Древняя пыльца раскрывает удивительный поворот в эволюции цветов

Фото из открытых источников

Анализ древней пыльцы показывает, что причиной значительных изменений в разнообразии растений миллионы лет назад стало не астероидное событие, уничтожившее динозавров, а экстремальное потепление. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Plants.

Цветковые растения доминируют в ландшафтах по всему миру, и ученые давно спорят о том, как им удалось добиться такого успеха. Одно из распространенных объяснений указывает на астероид, уничтоживший динозавров.

Ископаемая пыльца говорит об обратном. Два момента, изменившие растительную жизнь, произошли за десятки миллионов лет до и после этого столкновения, в два самых жарких периода последних 120 миллионов лет. В обоих случаях растения то вымирали, то появлялись одновременно. В промежуточный период, когда планета была холоднее, изменений было очень мало.

Кейл Снайдерман из Мельбурнского университета руководил работой совместно с коллегами из Австралии и Австрии. Они определяли все данные по пыльце и спорам — единственным ископаемым растениям, достаточно распространенным для такого подсчета. Каждый подсчет в исследовании представляет собой подсчет типов пыльцы, а не целых растений.

«Каждый из этих чрезвычайно теплых «периодов смены климатических условий» длился несколько миллионов лет», — сказал соавтор исследования профессор Грег Джордан из Университета Тасмании. «Таким образом, самые теплые парниковые климаты одновременно уничтожали и способствовали разнообразию растений, но только если рассматривать ситуацию в масштабе миллионов лет».

В отличие от крупных остатков растений, пыльца может накапливаться в огромных количествах в озерных отложениях, сохраняя подробную летопись древней растительности. Проблема в том, что палеонтологи не одинаково тщательно исследовали каждый период времени. Если копать глубже в один период, он может показаться богаче, чем соседний.

«Количество доступных ископаемых варьируется в зависимости от геологического времени и региона. Из-за этого простой подсчет ископаемых видов может давать обманчивое представление о разнообразии в эволюционном контексте», — сказал Снайдерман.

Поэтому команда создала собственную базу данных и поддерживала постоянный уровень выборки на каждом временном интервале, прежде чем сравнивать один интервал с другим. База данных по юго-восточной Австралии содержит 14 254 записи из 335 ископаемых комплексов на 167 участках.

Большая часть информации получена из многолетних отчетов о бурении, хранящихся в архивах Геологической службы штата Виктория и ее тасманского аналога. На протяжении большей части последних 125 миллионов лет этот уголок мира располагался примерно на 65 градусах южной широты, недалеко от Антарктиды.

На протяжении всей геологической летописи почти все события сосредоточены в двух коротких интервалах. Один из них приходится на середину мелового периода, примерно 95–90 миллионов лет назад. Второй период приходится на поздний палеоцен и ранний эоцен, примерно 58–54 миллиона лет назад. Оба относятся к числу самых теплых периодов парникового эффекта за последние 200 миллионов лет.

Потери в эти периоды были значительными. Из папоротников, мхов и их родственников, впервые зарегистрированных примерно до 89 миллионов лет назад, к моменту второго потепления исчезло около 75%.

Примерно 84 миллиона лет назад хвойные деревья и их родственники утратили около 60% зарегистрированных типов пыльцы. Даже первые цветковые растения к началу эоцена потеряли около 80% своего численного разнообразия.

Новые виды появились в те же промежутки времени. Наземная растительная флора, унаследованная от раннего мелового периода, примерно утроилась в разнообразии в период от 120 до 55 миллионов лет назад, и именно в эти два периода произошел этот рост. В ходе второго этапа цветковые растения в конечном итоге вытеснили остальные группы.

Другими словами, флора перестраивалась дважды, а не просто дрейфовала. Один статистический разрыв в этой истории приходится на 83,5 миллиона лет назад, а другой — на 54,3 миллиона лет назад.

Теплый мир не везде одинаков по температуре. Тропики мелового периода часто описывались как достаточно жаркие и сухие, чтобы быть смертельно опасными. Если это так, то переохлаждение могло бы помочь растениям только в прохладных и влажных местах, подобных тому, где был зафиксирован австралийский рекорд.

Поэтому команда провела аналогичный анализ ископаемой пыльцы из северо-восточной Африки, которая располагалась на экваторе на протяжении всего мелового периода. Эти данные, охватывающие около 48 000 пыльцевых зерен из 19 скважин и участков, показывают одинаковый всплеск появления и исчезновения всех трех групп растений в середине мелового периода.

В первой половине истории команда сравнила свои данные с опубликованным анализом пыльцы из американских тропиков. Там также темпы появления новых типов достигли пика в конце палеоцена и начале эоцена и коррелировали с глобальной температурой.

Тепло — не единственная возможная причина. В этот период Австралия смещалась на север и отделялась от Антарктиды, а также происходило соперничество между группами растений. Команда проверила все эти факторы. Температура, изоляция континента, его широта и влияние групп растений друг на друга были включены в модели, которые позволили им конкурировать между собой в объяснении полученных данных.

Из 20 взаимосвязей, подтвержденных этими моделями, 13 были связаны с климатом.  То же самое наблюдалось и при сравнении целых классов объяснений. Учет климатических факторов улучшил соответствие в 89% случаев, в то время как изоляция, широта и влияние отдельных растений друг на друга — менее чем в половине случаев.

Астероид выглядит незначительным. Среди растений вымирание произошло задолго до столкновения. Данные экваториальных геологических исследований свидетельствуют о вымирании папоротников и хвойных деревьев задолго до этого, а на юго-востоке Австралии разнообразие хвойных растений оставалось таким же, как и прежде, сразу после исчезновения динозавров.

Авторы писали, что некоторые глобальные кризисы, в том числе и массовое вымирание в конце мелового периода, являются вторичными по отношению к фазам потепления в формировании жизни на суше. Длительный период «теплицы» оказывает более глубокое воздействие на флору, чем отдельная катастрофа.

Один временной промежуток противоречит остальным. К началу миоцена, примерно 20 миллионов лет назад, Австралия сместилась достаточно далеко на север, так что температура поверхности моря в этом регионе почти сравнялась с температурой раннего эоцена. Растения там практически не отреагировали.

Разница в том, что планета в целом не соответствовала этим показателям. Пиковые температуры миоцена были примерно на 10°C выше современных, тогда как в более ранний период теплицы они были примерно на 20°C выше.

Глобальная температура предсказала австралийский рекорд лучше, чем местные показатели воды, и в американских тропиках наблюдается такое же сдержанное миоценовое изменение.

Таким образом, речь идет о чем-то глобальном, а не об одном конкретном теплом участке. Авторы предполагают цепную реакцию: экстремальная жара, высокое содержание углекислого газа и небольшой разрыв между полюсами и экватором ускоряют круговорот воды.

Это способствует распространению теплых, влажных, лесистых местообитаний, где и зарождаются новые генеалогические линии.

Однако древнее потепление мало вселяет уверенность в современные растения. Изменение климата, вызванное деятельностью человека, происходит гораздо быстрее, чем любой из доисторических периодов, оставляя видам гораздо меньше времени на адаптацию.

«Хотя вымершие виды в конечном итоге будут заменены новыми, мало кто из нас будет доволен тем, что придется ждать несколько миллионов лет, пока они эволюционируют, особенно учитывая, что мы можем предотвратить исчезновение видов уже сегодня, если прекратим выбросы CO₂ от сжигания ископаемого топлива», — сказал соавтор исследования Крис Мэйс из Венского музея естественной истории.

Почему экстремальная жара вообще приводит к появлению новых видов растений, до сих пор остается неясным. Уничтожить их — проще всего, поскольку достаточно высокая температура выводит растение из строя.

Команда перечисляет кандидатов на вторую половину: ускорение круговорота воды, более стабильный климат в долгосрочной перспективе, больше углекислого газа для фотосинтеза. Ни один из этих вариантов не сравнивается здесь с другими.

Африканская летопись обрывается в конце мелового периода. Кроме того, она охватывает всего семь временных интервалов, что слишком мало для проведения сравнения моделей, подтвержденного австралийскими данными. Сам австралийский анализ основан на 18 временных интервалах, каждый из которых представляет собой срез геологического времени, а не повторный эксперимент.

А подсчет древней пыльцы — это не совсем подсчет растений, потому что растения, которые выглядят одинаково в пыльцевом зерне, учитываются только один раз. Появление новых ископаемых остатков могло бы помочь объяснить, почему экстремальное потепление изменило древние экосистемы.

На данный момент полученные результаты показывают, насколько глубоко изменение климата может повлиять на растительный мир, и почему сегодняшнее быстрое потепление представляет собой совершенно иную угрозу.