Η ακανθώδης αλήθεια για την εξέλιξη της σπονδυλικής στήλης
Γιατί τα τριαντάφυλλα έχουν αγκάθια; Η απάντηση φαίνεται αυτονόητη:Τα αγκάθια, τα αγκάθια και τα αγκάθια είναι τα αμυντικά όπλα των φυτών, καθιστώντας τα πιο πολύτιμα μέρη τους δυσάρεστα -ακόμα και ανέγγιχτα- στους μεγαλοφάγους φυτοφάγους, όπως τα ελάφια και άλλα θηλαστικά. Για δεκαετίες, αυτή ήταν η υπόθεση εργασίας των επιστημόνων που μελετούν τις οικολογικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ φυτών και ζώων. Ο συντριπτικός όγκος της επιστημονικής βιβλιογραφίας σχετικά με τον οικολογικό και εξελικτικό σκοπό της αγκάθωσης (ή, για να χρησιμοποιήσω την προτιμώμενη ορολογία των βιολόγων, την ακανθώνα) έχει επικεντρωθεί στην υπόθεση ότι τα φυτοφάγα θηλαστικά είναι ο κύριος στόχος.
Αυτό μπορεί να ήταν λάθος. Με τα χρόνια, οι μελέτες για το πόσο καλά αποθαρρύνουν τα πεινασμένα θηλαστικά οι αιχμηρές αποτρεπτικές ουσίες απέδωσαν ανάμεικτα αποτελέσματα. Επιπλέον, ορισμένες παλαιοντολογικές εργασίες προσφέρουν στοιχεία ότι οι σπονδυλικές στήλες εξελίχθηκαν πριν από τα πρώτα φυτοφάγα χερσαία ζώα. Τώρα, μια αναφορά στο Biology Letters υποδηλώνει ότι, τουλάχιστον για ορισμένα είδη φυτών, τα αγκάθια διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην άμυνα ενάντια στα έντομα - μια υπόθεση που έχει αγνοηθεί εδώ και πολύ καιρό, αν δεν έχει απορριφθεί εντελώς. Τα αντιδιαισθητικά αποτελέσματα δείχνουν τις παγίδες της υπερβολικής εμπιστοσύνης της ανθρώπινης εμπειρίας και της διαίσθησης όταν προσπαθείτε να κατανοήσετε την εξελικτική δυναμική άλλων ειδών σε έναν προϊστορικό κόσμο.
Ο Rupesh Kariyat, ένας οικολόγος που μελετά τις αλληλεπιδράσεις φυτών-εντόμων στην ομάδα βιοεπικοινωνιών στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης (ETH Zurich), δεν θέλησε να ανατρέψει τη συμβατική σοφία σχετικά με τα φυτικά αγκάθια. Ως διδακτορικός φοιτητής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, εργαζόταν με τον Mark Mescher (επίσης τώρα στο ETH Ζυρίχης) σχετικά με τις γενετικές συνέπειες της ενδογαμίας και της φυτοφάγαξης στα φυτά καρολίνας (Solanum carolinense ) όταν το ζευγάρι παρατήρησε κάτι περίεργο. Μετά τις κάμπιες κερατοσκώληκα του καπνού (Manduca sexta ) τρέφονταν με τα φυτά, οι νέοι βλαστοί είχαν περισσότερες ράχες. «Αυτό μας έκανε να σκεφτούμε ότι αυτές οι ράχες θα μπορούσαν επίσης να έχουν [μια] επιπλέον λειτουργία από αυτή που μας έχουν διδαχθεί», είπε ο Kariyat.
Οι ερευνητές είχαν τεκμηριώσει άλλα είδη φυτών που φύτρωναν επιπλέον αγκάθια ως απάντηση στη θήρευση από τα θηλαστικά. Αλλά βλέποντας κάμπιες να έχουν το ίδιο αποτέλεσμα ύψωσε τη σημαία για τον Kariyat και τον Mescher. Από οικολογικής άποψης, είναι σπάταλο για ένα φυτό να ξοδεύει ενέργεια αναπτύσσοντας μια δομή σαν αγκάθι, εκτός και αν εμποδίσει τον εισβολέα που βρίσκεται στο χέρι. Σίγουρα οι μικροσκοπικές κάμπιες θα μπορούσαν απλώς να σκαρφαλώσουν γύρω ή πάνω από τις ράχες της τσουκνίδας.
Για να ελέγξει αν ήταν έτσι, εξήγησε ο Mescher, η ομάδα σχεδίασε ένα σύνολο πειραμάτων που θα μπορούσαν να εξερευνήσουν την ερώτηση με τρεις τρόπους. Πρώτον, χρησιμοποιώντας το ίδιο αμιγές S. carolinense ποικιλία — η οποία έχει λιγότερα αγκάθια από τα γενετικά φυσιολογικά φυτά — εξέτασαν τις επιπτώσεις της πυκνότητας της σπονδυλικής στήλης στην κίνηση της κάμπιας. Αφού αφαίρεσαν όλα τα φύλλα ενός φυτού, εκτός από το πιο φρέσκο, νόστιμο στην κορυφή, τοποθέτησαν κάμπιες στο χώμα δίπλα στους μίσχους των φυτών και μέτρησαν πόσο χρόνο χρειάστηκαν τα ζωύφια για να φτάσουν στην νόστιμη μπουκιά παραπάνω, συγκρίνοντας τα εγγενή φυτά με τα κανονικά . Στη συνέχεια προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα χειραγωγώντας την πυκνότητα της σπονδυλικής στήλης, κόβοντας τις ράχες με μια λεπίδα ξυραφιού έτσι ώστε όλα τα φυτά να έχουν τον ίδιο αριθμό, και επανέλαβαν το πείραμα. Τέλος, επέκτεινε την έρευνα για να συμπεριλάβει δύο άλλα είδη στο ίδιο γένος:S. aethiopicum , το αιθιοπικό νυχτολούλουδο και το S. atropurpureum , ο πορφυρός διάβολος. Τα τρία είδη ποικίλλουν ως προς την πυκνότητα της σπονδυλικής στήλης:το αιθιοπικό νυχτικό έχει τα λιγότερα, ενώ ο μωβ διάβολος τα περισσότερα. Και πάλι συνέκριναν φυτά με τις ράχες τους ανέπαφες και αφαιρεμένες, αλλά αυτή τη φορά μέτρησαν πόσο χρόνο χρειάστηκαν οι κάμπιες για να αφαιρέσουν όλα τα φύλλα ενός φυτού αντί για την ταχύτητα με τα φύλλα στην κορυφή. Εάν οι κάμπιες έπεφταν από τα φυτά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, οι ερευνητές τις έβαλαν ξανά σε ένα ημιτελές φύλλο και τους επέτρεψαν να συνεχίσουν να τρέφονται.
Ο Kariyat, ο Mescher και οι συνεργάτες τους βρήκαν το ίδιο μοτίβο και στις τρεις δοκιμές:Οι σπονδυλικές στήλες ήταν πάντα εμπόδιο για τις πεινασμένες προνύμφες. Με το κομμένο φρέσκο, οι κάμπιες έφτασαν πιο γρήγορα στα φύλλα που επιθυμούσαν. Για τα άθικτα φυτά, το είδος με τα περισσότερα αγκάθια - ο μωβ διάβολος - αποδείχθηκε πιο δύσκολο για τις κάμπιες να ξεφυλλίσουν. Επιπλέον, οι σπονδυλικές στήλες όχι μόνο επιβράδυναν τις κάμπιες αλλά επίσης παρενέβαιναν στο πέλμα τους και τις ανάγκασαν σε πιο ακροβατικούς ελιγμούς. Ως αποτέλεσμα, οι κάμπιες έπεφταν συχνά ενώ ταξίδευαν μεταξύ των φυλλωδών βλαστών. Μερικές φορές ακόμη και καρφώθηκαν στις μεγαλύτερες ράχες. Σύμφωνα με τον Kariyat, αυτού του είδους οι περιορισμοί κίνησης «έχουν τεράστια επίδραση στη φυσική τους κατάσταση μακροπρόθεσμα» — και έτσι, οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι ράχες του Solanum Τα φυτά είναι αποτελεσματικά αποτρεπτικά για την κάμπια.
Ωστόσο, η ομάδα δεν επιμένει ότι τα αποτελέσματά τους αποδεικνύουν ότι τα έντομα ήταν ο κύριος λόγος που τα φυτά ανέπτυξαν αγκάθια, αγκάθια και αγκάθια. Αντίθετα, ο Kariyat είπε:«Πιστεύουμε ότι οι σπονδυλικές στήλες εξελίχθηκαν ενάντια στα φυτοφάγα θηλαστικά». Αλλά υποψιάζονται ότι κάποια στιγμή στην ιστορία, οι τσουκνίδες και άλλα φυτά βρήκαν ένα ακόμη πιο αποτελεσματικό όπλο - τοξικά αλκαλοειδή στους ιστούς τους - και τα θηλαστικά σταμάτησαν να τα τρώνε τακτικά. Οι κάμπιες, οι οποίες ήταν σε μεγάλο βαθμό ανεπηρέαστες από τα αλκαλοειδή, έγιναν ειδικοί στη λεία των φυτών. Η εξέλιξη μπορεί στη συνέχεια να έχει επιλέξει τις σπονδυλικές στήλες των φυτών για έναν νέο αμυντικό σκοπό, ένα φαινόμενο γνωστό ως εξαίρεση. «Έτσι με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι ράχες άρχισαν να έχουν ένα επιπλέον όφελος, βοηθώντας το φυτό να κερδίσει τον αγώνα των εξοπλισμών» ενάντια στα έντομα, είπε.
Τα απροσδόκητα αποτελέσματα ήταν λίγο δύσκολο να τα καταπιούν άλλοι στο γήπεδο. «Όταν διάβασα για πρώτη φορά αυτό το άρθρο, η συντριπτική απάντησή μου ήταν:«Ω, αυτό είναι απλώς [ανοησία] — υπάρχουν τόσα πολλά προβλήματα!» είπε η Angela Moles, μια ερευνήτρια καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στην Αυστραλία, η οποία μελετά το οικολογικές στρατηγικές των φυτών. «Τότε όσο περισσότερο το διάβαζα, τόσο περισσότερο ήμουν, όπως «Στην πραγματικότητα, είναι σωστό». Τα συναισθήματά της επαναλήφθηκαν από τον Mick Hanley, αναπληρωτή καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Πλύμουθ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος ήταν ο κύριος συγγραφέας σε μια κριτική το 2007 έγγραφο για τη δομική άμυνα των φυτών. «Το κοίταξα στην αρχή και σκέφτηκα, χμμ. Μετά το διάβασα ξανά και είδα ότι όλα κολλάνε μαζί», είπε.
Άλλοι είναι λιγότερο πεπεισμένοι. «Δεν είμαι σίγουρος ότι μπορούμε να συμπεράνουμε από τα αποτελέσματά τους ότι η ράχη είναι μια προσαρμογή ενάντια στα φυτοφάγα έντομα», δήλωσε ο Tristan Charles-Dominique, ειδικός στην εξέλιξη των φυτών στον Τροπικό Βοτανικό Κήπο Xishuangbanna στην Κίνα. Αυτός και ο Γουίλιαμ Μποντ, ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Κέιπ Τάουν στη Νότια Αφρική, χρησιμοποίησαν φυλογενετικές μεθόδους για να δείξουν το 2016 ότι η ποικιλία των ακανθωτών φυτών στην Αφρική συνέπεσε με την αύξηση των βοοειδών θηλαστικών, όπως τα αγριολούλουδα και οι γαζέλες. Αυτό το εύρημα υποστηρίζει την παραδοσιακή άποψη ότι τα αγκάθια υπερασπίζονται τα μεγάλα θηλαστικά.
«Πιστεύω ότι έκαναν καλή δουλειά στο να δείξουν ότι ο ρυθμός τροφοδοσίας των κάμπιων πράγματι επιβραδύνεται καθώς η κίνησή τους διακόπτεται», είπε ο Charles-Dominique, αλλά «νομίζω ότι πρέπει να συλλεχθούν πολλές πληροφορίες πριν μπορέσουμε για να δοκιμάσετε την πιθανή συνεξέλιξη μεταξύ αγκαθωτών φυτών και εντόμων.»
Ο Kariyat δεν διαφωνεί. «Ένα από τα πράγματα που θέλουμε να δούμε είναι αν αυτή η επίδραση είναι μόνο στις κάμπιες», είπε. Εξήγησε ότι θέλουν επίσης να ποσοτικοποιήσουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζονται τα έντομα από την εξασθενημένη κίνηση:«Πόσο επηρεάζει την ανάπτυξη και την ανάπτυξή τους και τη νύμφη τους και πώς τα επηρεάζει μακροπρόθεσμα;»
Αλλά τα ευρήματα των Kariyat και Mescher δεν είναι τα πρώτα που υποδηλώνουν έναν πιθανό ρόλο της σπονδυλικής στήλης στην αποτροπή των εντόμων. Ο Moles σημείωσε ότι τα αποτελέσματα συμφωνούν με παλαιοντολογικές ενδείξεις ότι οι σπονδυλικές στήλες εξελίχθηκαν πριν από τα μεγάλα φυτοφάγα ζώα. Επισήμανε μια ανασκόπηση του 1970 από τον αείμνηστο Βρετανό παλαιοβοτανολόγο William Gilbert Chaloner, στην οποία σημείωσε ότι ένας αριθμός φυτών από περισσότερα από 400 εκατομμύρια χρόνια πριν έδειξαν «μικρά φαινομενικά μη αγγειοποιημένα εξαρτήματα στο στέλεχος, κατανεμημένα λίγο πολύ τυχαία… και ονομάζονται ποικιλοτρόπως σπονδυλικές στήλες, αναδύσεις, δόντια ή ενώσεις."
«Έχουμε λοιπόν πολλά είδη με αυτά τα αστεία αγκάθια που δεν ξέρουμε τι κάνουν», εξήγησε ο Moles, «και είναι, δεν ξέρω, τουλάχιστον 10 ή 20 εκατομμύρια χρόνια πριν από το πρώτο επίγειο σπονδυλωτό αρχίζουν να εμφανίζονται φυτοφάγα.»
Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν ένα δύσκολο ζήτημα στη μελέτη της εξέλιξης και της προσαρμογής:Λόγω της εξαίρεσης, η κατανόηση της τρέχουσας λειτουργίας ενός χαρακτηριστικού είναι πολύ διαφορετική από το συμπέρασμα των εξελικτικών πιέσεων κάτω από τις οποίες εξελίχθηκε αρχικά. «Είναι αδύνατο να παρακολουθήσουμε γιατί μια άμυνα που λειτουργεί τώρα μπορεί να έχει εξελιχθεί πριν από εκατομμύρια χρόνια», είπε ο Hanley. "Αυτές οι σπονδυλικές στήλες θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί για έναν εντελώς διαφορετικό λόγο που δεν έχει καμία σχέση με το φυτοφάγο."
Πράγματι, οι υποθέσεις σχετικά με τον αρχικό σκοπό των αγκάθων των φυτών ξεπερνούν κατά πολύ την αποτροπή φυτοφάγων ζώων διαφόρων μεγεθών. Έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι οι ράχες μπορεί να ενίσχυσαν την επιφάνεια των φυτών για να ενισχύσουν τη φωτοσύνθεση ή ότι βοήθησαν στην κατεύθυνση του νερού στις ρίζες των φυτών. Ή ότι πρώτα βοήθησαν τα φυτά να εξαπλωθούν και να αναρριχηθούν. "Εκτός από το να είμαστε σε θέση να αναπαράγουμε την εξελικτική ταινία για εκατομμύρια χρόνια", είπε ο Hanley, "δεν έχουμε κανένα πραγματικό τρόπο να γνωρίζουμε."
Παρά τον αριθμό των αξιόπιστων εναλλακτικών λύσεων, ωστόσο, η έρευνα για εξηγήσεις για την ακανθώδη ουσία εκτός από την αποτροπή των θηλαστικών ήταν ελάχιστη. «Αν κοιτάξετε στη βιβλιογραφία σχετικά με την ακάνθαλη στα φυτά, υπάρχουν περίπου 150 με 200 εργασίες σχετικά με τη φυτοφάγα θηλαστικών», είπε ο Kariyat, «αλλά βλέπετε μόνο δύο ή τρία, ίσως τέσσερα, για έντομα».
Ίσως αυτό οφείλεται στο ότι μια μελέτη με μεγάλη επιρροή και ευρέως αναφερόμενη που εξέταζε τον πιθανό ρόλο των αγκάθων των φυτών στη φυτοφαγία των εντόμων δημοσιεύτηκε το 1988. οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι η αφαίρεση των αγκάθων από τα φύλλα πουρνάρι δεν είχε καμία επίδραση στη διατροφή της κάμπιας. (Μια ειρωνεία είναι ότι η ίδια μελέτη αμφισβήτησε επίσης την αξία αυτών των αγκάθων στην αποτροπή των φυτοφάγων θηλαστικών, επειδή σε δοκιμές σίτισης τα ζώα απέτυχαν να δείξουν προτίμηση στα φύλλα χωρίς ράχη.) Στα 29 χρόνια από εκείνη τη δημοσίευση, η επιστημονική βιβλιογραφία φαίνεται να έχει εφάρμοσε αυτά τα συμπεράσματα - ότι τα αγκάθια δεν λειτουργούν ως αποτρεπτικά έντομα - σε όλες τις μορφές ακανθώδης σε όλα τα είδη φυτών.
Ο Kariyat ελπίζει ότι τα ευρήματα της ομάδας του θα παρακινήσουν περισσότερα εργαστήρια να διερευνήσουν άλλους τρόπους με τους οποίους οι σπονδυλικές στήλες μπορεί να είναι ωφέλιμες για τα φυτά. Αν και το δικό του έργο επικεντρώθηκε στις κάμπιες, σημείωσε ότι πολλά άλλα μικρά φυτοφάγα ζώα, όπως τα σαλιγκάρια, θα μπορούσαν επίσης να επηρεαστούν από τις σπονδυλικές στήλες και μπορεί να έχουν επηρεάσει την εξέλιξή τους. Το χωράφι είναι ώριμο για ανακάλυψη, είπε, «γιατί υπάρχουν πολλά φυτά με αγκάθια!»
Είναι δύσκολο να μην δούμε την έλλειψη επιστημονικής έρευνας για τις επιπτώσεις της ασπόνδυλου στα ασπόνδυλα ως παράδειγμα των περιορισμών και των προκαταλήψεων του είδους μας. «Όταν πάμε στον κήπο, μας κόβουν τριαντάφυλλα, οπότε αντιλαμβανόμαστε αυτά τα αγκάθια ως άμυνα ενάντια στα θηλαστικά», είπε ο Χάνλεϊ. "Σχεδόν σε κάθε εκδήλωση κατανόησης της βιολογίας, βάζουμε πάντα τη δική μας ανθρώπινη άποψη."
