Близько 600 мільйонів років тому крихітна прісноводна водорість з невідомої нам причини вийшла на сушу. З того часу розпочався довгий еволюційний шлях, який змінив обличчя нашої планети.
Сьогодні вчені намагаються зібрати до купи скам'янілості та геномні дані, які демонструють логіку поступової адаптації перших живих організмів до незвичного їм земного середовища. Водорість спочатку набула спеціалізовані тканини, потім коріння, стеблі й, врешті решт, охайнузувалась листям.
На Землі виникла флора: 198000 видів рослин, з яких каталогізовано 215614.
А за весь період еволюції існувало... не зважаючи на існування проєкту Earth BioGenome, ми навіть приблизно не опишемо кількість можливих видів, починаючи з едіакарського періоду.
"Це була одна з найважливіших подій в історії Землі, - каже еволюційний біолог Панкай Кумар. - Вона не тільки відкрила цілий новий світ для рослин, але й кардинально змінила геологію, клімат та екосистеми по всій планеті".
У міру того, як протягом сотень мільйонів років рослини поширювалися материками, їхній фотосинтез виробляв кисень і поглинав вуглекислий газ, змінюючи атмосферу Землі. Коріння руйнували гірські породи, створюючи перші ґрунти. Новоявлені ліси стабілізували ландшафт і сформували річкові екосистеми.
Велика кількість рослинної біомаси забезпечила нові місця проживання - джерела їжі, які дозволили існувати незліченним видам тварин і мікроорганізмів. Прямий зв'язок з водою був перерваний назавжди.
"Життя повністю трансформувалося, - пояснює Кумар. - Все тому, що кілька живучих водоростей "ризикнули" і змогли вижити на суші".
Питання тільки в тому, чому вони ризикнули та покинули сприятливі для них екологічні ніші. Адже хижаків в ті часи не було — розвивайся як бажаєш. Ніхто не стримував в опануванні водних резервуарів.
З часом розвинулись складні життєві цикли, а симбіоз з грибами допомогли справлятися з еволюційними стресами. Виникло майже 400 000 видів наземних рослин, які панують в наш час.
Еволюція адаптацій
Але які еволюційні інновації дозволили наземним рослинам успішно перейти з водного середовища в наземне? Інакше кажучи, чому виникли кембрійський та ордовицький періоди?
Результати дослідження, опубліковані в журналі Evoltionary Biology, проливають світло на адаптації, яких зазнали перші рослини - висихання, сильна спека, ультрафіолетове випромінювання та дефіцит поживних речовин.
Одним з найважливіших нововведень була поява симбіотичних відносин з арбускулярними мікоризними грибами, що дозволило живим організмам підтримувати власний життєвий цикл. Палеонтологічні дані вказують на те, що партнерські стосунки з'явились понад 400 мільйонів років тому і мали вирішальне значення для експлуатації ґрунту як складу корисних речовин.
На молекулярному рівні такі гени, як DMI1, DMI3 та IPD3, що регулюють формування мікоризи, передались від спільних предків наземних рослин, заклавши основи наземного життя.
Іншою важливою адаптацією стала поява сигнальних шляхів - абсцизової кислоти (ABA). Вона регулює закриття продихів і стійкість до посухи. Примітно, що компоненти ABA-сигналізації зустрічаються навіть у стародавніх водоростей-стрептофітів, які існували у доісторичному водному середовищі.
Крім того, такі інновації, як листя, корені, судинна система та програма детермінованого росту дозволили розвивати ефективні фізіологічні та біохімічні системи, необхідні для виживання на суші.
Роль повногеномної дуплікації
Але біологічну революцію зробили повногеномна дуплікація (WGD) та дуплікації генів, що послугували каталізаторами генетичних інновацій у наземних рослинах. Саме вони переформатували тканину рослинного різноманіття.
Складний танець WGD починається з активації транспонованих елементів та епігенетичних змін, що спричинили каскад швидких мутацій та змінили природу генної регуляції. Генний переворот модернізував структури, проклавши шлях до нових фенотипів. Що особливо помітно у квіткових рослин, де WGD проявляється у вигляді кратних чисел основних хромосом. Виникає феномен поліплоїдії — стан з більш ніж двома повними наборами хромосом.
Поліплоїдія, по суті, означає видоутворення. Наприклад, у квіткових рослин вона відіграє роль у 15% випадків видоутворень, а у папоротиних — у 31% випадках. Генетичний феномен залишив свій слід й в еволюційній історії покритонасінних: філогенетичний аналіз виявив три революції на чолі WGD.
До речі, родина складноцвітих (Asteraceae), яка налічує понад 25 000 видів, завдячує своєю швидкою диверсифікацією WGD спільних предків. Генетична спадщина також простежується у сучасних рослин, успішних в колонізації суші.
Поліплоїди, порівняно з диплоїдними аналогами, мають багату генетичну варіативність, що призводить до вищої гетерозиготності. Генетичне різноманіття часто є результатом походження поліплоїдів від декількох гетерозиготних диплоїдних батьків.
Заглиблюючись в епоху повногеномного секвенування, з'ясовується, що навіть класичні диплоїди несуть генетичні ознаки давньої поліплоїдії. Палеонтологи думають, що ці давні події заклали архітектурні стандарти, за якими розвивалось наземне життя.
Однак не всі події WGD рівнозначні; деякі з них призводять до диверсифікації, тоді як інші не мають значного впливу на видоутворення.
Еволюційний наратив квіткових рослин, включаючи орхідеї, трави, покритонасінні та бобові, переплітається з логікою конструювання екосистем, аж до геокліматичних змін та масових вимирань.
Від секвенування геному до розуміння біорізноманіття
Революційний стрибок у науці - секвенування повного геному та біоінформатика, підсилені автоматизацією та штучним інтелектом,- розширюють наші уявлення про біорізноманіття Землі.
Наперекір величезному простору рослинного світу, наші знання обмежуються лише 3% наземних рослин з відомим розміром геному. Сюди входять економічно важливі трави та модельні організми.
Водночас ландшафт геномних досліджень швидко змінюється. Такі проекти, як ініціатива 10KP, вже дослідили генетичне різноманіття понад тисячі видів зелених рослин за допомогою секвенування РНК. Науковці хочуть класифікувати 10 000 видів рослин протягом десятиліття, заглибившись в еволюційну історію основних ліній розвитку.
Ініціатива "Відкриті зелені геноми" також робить успіхи, створюючи високоякісні збірки геномів 35 спільних рослинних ліній.
Але, мабуть, найсміливішим починанням стане проєкт "Біогеном Землі", в рамках якого планується секвенувати геноми всіх еукаріотичних видів на планеті. Такі монументальні зусилля обіцяють докорінно змінити наше уявлення про еволюцію.
Ми поступово заповнюємо прогалини в теорії, відновлюючи ключову роль стародавньої ДНК та складаючи пазл з чисельних послідовностей. Все завдяки розвитку геноміки як базової біологічної дисципліни.
