Цветы, изменившие мир: что мы знаем о растениях, которые победили динозавров

Полевые цветы, казалось бы, что может быть банальнее? И тем не менее их появление с трудом укладывается в дарвиновскую теорию эволюции. Почему эти растения, возникшие будто из ниоткуда, быстро победили всех своих природных конкурентов? Но еще более удивляет тот факт, что, возможно, именно эти незатейливые растения сыграли не последнюю роль в исчезновении с лица Земли гигантских динозавров и в появлении вида Homo sapiens.

Самые коварные вопросы — простые, детские. Попытка ответить на них, понятно, только запутывает объяснение. Например: как и откуда появились цветковые? Рассказывая об их происхождении, придется неизбежно коснуться грандиозного по масштабам преображения всего живого на Земле, случившегося в меловом периоде.

Для сотен тысяч и даже миллионов видов флоры и фауны это было время увядания и исчезновения, тогда как другие вышли на сцену в качестве главных действующих лиц. Навсегда остались в прошлом динозавры, леса из незнакомых нам деревьев, диковинные насекомые, а на их месте появились млекопитающие, заросли привычных нам трав и деревьев, среди которых запорхали птицы и бабочки, зажужжали пчелы.

Правда, гибель меловой флоры кажется незначительной по сравнению с драмой динозавров: уж больно она впечатляющая. Немудрено, что внимание поклонников «Парка юрского периода» и «Затерянного мира» сосредоточено в основном на исчезновении гигантов тогдашней фауны. И причины для этого стараются подыскать тоже колоссальные — вроде взрыва сверхновой или падения гигантского метеорита.

Столь серьезные, планетарного масштаба, катаклизмы, конечно же, иногда случались, наглядным доказательством чему служат гигантские кратеры вроде Чиксулуб на полуострове Юкатан или известная иридиевая аномалия в меловых отложениях. И ни у кого нет сомнений в том, что, например, массовый взрыв всех вулканов способен самым значительным образом повлиять на земную биосферу. В противовес этому мнению есть несколько серьезных возражений против прямой связи глобальных катастроф с великим меловым вымиранием.

Во-первых, биосфера — отнюдь не пассивная структура и не извечная жертва окружающей среды. Ее способности к восстановлению после гибельных внешних воздействий поистине колоссальны. Во-вторых, если внешнее воздействие было такой силы и такого масштаба, с которым не справилась планетарная биота (совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, объединенных общей областью распространения), то меловое вымирание должно было быть по геологическим меркам мгновенным, а не растягиваться на десятки миллионов лет, как это происходило в действительности.

Исходя из современных представлений получается так, что в меловой период кайнозой подтачивал мезозой изнутри — неспешно, но неумолимо и постоянно, пока, наконец, тот не рухнул окончательно. И главными виновниками разрушения мезозоя являются… цветы, точнее, цветковые растения.

Не под силу Дарвину

Возникнув, по разным данным, либо в конце юрского, либо в начале мелового периода, цветы смогли не только выжить среди господствующей тогда флоры, но и полностью вытеснить ее, подчинив Землю своему безраздельному господству. Именно цветковые сегодня образуют основную массу растительного вещества биосферы и являются важнейшими производителями органики на суше, точно так же, как водоросли являются основными продуцентами в морях и океанах.

Цветковые смогли закрепить свое владычество по всей планете: от арктических и антарктических тундр до влажных тропических лесов и саванн, от морских побережий до самой границы вечных снегов и льдов в горах. Некоторые их виды освоили пресные и даже морские воды, сумев если и не составить конкуренцию водорослям, то по крайней мере заставить их слегка потесниться.

Однако нельзя сказать, что цветковые задавили остальную флору только количеством. Они превзошли конкурентов и по качеству, сумев создать в невероятно короткий срок до 250 000 видов. Именно этот стремительный, взрывной рост видообразования Дарвин никак не мог объяснить и в сердцах сознавался: «Быстрое, насколько мы можем судить, развитие всех высших растений в недавние геологические времена — отвратительная тайна (abominable mystery)».

С его теорией эта загадка согласовывалась и впрямь не лучшим образом, ведь Дарвин утверждал: «Естественный отбор никогда не может делать внезапных больших скачков, а всегда подвигается короткими, но верными, хотя и медленными шагами!» Выходило так, что столь быстрые события попросту «не имели права быть». Но они были.

Вне конкуренции

Даже от ближайших соседей по группе — голосеменных — цветковые отличаются весьма существенно, и каждое из их специфических свойств представляет собой мощное оружие в борьбе за существование.

Во-первых, взглянем на сам цветок, который является особым генеративным органом. В нем уникально все — и строение, и процессы, для обеспечения которых эта конструкция предназначена. Правда, цветы до такой степени разнообразны, что не существует ни одного признака, который был бы присущ всем им без исключения, но совокупность отличительных признаков не позволяет спутать цветок ни с чем иным.

Цветок как структура обеспечивает «оплодотворение нового типа». Если проводить аналогии, то оно отличается от оплодотворения голосеменных примерно так же, как в животном мире наружное оплодотворение отличается от внутреннего. И формирование семени у цветковых настолько же непохоже на формирование его у голосеменных, насколько разнится формирование зародыша внутри матки у млекопитающих и в яйцах, отложенных пресмыкающимися.

В результате этих радикальных отличий семя цветковых развивается во влажной среде, обильно снабжаемое питательными веществами, защищенное стенками завязи от внешних влияний. Его изоляция от посторонних воздействий позволила цветковым (которые за эту особенность получили второе название — покрытосеменные) смело экспериментировать с его формой и строением.

К тому же оплодотворение у покрытосеменных не простое, а двойное. Благодаря ему формируется не только зародыш, но и питательная ткань вокруг него — эндосперм. Впоследствии зародыш вместе с питательной тканью образуют плод, в котором семена укрыты сочной мякотью — еще одна характерная черта цветковых. Изменяя форму и вкус плода, покрытосеменные могут «вербовать» в распространители семян кого угодно и что угодно. А если поблизости не найдется никого и ничего, то семена из плода научатся вылетать под давлением, как, например, у бешеного огурца.

Кроме того, цветок идеально приспособлен для опыления опять-таки кем угодно и чем угодно: насекомыми, птицами, млекопитающими, ветром или водой. Эволюционная пластичность цветка такова, что если поблизости найдется кто-то или что-то, способное переносить пыльцу, можно быть уверенным: цветок научится использовать это в своих интересах.

Как правило, процесс взаимодействия выгоден обеим сторонам, и цветы расплачиваются с опылителями своим очередным уникальным изобретением — нектаром, но иногда могут брать то, что им нужно, даром. Некоторые орхидеи, например, настолько точно имитируют брюшко самки мухи или осы, что могут легко обмануть и привлечь внимание самца, который подлетит к растению и тем самым опылит его. Цветки, которые на такие уловки неспособны, научились опылять себя сами.

Еще одно пусть не уникальное, но зато мастерски используемое покрытосеменными «оружие» — неотения, то есть способность организма к размножению на ранних стадиях роста. Благодаря ей деревья покрытосеменных научились «превращаться» в траву. Каждая травинка является по сути тем же, что и огромное дерево в начальной стадии развития — проростком, обретшим способность размножаться.

Но главным ее секретом является не миниатюрный размер, а бешеный темп жизни, длящийся порой лишь один год. За это время растение успевает дать многочисленное потомство, способное не только удержать завоеванную предками территорию, но и захватить новую. А оно ее непременно захватит, поскольку однолетние формы куда более оперативно подстраиваются к требованиям окружающей среды — и непрекращающаяся битва человека с сорняками служит великолепной иллюстрацией к мощи этого оружия цветковых. Кстати, голосеменные подобные преображения не освоили.

Можно также добавить, что в арсенал покрытосеменных входит хорошо сформированная проводящая система из настоящих сосудов, а не трахеид, как у других высших растений, или что цветковые способны образовывать сложные многоярусные сообщества. Но уже и без того понятно, что «ботанический хай-тек» покрытосеменных безукоризнен и свойства, которыми они обладают, оставляют крайне мало шансов конкурентам.

Существа из ниоткуда

Покрытосеменные, несмотря на все старания отыскать их предков, остаются «круглыми сиротами». До сих пор не обнаружено ни одной переходной формы, про которую можно было бы с уверенностью сказать, что именно через нее шла эволюция цветковых. У ботаников спала бы гора с плеч, если бы удалось отыскать, условно говоря, яблоки на елке не только под Новый год, иначе получается, что самые совершенные на планете растения возникли внезапно и вдруг сразу со всем набором своих уникальных признаков. Хотя, разумеется, переходное звено отыскать всегда труднее, чем его потомков: первое «живет» по геологическим меркам куда меньше, чем вторые.

Проблеме происхождения цветковых посвящено огромное количество исследований, однако в этом вопросе по-прежнему много неясного. Общепризнано, что цветковые произошли от голосеменных. Но от кого именно и каким образом? Не было, пожалуй, ни одного маститого ботаника, который не считал бы своим долгом высказаться по этой теме — настолько она представляется важной.

В общем, до сих пор ученые так и не обнаружили следов плавной эволюции цветковых. Их отличия от других растений настолько радикальны, что современные ботаники относят их появление к числу сальтационных, то есть совершенных одним скачком. Это вполне согласуется с современными теориями развития жизни на планете.

В статье «Ароморфозы и адаптивная молекулярная эволюция», опубликованной в 2007 году в «Вестнике Вавиловского общества генетиков и селекционеров», коллектив авторов так определил свою позицию в этом вопросе: «По данным палеонтологии скорость эволюции непостоянна: долгие периоды (десятки и сотни миллионов лет) относительной стабильности морфологии (стазис) могут сменяться краткими (не более десятка миллионов лет) эволюционными взрывами, когда резкие изменения морфологии дают множество новых планов строения».

Великая ангиоспермизация

В конце ХХ века отечественные ботаники выдвинули теорию ангиоспермизации планеты (от латинского angiospermae — покрытосеменные). Согласно ей процесс приобретения характерных для покрытосеменных черт проходили сразу несколько видов голосеменных. Эту теорию подтверждают удивительные находки конца юры: например, отпечатки растений, поразительно напоминающие цветы, которые лишь после тщательного изучения оказываются цветами только по виду, а не по функции у голосеменных. Такие растения назвали проангиоспермами, «предпокрытосеменными».

Энтомологи отмечают, что перед появлением покрытосеменных произошло резкое изменение мира тогдашних насекомых. И это очень важно, поскольку эволюция насекомых теснейшим образом связана с эволюцией растений. Иными словами, первые являются отличным индикатором развития последних. Так вот, насекомые с типичным для антофилов («любителей цветов») внешним видом начинают распространяться с поздней юры — в то время, когда покрытосеменных еще не было.

Получается странная картина: цветковых еще нет, а любители ими полакомиться уже есть. Но парадокс перестает быть парадоксом, если вспомнить, как голосеменные научились создавать имитации цветов. Нет еще настоящих цветковых, но уже есть проангиоспермы, которые и привлекают внимание насекомых.

Похоже, что многие голосеменные, как бы соревнуясь друг с другом, стали вырабатывать в себе черты, свойственные будущим покрытосеменным. Или будто несколько конструкторских бюро, получив заказ, включились в конкурс на создание некоего аппарата. Да и вообще, похоже, что серьезные изменения жизненных форм именно так и происходят — когда долгая пауза сменяется всплеском эволюционной творческой активности сразу у нескольких возможных предков будущего существа (скажем, птицы или человека). Так шли евкариотизация, метазоизация, артроподизация, сперматофитизация, тетраподизация, рептилизация, орнитизация, гоминизация… Одна из таких «-заций», ангиоспермизация, и привела к тому, что на планете появились покрытосеменные.

Какими же были первые цветы? Принято считать, что они напоминали нынешние магнолии: крупные одиночные обоеполые цветки с большим количеством лепестков, чашелистиков, плодолистиков и тычинок. Однако такие типы относятся уже к среднему мелу. Общий же облик древнейших покрытосеменных пока не реконструирован. Собственно, цветков в нижнем мелу пока не находили, а встречались лишь плоды, соплодия, изолированные чашечки. Ни одна из этих находок не позволяет с уверенностью нарисовать образ предка.

Поэтому вслед за флорой, несколько запаздывая, начала меняться и фауна. В конце раннего мела появляются первые плацентарные млекопитающие, все многочисленнее и разнообразнее становятся птицы. В середине мела обнаруживаются древнейшие змеи, возникают муравьи, увеличивается число видов бабочек, а в море — костистых рыб.

Это еще не катастрофа для «верхних этажей» здания, но уже первый звонок о ее приближении. Да и динозаврам пришлось постараться, особенно растительноядным: чтобы приноровиться к новой диете, у них появились клювы, мощные зубные батареи, приспособленные к перетиранию высокоабразивной пищи. Такой пищей являются травянистые покрытосеменные, на которых обязательно бывают минеральные частицы из почвы.

Но предел приспособляемости динозавров, как и многих других, был не бесконечен, а новые формы жизни и не могли останавливаться в своем эволюционном творчестве. Возникают злаковые пастбищные системы, способные поддерживать огромные стада копытных — и те оказываются гораздо более проворными едоками, чем динозавры. Травянистые формы покрытосеменных образуют дернину, сковывают овраги, сокращая эрозию почв и смыв органики в водоемы, и это наносит жестокий удар водной фауне.

Начинается великое меловое вымирание, которое завершает собой мезозой. В кайнозой вошли уже только те, кому разрешили это сделать цветковые растения. Даже сам Homo sapiens в известной степени — продукт мира, в котором полными хозяевами были цветковые. Дело в том, что все наше меню практически целиком состоит как из самих покрытосеменных, так и из тех, кто ими питается.

Неразгаданная тайна

Портал Vokrugsveta.ru попросил прокомментировать современный взгляд на вопрос происхождения цветковых растений профессора МГУ, доктора биологических наук Алексея Владимировича Боброва.

- В последние полтора десятка лет ученые сообщают о новых находках, отодвигающих появление цветковых все дальше в глубь геологической истории. Подошли ли мы уже к разрешению загадки Дарвина?

Дарвин называл эту проблему своей «проклятой загадкой» в происхождении покрытосеменных растений. Но в то время не было известно вообще никаких ископаемых покрытосеменных — только так называемые субфоссилии (ископаемые остатки организмов, не достигшие полного окаменения. — Прим.ред.), например в янтаре, то, что могло сопутствовать древним человеческим цивилизациям, существовало одновременно с ними. А более древних образцов не было. К тому же имелись сильные ошибки в датировках.

Действительно, во времена Дарвина казалось, что цветковые появлялись «как чертик из коробочки»: вот их нет — и вдруг они заполонили весь мир. А если скакнуть в начало XXI века, за прошедшее время появилось очень много новых данных, но концептуально мало что изменилось. Было совершено несколько достоверных находок: это действительно цветковые растения, древние, это нижний мел.

Еще есть археантус — древнейший цветок. Археантус найден намного раньше — в 80-е годы на западе Северной Америки его откопал классик американской палеоботаники Дэвид Дильчер. Археантус — достаточно древнее растение (датировано примерно серединой мела), но по совокупности признаков для него даже не надо выделять отдельное семейство — он хорошо «укладывается» в семейство магнолиевых.

То есть эффект, о котором говорил Дарвин, сохраняется — он просто по времени сместился в меловую эпоху.

- Могло быть так, что цветковые, возникнув, существовали в течение некоего периода как бы в тени голосеменных, прежде чем наступило их время?

Если доверять пыльце, то получается, что цветковые появились давно, в триасе, но в начале мела мы их не находим. Есть очень интересная (и довольно старая) концепция о том, что первые цветковые были горными растениями — возникли в горах и жили там десятки миллионов лет, потому что все равнинные биомы были плотно заселены голосеменными и папоротниковыми. Но от горных растений нам не остается почти ничего. А вот их пыльца может переноситься ветром и может захорониться, мы можем ее находить. Можно предположить, что, скажем, в триасе и в самых ранних отделах мелового периода цветковые были исключительно горными растениями — маргинальной группой.

Потом условия поменялись, и они хлынули с гор буквально сразу, начался активный процесс формообразования, и вот они в короткий (в геологическом смысле) период вытесняют голосеменные, и к концу мелового периода флора уже имеет современный образ — цветковые доминируют.

Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 8, август 2009, частично обновлен в сентябре 2023