他の植物はすべて滅んだのに、なぜシダは生き残ったのでしょうか?

Jan 03, 2024

上: 恐竜を絶滅させた隕石衝突の後、シダは他の植物よりもはるかに早く立ち直りました。 © ISTOCK.COM、DASZA64

科学者の最新の仮説によると、約6500万年前、恐竜の終焉を迎えた小惑星が地球に衝突したのは、北半球の暖かい春の日だったと考えられる。 その後の火災嵐とその後のいわゆる衝撃の冬で、白亜紀の特徴だった青々とそびえ立つ針葉樹林は消滅し、およそ10年間は​​寒さと暗闇だけが残った。 光が戻った後でも、生命が元に戻り、今日の哺乳類と顕花植物が支配する新しい時代の到来を告げるには数千年かかりました。

科学者たちは、この白亜紀から古第三紀（K-Pg または KP）の大量絶滅を地質学的記録から容易に検出できます。これは、小惑星衝突時に放出される化学元素であるイリジウムが豊富に含まれた淡い石の薄い層がこの岩石を 2 つの時代から分離しているためです。 しかし、1970年代以来、地質学者らは、イリジウムが豊富な層のすぐ上に、「シダの胞子の化石が大量に」含まれているだけで、それ以外はあまり含まれていない別の層の存在にも注目していると、同大学の古植物学者エレン・カラーノ氏は言う。ワイオミング州の。 「針葉樹や被子植物、あるいはその類のものはほとんど見られません」と彼女は付け加え、研究者らはこの層をシダ穂と呼ぶようになった。

シダ植物は他の種類の植物と比べて化石記録によく保存されているわけではないため、小惑星の衝突後の数世紀にシダ植物が大量に爆発したことは、「シダ植物についての何かは、シダ植物がそのような条件でうまくやっていたということを意味している」とクラーノ氏は言う。 この急増を説明するために、いくつかの仮説が立てられています。 たとえば、シダは丈夫で、多くの場合、最初に溶岩原を突き破りますが、その胞子は塵よりも小さく、長距離に分散することができ、数十年間休眠状態を保つことができます。 そして、根だけからは成長できない多くの樹木とは異なり、シダは地表の火災嵐から守られている可能性のある根茎と呼ばれる地下茎のおかげで、地上での被害を受けても復活します。 こうした推測にもかかわらず、「スパイクの正体を生物学的な側面からわざわざ解明しようとする人は誰もいなかった」とフロリダ大学の植物進化生物学者エミリー・セッサは言う。

このミニ白亜紀の平穏な日々も残りわずかです。

さて、ついにセッサ氏、クッラーノ氏、そして彼らの同僚たちにそのチャンスが与えられるかもしれない。 NASAは2019年、地球の大量絶滅時に起きた環境を含む極限環境に生物がどのように反応するかを探求するという同局の関心の一環として、同グループの研究提案に資金を提供した。 セッサとカリフォルニア大学（UC）サンタクルーズ校の植物生態生理学者ジャルミラ・ピッターマンは、温室を使用して白亜紀のような状態を作り出しており、ある時点で模擬隕石衝突を引き起こす予定である。 内部の何の疑いも持たない植物には、植物の両方のライフステージにある被子植物、裸子植物、シダ植物、つまり大きくて認識可能な胞子体と、はるかに小さいコケのような配偶体が含まれます。 カラーノ氏と、ロサンゼルスのラ・ブレア・タール・ピットおよび博物館の古生態学者リーガン・ダン氏は協力して、博物館の標本を採掘し、コロラド州、モンタナ州、ワイオミング州の有名なK-Pg遺跡を訪れ、温室植物と化石化したシダを比較している。イリジウムの異常とシダの穂の時代の葉と胞子。

「大まかに言えば、過去を研究するには 3 つの方法があります。化石記録から直接読み取る方法、私たちの周囲の世界で現代の類似物を探す方法、または実験的アプローチを使用して、その出来事をシミュレートする方法です。」と彼は言います。ジョナサン・ウィルソンはペンシルベニア州ハバフォード大学の古植物学者で、以前はピッターマンと共同研究していたが、現在の研究には関与していない。 このプロジェクトは、3 つすべてが関係しているため、「このような大きなイベントに対する斬新なアプローチである」と彼は言います。 「これは将来の実験のための準備を整えるのに役立つと思います。」

このプロジェクトにはこれまでいくつかの問題がありました。 ピッターマン氏は、この装置は扱いにくい場合があり、キャンパスが閉鎖され、植物やその他の材料の調達が困難になったため、新型コロナウイルス感染症のパンデミックによって作業が1年遅れたとサイエンティスト誌に語った。 現在でも作業は順調に進んでおり、「何も問題が起こらないこと、装置が壊れないこと、プラントが過熱しないことを祈るばかりです」とピッターマン氏は言う。 「そういったことで夜も眠れなくなります。文字通り、実際的な側面だけです。」

小惑星衝突前の環境条件の復元にも時間がかかり、古気候に関する文献は膨大にある。 今のところ、ピッターマン氏はサンタクルーズの温室で日中約25℃、夜間約17℃で湿度を高く保ち、二酸化炭素を1,000ppmに抑えて植物を育てている。 この第 1 段階は数か月にわたって実施されており、チームは最近、胞子の発芽のタイミングと範囲、植物の成長、細胞の形態、代謝物などの最初のデータ バッチを収集しました。

もちろん、このミニ白亜紀の穏やかな日々は残りわずかです。 もうすぐ小惑星が衝突します。 温室は防水シートで覆われ、ほとんどの光が遮断され、気温は10℃以下にまで下がります。 研究室の技術者は、酸性雨を模倣するために、定期的に植物の葉に希硫酸溶液を塗ります。 （研究チームは高感度の監視装置が霧によって損傷する危険を冒すわけにはいかないので、すべて手作業で行う必要があるとピッターマン氏は説明する。）セッサ氏はフロリダにある彼女の研究室の成長室で、より小さな配偶体に焦点を当てて同様の実験を行っている。 。

一方、カラーノ氏とダン氏は、専門知識を組み合わせて、結果を化石記録に見られるものと結び付ける予定です。 カラーノ氏は、温室のサンプルと比較するために博物館のコレクションから珍しいシダの葉の化石を取り出してきました。一方、ダン氏は、化石化した植物が生きていたときに受けた光の量を推定するために、葉の形態の顕微鏡分析に基づいて以前に開発したプロキシを使用しています。 結果は暫定的なものだが、ダン氏はサイエンティスト誌に対し、彼女のアプローチはイリジウムに富む層の直前から直後まで樹冠の光レベルの変化を記録しているようで、このパターンは衝突による生態学的影響と一致する可能性があると語った。

カリフォルニア大学バークレー校の実験古植物学者であるジェフリー・ベンカ氏は、このプロジェクトは非常に挑戦的だと言う。 この研究には関与していないが、ベンカは何年もかけて自身の絶滅実験の準備に費やし、既知の世界最大の大量絶滅、つまり約2億5000万年前に起こった「大絶滅」と呼ばれる出来事に焦点を当てた。 実験を開始する前に、ベンカ氏は、「ほとんどの水生生物を数分で殺すであろう数か月にわたる UVB 放射線」に耐えられるよう、1 年間、針葉樹盆栽に十分な太陽が降り注ぎ、栄養分が少なく、土壌がほとんどないというストレスの多い条件にさらしました。火山噴火後のオゾン分解が、化石記録にある異形の花粉の奇妙なパターンを説明できるかどうかを決定する。 彼は、放射線が花粉を奇形にするだけでなく、木々を殺菌し、森林全体を枯らす可能性があることを発見した。

ベンカ氏は、小惑星の衝突を研究しているチームが、これほど多くの変数の影響をどのように解明するのか疑問に思っていると語る。 彼は、明確な原因を特定できることを確認するために、研究において唯一のパラメーターである UV 曝露だけを変更しました。 「複数の変数をテストしなければならない領域に入ると、実際に何が信号の原因となっているのか、どの変数が本当に重要なのかを理解するのが非常に難しくなります」と彼は言います。

たとえ古代の植物の系統が今日も残っているとしても、温室植物がその前任者が6,500万年前にとったように反応するかどうかは明らかではないという追加の考慮事項があります。 しかし、サイエンティスト誌にインタビューした研究者らは、シダ植物を含む植物生物学の基本的な側面は、白亜紀以来ほとんど固定されたままであると考えています。 「KP のようなものを見ると、登場人物のキャストを知っているような気がするので、実際に研究するのに理想的なイベントです」とウィルソン氏は言います。 「したがって、この種のアプローチには特に適しています。」

この研究は、いつか地球外での目的を検討している NASA の科学者を助ける可能性がある。もしシダ植物が 5 つの最大規模の大量絶滅のうちの 1 つを生き延びるほど丈夫であれば、例えば火星のテラフォーミングへの第一歩となる可能性もある。 このプロジェクトは、ほとんど知られていないシダの生物学を解明するのにも大いに役立つ可能性がある。 「一般に、植物の生態や進化について想像できるあらゆる種類の質問をすると、シダ植物の答えは『わからない』か『もっと知る必要がある』となる可能性が高いです」とセッサ氏は言う。 「そのおかげで、彼らは活動するのが本当に楽しいグループになりました。」

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