Учёные долго ошибались: как на самом деле растения научились расти высокими

Прогулка по лесу показывает, как могут расти высокие растения. Деревья возвышаются над землей, а листья тянутся к солнечному свету.

Рост помогает растениям выжить, но это зависит от внутренних систем, которые несут воду и питательные вещества через растение. Эти системы появились не сразу. Первые растения на суше оставались очень близко к земле и имели простые структуры. Ученые потратили много лет, пытаясь понять, как эти маленькие растения в конечном итоге стали высокими деревьями.

Ископаемому растению, которому более 400 миллионов лет, теперь помогает объяснить, как это изменение произошло.

Ранние растения оставались маленькими

Когда растения впервые колонизировали землю, размер был серьезным ограничением. Ранним видам не хватало корней, листьев и внутренних транспортных тканей, что означало, что вода и питательные вещества могли перемещаться только на короткие расстояния.

Эта ранняя конструкция ограничивала рост и ограничивала растения влажными средами, где ресурсы оставались под рукой.

На протяжении большей части прошлого века исследователи считали, что эта проблема имеет простое решение.

Согласно традиционной точке зрения, водоросли породили мхоподобные растения, и эти растения в конечном итоге превратились в сосудистые виды с выделенными транспортными тканями. Эта последовательность казалась логичной и легкой для следования.

Генетические исследования усложнили эту историю. Недавние исследования показывают, что самый ранний предок наземных растений не напоминал мхов или сосудистых растений.

Это открытие подняло новые вопросы о том, как выглядел этот предок и как работали его внутренние ткани.

Окаменелость объясняет, как растут деревья

Rhynie Chert в северной Шотландии сохраняет одни из лучших ранних окаменелостей растений, когда-либо найденных. Среди них Horneophyton lignieri, небольшое растение, открытое в начале ХХ века.

Ранние исследования описывали его внутренние ткани как примитивную версию современных сосудистых систем.

Современные изображения изменили эту точку зрения. Исследователи, пересматривающие окаменелость с помощью передовых микроскопов, заметили особенности, которые более ранние исследования не могли разрешить.

Эти детали предполагали, что Horneophyton полностью следовал другому внутреннему дизайну, отличному от того, что принято считать стандартным для ранней эволюции растений.

"В отличие от современных растений, которые транспортируют воду и сахара по отдельности, Horneophyton перемещает их по всему телу вместе", — объясняет ведущий автор исследования доктор Пол Кенрик. "Такого рода сосудистая система никогда не наблюдалась раньше ни в одном живом растении".

Открытие этой сосудистой системы изменило то, как ученые интерпретируют раннюю эволюцию растений.

Один общий растительный путь

Современные растения полагаются на две отдельные ткани для транспортировки. Ксилема переносит воду и минералы вверх, в то время как флоэма распределяет сахара, произведенные во время фотосинтеза. Это разделение позволяет растениям расти высоко и поддерживать большие тела.

Хорнеофитон работал по-другому. Его внутренние ткани перемещали воду и сахара через одни и те же клетки. Этот подход ограничивал эффективность, но представлял собой четкий шаг за пределы простейших наземных растений.

Когда Кенрик и его коллеги исследовали окаменелость в трех измерениях, структура стала ясной.

"Используя конфокальную лазерную сканирующую микроскопию, мы смогли создать 3D-модели внутренней структуры Horneophyton", — сказал Кенрик. "Они ясно показали, что у этого растения была новая проводящая ткань, которая происходит с более ранней стадии эволюции сосудистой системы".

Растение в значительной степени полагалось на переносные клетки, которые перемещают вещества между соседними клетками. Эта установка работала только на коротких расстояниях, объясняя, почему Horneophyton оставался небольшим, несмотря на его внутреннюю сложность.

Как деревья выросли выше

Эта необычная структура дает представление о том, как развивались сосудистые системы. Теперь данные свидетельствуют о том, что транспортировка сахара появилась перед эффективным водным транспортом.

"Его сосудистая система, по-видимому, состоит в основном из переносных клеток, которые перемещали как воду, так и сахара", — сказал Кенрик.

"Это говорит о том, что флоэмоподобные клетки, по-видимому, эволюционировали первыми, и что ксилема появилась только позже. Такая система может работать только на небольших растениях".

Horneophyton аккуратно вписывается в эту последовательность, занимая промежуточное положение между самыми ранними наземными растениями и более специализированными формами, что перекликается с тем, как эволюция иногда приводила к появлению растений без фотосинтеза.

Ранние растения, возможно, сначала решили проблему распределения пищи внутри, а затем развили ткани, которые могли бы перемещать большие объемы воды вверх.