Több mint egymilliárd éve kezdődött a növények bámulatos evolúciós karrierje. A zöldalgáktól a szárazföldet meghódító mohákon és harasztokon át a jura időszaki fenyőerdőkig és a jégkorszaki mamutsztyeppékig a növények a Föld szinte minden szegletét benépesítették, miközben öt tömeges kihalást is átvészeltek.

Ma nagyjából 400 ezer növényfaj él a bolygón, és nem könnyű a sokféleségükben eligazodni. „Darwin óta már elég egyértelmű, hogy az egyetlen természetes rendszer, amit minden biológus keres, az az, amit maga a természet kreált. És ez a leszármazási mintázat” – mondja Podani János biológus, az MTA rendes tagja, az ELTE professor emeritusa. Arra viszont, hogy a növények és más élőlények valóban evolúciós rokonságuk szerint legyenek rendszerezve, az utóbbi évtizedekig kellett várni.

Az Eötvös Kiadó gondozásában nemrég jelent meg Podani „A növények evolúciója és osztályozása – Rendhagyó rendszertan” című könyvének negyedik, teljesen átdolgozott, immár 700 oldalas kiadása, ami az evolúciós leszármazás szerint tárja elénk a Föld növényvilágának múltját és jelenét (a kiadvány online ingyenesen elérhető). Ebből az alkalomból beszélgettünk a biológussal az élővilág evolúciós történetét bemutató „élet koralljáról”, a növények sikerét lehetővé tevő evolúciós vívmányokról, és persze nem kerültük meg azt a kulcskérdést sem, hogy mi tesz növénnyé egy növényt.

A linnéi rendszert felváltotta az evolúciós rendszertan

Az élőlények rendszerezésének tudományát, a taxonómiát Carl von Linné svéd természettudós alapította meg a 18. században. „Linné meg tudott szüntetni egyfajta káoszt” – mondja Podani, és az általa lefektetett mesterséges osztályozás sokáig jól működött a növénytanban. Csakhogy a linnéi rendszer önkényes rangokat állított fel a fajok osztályozására – ilyenek a jól ismert család, rend vagy osztály, és a fajok egyikbe vagy másikba történő besorolása a 20. század második feléig alaktani alapon, kiragadott bélyegek szerint történt.

Így a rendszertan legtöbbször nem az élőlények evolúciós rokonsági kapcsolatait vette alapul, amelyek feltárása ma filogenetikai módszerekkel, elsősorban molekuláris adatok alapján történik. Richard Dawkins evolúcióbiológus – idézi fel Podani – ezt úgy fogalmazta meg, hogy a Linné által lefektetett rendszer tökéletesen működött, egészen addig, amíg nem akartunk a múlttal foglalkozni. Ez azért is volt komoly probléma, mert az élőlények tényleges rokonságán alapuló rendszertana adja más biológiai tudományterületek és egy sor kutatás alapját. Így tudnak az ökológusok olyan kérdéseket megválaszolni, mint hogy mi vezetett ahhoz, hogy egy növénytársulás fajai ugyanazon a helyen, hasonló életkörülmények között éljenek.

A leszármazási viszonyokra épülő rendszerezés nincs összhangban a linnéi, rangokra alapozó rendszerrel, mondja Podani. A taxonómiában így egyre inkább terjed a kladisztikus felfogás, amely mellőzi az önkényes rangokat, és csak kládokat használ. Adott kládba egy közös ős és összes leszármazottja, és csakis azok tartoznak, azaz a kládok evolúciós értelemben monofiletikusak. Eszerint például a dinoszauruszok a Dinosauria kládot alkotják, a ma élő madarak pedig a theropoda dinoszauruszok Maniraptora ágába illeszkednek.

A vérbeli kladisztikusok a Linné által minden élőlényre alkalmazott kettős nevezéktannal sincsenek kibékülve, ami a fajokat egy rendszertani nemzetséget (genus) jelölő előtaggal és faji jelző (species) utótaggal nevezi meg. A genusok ugyanis nem feltétlenül monofiletikusak, és ehhez elég megvizsgálni saját fajunk elődeit. Amennyiben a Homo genus ősei Australopithecusok voltak, akkor az utóbbi nem is tekinthető valódi kládnak. Csakhogy a kettős nevezéktan olyan erősen rögzült a tudományban, oktatásban és kultúrában, hogy ezt ma már szinte lehetetlen lenne megváltoztatni.

Az élet korallja

Podani egy másik problémára is rávilágít. A molekuláris filogenetika módszereivel a kutatók egyre pontosabban tárják fel az élőlények valódi rokonsági kapcsolatait, az eredményeket pedig az élet fájával (The Tree of Life) ábrázolják. A legtöbb publikált élet fája azonban a biológus szerint sem a botanikai, sem a matematikai fa definíciójának nem felel meg, és legfeljebb metaforaként értelmezhető. „A tudományban célszerű jó definíciókra alapozni a mondandónkat” – szögezi le a biológus. A fa három okból sem alkalmas az evolúció korrekt érzékeltetésére, még hasonlatként sem: egy fa gyökérzete ugyanakkora lehet, mint a lombozata, ágai felfelé vékonyodnak, és egészében élő szervezet, a gyökerektől a legfelső levelekig.

A biológus az élet fáját az élet koralljával (The Coral of Life) helyettesítené, amiről szenvedélyesen mesél.

A koralldiagramot Darwin javasolta először egyik jegyzetében. Az evolúcióelméletet megalkotó természettudós tengeri útjai során ismerte meg a korallzátonyokat, ahol az élő korallpolipok akár több kilométer vastag elhalt rétegeken élnek. Az elpusztult korallágak így az élet múltját, a végágak kis polipjai pedig a ma élő élőlényeket reprezentálják. A koralldiagram képes egyszerre megjeleníteni a kihalt és a ma élő fajok kapcsolatrendszerét az idő függvényében, az egyes csoportok fajgazdagságát, valamint a legfontosabb evolúciós eseményeket. Az elágazó korall egyes ágai felelnek meg a kládoknak mint természetes történeti egységeknek. Az élet koralljáról Podani az Evolutionary Biology folyóiratban közölt 2019-ben egy tanulmányt. Ezt eddig 15 ezren olvasták, de mint mondta, így sem volt átütő hatása, és a kutatók javarészt ma is az élet fáját emlegetik cikkeikben.

Mitől növény egy növény?

Évszázadokon át mindent, ami egy helyben növekszik, növénynek tartottak, köztük a gombákat, valamint a csalánozók közé tartozó korallokat is. A 20. század második felére már csak a fotoszintetizáló szervezetek maradtak a növények között, ma pedig úgy véljük, hogy attól, hogy egy élőlény fotoszintetizál, még nem feltétlenül tekinthető növénynek. Ehhez elég csak a cianobaktériumokra gondolni, amelyek több mint 3 milliárd évvel ezelőtt sajátíthatták el az oxigéntermelő fotoszintézis képességét, és örökre megváltoztatták bolygónk légkörét.

A biológusok ma növények alatt szűkebb értelemben olyan, az Archaeplastida kládba tartozó eukarióta szervezeteket értenek, amelyek sejtjeiben elsődleges endoszimbiózisból származó kloroplasztiszok találhatók. Ezek a fotoszintetizáló sejtszervecskék egyetlen ősi cianobaktérium leszármazottai, amit egy korai eukarióta sejt kebelezett be, így a szintén endoszimbiotikus eredetű mitokondriumhoz hasonlóan saját DNS-sel rendelkeznek. A már elnevezésében is az ősi kloroplasztisz eredetre utaló Archaeplastida klád 1,4-1,7 milliárd évvel ezelőtt jelenhetett meg, mai képviselőik a zöld növények (Viridiplantae), a vörösmoszatok (Rhodoplantae) és a kékeszöld algák (Glaucophyta).

Nem növények viszont az eukariótákon belül az Archaeplastidáktól filogenetikailag erősen elkülönülő kovamoszatok, amelyek az óceán szerves anyagának közel felét teszik ki, és a Földön évente keletkező oxigén 20-50 százalékát termelik. Sok más algacsoport, például a barnamoszatok és a sárgamoszatok sem tartoznak mai felfogásunk szerint a növények közé. Ezek ugyanis a fotoszintetizáló üzemekként szolgáló kloroplasztisz sejtszervecskéiket egy egysejtű vörös- vagy zöldalgával létrejött szimbiotikus kapcsolatból, vagyis másodlagos endoszimbiózisból szerezték meg.

Döntő szerepük lehetett a gombáknak a növények szárazföldre lépésében

Kevés sorsfordítóbb „pillanat” volt a földi élet történetében, mint amikor a növények kiléptek a szárazföldre. Erre fosszilis bizonyítékok alapján nagyjából 450 millió évvel ezelőtt kerülhetett sor, amikor édesvízi zöldalgák egy kis csoportja megtelepedett a kontinenseken. Ezek leszármazottai a mohák, a harasztok, a nyitvatermők és a zárvatermők, amelyek azóta benépesítették bolygónkat. Ekkor már elég magas volt a légköri oxigénszint (a növények a sejtlégzéshez oxigént vesznek fel a levegőből), valamint kialakult a DNS-t roncsoló ultraibolya sugárzás jelentős részét blokkoló, stabilis ózonréteg. A növények szárazföldre lépéséhez ezek mellett egy 2025-ös kutatás szerint a terepet előkészítő gombák járulhattak hozzá, amelyeknek a zöldalgákkal való kapcsolatai több százmillió évvel korábbra nyúlnak vissza.

„Ez valószínűleg döntő szerepet játszott a szárazföld meghódításában” – mondja Podani. A növények és gombák közötti mikorrhizás kapcsolat, ami a szárazföldi növényfajok 80 százalékánál érhető tetten, általában mutualisztikus, vagyis mindkét partnernek kedvező. A fosszilis bizonyítékok arra utalnak, hogy ezen együttélés ősi és máig legelterjedtebb formája, az arbuszkuláris mikorrhiza, amiben a gombafonalak behatolnak a hajtásos növény gyökerének sejtjeibe, már az első szárazföldi növényeknél megjelent. Ennek révén a gombák vizet és sókat szolgáltatnak a növényeknek, míg a növények szerves molekulákat tartalmazó asszimilátumokkal segítik a gombák életben maradását.

A szárazföldön tartósan megtelepedett növényeket számos evolúciós újdonság jellemezte, mint például az új környezet viszontagságaitól védő struktúrák, illetve a külvilággal való kapcsolatot szabályozó gázcserenyílások. A szárazföldön a minél kisebb felület/térfogat arány volt a legkedvezőbb, és kizárólagossá vált a háromdimenziós testforma. A szárazföldi növények közvetlen ősei, az úgynevezett Streptophyta zöldalgák haploid szervezetek voltak, vagyis sejtjeikben egyetlen kromoszómakészlet volt jelen. A diploid, vagyis két kromoszómakészletes életszakaszukat csak a megtermékenyített petesejt, a zigóta képviselte.

Már nem a víz az úr

A növények több százmillió éves evolúciós történetének egyik legfontosabb trendje, mondja Podani, hogy a szárazföldre lépés után a víztől sokkal inkább függő haploid életszakasz fokozatosan visszaszorult, és a szárazföldi léthez a két kromoszómakészlet miatt az evolúciónak több lehetőséget biztosító diploid életszakasz alkalmazkodott jobban. Annak, hogy a növények be tudták népesíteni a kontinenseket, egyik kulcsa a diploid életszakasz egyre inkább dominánssá válásával a víztől történő viszonylagos függetlenedés, valamint a vízháztartás belső szabályozása volt.

A mohák erre nem képesek: közvetlen vízzel való kapcsolatra vannak utalva, mert a szervezetükön belül nincsenek vízszállításra képes szövetek. A hajtásos növények viszont már tudtak vizet szállítani, és ezzel együtt a fölfelé növekedés lehetősége is megnyílt számukra, amivel a mohák már nem tudtak lépést tartani. Több tízmillió évvel a szárazföldre lépés után megindult a növények között a fényért való küzdelem, és megjelentek az első, több tíz méter magas harasztok.

A karbon és perm időszakokban a Föld trópusi övezeteit pecsétfák, pikkelyfák és zsurlófák uralta erdők borították be. Ezeknek a növényeknek a lebomlott maradványaiból keletkeztek a széntelepek. Az iparosodás óta az emberiség ezt a több tízmillió év alatt felhalmozódó szenet égeti el, ami más fosszilis kibocsátásokkal együtt a légköri szén-dioxid-szint jelentős növekedéséhez és eddig 1,4 Celsius-fokos globális felmelegedéshez vezetett.

A magvas növények, azaz a nyitvatermők és a zárvatermők evolúciós előnye a spóratermő harasztokkal szemben a tartós és hosszabb ideig életképes mag. Ezáltal a már fejlődés alatt álló utódjaikat, a zigótából kialakult csírát tudják terjeszteni, amire az evolúció során számtalan trükköt kifejlesztettek. A nyitvatermők már a perm időszakban, több mint 250 millió évvel ezelőtt elkezdtek dominánssá válni a Földön, és virágkorukat a triász és jura időszakokban élték.

A zárvatermők a filogenetikai vizsgálatok alapján a késő jurában jelenhettek meg, de első ismert fosszíliáik a kréta időszak elejéről származnak. A kora krétában a zárvatermők gyors diverzifikáción mentek keresztül: fő csoportjaik 10-20 millió év leforgása alatt megjelentek. Ezt Darwin rejtélyesnek nevezte, és Podani szerint máig kérdéses, hogy mi vezethetett ehhez a gyors fajszámrobbanáshoz. A késő kréta erdeiben már a zárvatermők uralkodtak, amelyek a kréta végi kihalás után még változatosabbá váltak: létrejöttek a modern erdei ökoszisztémák, és az utóbbi néhány millió évben a füves puszták.

A zárvatermők evolúciós innovációját az adta, hogy a mag egy zárt termésben fejlődik, és úgy terjed, ami növeli a túlélési esélyét és annak a lehetőségét, hogy új növénnyé fejlődjön. Ennek a csoportnak a rendszertana is sokat változott az utóbbi évtizedekben. Az egyszikűek önálló kládot alkotnak, a korábbi értelemben vett kétszikűek viszont nem monofiletikusak, csak a legtöbbjüket befogadó, újonnan felismert „valódi kétszikűek” kládja tekinthető annak.

A növények több mint egymilliárd éves evolúciós történetének rekonstruálását megnehezíti a fosszíliák viszonylagos ritkasága. Ez ugyanakkor nem meglepő: rendkívüli szerencse kell ahhoz, hogy egy növényi rész fosszilizálódjon, a fosszília több százmillió éven át megmaradjon, és aztán egy paleobotanikus rá is találjon. A növények ráadásul nem teszik meg azt a szívességet, hogy egyben őrződnek meg, így nem mindig derül ki, hogy egy megkövesült faág, egy levéllenyomat vagy egy termés ugyanahhoz a fajhoz tartozik-e, vagy sem.

Forrás