Покрытосеменные растения повсеместно распространены и окружают нас. Мы видим их на лужайках, цветниках, в горшках на подоконниках, ежедневно употребляем в пищу и используем в качестве одежды. Остальные группы растений отходят на второй план. Более того, приматы (и, соответственно, люди) не смогли бы существовать, если бы не «цветочная революция» – появление этих чрезвычайно успешных видов. Однако вопрос о том, как, когда и где зацвел первый цветок на Земле, волнует биологов с времен Дарвина. Naked Science анализирует последние открытия, которые приближают ответ на эту сложную задачу палеонтологии.
Биологи, занимающиеся систематикой, изучают все живые организмы на Земле классификацией, — их классифицируют, распределяя по категориям разной степени обобщения. В первую очередь, определяют наиболее крупные систематические группы — домены, всего три, которые существенно отличаются по строению клетки. К ним относятся бактерии, археи и эукариоты (обладающие ядром) — в эту же группу включены все царства живой природы: протисты (простейшие), грибы, растения и животные.
Царства подразделяются на более мелкие таксоны, однако они остаются весьма крупными. У животных это типы, такие как членистоногие, моллюски, хордовые (к которым относятся позвоночные), и около 30 других. У высших растений, произрастающих на суше, вместо типов используются отделы: мхи, папоротникообразные, голосеменные и цветковые. В этой классификации цветковые, также известные как «покрытосеменные», явно отличаются от других» ( Angiospermae).
Цветущий отдел
Цветковые растения, безусловно, превосходят других представителей флоры по всем параметрам. По имеющимся 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 растения демонстрируют исключительную скорость эволюции, отличаются широчайшим распространением и обладают высокоэффективными адаптациями. Ключевую роль в их успехе сыграли новаторские эволюционные решения: цветок, обеспечивающий результативное опыление, и созревающий плод, который защищает семена и способствует их расселению.
К тому же, при половом размножении цветковых растений, в отличие от других организмов существ) в процессе развития происходит двойное оплодотворение: один спермий объединяется с яйцеклеткой, а другой — с центральной клеткой зародышевого мешка. В результате формируются зародыш и эндосперм, содержащий тройной набор хромосом и служащий источником питательных веществ для развивающегося растения.
И эндосперм семени, и плод представляют собой уникальную форму поддержки цветковых растений о потомстве, существенно увеличивая вероятность его выживания.
Цветковые растения также добились успеха благодаря взаимовыгодному сотрудничеству с животными. Выбрав симбиотические отношения в среде богатой фауны, они не ошиблись. Некоторые животные, в особенности насекомые, стали переносить пыльцу, что оказалось более эффективным способом размножения, чем опыление с помощью ветра».
Другие животные, такие как птицы и млекопитающие, а также реже другие виды, начали переносить плоды и распространять семена на значительные расстояния от родительского растения. Взаимовыгодное сосуществование с цветущими растениями оказало существенное влияние как на сами растения, так и на животных, с ними связанных.
Яркие и аппетитные плоды оказали иное значительное влияние. Впоследствии они стали причиной эволюции фруктоядных животных, в частности, приматов, из которых выделился род Homo, в том числе человек разумный.
Цветковые объединяют в себе огромное количество систематических групп, таких как виды, роды, семейства и порядки, а также разнообразные 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 эти растения относятся к одному отделу и, вероятно, произошли от единственного предка подтверждают генетические исследования.
Что представлял собой этот «протоцветок»? Ранее полагали, что он возник в начале мелового периода, что подтверждалось убедительными палеонтологическими данными. До этого периода цветков не обнаруживали, а затем они начали свое триумфальное распространение по планете, продолжающееся и сейчас.
Дарвин, Гете и другие истории
Неожиданное возникновение и стремительный успех цветковых растений вызывали вопросы у Чарльза Дарвина и его современников. У выдающегося натуралиста было несколько сложных вопросов, которые, вероятно, не позволяли ему найти покой. Дарвину так и не удалось найти на них ответа при жизни.
Скажем, «кошмар Дженкина»: опасения относительно обесценивания ценных генетических признаков при свободном скрещивании оказались необоснованными. Этот вопрос был разрешен в начале XX века благодаря открытию генов (наследственной дискретности) и разработке синтетической теории эволюции (СТЭ).
Затем, полное отсутствие известных окаменелостей в породах конца докембрия — прямо под кембрийскими слоями, изобилующими ископаемыми. Однако, начиная с 1970-х годов, палеонтологи обнаружили большое количество эдиакарских остатков. Необходимо было искать в иных местах и другими методами: докембрийские организмы не имели скелетов.
Наконец, «отвратительная тайна эволюции». Именно так (abominable mystery) Дарвин назвал это 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 эпохи». Почти полтора столетия прошло, но эта загадка до сих пор не имеет ответа.
Помимо внезапного появления значительного разнообразия цветковых растений, кажущегося нелогичным, вызывает вопросы отсутствие четкого понимания их предке. Хотя это наверняка было голосеменное, растение получило способность к размножению посредством семян, а впоследствии освоило метод сокрытия их в завязи пестика. Не менее таинственной остается суть уникальных адаптаций, обеспечивающих размножение — формирование цветка и плода.
Ботаника — одна из древнейших наук. На протяжении веков, изучая строение растений, биологи уже давно выдвигали гипотезы относительно их возникновения. Либо в процессе эволюции (филогенеза), либо в ходе индивидуального развития (онтогенеза). И одним из первых значимых вкладов в эту проблему сделал Иоганн Вольфганг Гете. Известный немецкий писатель, поэт и политический деятель, автор «Фауста».
Гете внес вклад и в область естествознания. В работе 1790 года «Опыт объяснения метаморфоза растений» он, используя разработанный им термин «морфология», показал, что различные органы растений произошли от листа.
Гёте полагал, что изменения, происходящие с листьями, приводят к формированию других частей растения, таких как лепестки, тычинки и пестики, составляющие цветок. Он рассматривал этот орган как видоизмененный побег, чьи листья претерпели значительные изменения. Эта идея получила название «фолиарная гипотеза», происходящее от латинского слова «folium», означающего «лист).
Концепция получила дальнейшее развитие в виде эвантовой гипотезы, образованной из слов eu- («хороший, настоящий») и anthos («цветок»). Согласно этой гипотезе, изначальный цветок обладал обоеполым строением (сочетал тычинки и пестики), был вытянут вдоль своей оси и состоял из множества идентичных частей. Предполагается, что в процессе эволюции такой цветок упрощался, теряя избыточные элементы. Это позволило ему изначально быть адаптированным к опылению посредством насекомых. Подобные крупные и яркие цветки магнолий и их родственников (Magnoliaceae).
Согласно эвантовой гипотезе, первые цветковые растения произошли от представителей отряда беннеттитовых. Эти растения являются голосеменными и родственно связаны с современными саговников, беннеттиты процветали в мезозое, но к концу этой эры полностью исчезли. Их окаменелости демонстрируют уникальные сложные стробилы (шишки), которые были обоеполыми и, вероятно, использовались для опыления с помощью насекомых.
Эвантезу критиковала псевдантеза, представляющая собой совокупность цветков. Согласно ей, первичными были раздельнополые и опыляемые ветром репродуктивные органы, объединенные в структуры на одном побеге. Этот побег впоследствии сформировал единый, крупный цветок, составленными частями которого были исходные мелкие цветки. Тычинки являются производными одних цветков, пестики – других, лепестки – третьих и так далее.
Согласно псевдантовой гипотезе, древнейшие цветковые растения были схожи с современными казуариновыми ( Casuarinaceae). Растения характеризуются соцветиями, напоминающими шишки, и в целом схожи с некоторыми голосеменными, например, с эфедрой или гнетумом. Они обладают раздельнополыми стробилами (структурами, похожими на соцветия) и имеют подобие околоцветника.
В конце концов, в 1930-е годы была предложена теломная гипотеза, которая более глубоко рассматривала проблему, обращаясь к самым первым наземным растениям — риниофиты. Они характеризовались дихотомическим (двойным) ветвлением. Концевые части осей называются теломами, а расположенные у основания вставочные оси — мезомами. Согласно тело́мной гипотезе, все органы растений, включая цветок, являются результатом уплощения, срастания, редукции и других преобразований теломов.
Кто тут самый древний?
Проверка гипотез привела к поиску наиболее древнего из ныне существующих цветковых растений, которое могло бы пролить свет на прародителя всего отдела Angiospermae. Следует отметить (наряду с магнолиями и казуаринами), что к ним же относятся и такие растения, как дегенерия Degeneria sp. — небольшое дерево с островов Фиджи.
Ей очень идет говорящее имя, хотя на самом деле оно 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 уникальное в своем роде растение, принадлежащее к определенному семейству и порядку, является вечнозеленым деревом и произрастает исключительно на Новой Каледонии.
Цветки амбреллы очень мелкие, от четырех до восьми миллиметров в диаметре, и имеют зеленовато-желтый оттенок. Они раздельнополые и характеризуются неприметным околоцветником, листочки которого расположены спирально. У мужских цветков присутствует большое количество широких тычинок, а у женских – несколько не срастающихся плодолистиков. Эти структуры, содержащие яйцеклетки, обычно формируют завязь пестика. Опыление амбреллы, вероятно, осуществляется насекомыми, а именно жуками.
Далее, тритхурия Trithuria sp. — тритхурии – это крошечные водные растения, напоминающие по внешнему виду мхи и являющиеся родственниками других цветковых, обитающих в воде, таких как кувшинки и кабомбы. Небольшое количество видов тритхурий встречается в Австралии, Индии и Новой Зеландии. Их цветки имеют необычную структуру: многочисленные, упрощенные тычинки окружают пестики, в то время как в типичном цветке расположение обычно обратное).
Вероятно, это не настоящий цветок, а лишь его упрощённая копия, состоящая из отдельных структур, содержащих половые клетки. Таким образом, тритхурия также может считаться одним из древнейших цветковых растений, по внешнему виду схожих с их предками.
Существуют сложности в определении предка цветковых растений среди ныне существующих видов. Прежде всего, выделение одних современных групп растений из других (например, человека из человекообразных обезьян) не имеет смысла. Кроме того, подобные построения могут казаться логичными и внушительными, однако они основаны исключительно на предположениях и поиске подтверждающих данных. В результате можно спорить десятилетиями и не достичь единого мнения.
В решении подобных задач методы молекулярной эволюции, которые строят «родословные» деревья, основываясь на сходстве геномов. Благодаря этому удалось разработать точную и стабильную систему классификации цветковых растений, отражающую их генетические связи и эволюционное развитие. Однако у покрытосеменных не нашлось родственников среди современных голосеменных. Отдел цветковых как бы «повис в воздухе».
Для раскрытия «отвратительной тайны эволюции» требовались более весомые аргументы 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!
Остатки живых организмов, сохранившиеся в горных породах и известные как палеонтологическая летопись, представляют собой весомое доказательство в изучении 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.
Палеонтология объясняет загадочность покрытосеменных растений. Известно, что к концу мелового периода они доминировали в наземных экосистемах (возможно, даже повлияли на вымирание динозавров), их окаменелости встречаются уже в середине этого периода, а первые представители появились в начале мела. У многих цветковых растений того времени легко узнать современные роды — буки, дубы, клены, магнолии и другие, знакомые нам сегодня.
Стало ясно, что происхождение цветковых растений скрывается в мезозойскую эру и, возможно, ещё дальше в прошлое. Выяснить точное место их возникновения оказалось сложной задачей, но на стыке XX и XXI веков открытия и научные публикации появились в большом количестве. Примечательно, что подавляющее большинство древнейших цветковых, так называемых «протоцветков», происходят из Китая.
В 1998 году миру был представлен архефрукт, получивший название «древнейший плод ( Archaefructus sp.). Это было водное растение высотой около полуметра, которое имело обоеполые цветки с очень длинной осью, но лишено лепестков и вообще околоцветника – красочной, броской части, не участвующей непосредственно в процессе оплодотворения. 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 продолжали активно исследовать этот вопрос. В 2015 году китайские ученые сделали важное открытие, извлекли окаменелость эванта Euanthus panii. В интернете иногда встречается ошибочное «Euanthus paniigen» — к названию добавилось начало латинской фразы «gen. et sp. nov.», что означает «новый род и вид». У Эванта уже сформировался типичный цветок со всеми его частями, включая семязачатки, в которых созревают яйцеклетки, и он существовал более 162 миллиона лет назад, то есть в середине юрского периода.
Существуют значительные сомнения относительно места находки окаменелостей и их геологического возраста. Кроме того, далеко не все палеоботаники, в отличие от авторов первоначального описания, считают цветок «явным и совершенно типичным».
В 2018 году китайские ученые представили альтернативное решение описали и назвали в честь южной столицы Поднебесной нанкинант Nanjinganthus dendrostyla. Разветвленное строение пестика, представленное на реконструкции, производит сильное впечатление и нехарактерно для современных цветков. Возраст нанкинанта также вызывает восхищение — 174 миллиона лет, что соответствует раннему юрскому периоду.
Несмотря на большое число экземпляров N. dendrostyla (несмотря на то, что возраст пород был определен с высокой точностью, это открытие вызвало резкую критику. Многие эксперты сочли реконструкцию слишком сложной и предположили, что найденный объект является необычной шишкой голосеменного растения.
В 2022 году в истории появился Florigerminis jurassica (этот вид также был найден в Китае. Возраст флоригерминиса составляет 164 миллиона лет, что делает его моложе нанкинанта. Сохранились стебель, на котором остались окаменевшие бутоны, а также плоды, находящиеся на разных стадиях созревания. Данное растение было очень небольшим — его высота составляла всего четыре сантиметра, а размер бутона не превышал миллиметра.
В 2023 году китайские палеонтологи снова сделали открытие, представив древнее растение с крайне сложным названием Qingganninginfructus formosa. Ученым не потребовалось проводить новые раскопки; они пересмотрели описание растения, которое было первоначально зафиксировано еще в 1998 году и отнесено к голосеменным.
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 эксперты, включая Синь Ван (Xin Wang) из Нанкинского института геологии и палеонтологии, совместно с другими исследователями, утверждают о значительно более раннем цветковых. Те и вовсе происходят из палеозойской эры, точнее пермского периода. Эти «протоцветки» предположительно пережили величайшее вымирание в истории Земли — на границе палеозоя и мезозоя.
Синь Ван внес значительный вклад в ряд важных открытий в области палеоботаники. У него есть собственная точка зрения на многие вопросы, в частности, он критически оценивает взгляды коллег, называя раннеюрскую шмейсснерию (Schmeissneria) некоторые ученые классифицируют это растение как цветковое. Другие рассматривают его как близкого родственника гингко.
Какими были цветковые растения эпохи Перми? Речь идет о тайюаньостахии Taiyuanostachya sp., в статье, опубликованной в 2023 году в журнале, не отличающемся высокой репутацией, описывается находка. Согласно этой статье, растение имело семязачатки и семена, что является отличительной чертой цветковых растений. Возраст окаменелости определен как начало пермского периода, то есть ей более 270 миллионов лет.
И уже в нынешнем 2025 году неугомонный Синь Ван описал еще и юйчжоуа (Yuzhoua juvenilis). Растение встречается в отложениях раннего пермского периода и, помимо семязачатка, характеризуется наличием «привлекательного столбика» над ним (центральной частью пестика). По мнению авторов публикации, подобная структура не могла существовать у голосеменных.
Подведем итог череде событий последних лет, связанных с очередными «безусловно, настоящими первыми цветками». Ситуация постоянно меняется, и, вероятно, нас ожидает информация о новых древних цветковых растениях с уникальными особенностями. Не исключено, что многие из них будут обнаружены в Китае. Будущее покажет, какие из этих находок окажутся наиболее значимыми, 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. Можно ли отнести их к прародителям ныне существующих цветковых растений? Вероятно, исследователи находят специализированные группы и «тупиковые ветви» в их генеалогии.
Существует вероятность того, что возраст цветковых растений окажется значительно больше, чем предполагалось ранее. В этом случае палеонтологам потребуется объяснить, почему они на протяжении длительного времени отсутствовали, а затем стремительно и радикально трансформировали экосистемы суши.
Обстановка располагает к умеренному оптимизму. Существует вероятность, что вскоре «отвратительная тайна эволюции», сформулированная Дарвином, будет, наконец, раскрыта. И войдет в число выдающихся достижений биологической науки.