Цветы мелового периода, переписавшие историю жизни

Центральным элементом Шведского музея естественной истории в Стокгольме, вероятно, является зал «Окаменелости и эволюция», в котором огромный скелет тираннозавра, кажется, зевает над толпами поражённых школьников. Рядом туристы восхищаются черепом трицератопса и моделью велоцираптора. Эти культовые динозавры эволюционировали в эпоху позднего мелового периода и вымерли около шестидесяти шести миллионов лет назад, примерно в то время, когда астероид врезался в планету. Трудно придумать какое-либо событие в истории жизни, которое оставило бы больший след в человеческом воображении. «Я не думаю, что можно конкурировать с динозаврами», — считает Эльза Мари Фриис, палеоботаник и почётный профессор музея.

Однако Фриис пришла к выводу, что исчезновение динозавров не было самым интересным событием мелового периода. Её больше интересует пара валунов, не замеченных у ног тираннозавра, на которых есть отпечатки очень старых листьев покрытосеменных растений. Покрытосеменные, или цветковые растения, сегодня настолько распространены, что без них едва ли можно представить себе жизнь; они охватывают не менее трёхсот пятидесяти тысяч видов, включая все, от кактусов до ветроопыляемых трав и широколиственных деревьев, и намного превосходят по численности более старые растения, такие как папоротники, хвойные деревья и мхи.

Однако первые динозавры в триасовый и юрский периоды жили в мире без цветов.

Они зажгли революцию, которая заново изобрела саму природу. Цветы могут быть нежными, как маргаритки, зловещими, как крапива, эротичными, как орхидеи, или строгими, как колосья пшеницы. Большинство цветов рекламируют репродуктивные части растения — мужские тычинки, которые производят пыльцу, и женские плодолистики, которые заключают в себе семена и развиваются в плоды — для опылителей, включая насекомых и птиц. Но их происхождение было неопределённым, отчасти потому, что цветы очень эфемерны.

В девятнадцатом веке самыми старыми известными окаменелостями покрытосеменных были отпечатки листьев среднего мелового периода, которые уже выглядели как листва современных деревьев; Чарльз Дарвин назвал их «отвратительной загадкой», потому что их внезапное появление в летописи окаменелостей поставило под сомнение его теорию медленной и постепенной эволюции. В 1960-х годах изучение окаменелой пыльцы покрытосеменных растений из Англии и Северной Америки показало, что цветковые растения возникли в раннем меловом периоде. Тем не менее, не было никаких достоверных следов цветов, которые принесли пыльцу.

Питер Крейн, бывший директор Королевского ботанического сада в Кью в Лондоне, говорит, что, будучи молодым учёным, он без особого успеха искал ископаемые цветы в Канзасе и Небраске, отбивая и долбя камни так же, как палеонтолог охотится за костями. Затем он встретил Фриис, которая искала окаменелости в шведской каменоломне. Вместо того, чтобы разбивать камни, она раскрошила в решете мягкий осадок, смыла песчинки водой и сохранила оставшиеся крошечные крупинки древесного угля. Собранным ею предметам было около восьмидесяти миллионов лет, и они, возможно, не заполнили бы и спичечного коробка, не говоря уже о зале музея. Однако когда она посмотрела на них в лаборатории под микроскопом, то увидела крошечные трёхмерные цветы.

Лесные пожары часто превращают растения в пепел, но там, где поступление кислорода ограничено — например, в середине ствола дерева или под лесной подстилкой — он также обладает способностью сохранять. Тепло испаряет влагу в растительных тканях и может оставить после себя чёрный углеродный скелет, который может сохраняться в геологических слоях в течение десятков миллионов лет. «Большой палеонтологический прогресс происходит благодаря тому, что люди видят вещи по-новому», — говорит палеонтолог Чикагского университета Нил Шубин.

Фриис и её сотрудники, в том числе Крейн и партнёр Кай Педерсен, продолжили поиски угольных цветов мелового периода в Португалии и Соединённых Штатах. Другие палеоботаники нашли их с помощью её методов в Японии, Чехии, Новой Зеландии, Казахстане и Антарктиде. Раскрыв происхождение цветов, Фриис помогла разгадать ужасную тайну и увидеть зарю современного мира.

Наверху лестничной клетки в четырёх деревянных шкафах Шведского музея естественной истории хранится большая часть окаменелостей, которые она собирала почти пятьдесят лет. Исследовательница подготовила кусочки древесного угля, большинство из которых были размером с маковое зернышко, для анализа разными способами. Некоторые приклеены к латунным дискам прозрачным лаком для ногтей для сканирования в электронном микроскопе. Другие она покрыла смолой, нарезала на ультратонкие сегменты и поместила на предметные стёкла. Маленькие стеклянные банки выглядят как перечницы, но на самом деле содержат древесный уголь, который ещё нужно рассортировать и описать.

Фриис родилась в Дании в 1947 году и собрала свои первые окаменелости, среди которых были улитки и моллюски, ещё девочкой, бродившей по побережью Лимфьорда. Её научные занятия начались на геологическом факультете Орхусского университета. Изначально Фриис специализировалась на лигните или буром угле, предшественнике чёрного угля, который образуется из разлагающейся растительности. Чтение познакомило её с палеоботаниками из Восточной Европы и женщинами, которые просеивали мягкие глины и пески в поисках окаменелостей кайнозойского бурого угля, которые по размеру были похожи на семена и плоды живых растений и могли быть распознаны невооруженным глазом. (Кайнозойская эра началась шестьдесят шесть миллионов лет назад, после мелового периода, и продолжается сегодня.)

Взяв сито, Фриис обнаружила в скважинах и карьерах Дании тысячи кайнозойских плодов и семян бурого угля. Среди этих относительно недавних окаменелостей, относящихся к эпохе, когда уже преобладали покрытосеменные растения, она нашла случайный фрагмент цветка. Но в то время палеоботаники считали, что окаменелости цветов не будут найдены в более старых отложениях. Они предположили, что большинство древних цветов были большими, и, когда им не удалось найти много ископаемых свидетельств больших цветов в скалах, они пришли к выводу, что цветы были просто слишком нежными, чтобы пережить десятки миллионов лет.

Брюс Тиффни, палеоботаник из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, назвал эту оплошность «классическим случаем видеть то, что вас учили видеть». Затем, в семидесятых, Тиффни нашёл первую окаменелость угольного цветка длиной чуть более трёх миллиметров, просеивая плоды и семена мелового периода на винограднике Марты. Многие учёные, в том числе и сам Тиффни, сочли это открытие случайностью.

Примерно в то же время Фриис познакомилась с Педерсеном, молодым профессором палеоботаники из Орхуса, которого интересовало происхождение цветковых растений. Педерсен был впечатлён умением Фриис описывать кайнозойские окаменелости, и подумал, что она сможет применить аналогичные методы к более старым материалам. Поэтому познакомил её с коллегой Энни Скарби, которая искала ископаемую пыльцу на юге Швеции и постоянно находила в своём сите чёрные точки. Когда Фриис поместила их под микроскоп, она увидела целый ряд цветов, от нераспустившихся бутонов до зрелых соцветий, возраст которых составляет около восьмидесяти миллионов лет.

Шведские окаменелости включали несколько признаков, таких как двойное кольцо тычинок, которые предполагали, что они принадлежали к отряду Saxifragales, включающему современные пионы и смородину.

Их результаты «продемонстрировали качество деталей растений, сохранившихся в ископаемом древесном угле», — написал геолог Эндрю С. Скотт в своей истории лесных пожаров 2018 года «Пылающая планета».

Фриис попыталась выяснить, насколько глубоко в меловой период уходят ископаемые летописи цветов. Вместе с Крейном и Педерсеном она отправилась в Мэриленд и Вирджинию, где палеоботаники нашли пыльцу и листья покрытосеменных растений раннего мелового периода. На берегах рек и в гравийных карьерах они нашли окаменелые угольные цветы, возраст которых около ста двадцати миллионов лет. Во время поездки в Португалию в 1989 году троица обнаружила окаменелости того же возраста в ямах, где гончары и производители кирпича выкапывали глину. Окаменелости из этих мест являются старейшими в мире известными угольными цветами. Распределяя своё время между профессорскими должностями в Шведском музее естественной истории и своей альма-матер, Орхусским университетом, Фриис искала ещё более старые цветы, но безрезультатно.

Такие растения должны были существовать — древнейшей из известных пыльце покрытосеменных, обнаруженной в Италии и Израиле в конце восьмидесятых и начале девяностых годов соответственно, около ста тридцати пяти миллионов лет, — но их затмили хвойные деревья, саговники, и все другие виды растений, преобладавшие в раннем меловом периоде. «В послужном списке есть реальная закономерность, — сказал мне Крейн, который сейчас является президентом Oak Spring Garden Foundation. «Цветущие растения сначала очень редки, а постепенно они становятся более многочисленными и разнообразными».

Общий предок каждого цветкового растения на планете, вероятно, цвёл в начале мелового периода, но учёные, возможно, никогда не узнают, что это было. Немногие исследователи разделяют терпение Фриис в отношении сбора гранул древесного угля и их сканирования под световым микроскопом. «Я не хочу даже думать о том времени, которое потратила на сортировку», — сказала она мне. Тем не менее, как она признаётся, это была её любимая часть исследования. «Вы начинаете с материала, который на самом деле ни на что не похож, и внезапно получаете образец со структурой, которую можете распознать. Это может быть крючок репейника, покрытая пыльцой тычинка или кончик плодолистика. Внезапно появляется полная картина», — рассказывает Фриис. «Из крошечной смятой вещицы получается большая история».

В оранжереях ботанического сада Бергиуса, который расположен на берегу солоноватого озера, есть виды, происходящие из одного из старейших семейств цветковых растений на Земле. Семейство называется Chloranthaceae, и палеоботаники любят восхвалять его. «Это странная реликтовая группа, которую я так нежно люблю, с чрезвычайно упрощёнными цветами», — говорит Джеймс Дойл, почётный профессор эволюции и экологии Калифорнийского университета.

Фриис была очарована этим  семейством после того, как с помощью электронного микроскопа заметила, что многие окаменелости из Португалии обладают чертами, уникальными для Chloranthaceae. По количеству видов и экземпляров они доминировали в то время. Но до наших дней дожило лишь несколько десятков известных видов — травянистых растений и кустарников, произрастающих в тропической Америке и Юго-Восточной Азии.  У тепличных образцов есть крошечные цветы без лепестков, и они были привезены в Швецию одним из бывших учеников Фриис.

Chloranthaceae были не совсем первыми цветами — водяные лилии, например, принадлежат к более древнему роду — но они, похоже, были первыми покрытосеменными растениями, вырвавшимися из подлеска леса и распространившимися по всему миру в открытых местообитаниях. Их золотой век в начале мелового периода длился всего несколько миллионов лет; цветы с более сложной формой и эффектными лепестками вскоре вытеснили их. К среднему меловому периоду появились предки многих современных цветковых растений, включая розы, магнолии и гортензии. Открытие этих древних линий показало, что покрытосеменные появились не внезапно, как опасался Дарвин, а постепенно, в соответствии с его теорией эволюции. К концу мелового периода покрытосеменные растения составляли большинство видов растений в большинстве сред: травянистые сорняки, водные растения, древесные деревья и многое другое. Несмотря на всё это, их цветы оставались крошечными. Большинство ископаемых цветков мелового периода имеют диаметр менее сантиметра.

Дуг и Памела Солтис, генетики растений из Университета Флориды, показали, что в течение мелового периода цветковые растения претерпели множественные дупликации всего генома, мутации, дающие организмам множество избыточных генов, с помощью которых они могут адаптироваться к окружающей среде. В то же время цветковые растения урезали липиды из своей ДНК: средний размер их генома сократился в течение мелового периода, что дало им физиологические преимущества перед конкурентами. Меньшие геномы помогли цветковым растениям втиснуть в свои листья больше клеток, что обеспечило более эффективный фотосинтез, транспирацию и рост.

Существование такого большого количества ископаемого древесного угля предполагает, что пожары были обычным явлением, а пик атмосферного кислорода в меловом периоде превышал текущий уровень, что сделало бы их более частыми и интенсивными. Быстрорастущие цветущие растения быстро распространились бы по обугленным ландшафтам.

По словам палеонтолога Роберта Баккера, автора книги «Ересь динозавров» и научного консультанта «Парка Юрского периода», ещё одним нарушением окружающей среды могли быть сами динозавры. В юрский период зауроподы с длинной шеей, такие как бронтозавры, поедали кроны деревьев, но в меловом периоде на их место поднялись наземно-пасущиеся виды, в том числе утконосы. Медленнорастущие саженцы, вероятно, испытывали трудности, когда динозавры начали «косить» газоны мелового периода, но сорные покрытосеменные могли быстро размножаться. Их все более обильная пыльца, плоды и семена также создали бы возможности для групп мелких животных, которые известны на сегодняшний день.

Человеческая жизнь, вероятно, никогда бы не развилась без цветковых растений, однако самые популярные истории эволюции уделяют им мало внимания и вместо этого начинают со счастливых млекопитающих, переживших апокалиптический астероид. Однако окаменелости Фриис убеждают в том, что люди должны заглянуть за пределы массового вымирания вглубь мелового периода, чтобы понять происхождение мира.

В августе этого года, после обнаружения семян в кишечнике «стодвадцатимиллионной» птицы, международная группа палеонтологов утверждала, что раннемеловые птицы уже адаптировались к поеданию плодов раноцветущих растений. К среднему меловому периоду, когда цветущие растения приобрели более сложные формы, цвета и запахи, обычные насекомые, такие как осы, бабочки и жуки, диверсифицировались в новые виды; пчёлы произошли от хищных ос, питающихся исключительно пыльцой покрытосеменных растений.

Летопись окаменелостей показывает, что почти все группы животных, пережившие вымирание динозавров, — млекопитающие, птицы, земноводные, ящерицы, змеи, пауки — уже процветали сто миллионов лет назад. Трицератопсы и другие травоядные динозавры были слишком велики, чтобы слизывать пыльцу с цветка или грызть ягоды с ветки, но эти более мелкие животные могли питаться плодами покрытосеменных растений, не убивая растение, и они могли бы помочь растениям распространять свои семена в новых условиях.

Ботаники Эрве Соке и Питер Уилф утверждали, что меловой период был началом «наземной революции покрытосеменных растений». Впервые в истории количество растений и животных на суше стало превосходить количество водных форм жизни. Покрытосеменные пострадали вместе с остальной жизнью во время массового вымирания в конце мелового периода, но они быстро пришли в норму. Их симбиозы с мелкими животными стали основой восстановления природы.

Птицы и млекопитающие выросли в кайнозое, но по большей части они не эволюционировали, чтобы поедать целые растения; вместо этого цветки, плоды и семена покрытосеменных тоже становились больше. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что в течение пятнадцати миллионов лет после удара астероида развился новый тип экосистемы, никогда ранее не существовавший: дождевые леса с закрытыми пологами, которые стали самыми биоразнообразными средами обитания из когда-либо существовавших. «Отношения между растениями и животными, которые развились за последние шестьдесят миллионов лет, уникальны и более взаимозависимы, чем все, что существовало в прошлом», — говорит Тиффни. Более восьмидесяти пяти процентов видов животных и растений в настоящее время живут на суше, хотя океаны покрывают семьдесят процентов Земли. Покрытосеменные никогда не переставали революционизировать экосистемы.

Палеоботаники теперь используют мощные компьютеры для поиска закономерностей в существующих коллекциях окаменелостей, но Фриис беспокоится, что они тратят слишком мало времени на поиск новых окаменелостей в полевых условиях. Свежие открытия могут коренным образом изменить известную историю цветов. «Я чувствую, что мы всё ещё находимся на очень ранней стадии понимания эволюции покрытосеменных», — сказала она. «Меня больше интересуют практические вещи: найти материал, посмотреть и описать его, попытаться вписать в общую картину».

В течение пятидесяти лет Фриис назвала более двухсот видов окаменелых цветковых растений. Такая подробная картина эволюции цветков была «невообразимой до того, как профессор Фриис начала свою работу», — говорит Крейн. И хотя она недавно отошла от преподавания, Фриис не планирует отказываться от исследований. В её шкафах ещё есть цветы, которые нужно опознать.

Недавно Фриис летала в Лондон, чтобы отпраздновать своё вступление в должность иностранного члена Королевского общества. Она впишет своё имя в ту же бухгалтерскую книгу, которую подписал Дарвин. Но она с нетерпением ждала возвращения домой в Орхус, где они с Педерсеном проводят большую часть времени.

История, которую она проследила до раннего мелового периода, до сих пор разворачивается в её саду. Каждый раз, когда распускается цветок, пишется новая страница.