Царевица, култура, която се отглежда на всеки континент, с изключение на Антарктида, прилича много на своя прародител, дива трева с твърди зърна, която днес расте в югозападен Мексико и се нарича teosinte.
Ботаниците дискутират близо век за произхода на царевицата, като в един момент смятат, че съвременното растение е произлязло от изчезнала дива царевица или нещо, което все още е неразкрито. Генетиците обаче в крайна сметка определят през 1990 г., че царевицата е свързана с твърдозърнест теосинтет и стигат до извода, че пухкавото, сочно растение, което познаваме днес, е опитомената форма на дивата трева. Между 10 000 и 13 000 години, учените аргументират, фермерите са подбрали и засадили семената с благоприятни черти и с течение на времето растението се трансформира.
Но в проучване, публикувано миналата седмица в списанието Quaternary International, Smithsonian изследователката Долорес Пиперно, археоботанистка, работеща в полевата станция на Smithsonian Tropical Research Institute в Гамбоа, Панама, сподели нова хипотеза за „машина на времето“. Според минали условия на околната среда, тя и нейните колеги казват, че teosinte изглеждаше много по-различно, отколкото днес и по-скоро наподобява съвременната царевица, отколкото сега. Това може да хвърли светлина върху това защо ранните фермери са избрали да го отглеждат.
При минали условия на околната среда, Пиперно (носеща съвременен теосинте) и нейните колеги казват, че предшественикът на епохата на плейстоцена е изглеждал много по-различно, отколкото днес и по-скоро прилича на съвременна царевица. (Матю Лахние) „Ние знаем, че преди 10 000 - 13 000 години“, казва Пиперно, „когато ловците-събирачи за първи път започнаха да експлоатират дивите предци на [днешните] култури и когато първите фермери действително започнаха да отглеждат културите, температурата и атмосферният CO2 бяха много различни. "
Piperno работи с Klaus Winter, който проектира оранжерия със стъклена камера - машината на времето - поддържана с понижени нива на CO2 и поддържана при по-ниски температури, подобни на тези от късния плейстоцен и ранния холоцен период. За целите на контрола беше приготвен друг оранжерий, имитиращ днешната среда. Тогава Пиперно и нейните колеги засадиха теосинте в двете стаи.
Именно докато изучавали историята на изкопаемата царевица и миналите условия на околната среда, Пиперно започнал да се чуди как биха могли да изглеждат предците на растението през късния плейстоцен и ранния холоцен, когато те са били първо събрани и след това култивирани. Тогава температурата беше 3, 5 до 5, 4 градуса по-хладна, отколкото днес, а атмосферният CO2 се колебаеше на нива около 260 части на милион. По-късно, по време на индустриалната революция, CO2 би се повишил до днешните 405 части на милиард, нивото, в което сега расте високото, дълго разклонено растение на теосинте.
Фенотиповото растение, подобно на царевица, от камерата на „машината на времето“ (A) има единичен пискюл, който прекратява главното стъбло, а женските уши се появяват по протежение на основното стъбло (стрелки). Вложката в горния десен ъгъл представлява близък план на едно от женските уши. Съвременният teosinte, отглеждан в контролната камера (B), има много дълги, първични странични клони (например, горна бяла стрелка), завършвани с пискюли (черна стрелка). Неразвитите женски уши могат да се видят на вторичните странични клони (бели стрелки). (Ирен Холст, STRI) Пиперно се интересуваше от проучвания, изследващи как бъдещите повишения на CO2 и температурата могат да предизвикат нещо, наречено „фенотипична пластичност“, или промени във външния вид на растението в отговор на околната среда. Фенотипичната пластичност може да причини два генетично идентични организма да изглеждат различно, ако се отглеждат в отделни условия.
Във „машината на времето“ Пиперно и Клаус бяха заинтригувани, за да открият, че растенията на теосинте са по-наподобяващи царевицата, която отглеждаме и ядем днес. Докато днес teosinte има многобройни клетъчни клони с уши, растящи на вторични клони, оранжерийните растения са имали едно главно стъбло, покрито с един пискюл, както и няколко къси клона с уши. И семената също бяха различни: за разлика от дивите семена на теосинте, които отлежаваха последователно, всички семена в експерименталните растения узряват всички едновременно, подобно на царевичните ядки или семената. Днешните семена на теосинте са затворени в тесни вегетативни прицветници, но машината, произведена от времето, произвеждаше растения със семенни ядки, които бяха изложени.
Според Piperno, по-малко клони, заедно с лесно видими семена, биха направили teosinte по-лесна реколта за прибиране на реколтата. Тези характеристики - за които се смяташе, че произтичат от селекцията и опитомяването на хората - може би са били предизвикани от промените в околната среда, които предизвикват фенотипна пластичност.
Вътре в камерата на машината за времето, teosinte се отглежда в условия, с които може да се е сблъсквал преди 10 000 години. (Ирен Холст, STRI) Изглежда, че средата е изиграла „значителна, макар и често срещана“ роля във фокуса върху теосинтета за отглеждане, казва Пиперно. Характеристиките, подобни на царевицата, „дадоха начален старт на ранните фермери“.
Даниел Сандвейс, професор по антропология и кватернерни и климатични изследвания в Университета в Мейн, е провел обширни изследвания на ранните климатични промени в Латинска Америка. Той нарече експеримента на Пиперно „новаторски“ и каза, че вярва, че „ще стане модел за цяла поредица от изследвания“.
Пиперно, Клаус и техният екип също бяха заинтересовани да видят как забележим скок на температурата и CO2, възникнал между епохата на късния плейстоцен и холоцен, може да са повлияли на производителността на растенията и може да помогне да се обясни възможна причина, поради която земеделието започва през това време и не преди.
По време на плейстоцена атмосферните нива на CO2 са били дори по-ниски, отколкото през холоцена - поне с една трета - и температурата е била 5 до 7 градуса по-хладна. Нивата на CO2 и температурите в плейстоценската ера са ограничаващи фактори за растежа на растенията, заключи Пиперно, който видя предишни изследвания, сочещи, че отглеждането на растения в среда с ниска CO2, нискотемпературна инхибира фотосинтезата и намалява добива на семена.
Дивият прародител на царевицата - teosinte, е показан да расте при съвременни (камера отляво) и при минали (камера отдясно) климатични условия. Смитсонските учени Долорес Пиперно (вдясно) с Ирен Холст. (Шон Матсън) Собствените резултати на Пиперно отекват предишни проучвания; teosinte също образува повече семена в камерата с по-топла температура и повишен C02. Това явление може би направи селското стопанство за първи път устойчива практика за хранене на семействата. Според Пиперно повишената производителност на растението превърна земеделието в „добра адаптивна стратегия“.
„Резултатите са поразителни“, казва Сандвайс, който отбеляза, че появата на teosinte отдавна е укротена от учени. След като видя как изглежда Teosinte в условията на растеж на плейстоцен, връзката му с царевицата започна да "придобива много повече смисъл."
Експериментът на Пиперно може също да помогне на учените и археолозите да разберат процеса и сроковете на опитомяване на културите по целия свят, отбеляза Sandweiss. Пшеницата, ечемикът и оризът също можеха да преживеят фенотипни промени и повишена продуктивност през късния плейстоцен и ранния холоценски период. Проследяването на този процес може да обясни, „както изглежда при царевицата, защо хората са избрали тези конкретни видове, а не други и защо процесът на опитомяване се е осъществил, когато това е станало“.
Пиперно планира да продължи изследванията си, като провежда изследвания за изкуствена селекция, отглеждайки няколко поколения растения, за да наблюдава наследяването на индуцираните фенотипи, подобни на царевица. Тя казва, че фенотипната пластичност се превръща във важна част от това, което учените наричат „новия модерен синтез“ - разширявайки начина, по който учените разглеждат влиянието на околната среда върху еволюционните промени.
"По принцип отворихме прозорец", казва Пиперно.
