«Отвратительная тайна эволюции»: что стало известно о самом древнем цветке

Все живое на Земле систематики — то есть биологи, занятые классификацией, — распределяют по «полочкам» и целым «шкафам» с такими полочками. Во-первых, они выделяют самые крупные систематические группы — домены, которых всего три и которые принципиально различаются организацией клетки. Это бактерии, археи и эукариоты (ядерные) — к третьим относят все традиционно выделяемые царства природы: протисты (простейшие), грибы, растения и животные.

Далее царства дробят на таксоны поменьше — и все же еще очень большие. У животных это типы: членистоногие, моллюски, хордовые (сюда входят позвоночные) и еще около 30. У высших (наземных) растений вместо типов отделы — мхи, папоротникообразные, голосеменные и цветковые. И в этом ряду совершенно очевидно выделяются именно последние, называемые также «покрытосеменные» (Angiospermae).

Цветущий отдел

Можно уверенно сказать, что цветковые растения побеждают своих конкурентов по всем статьям. Согласно оценкам, существует примерно 300 тысяч видов покрытосеменных, — это 90 процентов всех высших растений. Водоросли, которые традиционно называли «низшими растениями», от них также сильно отстают. Хотя и доминируют в водных, особенно морских экосистемах.

Цветковые поражают рекордной скоростью эволюции, самым широким распространением, максимально эффективными адаптациями и не только. Успешными их сделали остроумные эволюционные новшества — цветок, обеспечивающий эффективное опыление, а также развивающийся следом плод, который защищает семена и помогает их распространять.

К тому же при половом размножении цветковых (в отличие от других живых существ) происходит сразу два оплодотворения. Одна мужская половая клетка (спермий) сливается с яйцеклеткой, а другая — с центральной клеткой зародышевого мешка. Так образуются 1) зародыш и 2) эндосперм с тройным набором хромосом — запас питания для юного растения.

И эндосперм семени, и плод — это своеобразная забота цветковых растений о потомстве, многократно повышающая его шансы выжить.

Другое удачное новшество цветковых — их союзы с животными. Возникшие среди богатой и разнообразной фауны растения сделали ставку на разнообразные симбиозы и не прогадали. Одни животные — прежде всего насекомые — стали опылять цветки, что гораздо выгоднее для растения, чем «пускание пыльцы по ветру».

Тем временем другие животные — птицы, млекопитающие, реже другие — принялись разносить плоды и рассевать семена на большом расстоянии от материнского растения. Мутуалистический симбиоз с цветковыми, разумеется, сильно изменил и растения, и связанных с ними животных.

Появление сочных, красочных и вообще привлекательных плодов имело еще одно далеко идущее последствие. Позднее они породили специализированную группу фруктоядных животных — приматов, из которых выделился род Homo, в том числе человек разумный.

Цветковые включают в себя не только бесчисленные систематические группы — виды, роды, семейства и порядки, но и самые разные жизненные формы. Ряска вольфия диаметром доли миллиметра, стометровые эвкалипты, живущие под водой морские травы, целая роща-суперорганизм из клонирующих себя тополей, бесчисленные вьющиеся, цепляющиеся растения с самыми разными причудливыми цветками и плодами…

Все это представители одного отдела цветковые и скорее всего — потомки единственного предка. Это подтверждают генетические исследования.

Что же представлял собой тот самый «протоцветок»? Долго считали, что он появился на заре мелового периода — на это указывали надежные палеонтологические находки. До мела никаких цветков не находили, а затем началось их победоносное шествие по планете, которое продолжается по сей день.

Дарвин, Гете и другие истории

Такое внезапное появление и быстрый триумф цветковых растений не давали покоя уже Чарльзу Дарвину и его современникам. У «натуралиста номер один» было несколько проклятых вопросов, которые наверняка не давали ему спать по ночам. При жизни Дарвин не смог найти на них ответы.

Скажем, «кошмар Дженкина»: якобы неизбежное разбавление полезного генетического материала при свободном скрещивании. Решен в начале XX века благодаря открытию генов (наследственной дискретности) и синтетической теории эволюции (СТЭ).

Далее, полное отсутствие известных окаменелостей в породах конца докембрия — прямо под такими богатыми живностью кембрийскими. Но начиная с 1970-х годов палеонтологи нашли множество эдиакарских остатков. Стоило просто искать не там и иначе: докембрийские организмы не имели скелетов.

Наконец, «отвратительная тайна эволюции». Именно так (abominable mystery) Дарвин в 1879 году назвал в письме к другу, ботанику Джозефу Хукеру «быстрое, насколько мы можем судить, развитие всех высших растений (то есть цветковых. — NS) за недавние геологические времена». Прошло почти полтора века — и эта тайна по-прежнему остается не решенной.

Помимо неожиданного появления сразу большого разнообразия цветковых «из ниоткуда», смущает отсутствие внятного представления об их предке. Хотя это наверняка было голосеменное, которое обзавелось семенами, а затем научилось прятать их в завязи пестика. Загадкой остается и природа самих фирменных адаптаций для размножения — цветка и плода.

Ботаника — одна из самых старых наук. Разумеется, веками изучая органы растений, биологи уже давно делали предположения насчет их происхождения. Если не в ходе эволюции (филогенеза), то в ходе индивидуального развития (онтогенеза). И одним из самых первых вклад в вопрос внес неожиданный тут Иоганн Вольфганг Гете. Тот самый знаменитый немецкий драматург, поэт и политик, что написал «Фауста».

Гете также приложил руку ко многим вопросам естествознания. В работе 1790 года «Опыт объяснения метаморфоза растений» он, опираясь на морфологию (понятие он сам и придумал), вывел различные органы растений из листа.

Гете считал, что модификации листьев превращают их в другие части растения — в том числе лепестки, тычинки и пестики, образующие цветок. Сам этот орган он считал видоизмененным побегом, покрытым изменившимися до неузнаваемости листьями. Концепция была названа «фолиарная гипотеза», от латинского folium (лист).

Идея получила развитие в виде эвантовой гипотезы (от eu-, в переводе «хороший, настоящий» и anthos — цветок). Она предполагает, что самый древний цветок был обоеполым (имел и тычинки, и пестики), вытянутым вдоль своей оси и имел множество одинаковых частей. Гипотеза предполагает, что такой цветок постепенно упрощался и терял «лишние» компоненты. В этом случае он с самого начала был приспособлен к энтомофильности, опылению насекомыми. Примерно такие крупные и яркие цветки магнолий и их родственников (Magnoliaceae).

Эвантовая гипотеза выводила первых покрытосеменных из беннеттитовых (порядок Bennettitales). Это голосеменные, родственники современных саговников, которые процветали в мезозое, но под конец его полностью вымерли. Окаменелости беннеттитов сохранили их уникальные сложные стробилы (шишки), которые были обоеполыми и, по-видимому, даже использовали для опыления насекомых.

С эвантовой гипотезой спорила псевдантовая, то есть сборного цветка. Она называла первичными раздельнополые и опыляемые ветром половые органы, собранные в скопления на одном побеге. Тот, в свою очередь, превратился в единый крупный цветок, части которого взялись из исходных мелких. Тычинки — это остатки одних, пестики — других, лепестки — третьих и так далее.

Если верить псевдантовой гипотезе, самое древнее цветковое напоминают современные казуариновые (Casuarinaceae). Растения имеют цветки, собранные в похожие на шишки соцветия и в целом смахивают на некоторые голосеменные (такие как эфедра или гнетум). У них есть раздельнополые собрания стробилов (нечто вроде соцветий) и подобие околоцветника.

Наконец, в 1930-е годах появилась теломная гипотеза. Она взглянула на проблему глубже, вспомнив самые ранние наземные растения — риниофиты. Они состояли из дихотомически (то есть надвое) ветвящихся осей. Находящиеся на конце оси называют теломы, вставочные оси в их основании — мезомы. Теломная гипотеза считает все органы растений — и цветок тут не исключение — продуктом уплощения, срастания, редукции и иных метаморфозов теломов.

Кто тут самый древний?

Спор гипотез вылился в поиск самого архаичного современного цветкового, который дает представление о прародителе всего отдела Angiospermae. Здесь стоит упомянуть (помимо тех же магнолий и казуарин) несколько растений, например дегенерию Degeneria sp. — небольшое дерево с островов Фиджи.

Говорящее «дегенеративное» имя ей очень подходит, хотя на самом деле происходит от фамилии ученого Отто Дегенера. У дегенерии крайне примитивные и необычные цветки — тычинки лишены нитей и похожи на листики (как тут не вспомнить Гете). Развитие пестиков происходит уникальным образом, а края плодолистиков (хранилища яйцеклеток) в отличие от других цветковых никогда не смыкаются.

Крайне архаичной считают амбореллу волосистоножковую (Amborella trichopoda). Это единственное в своем роде, семействе и порядке вечнозеленое древесное растение — эндемик Новой Каледонии.

Цветки амбореллы совсем небольшие (от четырех до восьми миллиметров), с зеленовато-желтой окраской. Они раздельнополые и имеют невзрачный околоцветник, листочки которого расположены по спирали. В мужских сидят множество широких тычинок, в женских — несколько не срастающихся плодолистиков. Обычно эти хранилища яйцеклеток объединяются в завязи пестика. При этом опыляют амбореллу скорее всего насекомые, точнее жуки.

Далее, тритхурия Trithuria sp. — это очень мелкие водные растения, внешне похожие на мхи и родственные других цветковым, которые живут в воде (кувшинкам и кабомбам). Небольшое число видов тритхурии нашли в Австралии, Индии и Новой Зеландии. Их цветки словно вывернуты наизнанку — многочисленные упрощенные тычинки окружены пестиками (в обычном цветке все наоборот).

Возможно, это даже не настоящий цветок, а его примитивный аналог, собранный из отдельных хранилищ половых клеток. Поэтому тритхурия — тоже кандидат в самые архаичные цветковые, напоминающие их прародителя.

Однако с поисками прародителя цветков среди современных растений есть проблемы. Во-первых, выводить одни современные таксоны из других (скажем, человека от человекообразных обезьян) бессмысленно. Во-вторых, такие построения кажутся стройными и убедительными, но основаны только на умозрении и поиске подходящих фактов. Исходя из них, можно проспорить сотню лет и так и не прийти к консенсусу.

Хорошим подспорьем в подобных вопросах служат методы молекулярной эволюции, которые строят «родословные» деревья на основании сходства геномов. Они помогли создать точную и уже почти не меняющуюся систему цветковых, отражающую их родственные связи и эволюцию. Вот только у покрытосеменных не нашлось родственников среди современных голосеменных. Отдел цветковых как бы «повис в воздухе».

Стало очевидно, что разгадать «отвратительную тайну эволюции» можно только с помощью более основательных доводов. По словам одного из палеоботаников, «пока мы не изобретем машину времени или не найдем червоточину, единственным надежным источником информации о прошлом растений будут оставаться окаменелости».

Китай — родина цветков!

Палеонтологическая летопись — остатки живых организмов, зафиксированные в горных породах, — увесистый аргумент в вопросах биологической эволюции. Фоссилии красноречиво говорят о том, как выглядели при жизни вымершие животные, грибы, растения и прочие. Более того, породы снабжены «изотопными часами», которые помогают точно оценить время действия.

Именно палеонтология стала причиной «отвратительной таинственности» покрытосеменных. Было ясно, что они преобладали в экосистемах суши к концу мелового периода (и могли способствовать вымиранию динозавров), к середине уже заметны среди окаменелостей и, выходит, впервые появились в начале мела. Во многих цветковых того времени легко узнать современные роды растений — знакомые нам буки, дубы, клены, магнолии и другие.

Стало понятно, что настоящие корни цветковых теряются где-то в глубинах мезозойской эры. Возможно, даже уходят глубже… Докопаться до них оказалось непросто — однако на рубеже XX и XXI веков находки и статьи посыпались как из рога изобилия. Как ни странно, большинство «протоцветков» оказались родом из Китая.

В 1998 году мир узнал о «древнейшем плоде», архефрукте (Archaefructus sp.). Это было водное растение высотой около полуметра, оно имело обоеполые цветки с очень длинной осью, но без лепестков и вообще околоцветника. То есть красочной броской части, которая напрямую не участвует в оплодотворении. Нашлись и окаменевшие плоды архефрукта с семенами внутри. Растение напоминало кувшинку и ее родственников — они ведут близкий образ жизни и считаются одними из древнейших цветковых.

Датировка пород сперва показала, что Archaefructus рос 150 миллионов лет, еще в юрском периоде. Тогда это стало настоящей сенсацией. Однако затем оказалось, что растение все же на 25 миллионов лет моложе и относится к раннему мелу… Более того, сам архефрукт породил много споров и сомнений насчет его систематического положения. Не то это было «пока еще» голосеменное, не то причудливая побочная ветвь цветковых, а не их общий прародитель.

Палеонтологи между тем продолжали докапываться до истины. Вновь преуспели китайцы, извлекшие в 2015 году на свет эвант Euanthus panii. В интернете иногда встречается ошибочное «Euanthus paniigen» — к названию приклеилось начало латинской фразы «gen. et sp. nov.» (новый род и вид). Эвант уже имел типичный цветок со всеми частями по местам (включая семязачатки, где созревают яйцеклетки) и рос более 162 миллионов лет назад. То есть в середине юрского периода.

Однако возникли большие вопросы к тому, где именно были собраны эти окаменелости и сколько им лет. Да и к самому цветку, который далеко не всем палеоботаникам (в отличие от авторов описания) показался «явным и совершенно типичным».

Китайские ученые ответили на это открытием «чего-то получше» — в 2018 году описали и назвали в честь южной столицы Поднебесной нанкинант Nanjinganthus dendrostyla. Впечатляет древовидное разрастание пестика на реконструкции, которое не встретишь у современных цветков. Возраст нанкинанта тоже впечатляет — 174 миллионов лет, то есть ранний юрский период.

Несмотря на большое число экземпляров N. dendrostyla (более двух сотен) и достоверный возраст пород, открытие опять вызвало серьезную критику. Многие специалисты не поверили замысловатой реконструкции и назвали найденное просто шишкой странного голосеменного.

В 2022 году в истории появился Florigerminis jurassica (тоже найден в Китае). Флоригерминис помоложе нанкинанта — ему 164 миллиона лет. Он сохранил разом стебель, на котором остались окаменевшие бутоны, и плоды на разных стадиях развития. Это было очень небольшое растение — четыре сантиметра в высоту, бутон и вовсе размеров меньше миллиметра.

Наступил 2023 год, и китайские палеонтологи вновь порадовали открытием древнего растения с совсем уж нечитаемым названием Qingganninginfructus formosa. Им даже не пришлось искать новые окаменелости — ученые заново рассмотрели растение, описанное еще в 1998 году как голосеменное.

На сей раз с помощью компьютерной микротомографии у Qingganninginfructus рассмотрели многочисленные плоды. Они напоминают крылатки клена — своеобразные «вертолетики» с лопастями, помогающими вращаться и улететь подальше от родительского растения.

Цветы палеозоя

Некоторые специалисты — прежде всего Синь Ван (Xin Wang) из Нанкинского института геологии и палеонтологии — вместе с соавторами уверенно говорят о гораздо более древних цветковых. Те и вовсе происходят из палеозойской эры, точнее пермского периода. Такие «протоцветки» должны были пережить величайшее вымирание в истории Земли — на границе палеозоя и мезозоя.

Синь Ван приложил руку ко многим из упомянутых палеоботанических сенсаций. Исследователь имеет собственный взгляд на многие вопросы, например в пику коллегам называет раннеюрскую шмейсснерию (Schmeissneria) цветковым растением. Другие видят в ней родственника гингко.

Что представляли собой гипотетические цветковые пермского времени? Это тайюаньостахия Taiyuanostachya sp., описанная в статье, которая вышла в 2023 году в не слишком солидном журнале. Из нее следует, что растение имело разом покрытые семязачатки и покрытые семена, это характерные признаки цветковых растений. Окаменелость отнесли к началу перми — выходит, ей более 270 миллионов лет.

И уже в нынешнем 2025 году неугомонный Синь Ван описал еще и юйчжоуа (Yuzhoua juvenilis). Растение также найдено в породах раннего пермского периода и, в дополнение к покрытому семязачатку, имело над ним «привлекательного вида столбик» (то есть центральную частью пестика). Авторы статьи считают, что у голосеменных такого точно не может быть.

Подведем итог чехарде последних лет с очередными «теперь уже точно настоящими первыми цветками». Ситуация динамично развивается, и наверняка мы еще услышим о новых древних цветковых с уникальными чертами. Не исключено, что многие вновь найдут в Китае. Время покажет, какие из находок стоящие, вероятно нанкинант, Qingganninginfructus и другие окончательно убедят сообщество палеонтологов.

Тем не менее остается вопрос о том, насколько эти самые древние из известных цветковых относятся к самым древним вообще. И можно ли их считать прародителями всего великолепия покрытосеменных на современной планете Земля. Может статься, что в руки ученых попадают какие-то их специализированные группы и «тупиковые веточки» на родословной.

Возможно также, что цветковые окажутся намного древнее, чем принято считать. Тогда палеонтологам придется объяснять, где они так долго пропадали, прежде чем быстро и до неузнаваемости изменить экосистемы суши.

Ситуация настраивает на осторожный оптимизм. Есть шанс, что довольно скоро «отвратительная тайна эволюции», сформулированная Дарвиным, будет наконец разгадана. И перейдет в разряд состоявшихся великих достижений биологии.

Михаил Орлов

355 статей

Биофизик, магистр биологии. Пишет о границах живого и неживого, сложных молекулах и простых ответах природы. Ведёт канал AreaDNA в Telegram.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram