Myšlenka, že první lesy, které se objevily v období devonu, byly tvořeny stromy jediného druhu, nebyla potvrzena pečlivým studiem nejznámější akumulace zbytků fosilního dřeva u města Gilboa (New York, USA). Tyto lesy zřejmě obsahovaly minimálně tři druhy různých dřevin, zaujímající různá patra.
Zkamenělé zbytky stromů z Gilboa ve skanzenu. Obrázek z hudsonvalleygeologist.blogspot.com
První stromy a tedy i první lesy se na Zemi objevily ve středním devonu – před 398–385 miliony let. To byl začátek onoho období ve vývoji biosféry, kterou G. A. Zavarzin nazval „plantium“ (z anglického „plant“ – rostlina), protože vyšší cévnaté rostliny dobývající zemi se staly hlavními producenty na Zemi. Jejich neobvykle vysoká produkce (hmotnostní zisk) a dosti velká biomasa zajistily odstranění velkého množství uhlíku z koloběhu, což vedlo k výraznému poklesu obsahu oxidu uhličitého v atmosféře. „Plantiy“ pokračuje dodnes, ale o jeho začátku víme velmi málo.
Spodní část stromu Eospermatopteris z Gilboa. Obrázek z hudsonvalleygeologist.blogspot.com
První objevy zkamenělých zbytků stromů z devonského období byly učiněny již ve dvacátých letech 1920. století ve státě New York, během vykopávek v lomu v okolí Gilboa (viz Gilboa Fossil Forest). Oteklé základy kmenů stromů nyní přiřazené k rodu Eospermatopteris (třída vyhynulých rostlin Cladoxylopsida souvisejících s kapradinami) je vše, co zbylo z tohoto prastarého lesa. Předpokládalo se, že roste v bažině (vzteklé základy nejsou pro bažinaté rostliny neobvyklé) a sestává pouze ze stromů jedné vrstvy. Jak však stromy samotné vypadaly a jakou měly velikost, zůstalo nejasné.
Celkový vzhled nejstaršího nám známého stromu Eospermatopteris, jak jej nedávno restauroval Stein a jeho kolegové. Obrázek od Stein et al. Obří cladoxylopsidní stromy řeší záhadu nejstarších lesních pařezů na Zemi v Gilboa v r. Příroda
Teprve v roce 2007 se skupině vědců pod vedením Williama E. Steina z Oddělení biologického výzkumu na Binghampton University podařilo rekonstruovat celkový vzhled z dochovaných pozůstatků Eospermatopteris (William E. Stein et al, 2007. Obří cladoxylopsidní stromy řeší záhadu nejstarších lesních pařezů na Zemi v Gilboa). Ukázalo se, že se jedná o stromy s tenkým kmenem, asi 8 metrů a více na výšku. Nahoře byl kmen korunován korunou z bezlistých větví, takže celá rostlina mírně připomínala palmu nebo stromovou kapradinu.
Vytěžená část lomu (celková plocha 1200 m2). Délka měřítka 5 m. Obrázek z doplňkového materiálu k Stein et al. „Překvapivě složité společenství objevené ve fosilním lese středního devonu v Gilboa“ v Příroda
A nedávno v časopise Příroda objevilo se další dílo Steina a jeho kolegů. Tentokrát se výzkumníci obrátili k samotnému lomu poblíž Gilboa, kde byly nalezeny první ostatky Eospermatopteris. Opatrně odstranili zeminu, která naplnila lom (někdy ji vymyli silným proudem vody) a prokopali „dno“ – vrstvu prastaré půdy, na které byly během růstu roztroušeny základy stromů. Na ploše 1200 m2 (viz fotografie a schematická mapa) badatelé objevili 486 různých objektů, které lze interpretovat jako rostlinné zbytky. Většina objektů jsou stromové základy různého stupně zachovalosti Eospermatopteris. Ale kromě nich tam byly zbytky dalších dvou druhů rostlin. Někteří (zřejmě zástupci řádu Aneurophytales ze zcela vyhynulé třídy Progymnospermopsida, vzdálení předci nahosemenných) vypadali jako vodorovně ležící stonky o průměru asi 15 cm a délce dosahující 4 m. Tyto „stonky“, nebo správněji „oddenky“ ” (oddenky), někdy rozvětvené dichotomicky. Bylo také zřejmé, že se k rostlinám přibližují velmi blízko Eospermatopteris a mohl je použít jako podporu růstu (jako vinná réva). Konečně třetí rostlina nalezená ve stejné oblasti je zástupcem stromových mechů Lycopsida. Zůstaly z nich jen vodorovné stonky o průměru asi 15 cm.O vzhledu těchto rostlin a jejich systematické příslušnosti se zatím přesněji říci nedá: materiálu je příliš málo.
Skica mapy znázorňující umístění zbytků fosilních stromů, jak byly odkryty během nedávného čištění lomu. Kruhy zobrazené zbytky Eospermatopteris, černé čáry — zbytky aneurofytalních stonků, šedé čáry – zbytky klubových mechů (písmena j и k). Obrázek z diskutovaného článku Stein et al. „Překvapivě složité společenství objevené ve fosilním lese středního devonu v Gilboa“ v Příroda
Les, který existoval v období devonu v místě, kde se nyní studovaný lom nachází, tedy nebyl tak jednoduchý a zahrnoval minimálně tři druhy různých dřevin. Stein a jeho kolegové se domnívají, že podmínky, ve kterých se tato rostlinná komunita vyvíjela, nebyly stabilní. Analýza sedimentů z okolních lokalit naznačuje, že čas od času docházelo k výraznému vzestupu hladiny vnitrozemského moře a zaplavování lesů. Závěrem je třeba uvést, že zemina vyvezená z lomu byla po dokončení prací vrácena na původní místo. Vrstva bohatá na fosilie je opět chráněna vrstvou sedimentu.
Schematické znázornění nejstaršího (390 milionů let starého) lesa, rekonstruovaného z fosilních pozůstatků v okolí Gilboa (New York, USA). Tento les měl nejméně tři úrovně. Nejvyšší stromy (asi 6 m na výšku) jsou Eospermatopteris, dole – rostliny tvořící oddenky ze skupiny Aneurophytales (Progymnospermopsida) rostoucí pod zemí, ale dosahující i povrchu. Třetí skupinou (z níž je nejméně pozůstatků) jsou zástupci klubovců (Lycopsida). Obrázek z diskutovaného článku Brigitte Meyer-Berthaud a Anne-Laure Decombeix „Ve stínu nejstaršího lesa“ v Příroda
Zdroje:
1) William E. Stein, Christopher M. Berry, Linda VanAller Hernick, Frank Mannolini. Překvapivě složitá komunita objevená ve fosilním lese středního devonu v Gilboa // Příroda. 2012. V. 483. Pp. 78–81.
2) Brigitte Meyer-Berthaud, Anne-Laure Decombeix. Ve stínu nejstaršího lesa // Příroda. 2012. V. 483. S. 41–42.
Viz také:
William E. Stein, Frank Mannolini, Linda VanAller Hernick, Ed Landing, Christopher M. Berry. Obří cladoxylopsidní stromy řeší záhadu nejstarších lesních pařezů na Zemi v Gilboa // Příroda. 2007. V. 446. Pp. 904–907.
Každé moderní dítě zná slovo „dinosaurus“ a dokáže si představit, kdo to je. O slavném filmu „Jurský park“ není co říci – všichni ho sledovali. Vzdálená minulost planety Země vždy zajímala a vzrušovala lidskou představivost. Jakou evoluční cestou prošly dřeviny, než vznikly v podobě, v jaké je vidíme nyní? A můžeme hádat, jaká je budoucnost?
Obsah
- Vznik života
- Kyslíková katastrofa
- Buněčný
- Sesuv půdy
- Vzhled stromů
- semínko
- Fosílie Ginkgo a Wollemia
- Krvavé spermie a květiny
- Nahoru spirála
Vznik života
Stáří Země se odhaduje na 4,5 miliardy let a většinu své existence – 3,8 miliardy let – byla obývána živými organismy. Vzhled života je spojen s konečným ochlazením planety, které způsobilo kondenzaci vodní páry a vznik rezervoárů. Ale první obyvatelé Země byli anaerobní (tj. ti, kteří k životu nepotřebují kyslík), extrémně primitivní nebuněčné organismy.
Dříve se předpokládalo, že pod vlivem ultrafialových paprsků ve vodných roztocích dochází k syntéze aminokyselin a dalších organických látek s následnou tvorbou multimolekulárních komplexů – koacervátů, které byly progenitory všech následujících živých bytostí. Experimentálně se ukázalo, že je to možné. Tato hypotéza však neodpovídá na otázku, jak mohou tyto struktury reprodukovat svůj vlastní druh. Proto se nyní považuje za pravděpodobnější, že život pochází z takzvaných ribozymů – samoreplikujících se molekul RNA, které mají také katalytické vlastnosti (tj. vlastnosti enzymů).
Kyslíková katastrofa
Rostliny, a zejména stromy, jsou ale ještě velmi daleko. Vznik buněčných organismů (a to ještě nebyly skutečné buňky) a proces primitivní fotosyntézy, při které by kyslík být tvořen. Teprve asi před 2,7 miliardami let se objevily fotosyntetické sinice – a to je skutečně revoluce v životě Země, protože tyto bakterie využívají vodu jako redukční činidlo v procesu fotosyntézy a jako odpad produkují kyslík, který oxiduje rozpuštěné železo v oceánech, kde vzniká železná ruda. Ale nejdůležitější je, že se dostává do atmosféry a jeho koncentrace se začíná zvyšovat. V tomto případě kyslík jednoduše zabíjí anaerobní organismy. V důsledku toho před 2,4 miliardami let dochází k takzvané kyslíkové katastrofě – zásadní změně složení zemské atmosféry, která nakonec vedla k úplné změně společenstev: anaerobní společenstva byla nahrazena aerobními.
Metan, dříve obsažený ve velkém množství v atmosféře, se slučuje s kyslíkem a mění se na oxid uhličitý a vodu, což vede k výraznému poklesu celkové teploty Země. Začíná zalednění, které bude trvat asi 300 milionů let.
Přibližně před 530 miliony let se na Zemi objevily první fosilní stopy, které naznačují, že raná zvířata prozkoumala zemi dříve, než se na ní objevily rostliny.
Buněčný
První skutečné buněčné organismy se objevily asi před 1,7 miliardami let a mnohobuněčné organismy se objevily asi před 1,2 miliardami let. V sedimentech tohoto stáří se nacházejí nejprimitivnější rostliny ze skupiny červených řas, velmi podobné některým moderním červeným řasám. Předpokládá se, že mají pohlavní rozmnožování, což významně zvýšilo rychlost evoluce, jak dokazuje skutečnost, že přibližně ve stejném období nebo o něco později se objevily první nemořské skutečné buněčné organismy, včetně hub. Teprve asi před 550 miliony let začala úplně první etapa komplexního mnohobuněčného života. Byli to bizarní, protáhlá, většinou nehybná stvoření ve tvaru listu. Mezi nimi jsou nalezeny první důkazy sexuálního rozmnožování, rozkouskování těla na části, které velmi nejasně připomínají hlavu, trup a ocas, přítomnost trávicího systému atd.
Ale to jsou stále velmi primitivní formy. Éra, jejíž vědecký název lze přeložit jako „období jasně viditelného života“, začala teprve asi před 540 miliony let. Došlo k tzv. kambrické explozi – relativně rychlému, během několika milionů let, na Zemi se objevila významná část moderních biologických typů. Od této chvíle se objevuje velké množství různých zkamenělin, včetně mobilních, pancéřových atd. Jedná se především o různé mořské organismy, především živočichy více typů.
Sesuv půdy
Přibližně před 530 miliony let se na Zemi objevily první fosilní stopy, které naznačují, že raná zvířata prozkoumala zemi dříve, než se na ní objevily rostliny. První primitivní rostliny přišly na zem téměř o dalších 100 milionů let později. Rostliny byly doprovázeny houbami, které jim mohly pomoci dobýt zemi prostřednictvím symbiózy. V této době probíhaly na Zemi intenzivní procesy budování hor, které vedly ke vzniku skandinávských hor, Ťan-Šanu, pohoří Sajany a také k mělčení a zániku mnoha moří.
Vynoření rostlin na pevninu bylo další revoluční událostí v historii života na Zemi, protože od nich vyžadovalo zásadně nové úpravy. První vyšší rostliny, které dostaly jméno „nosorožce“, se již od řas liší přítomností pletiv a jejich rozdělením na kožní, mechanické, vodivé a fotosyntetické. To bylo vyvoláno prudkým rozdílem mezi vzdušným a vodním prostředím. Zejména:
- zvýšené sluneční záření, proti kterému se musel uvolňovat kutin a ukládat ho na povrch suchozemských rostlin, což se stalo prvním stupněm tvorby kožních pletiv, včetně speciálních struktur nezbytných pro výměnu plynů – průduchů;
- usazování kutinu znemožňuje absorbovat vlhkost celým povrchem (jako u řas), což vede ke změně funkce rhizoidů (primitivních kořenů), které nyní nejen přichycují organismus k substrátu, ale také absorbují vodu z toho;
- rozdělení na podzemní a nadzemní část si vyžádalo přísun minerálů, vody a fotosyntetických produktů do celého těla, takže se objevily vodivé tkáně – xylém a floém;
- konkurence o sluneční světlo vedla k potřebě „povznést se“ nad své sousedy, což vyžadovalo mechanické tkaniny;
- Během všech těchto přeměn se z fotosyntetických buněk vytvoří samostatná tkáň.
Nejstarší známá suchozemská (nebo spíše pravděpodobně obojživelná) rostlina se nazývala „cooksonia“, její stáří je přibližně 415 milionů let. Jedná se o malou rostlinu, která se vyznačuje extrémní jednoduchostí struktury: dichotomicky se rozvětvující stonky bez listů a květů. Funkci kořenů plnily pravděpodobně vodorovné podzemní nástavce stonků (oddenků), pokryté kořenovými vlásky. Po mnoho milionů let byla Cooksonia hlavním druhem bažinatých pobřeží kontinentů. Fosilní pozůstatky těchto rostlin byly nalezeny v různých částech světa. Z tohoto období jsou známy pozůstatky dalších rostlin, které jsou zcela odlišné od Cooksonie a svým vzhledem připomínají řasy nebo lišejníky.
Vynoření rostlin na pevninu bylo další revoluční událostí v historii života na Zemi, protože od nich vyžadovalo zásadně nové úpravy.
Vzhled stromů
A nyní se konečně dostáváme k pro nás nejzajímavější události – vzhledu stromů, které do značné míry předurčily podobu pozemku, který je již tak trochu podobný tomu modernímu. Je zajímavé, že stáří nejstarších fosilních stromů není o mnoho nižší než stáří Cooksonie a dalších fosilních suchozemských rostlin. Po dlouhou dobu byly nejstarší stromy považovány za zástupce vyhynulého rodu Archaeopteris (archeopteris), který měl listy podobné kapradině a zřejmě se rozmnožoval výtrusy. Vytvářely lesy, které pokrývaly většinu zemského povrchu. V sedimentech o něco dřívějšího stáří (před 397–380 miliony let) byly nalezeny roztroušené zbytky rostlin, jejichž dřevitost zůstávala kontroverzní.
A v roce 2005 představili američtí paleobotanici nové poznatky, které umožnily propojit jednotlivé části prastarého stromu. Dříve byly známy pod různými jmény: větve koruny se nazývaly Wattieza, základna kufru – Eospermatopteris.
Z nálezů vyplynulo, že Eospermatopteris byl strom vysoký nejméně 8 m, svou stavbou a vzhledem se podobal moderním stromovým kapradinám a palmám, i když tyto rostliny nemají s palmami nic společného. Určitě byly nalezeny i větší vzorky, protože tloušťka některých dříve nalezených „pahýlů“ byla dvakrát tak tlustá. Tato rostlina se také rozmnožovala výtrusy, ale ještě neměla pravé listy.
Vše výše uvedené znamená, že pozemské ekosystémy vzhledu, který známe – se stromy a různými zvířaty – byly obecně vytvořeny přibližně před 400–360 miliony let. Toto je začátek historie lesů na Zemi. Z nalezišť tohoto a o něco pozdějšího věku je již známo mnoho dalších stromů – například stromové kapradiny.
Lesy takových stromů rostly během velmi důležitého evolučního období planety – byly to právě ony, kdo se po miliony let zabýval fotosyntézou a připravil všechny podmínky pro to, aby se na zemi objevili první čtyřnozí obratlovci, kteří již mohli žijí zcela na povrchu Země, aniž by museli zůstat v oceánu.
semínko
Dalším nejdůležitějším krokem ve vývoji rostlin byl vzhled semenných rostlin. Jejich hlavním rysem je množení semeny. Na rozdíl od spory, která obsahuje málo živin a vyžaduje kombinaci mnoha příznivých podmínek pro další vývoj, uvnitř semene obsahujícího embryo je podstatně větší zásoba výživy a je chráněna slupkou.
Ve skutečnosti je rozdíl mezi semennými a výtrusnými rostlinami složitější: v životním cyklu výtrusných rostlin existují dvě zcela odlišné generace – sexuální a asexuální. Semenné rostliny mají také dvě z nich, ale rostliny, které ve skutečnosti pozorujeme, jsou sporofyt, nepohlavní generace a pohlavní generace semenných rostlin (gametofyt), s jejichž pomocí se provádí pohlavní rozmnožování, jsou velmi malé velikosti. a žije velmi krátce. Gametofytem semenných rostlin je pyl, který poletuje vzduchem a způsobuje alergikům nemalé potíže.
Stromovité výtrusné rostliny nepřežily do naší doby.
Fosílie Ginkgo a Wollemia
Stromovité výtrusné rostliny nepřežily dodnes, ale mezi nahosemennými rostlinami existuje několik skutečných živých fosilií. Nejznámější z nich je reliktní strom Ginkgo biloba. Jedná se o současníka dinosaurů, a proto se mu také říká „dinosauří strom“. Je to jedna z nejprimitivnějších nahosemenných rostlin moderního rostlinného světa, v jednotném čísle představuje třídu (a podle řady odborníků i rozdělení rostlinné říše), rod a čeleď. Rostliny třídy Ginkgo byly na Zemi rozšířeny během druhohorní éry, která začala přibližně před 250 miliony let. Svědčí o tom mohutné fosilní zbytky listů jinanu, které tvořily celé vrstvy v tehdejších sedimentech na území moderní Sibiře.
Po mnoho staletí se mělo za to, že se rostlina nevyskytuje ve volné přírodě, ale dnes je známo, že divoká forma ginkga roste ve dvou malých oblastech ve východní Číně. Ginkgo se pěstuje v západní Evropě, Asii a Severní Americe také proto, že žádná z moderních nahosemenných rostlin nemá tak krásné listy jako ginkgo. Tento strom je jedním z mála opadavých nahosemenných rostlin. Každý rok v pozdním podzimu shazuje listy, které krátce před opadem získávají krásnou zlatožlutou barvu. Byly vyvinuty i různé dekorativní formy ginkga, vyrábí se z něj řada léků, které se ve světě hojně používají (například k léčbě křečových žil a dokonce i ke zpomalení stárnutí). Plody ginkgo jsou jedlé.
Nejzajímavější ale je, že ani jeden strom na světě se nyní nemnoží jako jinan. Způsob rozmnožování ji přibližuje kapradinám a dalším výtrusným rostlinám, u kterých se oplození provádí pomocí plovoucích samčích reprodukčních buněk. U všech ostatních stromů se samčí reprodukční buňky nemohou pohybovat samostatně – u moderních příbuzných ginkga je pyl přenášen větrem. Jedná se o první nahosemennou rostlinu, ve které byly objeveny pohyblivé spermie. Hnojení pomocí pohyblivých spermií přibližuje ginkgo cykasům, respektive ukazuje, že obě skupiny nahosemenných jsou v tomto ohledu na relativně nízkém stupni evoluce.
Ginkgo je jedním z nejvzácnějších stromů na světě. Mnohem vzácnější je však jiná „živá fosilie“, mnohem méně známá – strom Wollemia. Wollemia je také starým obyvatelem Země, byla rozšířena v období Jury (asi před 200 miliony let) a byla považována za vyhynulou před miliony let. Jen v roce 1994 byla náhodně nalezena asi stovka stromů Wollemia v odlehlém koutě jednoho z australských národních parků.
Wollemia již patří mezi jehličnany – evolučně poněkud pokročilejší třída nahosemenných rostlin, do reliktní a malé čeledi Araucariaceae. Přesné umístění těchto stromů je stále skryto, aby je chránilo před zničením. Wollemie se však začala pěstovat uměle a sazenice se prodávaly do různých botanických zahrad a nyní se s uměle pěstovanou wolemií setkáte na mnoha místech.
Krvavé spermie a květiny
Dospěli jsme k poslední nejdůležitější fázi evoluce rostlin, včetně stromů – ke vzniku krytosemenných, neboli kvetoucích rostlin. Stalo se to asi před 130 miliony let, a jakmile se objevily, kvetoucí rostliny velmi rychle (opět v geologickém časovém měřítku) vytvořily neuvěřitelnou rozmanitost forem a získaly přední pozice v rostlinném pokryvu planety. Darwin nazval výjimečně rychlý vývoj a distribuci kvetoucích rostlin „nechutnou záhadou“. V současnosti je známo téměř 300 000 druhů kvetoucích rostlin, nahosemenných méně než 1 000. Výtrusných rostlin je o něco více – asi 30 000–40 000 druhů, ale také se nedají srovnávat s kvetoucími rostlinami.
Rozdíl mezi krytosemennými rostlinami je nejen přítomnost květu a speciální obaly semen, které tvoří plody, ale také dvojité oplodnění, které objevil ruský botanik Navashin. Jeho podstatou je, že hnojení podléhá nejen rudiment semene, ale také základ sběru živin – endosperm. Tento proces zjevně také poskytl kvetoucím rostlinám evoluční výhodu, protože pomáhá šetřit živý materiál. Pokud nedojde k oplodnění embrya, pak se endosperm, který není oplodněn, nevyvine, a tak nedochází k plýtvání živinami.
Je zajímavé, že první krytosemenné rostliny byly zřejmě stromy. Je známo, že mezi nejprimitivnějšími skupinami krytosemenných rostlin rozhodujícím způsobem převažují stromové formy. Ale mezi vyššími skupinami kvetoucích rostlin, zejména mezi jednoděložnými, se skutečné dřeviny prakticky nevyskytují. Závěr o prvenství dřevin mezi kvetoucími potvrzují četné srovnávací morfologické a anatomické studie. A ke vzniku bylinných forem života došlo v důsledku jevu zvaného neotenie (nabytí schopnosti reprodukce organismem v raném, „nedospělém“ stádiu vývoje) a silného zkrácení celého životního cyklu jako výsledek. K tomuto závěru dochází např. porovnáním struktury výhonů trav s jednoletými výhony dřevin – jsou si velmi podobné. V důsledku toho četné byliny zaplnily různé ekologické niky, které se nacházejí jak v lesích, tak v jiných přírodních oblastech.
Evoluce nabrala další spád a z bylinných se opět vytvořily dřevnaté formy.
Nahoru spirála
Konečně poslední nejzajímavější evoluční událost nám poskytuje potvrzení myšlenky, že veškerý vývoj probíhá ve spirále. Již jsme mluvili o tom, jak se stromy při přechodu na suchozemský způsob života vyvinuly z nedřevnatých rostlinných forem (primitivní výtrusné rostliny jako např. cooksonia apod.). Pak se evoluce opět vrátila k nedřevnatým formám rostlin, ale v podobě evolučně nesrovnatelně vyspělejších kvetoucích rostlin. A tak evoluce nabrala další obrátky, tentokrát z bylinných opět vznikly dřevnaté formy.
V některých evolučních liniích rostlin vzniká dřevnatá forma života podruhé. Přesněji řečeno, je správné mluvit o stromovité formě, protože proces tvorby dřeva zde probíhá zcela jinak než u většiny stromů. To je například původ stromovitých forem v čeledi husonohých, do které saxaul patří. A velmi odlišný způsob vývoje stromovitých forem najdeme u jednoděložných rostlin – agáve, dracény, bambusů a palem. Tyto stromy a keře se zdají být vývojově nejmladší skupinou dřevin.
Evoluce vyšších rostlin
Jak půjde evoluce dál, dojde k další revoluci, vynalezne příroda ještě pokročilejší formy a jevy? To máme šanci zjistit, jen pokud zachováme veškerou rozmanitost živých forem. Jinak může být evoluce přerušena „v polovině věty“.
