Kręte ścieżki zielonej (r)ewolucji

To było jedno z wydarzeń, które całkowicie odmieniły oblicze Ziemi – jej powietrze, rzeki, chmury, o zwierzętach nie wspominając. Podbój lądu przez pierwsze rośliny to proces, który nadal fascynuje naukowców

Duszno! Powietrze zawiera tylko 10 proc. tlenu – tyle, ile w naszych czasach na wysokości 5,5 km. A dwutlenku węgla jest 15 razy więcej niż dziś! Planeta zmaga się z efektem cieplarnianym w wersji XXL – temperatury są średnio o 10 st. C wyższe niż te, które znamy. Nie ma żadnych lodowców, a woda sięga kilkaset metrów wyżej niż to, co nazywamy dziś poziomem morza. Lądy są pokryte mozaiką suchych jałowych piasków i wilgotnych mat glonowych. Nie może tu przetrwać żadne większe zwierzę. Deszcz spadający na tę pustynną planetę spływa błyskawicznie do morza, dlatego opadów jest o połowę mniej niż dziś. Nawet rzeki nie przypominają naszych. Zamiast krętych koryt mają przebieg podobny do przeplatających się warkoczy – serie szybkich nurtów opływających liczne wysepki.

Tak właśnie wyglądałaby Ziemia, gdyby jej lądów nie porastała roślinność. Na szczęście ten ponury obraz to tylko fantazja. Nasza planeta jest niewątpliwie zielona – ale jak do tego doszło? Roślinna ewolucja, jak się okazuje, wcale nie była prosta i łatwa.
 

Z PIANY ZRODZONE

Naukowcy od dawna podejrzewali, że jeszcze zanim „normalne” rośliny wkroczyły na ląd, przez długie miliony lat leżakowała tam zielona piana złożona z mikroskopijnych glonów. Towarzyszyć jej miał kolektyw roślinożerców, pasożytów i drapieżców – tyle że w skali mikro, bo tworzyły go wyłącznie wirusy, bakterie, ewentualnie z dodatkiem grzybów i porostów. Charles Wellman, paleobotanik z brytyjskiego University of Sheffield, przedstawił pierwsze dowody na poparcie tej hipotezy. Znalazł je w skałach południowej Arabii – osadziły się w rzekach lub małych jeziorach na kontynentach kambru i wczesnego ordowiku (przypuszczalnie 530–480 mln lat temu). Mają postać „prostych, sferycznych struktur przypominających pęcherzyki, rurki, włókienka i różne inne organiczne mikroskamieniałości”. Szczątki te „jasno wskazują na obecność wczesnego życia na lądach. Wyzwaniem jest jednak odkrycie, jakiego rodzaju organizmy one reprezentują”. Nie ma przy tym pewności, czy to właśnie ta kambryjska „zielona piana” dała początek właściwej roślinnej kolonizacji.

Kolejny ślad pojawia się dopiero w środkowym ordowiku (ok. 475 mln temu). I jest niezbyt okazały – stanowią go pierwsze na Ziemi zarodniki, zwane kryptosporami. Produkujące je rośliny szybko opanowały cały świat, ale nie pozostały po nich żadne inne skamieniałości. Na podstawie budowy zarodników paleontolodzy przypuszczają, że przypominały współczesne mszaki. Dlatego brakowało im twardych tkanek, które mogłyby przetrwać w stanie kopalnym.

Zanim z tych delikatnych organizmów wyewoluowało coś trwalszego, minęło zadziwiająco dużo czasu – aż 25–30 mln lat. Wtedy prawdopodobnie pojawiły się pierwsze rośliny naczyniowe, o czym świadczy nowy typ zarodników. Ale dopiero kolejne 20 mln lat później (w środkowym i późnym sylurze) na ziemskich glebach urosło coś, co bardziej przypominało dzisiejszą florę – maleńkie kuksonie (Cooksonia). Fragmenty ich pędów znajduje się choćby w skałach południowej Walii sprzed 425 mln lat. Cała roślinka miała ledwie kilka–kilkanaście centymetrów wysokości. Jej nagie pędy wznosiły się ponad ziemię, rozdwajając się co pewien czas. Na ich końcach tworzyły się drobne zarodnie – miały raptem milimetr długości i dwa milimetry szerokości.
 

ALIŚCI SĄ BEZ LIŚCI…

Dopiero od tego momentu można mówić o prawdziwej zielonej inwazji na lądy. „Przez następne 65 mln lat, 425–360 mln lat temu, miał miejsce nieporównywalny z niczym wybuch ewolucyjnej innowacji i różnorodności” – pisze w książce „The Emerald Planet” („Szmaragdowa planeta”) David Beerling, paleobotanik i paleoklimatolog z University of Sheffield. Zadziwiające jest jednak to, że przez pierwsze 30 mln lat nie powstało nic, co przypominałoby liście! Potem, gdy pojawiły się pierwsze prymitywne wyrostki, trzeba było kolejnych paru milionów lat… W efekcie ewolucja czegoś tak – z pozoru – prostego jak liść trwała łącznie 40–50 mln lat.

Frustrację paleobotaników zmagających się z tą zagadką pogłębiły jeszcze badania genetyczne dzisiejszych roślin. Wykazały one, że kluczową rolę w formowaniu liścia pełni grupa genów regulatorowych zwana KNOX. Obecna jest ona u bardzo różnych grup i wszędzie działa tak samo. Jeśli np. przeszczepi się ją z paproci do roślin kwiatowych, to i tak doprowadzi to do wytworzenia liścia – tyle że pasującego do aktualnego „gospodarza”. Geny KNOX znaleziono też u drzew iglastych, widłaków, mszaków i glonów z grupy zielenic. To zaś oznacza, że były one obecne w komórkach roślin na długo przed pojawieniem się pierwszych liści.

Istnieje jeszcze druga grupa ważnych genów regulatorowych. Odpowiadają one za odmienny rozwój górnej i dolnej strony liścia. Ta pierwsza specjalizuje się w pochłanianiu i przetwarzaniu energii słonecznej; druga zajmuje się głównie „wdychaniem” dwutlenku węgla. Biolodzy wyliczyli, że owe geny powstały ponad 400 mln lat temu. Jest więc niemal pewne, że maleńka niepozorna kuksonia miała w DNA wszystko, co trzeba, by wyrosły jej porządne liście. Czemu więc ewolucja tak długo z tym zwlekała?

 

 

NIEMAL ŻYWCEM UGOTOWANE

Badacze zrozumieli to, gdy przyjrzeli się maleńkim otworkom na powierzchni roślin. To tzw. aparaty szparkowe, przez które organizm prowadzi wymianę gazową. Pozwalają one „wdychać” dwutlenek węgla oraz „wydychać” tlen i parę wodną. Liczba aparatów szparkowych na liściu zwykle dość dobrze odzwierciedla stężenie CO2 w atmosferze. Jeśli jest go mało, roślina „dusi się” i wytwarza liczniejsze otworki, przez które może zaczerpnąć więcej życiodajnego gazu. Jeśli dwutlenku węgla jest pod dostatkiem, liczba aparatów szparkowych spada. Wystarcza ich wtedy do prowadzenia wymiany gazowej, a jednocześnie roślina nie traci cennej pary wodnej.

To dlatego rewolucja przemysłowa, która tak znacznie zwiększyła stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, miała poważny wpływ na „zielonych”. Średnia liczba aparatów szparkowych na liściach drzew w ciągu ostatnich 150 lat spadła aż o 40 proc. Wciąż jednak utrzymuje się na poziomie kilkuset otworków na milimetr kwadratowy powierzchni. Tymczasem u pierwszych roślin lądowych ta liczba wynosiła zaledwie pięć!

Z pewnością była to reakcja na bardzo duże stężenie dwutlenku węgla, jakie panowało 420 mln lat temu. Wiązały się z nim także wysokie temperatury. Upały, z jakimi zmagały się pierwsze rośliny lądowe, zmuszały je do chłodzenia się. Rolę tę mogła pełnić ucieczka pary wodnej przez aparaty szparkowe, podobnie jak parowanie potu studzi nasze ciała. I tak jak u nas proces ten utrudniają grube ubrania, tak samo u roślin – duże liście. Wiatr, który wpada w listowie, zmniejsza bowiem swą prędkość i wolniej zwiewa rozgrzaną parę.

Co więc by się stało, gdyby pierwsze rośliny lądowe, takie jak kuksonia, wytworzyły liście? Znikoma liczba aparatów szparkowych utrudniałaby chłodzenie organizmu. Dołóżmy do tego wspomniane spowolnienie wiatru przez liście i mamy udar cieplny. Rośliny produkowałyby ciepło szybciej, niż mogłyby się go pozbyć. Temperatura ich tkanek szybko osiągnęłaby śmiercionośny poziom 50 st. C. Krótko mówiąc: zieloni pionierzy po prostu by się ugotowali!

Dlaczego w takim razie kuksonia i jej następcy nie wytworzyli liczniejszych aparatów szparkowych? Większa ilość dwutlenku węgla przecież by im nie zaszkodziła, a dodatkowe otworki pozwoliłyby na skuteczne chłodzenie organizmu podczas sylurskich upałów. Okazuje się jednak, że nie było to takie proste. Przede wszystkim pierwsze rośliny miały za słabe korzenie i tkanki przewodzące. Gdyby chłodziły się przez intensywne parowanie, nie nadążałyby z uzupełnianiem strat wody – czyli zasuszyłyby się na śmierć.

Dopiero gdy korzenie i tkanki przewodzące wzmocniły się – a to zajęło ewolucji dziesiątki milionów lat – rośliny mogły sobie pozwolić na luksus posiadania dużych liści. Ich powstanie to początek kolejnej ery w dziejach Ziemi. Powierzchnię naszej planety pokryły gęste lasy, w których drzewa ruszyły do cichej walki o słońce. Życie w cieniu mogło dla nich oznaczać śmierć. Za wszelką cenę pięły się więc wzwyż, by przerosnąć konkurentów i dostać się do upragnionego światła. Tak powstały słynne lasy karbońskie, po których pamiątką są dzisiejsze złoża węgla kamiennego.

 

W PUŁAPCE CO2

Pojawienie się liści zbiegło się ze średnio dziesięciokrotnym wzrostem liczby aparatów szparkowych na powierzchni roślin. To oczywiście reakcja na niższą zawartość CO2 w atmosferze. „Co doprowadziło do gwałtownego obniżenia się zawartości dwutlenku węgla?” – pyta w swojej książce David Beerling. I wyjaśnia już w następnym zdaniu: „O dziwo, wydaje się, że odpowiedzią są same rośliny”.

Korzenie roślin naczyniowych – wraz z grzybami, z którymi często ściśle współpracują – pięciokrotnie przyśpieszają proces wietrzenia chemicznego skał. Wytwarzają bowiem kwasy organiczne, które atakują mineralne cząstki w glebie. W ten sposób rośliny uwalniają niezbędne im do życia związki odżywcze, ale przy okazji ułatwiają też chemiczne wiązanie CO2, który najpierw zamieniany jest w wodorowęglany, a potem – gdy z wodą spłynie aż do morza – w węglan wapnia, uwięziony w kościach i muszlach żyjących tam zwierząt. Po ich śmierci część szkieletów opada na dno i tam już tkwi. W efekcie mnóstwo dwutlenku węgla zostaje „wyssane” z powietrza i wody, by utknąć w postaci podmorskich osadów na dziesiątki, a czasem i setki milionów lat.

Dlatego im rośliny miały silniejsze korzenie i większe liście, tym szybciej ubywało ich ulubionego gazu z atmosfery. Proces ten powoli się rozpędzał. Gdy został przekroczony pewien próg, Ziemia zaczęła zmierzać ku katastrofie. Wraz ze spadkiem poziomu dwutlenku węgla klimat się oziębiał, a naszej planecie zagroził znany z poprzednich epok geologicznych etap „śnieżnej kuli”. Większość nowych mieszkańców lądów mogła zamarznąć na śmierć.

Na szczęście tym razem do tego nie doszło. Globalne ochłodzenie spowolniło wietrzenie chemiczne skał. Poziom dwutlenku węgla ustabilizował się, a roślinom przestało grozić „uduszenie się”. Dzięki temu dużo, dużo później na zielonej planecie Ziemia mogły się pojawić dinozaury, a miliony lat po nich – także i my.

Warto sprawdzić

Wczytuję wpisy...