Wetenschappers lossen eindelijk Charles Darwin's 'Abominable Mystery' op

Vele jaren lang werd Charles Darwin achtervolgd door bloemen. In 1859 publiceerde de naturalist zijn beroemdste werk, Over de herkomst van soorten, het boek dat over het algemeen wordt beschouwd als de basis van de evolutionaire biologie. Maar 20 jaar later had hij nog steeds last van één ding: waar komen alle bloemen vandaan? In een brief aan botanist Joseph Dalton Hooker in 1879 noemde Darwin dit probleem een ​​'afschuwelijk mysterie'. Het klinkt misschien gek, maar Darwin kon echt niet uitleggen hoe bloeiende planten - bekend als angiospermen - zo snel over de meer primitieve angiospermen - een groep met dennen en palmen.

Het fossielenarchief laat ons zien dat er ongeveer 100 miljoen jaar geleden, tijdens het Krijt, een enorme variëteit aan angiospermen opkwam en gymnospermen verving als het dominante type plant op aarde. Deze plotse overvloed aan planten - de voorouders van moderne lavendel, tarwe, rozen, magnolia's, madeliefjes, enzovoort - druiste in tegen de theorie van Darwin dat nieuwe soorten in de loop van de tijd zeer langzaam opkomen als gevolg van selectieve druk. Huidige hypotheses suggereren dat de meeste angiospermen evolueerden naast de insecten of andere dieren die hen bestuiven, zonder welke het niet mogelijk is voor de planten om zaaddragende vruchten te produceren. Maar deze hypothesen verklaren niet de epische bloei in oude angiospermen.

In een krant die donderdag in het tijdschrift wordt gepubliceerd PLOS Biology, een paar wetenschappers stelden een antwoord voor op het afschuwelijke mysterie van waarom angiospermen gymnospermen zo abrupt vervangen. Kevin Simonin, assistent-professor ecologie en evolutie aan de San Francisco State University, en Adam Roddy tonen bewijs dat het allemaal neerkomt op de efficiëntie van cellen. Het geheim van het succes van angiospermen, zeggen ze, is een snelle inkrimping van de cellen van planten, beginnend ongeveer 140 miljoen jaar geleden. Deze inkrimping heeft hun efficiëntie dramatisch verhoogd. Zodra angiospermen zoveel efficiënter werden, was hun dominantie van terrestrische ecosystemen slechts een kwestie van tijd.

Het onderzoeksteam kwam tot deze conclusie door de relatieve grootte van genomen in angiosperms en gymnosperms te onderzoeken, en die aantallen vervolgens te vergelijken met de koolstofdioxidecapaciteit van de planten en de efficiëntie van vloeistofoverdracht. Celgroottes kunnen erg variëren vanwege verschillende factoren, maar de genoomgrootte is een sterke voorspeller van de celgrootte. Daarom concludeerden ze dat een kleiner genoom een ​​kleinere cel betekent - en daarom kunnen meer cellen in hetzelfde volume plantenweefsel worden verpakt, waardoor een plant meer kooldioxide en water kan opnemen, waardoor meer koolhydraten worden geproduceerd die energie leveren en groei stimuleren.

Fotosynthese is ook een groot deel van deze foto omdat planten, zoals we allemaal weten, zonlicht nodig hebben om water en koolstofdioxide in koolhydraten te veranderen. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat de hogere fotosynthetische vermogens van angiospermen hen hielpen om veel sneller te groeien dan hun nichtjes uit de gymnosperm, maar deze nieuwe studie laat ons zien hoe angiospermen bereikten dit hoge niveau van efficiëntie.

Dus hoewel co-evolutie met bestuivers een enorme rol speelde in de specifieke mechanismen van de evolutie van angiosperm, zeggen Simonin en Roddy dat er iets gemeenschappelijks is met al deze planten, iets fundamenteels aan hun biofysische architectuur, die hen in staat stelden de wereld over te nemen. Misschien zou dit onderzoek Darwin op zijn gemak stellen. Maar waarschijnlijker zou hij gewoon nieuwe vragen hebben.

Abstract: De abrupte oorsprong en snelle diversificatie van de bloeiende planten tijdens het Krijt is al lang beschouwd als een "gruwelijke mysterie." Hoewel de oorzaak van hun grote diversiteit grotendeels is toegeschreven aan co-evolutie met bestuivers en herbivoren, is hun vermogen om de voorheen dominante varens te overtreffen en gymnospermen is het onderwerp geweest van vele hypothesen. Gebruikelijk hiervan is dat de angiospermen alleen bladeren ontwikkelden met kleinere, meer talrijkere huidmondjes en sterk vertakkende venatienetwerken die hogere percentages van transpiratie, fotosynthese en groei mogelijk maken. Maar hoe angiospermen hun bladeren inpakken met kleinere, meer overvloedige huidmondjes en meer aderen is onbekend, maar gekoppeld - we tonen het - aan eenvoudige biofysische beperkingen op de celgrootte. Alleen angiosperm-afstammelingen ondergingen een snelle inkrimping van het genoom tijdens het vroege Krijt, wat de vermindering van de celgrootte vergemakkelijkt die nodig is om meer aderen en huidmondjes in hun bladeren te pakken, waardoor de werkelijke primaire productiviteit dichter bij zijn maximale potentieel komt. Aldus zijn de verhoogde competitieve vermogens van de angiospermen niet onbelangrijk het gevolg van inkrimping van het genoom.