Антропогенное распространение семян: Переосмысление истоков одомашнивания растений

Растения, употребляемые в пищу, сильно изменились за 10 000 лет с начала развития земледелия. Однако гоминиды интенсивно взаимодействовали с окружающей флорой и фауной задолго до появления нашего вида. Эволюция новых признаков у растений резко ускорилась, когда люди осознали возможность изменять культуры путем селекции. Но растения эволюционировали в ответ на антропогенное давление отбора еще до того, как люди начали сознательно их изменять.

В новом исследовании, опубликованном в Trends in Plant Science, доктор Роберт Шпенглер рассматривает эти эволюционные ответы. Он выдвигает теорию, что все самые ранние признаки, развившиеся у диких предков современных культур, связаны с распространением семян человеком и эволюционной потребностью растения рассеивать свое потомство.

Синдром доместикации и появление сходных признаков

Многие ранние признаки одомашнивания у растений сходны у разных видов культур — явление, известное эволюционным биологам как параллельная эволюция. Например, у всех крупносемянных злаков (пшеница, ячмень, рис, овес) первым признаком доместикации стало укрепление рахиса (стебелька, удерживающего зерно в колосе). А у всех крупносемянных бобовых (горох, чечевица, бобы, фасоль) самым ранним признаком стала нерастрескивающаяся коробочка.

Археоботаники сходятся во мнении, что эволюция более прочных рахисов у злаков стала результатом использования людьми серпов для жатвы. При сборе урожая экземпляры с хрупкими рахисами теряли семена, а растения с прочными рахисами получали преимущество — их семена сохранялись и высевались в следующем году. Затем люди пропалывали сорняки, обрабатывали почву, сеяли семена и ухаживали за посевами. Предполагается, что аналогичный процесс происходил и с бобовыми.

Почти столетие ученым известно, что эта параллельная эволюция была результатом сходного давления отбора со стороны людей в разных центрах доместикации по всему миру, что привело к формированию «синдрома доместикации». С биологической точки зрения, как предполагает Шпенглер, люди обеспечивают культурным растениям лучшее распространение семян, чем те имели в дикой природе. Это заставляет растения эволюционировать, развивая признаки, которые облегчают земледелие и повышают их собственные шансы на размножение.

Эволюция признаков распространения семян у культур

Археоботаники изучали признаки распространения семян у диких родственников злаков и бобовых, но мало кто обсуждал, как распространяли семена дикие предки других культур. В своей работе Шпенглер отходит от узкого фокуса на этих немногих растениях и рассматривает процессы дикого распространения семян у других культур.

Шпенглер отмечает, что до последнего ледникового периода мегафауна, включая людей, была ключевым фактором эволюции более крупных плодов в дикой природе. Хотя некоторые растения имеют механические методы распространения семян, самый распространенный способ — использование животных. Например, ярко-красная вишня эволюционировала, чтобы привлекать птиц с красно-зеленым зрением. Птицы поедают сладкие плоды, а затем переносят и выделяют семена в новом месте. Однако более крупные плоды требуют для распространения более крупных животных. Это означает, что растения-предки большинства фруктов на наших рынках эволюционировали для распространения крупными млекопитающими. Палеонтологи ранее отмечали параллельную эволюцию более крупных плодов для привлечения крупных животных у многих неродственных семейств растений — процесс, который, как показывает Шпенглер, зеркально отразился в эволюции культур, возделываемых человеком.

Шпенглер также предполагает, что мегафауна могла играть ключевую роль в распространении семян предков мелкосемянных злаков, таких как киноа, просо и гречиха. Их гладкие, твердые семена, растущие на верхушке растения, отсутствие вторичных защитных соединений или шипов и быстрый рост делают их листву идеальной пищей для пасущихся животных. Малый размер этих диких семян мог быть эволюционной адаптацией, позволявшей им успешно проходить через пищеварительную систему копытных млекопитающих, которая часто пропускает только семена размером менее 2 мм. Концептуализация доместикации как эволюции, основанной на распространении семян, объясняет, почему первыми признаками одомашнивания у всех мелкосемянных однолетних культур стали истончение семенной оболочки, увеличение размера семян и потеря покоя — обратное развитие признаков, которые позволяли распространять семена с помощью пасущихся млекопитающих. Процесс доместикации разорвал мутуалистические связи этих растений с их дикими распространителями и сделал их зависимыми от человека.

Понимание доместикации растений как мутуализма, основанного на распространении семян

В раннем и среднем голоцене растения в определенных регионах мира начали эволюционировать, развивая новые признаки в ответ на практики возделывания человеком. По мере роста и концентрации человеческих популяций увеличивалось и давление отбора, которое люди оказывали на эти растения. В дикой природе растения часто развивают мутуалистические отношения в ответ на сильное давление травоядных. Те же эволюционные ответы, по мнению Шпенглера, можно наблюдать на полях ранних земледельцев в начале доместикации: растения развивают признаки, чтобы более эффективно использовать человека как распространителя семян.

«Люди — лучшие распространители семян, которые когда-либо существовали, они расселили виды растений по всему миру», — говорит Шпенглер. — «Сейчас мы вырубаем все конкурирующие растения в Амазонии, чтобы распространять семена сои — растения, чьи признаки изначально эволюционировали для мутуалистических отношений с людьми в Восточной Азии. Точно так же большая часть прерий американского Среднего Запада была уничтожена для выращивания кукурузы — культуры, которая эволюционировала, чтобы «нанимать» людей в тропической южной Мексике. Люди — мощные агенты распространения семян, и растения легко эволюционируют, развивая новые признаки, чтобы рассеивать свои семена и успешнее колонизировать новые территории».

Доктор Шпенглер руководит археоботаническими лабораториями в Институте истории человечества Общества Макса Планка в Йене (Германия). «Важно рассматривать одомашнивание растений с позиции эволюционной экологии и искать параллели между эволюцией растений в дикой природе и в условиях раннего возделывания, — говорит Шпенглер. — Моделируя доместикацию как процесс, эквивалентный эволюции в дикой природе, и отложив в сторону идею сознательных человеческих инноваций, мы можем более эффективно изучать вопросы о том, почему и как этот процесс происходил».