Семена-«вертолёты» хвойных — результат длительного эволюционного эксперимента
Вращающиеся крылатые семена современных хвойных — это инженерное чудо и, как показывают учёные Калифорнийского университета в Беркли, результат примерно 270 миллионов лет эволюции, в ходе которой деревья экспериментировали с лучшим способом рассеивания семян.
Первые виды хвойных, которые производили семена, вращающиеся при падении, использовали разнообразные одно- и двукрылые конструкции. Вращение, или «вертолётный» полёт, удерживает семя в воздухе дольше, увеличивая шанс, что порыв ветра унесёт его на открытое пространство, где оно сможет прорасти без конкуренции.
«Крылатые семена могли способствовать успеху этих хвойных», — говорит палеоботаник Синди Луи.
Однако сегодня все виды хвойных, чьи семена вращаются при падении, по-видимому, остановились только на одном типе конструкции: асимметричной и однокрылой. Несколько разных линий хвойных независимо пришли к этой однокрылой конструкции после экспериментов с «вертолётными» семенами в течение миллионов лет эволюции.
Чтобы убедиться, что поздние хвойные выбрали наиболее эффективную конструкцию для рассеивания семян ветром, Луи и её коллеги создали модели семян, вдохновлённые разнообразием конструкций, найденных в уникальной коллекции окаменелых семян возрастом 270 миллионов лет из Техаса.
Сбрасывая эти модели и снимая их падение высокоскоростными камерами, они показали, что вращающиеся однокрылые семена были наиболее эффективны для воздушного рассеивания. Симметричные двукрылые семена часто не начинали замедляющее падение вращение, но даже если начинали, оставались в воздухе лишь вдвое меньше времени, чем однокрылые.
Более того, разница в лётных характеристиках между однокрылыми вращающимися семенами и асимметричными или симметричными двукрылыми увеличивалась с ростом веса семени или в турбулентном воздухе.
Раннее рассеивание семян
Семена, распространяемые воздухом и водой, стали более распространёнными между поздним карбоном (320 млн лет назад) и ранней пермью (около 300 млн лет назад). В то время большинство растений составляли плауновидные, папоротники, хвощи и семенные папоротники, с появлением нескольких первых хвойных и саговников.
Позвоночные, лишь немногие из которых были травоядными, обычно были крупными и не лазали по деревьям. Единственными летающими животными были насекомые, и, насколько известно, они не распространяли семена.
«Для семени того времени наличие крыльев было фактически одним из немногих способов широко расселиться», — отмечает Луи.
Ископаемые хвойных из Техаса датируются временем, когда Техас находился недалеко от экватора, а Северная Америка была частью массивного континента Пангея. Луи изучала эти окаменелости, работая постдоком в Смитсоновском институте с 2004 по 2008 год, и была поражена разнообразием семян в пределах одного вида по сравнению с сегодняшним днём.
«У этих хвойных можно увидеть шаги от создания крылатых семян к созданию вращающихся семян. Кажется, что пермское хвойное Manifera сначала выяснило, как производить ряд форм крылатых семян, включая высокофункциональные вращающиеся. Однако окаменелости близкородственных хвойных конца перми предполагают, что только гораздо позже они обнаружили, как не производить менее функциональные типы. Примерно в то же время мы также видим в летописи окаменелостей появление первых слегка сочных семян хвойных, которые привлекательны для животных и потенциально указывают на распространение животными. Медленно семена начинают диверсифицироваться во все различные типы, которые у нас есть сегодня».