A kukorica, az Antarktisz kivételével minden kontinensen termesztett növény, nagyon kicsit hasonlít őseihez, egy kemény maggal rendelkező vad fű, amely ma Mexikó délnyugati részén növekszik, és amelyet teosintenek hívnak.
A botanikusok közel egy évszázadon keresztül vitatták a kukorica eredetét, és azt hitték, hogy a modern növény a kihalt vad kukoricából származik, vagy valami még felfedezetlennel. A genetikusok azonban 1990-ben végül megállapították, hogy a kukorica kapcsolatban áll a keménymagú teoszintával, és arra a következtetésre jutottak, hogy a mai ismert kövér, lédús növény a vad fű háziasított formája. A tudósok szerint 10 000 és 13 000 évvel ezelőtt a gazdák kedvező tulajdonságokkal választották ki és ültették el a magokat, és az idő múlásával a növény átalakult.
A múlt héten a Quaternary International folyóiratban közzétett tanulmányban azonban a Smithsonian kutatója, Dolores Piperno, a Smithsonian Trópusi Kutatóintézetnek a panamai Gamboa-i állomáson dolgozó régészeti botanikus, új „időgép” hipotézist fogalmazott meg. A teosinte a múltbeli környezeti viszonyok között sokkal másképp nézett ki, mint manapság, és jobban hasonlított a mai kukoricára, mint most. Ez rávilágíthat arra, hogy a korai mezőgazdasági termelők miért döntöttek művelésről.
A múltbeli környezeti körülmények között Piperno (modern teosinte-t hordozva) és kollégái szerint a növény pleisztocén korszakának őse sokkal más volt, mint manapság, és jobban hasonlít a mai kukoricára. (Matthew Lachniet) "Tudjuk, hogy 10 000 és 13 000 évvel ezelőtt" - mondja Piperno -, amikor a vadászgyűjtők először elkezdték kihasználni a [mai] növények vad őseit, és amikor az első mezőgazdasági termelők ténylegesen megkezdték a növények művelését, a hőmérséklet és a légköri CO2 különbségek voltak. ”
Piperno Klaus Winterrel dolgozott, aki üvegkamrás üvegházat - az időgépet - tervezett, amelyet alacsonyabb szén-dioxid-szinttel tartottak fenn, és alacsonyabb hőmérsékleten tartották, amely hasonló volt a késő pleisztocén és a korai holocén időszakokhoz. Ellenőrzési célokra a közelben elkészült egy másik üvegház, amely utánozta a mai környezetet. Piperno és kollégái ezután mindkét kamrába teozint ültettek.
A kukorica fosszilis történelemének és a múltbeli környezeti feltételeknek a tanulmányozása során Piperno elgondolkodott azon, hogy miként nézhettek ki a növény ősei a késői pleisztocén és a korai holocén során, amikor először betakarították, majd műveltek. Akkoriban a hőmérséklet 3, 5-5, 4 fokkal volt hűvösebb, mint jelenleg, és a légköri CO2-szint körülbelül 260 ppm-re mozog. Később, az ipari forradalom alatt, a szén-dioxid a mai 405 milliárd részre növekszik, amely szintre emelkedik a magas, hosszú elágazású teosinte növény.
Az "időgép" kamrából (A) származó kukoricaszerű fenotípus növény egyetlen rojttal rendelkezik, amely véget vet a fő szárnak, és a női fül a fő szár mentén jelenik meg (nyilak). A jobb felső sarokban lévő beillesztés a női fülek egyikének vértes képe. A vezérlőkamrában (B) termesztett modern teosintenek sok hosszú, primer oldalsó ága van (példa: felső fehér nyíl), melyeket bojtok zárnak le (fekete nyíl). Fejletlen, női fül látható a másodlagos oldalágon (fehér nyilak). (Irene Holst, STRI) Piperno érdeklődik olyan tanulmányok iránt, amelyek megvizsgálták, hogy a jövőbeni CO2 és hőmérséklet-növekedés miként idézhet elő fenotípusos plaszticitásnak, vagy a növény megjelenésében bekövetkező változásoknak a környezetére való reagálása miatt. A fenotípusos plaszticitás két genetikailag azonos organizmus különféle megjelenését okozhatja, ha külön körülmények között termesztik őket.
Az „időgépben” Piperno és Klaus érdeklődést mutatott arról, hogy a teosinte növények jobban hasonlítanak a kukoricához, amelyet ma termesztünk és eszünk. Míg a mai teosintenek számos bogyós ága van, a fülek a másodlagos ágon nőnek, addig az üvegházhatást okozó növényeknek egyetlen főszára volt, egyetlen tetejével, valamint több rövid, füles ágakkal. És a magok is különbözõek voltak: ellentétben a vad teosinte magvakkal, amelyek egymást követõen érlelődtek, a kísérleti növényekben a magok egyszerre érkeztek, hasonlóan a kukoricamaghoz vagy a magokhoz. A mai teosinte-vetőmagok szűk vegetatív csomókba vannak zárva, de az időgéppel előállított növényeket vettek magba, amelyek ki vannak téve.
Piperno szerint kevesebb ága és a jól látható vetőmag együtt könnyebbé tenné a teosinte betakarítását. Ezeket a tulajdonságokat - amelyeket korábban feltételezték, hogy az emberi szelekcióból és háziasításból fakadtak - a fenotípusos plaszticitást okozó környezeti változások ösztönözhetik.
Az időgép-kamrában a teoszintát olyan körülmények között termesztették, amelyekkel talán 10 000 évvel ezelőtt találkozhatott. (Irene Holst, STRI) Úgy tűnik, hogy a környezetnek „jelentős, ha szerencsés” szerepe volt a termesztésre szolgáló teoszintera összpontosítva - mondja Piperno. A kukoricaszerű tulajdonságok „a korai gazdálkodók számára előnyt jelentettek”.
Daniel Sandweiss, a Maine Egyetem antropológia, negyedéves és klímatudományi professzora kiterjedt kutatásokat végzett a latin-amerikai korai éghajlatváltozásról. Piperno kísérletét úttörőnek nevezi, és azt mondta, hogy úgy véli, hogy ez „a tanulmányok egész sorának modelljévé válik”.
Piperno, Klaus és csapata szintén érdekelte, hogy a késői pleisztocén és holocén korszakok között észrevehető hőmérsékleti és szén-dioxid-szintek befolyásolhatják-e a növények termelékenységét, és megmagyarázhatják annak lehetséges okát, hogy miért kezdődött a mezőgazdaság ekkor és nem korábban.
A pleisztocén alatt a légköri CO2-szint még legalább egyharmadával alacsonyabb volt, mint a holocénnél, és a hőmérséklet 5–7 fokkal volt hűvösebb. A pleisztocén korszak CO2-szintje és hőmérséklete korlátozó tényezők voltak a növények növekedésében - vonta le a következtetéseket Piperno, aki korábbi kutatások alapján azt sugallta, hogy az alacsony szén-dioxid-tartalmú, alacsony hõmérsékletû környezetben növekvõ növények gátolják a fotoszintézist és csökkent a mag hozamát.
A kukorica vad őse, a teosinte, modern (bal oldali kamra) és korábbi (jobb oldalon kamra) éghajlati körülmények között növekszik. Smithsonian tudósok, Dolores Piperno (jobbra) és Irene Holst. (Sean Mattson) A Piperno saját eredményei visszatérnek a korábbi tanulmányokhoz; A teosinte még több magot képez a kamrában melegebb hőmérsékleten és megnövekedett C02-tartalommal. Ez a jelenség talán először tette lehetővé a mezőgazdaság fenntartható gyakorlatát a családok etetésére. A növény fokozott termelékenysége - mondta Piperno - a gazdálkodást „jó adaptív stratégiává” váltotta.
„Az eredmények megdöbbentő” - mondja Sandweiss, aki megjegyezte, hogy a teosinte megjelenése már régóta elkábította a tudósokat. Miután meglátta, hogyan néz ki a teosinte pleisztocén növekedési körülmények között, a kukoricához való viszonya „sokkal több értelmet kapott”.
A Piperno kísérlete segíthet a tudósoknak és a régészeknek megérteni a növények háziasításának folyamatát és ütemezését az egész világon - jegyezte meg Sandweiss. A búza, az árpa és a rizs fenotípusos változásokat és megnövekedett termelékenységet is tapasztalhatott a késői pleisztocén és a korai holocén korszakban. Ennek a folyamatnak a nyomon követése megmagyarázhatja: „amint a kukorica esetében látszik, miért választották az emberek ezeket a fajokat, nem pedig másokat, és miért zajlott a háziasítás folyamata akkor, amikor megtörtént”.
Piperno folytatja kutatását mesterséges szelekciós vizsgálatok elvégzésével, több növénygeneráció növekedésével, az indukált, kukoricaszerű fenotípusok öröklődésének megfigyelésére. Azt mondja, hogy a fenotípusos plaszticitás fontos részévé válik annak, amit a tudósok „új modern szintézisnek” neveznek - kibővítve azt, hogy a tudósok hogyan tekintik a környezetnek az evolúciós változásokra gyakorolt hatását.
"Alapvetően egy ablakot nyitottunk meg" - mondja Piperno.
