Iš kur atsirado visos gėlės?

Darvinas pats puikiai matė, kokią sėkmę evoliucijos eigoje pasiekė žydintys augalai. Jie sudaro didžiąją šiuo metu pasaulyje augančių augalų ir jie dominuoja daugelyje pasaulio ekosistemų, pradedant atogrąžų miškais, baigiant pievomis. Jie taip pat dominuoja mūsų soduose ir namuose. Iš gėlių atsiranda didžioji žmogaus maistui suvartojamų kalorijų dalis – jas mes pasisaviname valgydami kukurūzus, ryžius ir kviečius. Gėlės taip pat įspūdingos savo neaprėpiama formų ir spalvų įvairove, nuo sodrių ir vešlių rožių iki vorus primenančių orchidėjų ar taures primenančių kalijų. Suakmenėjusios fosilijos, deja, Darvinui suteikė nedaug įžvalgos apie ankstyvąją gėlių evoliuciją. Tuo metu seniausios žydinčių augalų fosilijos buvo randamos uolose, susiformavusiose maždaug nuo 100 iki 66 milijonų metų prieš mūsų erą, geologinio Kreidos periodo metu. Paleontologai jau tada rasdavo didelę formų įvairovę, o ne pavienius primityvius pirmtakus. Gėlių istorija mokslininkams ramybės nedavė ir gerokai vėliau po Darvino mirties 1882 metais. Tačiau užkalbinus šiandieninius ekspertus jau pasigirsta nedidelės optimizmo gaidos. „Čia slypi tokia energija, kokios aš niekur kitur neregėjau visą savo gyvenimą“, sako Kolorado Boulder universiteto evoliucijos biologas William'as Friedman'as. Vienas tokio mokslinio jaudulio šaltinis yra naujai atrastos fosilijos. Tačiau ne tik tai – mokslininkai taip pat randa gausybę gausybę naujų ženklų gyvose gėlėse ir jų genuose. Dabartiniu metu tyrinėtojai aktyviai narplioja augalų DNR užkoduotus „receptus“, pagal kuriuos gimsta skirtingos gėlės. Mokslinių tyrimų rezultatai rodo, kad gėlės savo neįtikėtiną įvairovę išvystė panašiu keliu kaip ir gyvūnai išvystė savo akis ir galūnes: pritaikydami senus genus naujoms užduotims atlikti.

Dar visai neseniai mokslininkai buvo susiskaidę pagal požiūrį į tai, kaip gėlės siejasi su kitais augalais. Augalų DNR analizės dėka šis giminystės ryšys tapo aiškesnis. „Idėjų buvo pačių įvairiausių ir daugelis jų buvo paneigtos“, sako Kalifornijos Davis universiteto paleobotanikas James'as A. Doyle'as. Pavyzdžiui, dabar jau yra aišku, jog artimiausi dabartiniu metu egzistuojantys gėlių giminaičiai yra žiedų neturinčios, bet sėklas auginančios augalų rūšys. Šiai grupei priklauso pušys ir ginkmedžiai. Deja, augalai tarpusavyje susiję labai artimu genetiniu ryšiu ir tiksliau išskirti, kuris jų yra artimesnis gėlėms, neišeina. Augalai, pagal kuriuos būtų galima ištirti ankstyvuosius gėlių susiformavimo etapus, panašu, išnyko jau prieš milijonus metų. „Fosilijų tyrimai yra vienintelis būdas juos atrasti“, teigia Doyle'as. Per pastaruosius keletą metų mokslininkai aktyviai stūmė gėlių fosilijų amžiaus „rekordą“, ir dabar ši riba siekia maždaug 136 milijonus metų. Tyrinėtojai taip pat atrado daugybę paslaptingų išnykusių sėklinių augalų, iš kurių kai kurie sėkloms auginti naudojo gėles šiek tiek primenančias struktūras. Tačiau patys įdomiausi radiniai aptinkami tik pavieniais fragmentais, ir būtent dėl jų paleobotanikai kivirčijasi, bandydami nustatyti artimiausią gėlių giminaitį. „Šioje srityje visiškai nėra bendros nuomonės“, sako Doyle'as. Tačiau sutarti pavyksta, kai pradedama nagrinėti ankstyvoji pačių gėlių evoliucija. Tirdami daugelio žydinčių augalų DNR mokslininkai nustatė seniausias šiuo metu išlikusias jų rūšis. Tiesa, pačią seniausią „giminės medžio" atšaką atstovauja vos viena rūšis: krūminis augalas pavadinimu Amborella, kuris randamas tik Naujosios Kaledonijos saloje pietinėje Ramiojo vandenyno dalyje. Vandens lelijos ir žvaigždinis anyžius yra kitos dvi seniausios šiandien gyvenančios rūšys.

Jei mes galėtume nukeliauti 130 milijonų metų į praeitį, ankstyvosios gėlės įspūdžio jums tikrai nepadarytų. „Jos neatrodė taip, tarsi iš jų kažkas gausis“, sako Doyle'as. Šie gėlių protėviai buvo maži, retai pasitaikantys, gyveno gerokai „sėkmingesnių“ nežydinčių augalų šešėlyje. Prireikė daugelio milijonų metų, kad jų evoliucija pagaliau įsibėgėtų. Maždaug prieš 120 milijonų metų susiformavo nauja gėlių rūšinė atšaka, kuri paplito daugelyje miškų gausybe įvairiausių pavidalų. Šiai atšakai priklauso 99 procentai visų šiandien Žemėje augančių žydinčių augalų, pradedant magnolijomis ir pienėmis, baigiant moliūgais. Šis evoliucijos „sprogimas“ taip pat lėmė ir gėlių fosilijų pagausėjimą – fosilijų, kurios taip ir nedavė ramybės Darvinui.

Visos gėlės, tiek minėtoji Amborella, tiek visos kitos pasižymi ta pačia bazine sandara. Beveik visi žiediniai augalai turi vainiklapius, kurie supa vyriškus ir moteriškus augalo organus. Pirmosios gėlės buvo mažos ir paprastos, savo išvaizda greičiausiai primenančios dabartines Amborella gėles. Vėliau, praėjus šešioms evoliucijos kartoms, joms išsivystė vidinis vainiklapių ratas. Jis buvo didelis ir spalvingas, tuo tarpu išorinis ratas susidėjo iš dažniausiai žalios spalvos lapus primenančių ataugų, vadinamųjų taurėlapių. Taurėlapiai apsaugo jaunų augalų pumpurus. Remiantis šiuo atradimu galima teigti, jog visi vainiklapiai nėra vienodi. Pavyzdžiui, medžio trilapės azimos vainiklapiai evoliucionavo nepriklausomai nuo, tarkim, rožės žiedlapių. Tačiau gėles sudarantys genai rodo, kad istorija yra daug platesnė.

Devintojo dešimtmečio pabaigoje mokslininkai aptiko pirmuosius gėlių vystymąsi valdančius genus. Jie studijavo nedidelį augalą pavadinimu Arabidopsis, kuris botanikams pasitarnavo tarsi augalinė „laboratorinė žiurkė“. Tirdami jį, mokslininkai įsitikino, kad elementarios genų mutacijos gali sukelti groteskiškus pokyčius. Kai kurių mutacijų atveju vainiklapiai išaugdavo tose vietose, kur turėjo būti kuokeliai – gėlės vyriškieji organai; kitos mutacijos transformuodavo vidinį vainiklapių žiedą į taurėlapius. Buvo mutacijų, po kurių taurėlapiai po pakartotinių mutacijų virsdavo į paprastus lapus.

Atradimas garsiai atkartojo vokiečių poeto Gėtės idėjas. Gėtė ne tik parašė „Faustą“, bet ir garsėjo kaip gėlių stebėtojas. 1790 metais jis parašė mokslinio pobūdžio apybraižą „The Metamorphosis of Plants“ („Augalų metamorfozė"), kurioje autorius teigė, jog visi augalo organai, įskaitant žiedus, prasidėjo iš lapų. „Nuo pat pradžios iki pat pabaigos augalas yra ne kas kita kaip lapai“, rašė Gėtė.

Praėjus dviems šimtmečiams, mokslininkai atrado, jog genų mutacijos gali sukelti Gėtės prognozuotas radikalias transformacijas. Per pastaruosius du dešimtmečius specialistai tyrė, kaip tokiomis mutacijomis pasireiškiantys genai veikia normaliose gėlėse. Žinoma, jog genai koduoja tam tikrus baltymus, kurie gal iįjungti kitus genus, o šie savo ruožtu gali įjungti arba išjungti dar kitus genus. Visi genai kartu gali sukelti vainiklapių arba bet kurios kitos Arabidopsis gėlės dalies susiformavimą. Mokslininkai intensyviai bando suprasti, kaip šis mechanizmas suveikė formuojantis dabartiniams žydintiems augalams. Arabidopsis sudarančius genus pavyko rasti ir kai kuriose kitose gėlių rūšyse, įskaitant Amborella. Daugeliu atvejų atsarginės genų kopijos buvo, panašu, atsitiktinai paliktos skirtingų rūšių augaluose.

Kaip bebūtų, šie „statybiniai“ gėlių genai patys savaime nepasako mokslininkams, kokia yra jų funkcija augant gėlei. Norėdami atsakyti į šį klausimą, mokslininkai bando žaisti su augalų genais. Tačiau nei su vienu kitu augalu eksperimentuoti nėra taip lengva kaip su Arabidopsis, tad pirmieji atsakymai dar tik vos pradeda atsiskleisti.

Yale universiteto evoliucijos biologė Vivian Irish kartu su kolegomis mokosi manipuliuoti aguonomis. Irish teigia, jog esminis tokio pasirinkimo motyvas yra tai, kad „aguonos savo vainiklapius išsivystė nepriklausomai nuo kitų augalų“. Ji kartu su bendradarbiais jau identifikavo gėlės augimą lemiančius genus – tai padaryti pavyko kai kuriuos jų tiesiog „išjungus“. Pasirodo, jog aguonų genai yra susiję su Arabidopsis gėlių genais. Pavyzdžiui, Arabidopsis genas pavadinimu AP3 reikalingas auginant vainiklapius ir taurėlapius. Tačiau aguonose yra dvi giminingo geno paleoAP3 kopijos. Irish nustatė, kad abi kopijos lemia skirtingas reakcijas. Išjungus vieną kopiją, transformuojami vainiklapiai; išjungus kitą kopiją, transformuojami taurėlapiai.

Irish teigimu, rezultatai aiškiai rodo, jog ankstyvosios gėlės pirmiausia susiformavo bazinį skirtingus stiebo regionus koduojančių genų rinkinį. Šie „geografiniai“ genai kontroliavo baltymų gamybą, kuriais buvo įjungiami arba išjungiami kiti skirtingas augalo struktūras koduojantys genai. Bėgant laikui tie patys genai galėjo perimti visai kitos genetinės medžiagos kontrolę, taip sukurdami naujas gėlių rūšis. Taigi, aguonos vainiklapiai išsivystė nepriklausomai nuo Arabidopsis vainiklapių, tačiau abu augalai naudoja tokios pačios rūšies genus savo augimui kontroliuoti.

Jei daktarė Irish yra teisi, gėlės turėjo evoliucionuoti panašiai kaip ir mūsų pačių anatomija. Pavyzdžiui, mūsų kojos vystėsi nepriklausomai nuo musių kojų, tačiau skirtingoms galūnėms formuoti reikalingi didžiąja dalimi panašūs senoviniai galūnių „statybos“ genai. „Manau, kad išties nuostabus yra tai, kad tiek gyvūnai, tiek augalai naudojo panašias strategijas, nors ir su skirtingais genais“, sako Irish. Tačiau ji taip pat priduria, kad jos atlikti vainiklapių tyrimai yra tik dalis visos istorijos. „Gėlėms atsirandant įvyko daugybė dalykų“, sako tyrinėtoja. Gėlės išvystė naujos struktūros dauginimosi organus. „Pušys turi vyriškuosius ir moteriškuosius kankorėžius, tuo tarpu gėlės vyriškuosius ir moteriškuosius organus turi ant to paties stiebo“, sako mokslininkė.

Patalpinus lyties organus toje pačioje vietoje, įvyko dar vienas plika akimi nematomas pasikeitimas. Gali būti, jog dėl jo poveikio gėlės užėmė dominuojančią poziciją visame augalų pasaulyje. Kai žiedadulkės grūdelis apvaisina kiaušialąstę, sukuriami du DNR rinkiniai. Vienas genų rinkinys susiformuoja kiaušialąstės apvaisinimo metu, o kitas yra skirtas kiaušialąstę supančiam gemaliniam maišeliui. Maišelis vėliau užsipildo miltingu endospermu, kuris tarnauja kaip maistas išauginant apvaisintą kiaušialąstę į sėklą. Jis taip pat yra maistinė medžiaga mums, kai valdome grūdinių kultūrų pagrindu pagamintą maistą.

Pirmosiose gėlėse endospermas savyje talpindavo atskirą genų rinkinį iš vyriškosios ir vieną genų rinkinį iš moteriškosios pirmtakų pusės. Tačiau susiformavus ankstyvosioms augalų, tokių kaip Amborella ir vandens lelijos, protėvių atšakoms, gėlės savo endosperme pradėjo kaupti po vieną genų rinkinį ir vyriškosios tėvų pusės ir net du genų rinkinius iš moteriškosios pusės. Kolorado Boulder universiteto mokslininkas W. Friedman'as yra tyrinėjęs šį evoliucijos šuolį ir mano, jog tai, kad žydintys augalai, gavę papildomą genų rinkinį, patyrė evoliucinį sprogimą, nėra joks sutapimas. Pavyzdžiui, įmanoma, kad gavęs papildomų genų, endospermas galėjo pagaminti daugiau baltymų. „Tai tarsi didesnio variklio gavimas“, sako Friedman'as. Kiti ekspertai sutinka, kad tokia transformacija įvyko, tačiau jie nėra įsitikinę, kad ji yra gėlių sėkmės pagrindas. „Aš nesuprantu, kodėl toks pokytis turėtų radikaliai keisti bendrą situaciją“, sako Doyle'as.

Friedman'as, tirdamas papildomo genų rinkinio susiformavimą gėlėse, vėl priartėjo prie Gėtės vizijos apie „paprastas priežastis ir jų lemiamus sudėtingus rezultatus“. Gėlės, savo endosperme turinčios vieną moteriškosios DNR rinkinį (pavyzdžiui, vandens lelija), pradeda augti iš vieno branduolio, esančio kurioje nors gemalinio maišelio pusėje. Jis dalinasi, ir vienas naujas branduolys pereina į maišelio vidurį ir tampa endospermo dalimi. Vėliau evoliucijos metu atsirado šio proceso variacija. Rožėse arba aguonose augimas prasideda taip pat iš vieno branduolio, esančio kurioje nors maišelio pusėje. Tačiau branduoliui pasidalinus, vienas branduolys nukeliauja į priešingą gemalinio maišelio pusę. Abu nauji branduoliai dalijasi, ir tik tada po to vieną branduolį iš kiekvienos maišelio pusės pereina į vidurinę endospermo dalį. Toks paprastas procesas – dublikavimas – sukėlė esminį pokytį gėlėse ir padidino jų sudėtingumą. „Gamta neišradinėja dviračio iš naujo“, sako Friedman'as. „Ji naujoves kuria labai paprastais būdais. Jie nėra radikalūs arba paslaptingi – tą jau suprato Gėtė“.