и другими голосеменными. [ 13 ] [ 14 ]
Эволюция семенных растений, а затем и покрытосеменных, по-видимому, является результатом двух отдельных циклов дублирования всего генома . [ 15 ] Они произошли 319 миллионов лет назад и 192 миллиона лет назад . Еще одно возможное событие дупликации всего генома, произошедшее 160 миллионов лет назад, возможно, привело к созданию наследственной линии, которая привела к появлению всех современных цветковых растений. [ 16 ] Это событие было изучено путем секвенирования генома древнего цветкового растения Amborella trichopoda . [ 17 ]
Многие палеоботаники считают Caytoniales , группу « семенных папоротников », впервые появившихся в триасе и вымерших в меловом периоде, одними из лучших кандидатов на роль близкого родственника покрытосеменных растений. [ 18 ] Ископаемый вид растений Nanjinganthus dendrostyla из раннеюрского Китая , по-видимому, имеет многие общие черты исключительно покрытосеменных, такие как цветоподобные структуры и утолщенное цветоложе с семязачатками , и, таким образом, может представлять собой группу кроны или группу стебля покрытосеменных. [ 19 ] Другие исследователи утверждают, что эти структуры неверно истолкованы как разложившиеся хвойные шишки. [ 20 ] [ 21 ]
Меловой период
[ редактировать ]Если раньше на земле преобладали папоротники и хвойные деревья, то в меловой период быстро распространились покрытосеменные растения. В настоящее время они составляют около 90% всех видов растений, включая большинство продовольственных культур. [ 22 ] Было высказано предположение, что быстрому доминированию покрытосеменных растений способствовало уменьшение размера их генома. В раннем меловом периоде только покрытосеменные претерпели быстрое уменьшение размера генома, в то время как размеры генома папоротников и голосеменных остались неизменными. Меньшие геномы и меньшие ядра позволяют ускорить деление клеток и уменьшить размер клеток. Таким образом, виды с меньшими геномами могут упаковывать больше клеток меньшего размера, в частности, жилок и устьиц. [ 23 ] — в заданный объем листа. Таким образом, уменьшение размера генома способствовало более высоким темпам газообмена листьев (транспирации и фотосинтеза) и более быстрым темпам роста. Это могло бы противодействовать некоторым негативным физиологическим эффектам дупликации генома, способствовало бы увеличению поглощения углекислого газа, несмотря на одновременное снижение концентрации CO 2 в атмосфере , и позволило бы цветковым растениям вытеснить другие наземные растения. [ 24 ]
Самые старые известные окаменелости, определенно относящиеся к покрытосеменным, представляют собой сетчатую монобороздчатую пыльцу позднего валанжина (ранний или нижний мел - 140–133 миллиона лет назад) Италии и Израиля, вероятно, представляющую базальные покрытосеменные растения . [ 20 ]
Самое раннее известное макроископаемое, уверенно идентифицированное как покрытосеменное растение, Archaefructus liaoningensis , датируется примерно 125 миллионами лет назад ( меловой период). [ 25 ] тогда как пыльца, которая, как считается, имеет происхождение покрытосеменных растений, возвращает летопись окаменелостей примерно к 130 миллионам лет назад, [ 4 ] причем Монсехия представляла собой самый ранний цветок того времени. [ 26 ]
В 2013 году были найдены цветы в янтаре, возраст которых составил 100 миллионов лет. Янтарь заморозил процесс полового размножения. Микроскопические изображения показали, что трубки, растущие из пыльцы, проникают в рыльце цветка. Пыльца была липкой, что позволяло предположить, что ее перенесли насекомые. [ 27 ] В августе 2017 года учёные представили подробное описание и 3D-модель того, как, возможно, выглядел первый цветок, и предположили, что он мог жить около 140 миллионов лет назад . [ 28 ] Байесовский анализ 52 таксонов покрытосеменных показал, что кроновая группа покрытосеменных эволюционировала между 178 назад и 198 миллионами лет . [ 29 ]
Анализ ДНК показал, что Amborella trichopoda , обитающая на тихоокеанском острове Новая Каледония , принадлежит к сестринской группе других цветковых растений. [ 30 ] [ 31 ] в то время как морфологические исследования [ 32 ] предполагают, что он имеет черты, которые, возможно, были характерны для самых ранних цветковых растений. Отряды Amborellales , Nymphaeales и Austrobaileyales отделились как отдельные линии от оставшейся клады покрытосеменных на очень ранней стадии эволюции цветковых растений. [ 33 ]
Великая радиация покрытосеменных , когда в летописи окаменелостей появляется большое разнообразие покрытосеменных, произошла в середине мелового периода , примерно 100 миллионов лет назад. Однако исследование, проведенное в 2007 году, показало, что расхождение пяти последних из восьми основных групп, а именно рода Ceratophyllum , семейства Chloranthaceae , эвдикотовых , магнолиевых и однодольных , произошло около 140 миллионов лет назад. [ 34 ]
Островная генетика предлагает возможное объяснение внезапному появлению полностью развитых цветковых растений. Считается, что это общий источник видообразования в целом, особенно когда это связано с радикальными адаптациями, которые, по-видимому, требуют переходных форм. Цветковые растения, возможно, развились на острове или в цепочке островов, где растения, несущие их, смогли развить особые отношения с конкретным животным, например с осой . Такие отношения, когда гипотетическая оса переносит пыльцу с одного растения на другое, как это делают современные инжирные осы , могут вызвать необходимую специализацию как у растения, так и у его партнеров. Пример с осами не случаен; пчелы , которые развились именно благодаря мутуалистическим взаимоотношениям с растениями, произошли от ос. [ 35 ] Палеонтолог Роберт Т. Баккер предположил, что цветковые растения могли возникнуть в результате взаимодействия с динозаврами. Он утверждал, что травоядные динозавры оказывали избирательное воздействие на растения. [ 36 ]
К позднему мелу покрытосеменные растения, по-видимому, доминировали в среде обитания, ранее занятой папоротниками и цикадофитами . Крупные деревья, образующие полог, заменили хвойные деревья в качестве доминирующих деревьев ближе к концу мелового периода, 66 миллионов лет назад, или даже позже, в начале палеогена . [ 37 ] Заселение травянистых покрытосеменных произошло значительно позже. [ 38 ] Тем не менее, многие ископаемые растения, принадлежащие к современным семействам (включая бук , дуб , клен и магнолию ), появились уже в позднем меловом периоде. Цветковые растения появились в Австралии около 126 миллионов лет назад. Это также привело к увеличению возраста древних австралийских позвоночных , которые тогда были южным полярным континентом , до 126–110 миллионов лет. [ 26 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гринвуд, Вероника (11 мая 2024 г.). «Новое дерево цветущих растений? Для весны? Инновационный подход. - Путем секвенирования огромного количества данных группа из сотен исследователей получила новое представление о том, как цветы развивались на Земле» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 11 мая 2024 года . Проверено 12 мая 2024 г.
- ^ Зунтини, Александр Р.; и др. (24 апреля 2024 г.). «Филогеномика и возникновение покрытосеменных» . Природа . дои : 10.1038/s41586-024-07324-0 . hdl : 10261/359084 . Архивировано из оригинала 12 мая 2024 года . Проверено 12 мая 2024 г.
- ^ Эдвардс, Д. (июнь 2000 г.). «Роль среднепалеозойских мезофоссилий в обнаружении ранних мохообразных» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 355 (1398): 733–54, обсуждение 754–5. дои : 10.1098/rstb.2000.0613 . ПМЦ 1692787 . ПМИД 10905607 .
- ^ Перейти обратно: а б Херендин, Патрик С.; Фриис, Эльза Мари; Педерсен, Кай Раунсгаард; Крейн, Питер Р. (3 марта 2017 г.). «Палеоботанический редукс: новый взгляд на возраст покрытосеменных растений» . Природные растения . 3 (3): 17015. doi : 10.1038/nplants.2017.15 . ISSN 2055-0278 . ПМИД 28260783 . S2CID 205458714 .
- ^ Фридман, Уильям Э. (январь 2009 г.). «Смысл «отвратительной тайны» Дарвина » . Американский журнал ботаники . 96 (1): 5–21. дои : 10.3732/ajb.0800150 . ПМИД 21628174 .
- ^ Бриггс, Х. (23 января 2021 г.). «Новый свет пролился на «отвратительную тайну» Дарвина » . Новости Би-би-си . Архивировано из оригинала 30 января 2021 года . Проверено 31 января 2021 г.
- ^ Бейтман, Ричард М. (01 января 2020 г.). «Охота на Снарка: ошибочный поиск мифических покрытосеменных юрского периода». Журнал экспериментальной ботаники . 71 (1): 22–35. дои : 10.1093/jxb/erz411 . ISSN 0022-0957 . ПМИД 31538196 .
- ^ Тейлор, Дэвид Уиншип; Ли, Хунци; Даль, Джереми; и др. (март 2006 г.). «Биогеохимические доказательства присутствия молекулярного ископаемого олеанана покрытосеменных растений в палеозойских и мезозойских не покрытосеменных окаменелостях». Палеобиология . 32 (2): 179–190. doi : 10.1666/0094-8373(2006)32[179:BEFTPO]2.0.CO;2 . S2CID 83801635 .
- ^ «Нефтяные окаменелости дают ключ к разгадке эволюции цветов» . ScienceDaily . Стэнфордский университет. 5 апреля 2001 года. Архивировано из оригинала 19 августа 2010 года . Проверено 28 февраля 2018 г.
- ^ Гласспул, Ян Дж.; Хилтон, Джейсон; Коллинсон, Маргарет Э.; Ван, Ши-Цзюнь; Ли-Ченг-Сен (20 марта 2004 г.). «Листная физиогномика катазийских гигантоптерид и возможность отслеживать палеозойский климат с использованием вымершей группы растений» . Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология . 205 (1): 69–110. Бибкод : 2004PPP...205...69G . дои : 10.1016/j.palaeo.2003.12.002 . Архивировано из оригинала 4 ноября 2012 года . Проверено 9 ноября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Столл, Грегори В.; Цюй, Сяо-Цзянь; Паринс-Фукучи, Кэролайн; и др. (19 июля 2021 г.). «Дупликация генов и филогеномный конфликт лежат в основе основных импульсов фенотипической эволюции голосеменных растений» . Природные растения . 7 (8): 1015–1025. дои : 10.1038/s41477-021-00964-4 . ПМИД 34282286 . S2CID 236141481 . Архивировано из оригинала 10 января 2022 года . Проверено 10 января 2022 г.
- ^ Хочули, Пенсильвания; Файст-Буркхардт, С. (2013). «Пыльца покрытосеменных и Afropollis из среднего триаса (анизийского периода) Германского бассейна (Северная Швейцария)» . Границы в науке о растениях . 4 : 344. дои : 10.3389/fpls.2013.00344 . ПМЦ 3788615 . ПМИД 24106492 .
- ^ Цю, Инь-Лун; Ли, Либо; Ван, Бин; и др. (июнь 2007 г.). «Филогения нецветковых наземных растений, выведенная на основе нуклеотидных последовательностей семи хлоропластных, митохондриальных и ядерных генов». Международный журнал наук о растениях . 168 (5): 691–708. дои : 10.1086/513474 . S2CID 83781896 .
- ^ Койро, Марио; Хомицки, Гийом; Дойл, Джеймс А. (30 июля 2018 г.). «Экспериментальное рассечение сигнала и анализ чувствительности метода подтверждают потенциал окаменелостей и морфологии в разрешении взаимоотношений покрытосеменных растений и Gnetales». Палеобиология . 44 (3): 490–510. Бибкод : 2018Pbio...44..490C . дои : 10.1017/pab.2018.23 . S2CID 91488394 .
- ^ Цзяо, Юаньнянь; Уикетт, Норман Дж.; Айямпалаям, Сараванарадж; и др. (май 2011 г.). «Наследственная полиплоидия семенных растений и покрытосеменных». Природа . 473 (7345): 97–100. Бибкод : 2011Natur.473...97J . дои : 10.1038/nature09916 . ПМИД 21478875 . S2CID 4313258 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Каллауэй, Юэн (декабрь 2013 г.). «Геном кустарника раскрывает тайны силы цветов» . Природа . дои : 10.1038/nature.2013.14426 . S2CID 88293665 . Архивировано из оригинала 21 апреля 2021 года . Проверено 21 февраля 2022 г.
- ^ Адамс, Кейт (декабрь 2013 г.). «Геномика. Геномные ключи к разгадке предков цветковых растений». Наука . 342 (6165): 1456–7. Бибкод : 2013Sci...342.1456A . дои : 10.1126/science.1248709 . ПМИД 24357306 . S2CID 206553839 .
- ^ Ши, Гунгл; Эррера, Фабиани; Херендин, Патрик С.; Кларк, Элизабет Г.; Крейн, Питер Р. (июнь 2021 г.). «Мезозойские купулы и происхождение второго покрова покрытосеменных» . Природа . 594 (7862): 223–226. Бибкод : 2021Natur.594..223S . дои : 10.1038/s41586-021-03598-w . ISSN 1476-4687 . ПМИД 34040260 . S2CID 235217720 .
- ^ Фу, Цян; Дьес, Хосе Бьенвенидо; Поул, Майк; и др. (декабрь 2018 г.). «Неожиданный бесплодковый эпигинный цветок из юры Китая» . электронная жизнь . 7 : е38827. doi : 10.7554/eLife.38827 . ПМК 6298773 . ПМИД 30558712 .
- ^ Перейти обратно: а б Койро, Марио; Дойл, Джеймс А.; Хилтон, Джейсон (июль 2019 г.). «Насколько глубок конфликт между молекулярными и ископаемыми данными о возрасте покрытосеменных?» . Новый фитолог . 223 (1): 83–99. дои : 10.1111/nph.15708 . ПМИД 30681148 .
- ^ Соколофф Дмитрий Д.; Ремизова, Маргарита В.; Эл, Елена С.; Рудалл, Паула Дж.; Бейтман, Ричард М. (октябрь 2020 г.). «Предположительно, у юрских покрытосеменных отсутствует пентамерия, важная особенность покрытосеменных» . Новый фитолог . 228 (2): 420–426. дои : 10.1111/nph.15974 . ПМИД 31418869 .
- ^ Бриггс, Х. (14 января 2018 г.). «Как цветущие растения завоевали мир» . Новости Би-би-си . Архивировано из оригинала 2 февраля 2021 года . Проверено 31 января 2021 г.
- ^ Симонин, Кевин А.; Родди, Адам Б. (11 января 2018 г.). «Уменьшение размера генома, физиологическая новизна и глобальное доминирование цветковых растений» . ПЛОС Биология . 16 (1): e2003706. дои : 10.1371/journal.pbio.2003706 . ПМЦ 5764239 . ПМИД 29324757 .
- ^ Симонин К.А.; Родди, AB (январь 2018 г.). «Уменьшение размера генома, физиологическая новизна и глобальное доминирование цветковых растений» . ПЛОС Биология . 16 (1): e2003706. дои : 10.1371/journal.pbio.2003706 . ПМЦ 5764239 . ПМИД 29324757 .
- ^ Сан, Г.; Джи, К.; Дилчер, Д.Л.; Чжэн, С.; Никсон, КЦ; Ван, X. (май 2002 г.). «Архефруктовые, новое базальное семейство покрытосеменных». Наука . 296 (5569): 899–904. Бибкод : 2002Sci...296..899S . дои : 10.1126/science.1069439 . ПМИД 11988572 . S2CID 1910388 .
- ^ Перейти обратно: а б «Когда цветы достигли Австралии: первые цветы добрались до Австралии 126 миллионов лет назад» . ScienceDaily . Архивировано из оригинала 21 декабря 2019 года . Проверено 21 декабря 2019 г.
- ^ Пойнар, Джордж О. младший; Чемберс, Кентон Л.; Вундерлих, Йорг (10 декабря 2013 г.). «Micropetasos, новый род покрытосеменных растений из бирманского янтаря среднего мела» . Дж. Бот. Рез. Инст. Техас . 7 (2): 745–750. Архивировано из оригинала 5 января 2014 года.
Наличие пыльцевых зерен на столбике и чашечке, но не в окружающем янтаре, позволяет предположить, что зерна могли быть липкими.
- ^ Соке, Эрве; фон Бальтазар, М.; Магальон, С.; и др. (август 2017 г.). «Предковый цветок покрытосеменных и его раннее разнообразие» . Природные коммуникации . 8 (2017): 16047. Бибкод : 2017NatCo...816047S . дои : 10.1038/ncomms16047 . ПМЦ 5543309 . ПМИД 28763051 .
- ^ Фостер, Чарльз С.П.; Хо, Саймон Ю.В. (октябрь 2017 г.). «Стратегии разделения моделей часов при филогеномном датировании: применение к эволюционной временной шкале покрытосеменных» . Геномная биология и эволюция . 9 (10): 2752–2763. дои : 10.1093/gbe/evx198 . ПМЦ 5647803 . ПМИД 29036288 .
- ^ «Первый цветок». НОВА . ПБС. 17 апреля 2007 г. Стенограммы .
- ^ Солтис, Делавэр ; Солтис, PS (июнь 2004 г.). «Амборелла — не «базальное покрытосеменное растение»? Не так быстро» . Американский журнал ботаники . 91 (6): 997–1001. дои : 10.3732/ajb.91.6.997 . ПМИД 21653455 .
- ^ «Растения южной части Тихого океана могут быть недостающим звеном в эволюции цветковых растений» . ЭврекАлерт! . АААС. 17 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 24 июля 2021 г. Проверено 21 февраля 2022 г.
- ^ Виалетт-Гиро, AC; Ало, М.; Легеаи, Ф.; и др. (сентябрь 2011 г.). «Кабомба как модель для изучения ранней эволюции покрытосеменных» . Анналы ботаники . 108 (4): 589–598. дои : 10.1093/aob/mcr088 . ПМК 3170152 . ПМИД 21486926 .
- ^ Мур, MJ; Белл, CD; Солтис, PS ; Солтис, Делавэр (декабрь 2007 г.). «Использование данных в масштабе пластидного генома для разрешения загадочных взаимоотношений между базальными покрытосеменными» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (49): 19363–8. Бибкод : 2007PNAS..10419363M . дои : 10.1073/pnas.0708072104 . ПМК 2148295 . ПМИД 18048334 .
- ^ Бухманн, Стивен Л.; Набхан, Гэри Пол (2012). Забытые опылители . Остров Пресс. стр. 41–42. ISBN 978-1-59726-908-7 . Архивировано из оригинала 5 февраля 2016 года . Проверено 8 января 2016 г.
- ^ Баккер, Роберт Т. (17 августа 1978 г.). «Пищевое поведение динозавров и происхождение цветковых растений». Природа . 274 (5672): 661–663. Бибкод : 1978Natur.274..661B . дои : 10.1038/274661a0 . S2CID 4162574 .
- ^ Садава, Давид; Хеллер, Х. Крейг; Орианс, Гордон Х.; и др. (декабрь 2006 г.). Жизнь: наука биология . Макмиллан. стр. 477–. ISBN 978-0-7167-7674-1 . Архивировано из оригинала 23 декабря 2011 года . Проверено 4 августа 2010 г.
- ^ Стюарт, Уилсон Николс; Ротвелл, Гар В. (1993). Палеоботаника и эволюция растений (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 498. ИСБН 978-0-521-23315-6 .