Mais, en avling som dyrkes på hvert kontinent bortsett fra Antarktis, ligner veldig lite på forfederen, et vilt gress med harde kjerner som vokser i dag i det sørvestlige Mexico og kalles teosinte.
Botanikere har diskutert i nesten et århundre om kornens opprinnelse, og trodde på et tidspunkt at den moderne planten var avstammet fra en utdødd vill mais, eller noe som ennå ikke var oppdaget. Genetikere bestemte imidlertid til slutt i 1990 at mais var relatert til hardkjernen teosinte, og konkluderte med at den store, saftige planten vi kjenner i dag, er den domestiserte formen av det ville gresset. For mellom 10.000 og 13.000 år siden, forskere resonnerer, bønder hadde valgt og plantet frøene med gunstige egenskaper og over tid ble planten forvandlet.
Men i en studie publisert forrige uke i tidsskriftet Quaternary International, delte Smithsonian-forsker Dolores Piperno, en arkeobotanist som arbeidet ved Smithsonian Tropical Research Institutes feltstasjon i Gamboa, Panama, en ny "tidsmaskin" -hypotese. Under tidligere miljøforhold, sier hun og hennes kolleger, så teosinte langt annerledes ut enn det gjør i dag og lignet mer på dagens mais enn det gjør nå. Dette kan kaste lys over hvorfor tidlige bønder valgte å dyrke det.
Under tidligere miljøforhold sa Piperno (som har moderne teosinte) og hennes kolleger, at Pleistocene-tidens forfader til anlegget så langt annerledes ut enn den gjør i dag og lignet mer på dagens mais. (Matthew Lachniet) "Vi vet det for mellom 10.000 og 13.000 år siden, " sier Piperno, "da jeger-samlere først begynte å utnytte de ville forfedrene til [dagens] avlinger, og da de første bøndene faktisk begynte å dyrke avlingene, var temperaturen og atmosfærisk CO2 veldig forskjellig. ”
Piperno jobbet med Klaus Winter, som tegnet et glass-kammer drivhus - tidsmaskinen - opprettholdt med reduserte CO2-nivåer og holdt ved lavere temperaturer som var lik de i sen Pleistocene og tidlig Holocene perioder. For kontrollformål ble et annet drivhus som etterlignet dagens miljø klargjort i nærheten. Piperno og hennes kolleger plantet deretter teosinte i begge kamrene.
Det var mens man studerte kornens fossile historie og tidligere miljøforhold at Piperno begynte å lure på hvordan plantens forfedre kan ha sett ut under sen-Pleistocene og tidlig Holocene, da de først ble høstet og deretter dyrket. På den tiden var temperaturen 3, 5 til 5, 4 grader kjøligere enn den er i dag, og atmosfærisk CO2 svevet på nivåer rundt 260 deler per million. Senere, under den industrielle revolusjonen, ville CO2 stige til dagens 405 deler per milliard, nivået der den høye, forgrenede teosinteplanten nå vokser.
Den maislignende fenotypeplanten fra "tidsmaskin" -kammeret (A) har en enkelt dusk som avslutter hovedstammen og hunnører vises langs hovedstammen (pilene). Innsettingen øverst til høyre er et nærbilde av et av de kvinnelige ørene. Moderne teosinte dyrket i kontrollkammeret (B) har mange lange, primære laterale grener (for eksempel øvre hvite pil) avsluttet med dusker (svart pil). Uutviklede, kvinnelige ører kan sees på de sekundære sidegrenene (hvite piler). (Irene Holst, STRI) Piperno var interessert i studier som undersøkte hvordan fremtidig CO2- og temperaturøkning kan indusere noe som kalles “fenotypisk plastisitet”, eller endringer i utseendet i anlegget som svar på miljøet. Fenotypisk plastisitet kan føre til at to genetisk identiske organismer ser annerledes ut hvis de dyrkes under separate forhold.
I "tidsmaskinen" var Piperno og Klaus fascinerte av å finne at teosinteplantene vokste til å ligne mer på kornet som vi dyrker og spiser i dag. Mens dagens teosinte har mange duskede grener med ører som vokser på sekundære grener, hadde drivhusplantene en eneste hovedstamme toppet av en enkelt dusk, samt flere korte grener med ører. Og frøene var også forskjellige: i motsetning til ville teosintefrø, som modnet i rekkefølge, modnet alle frøene i forsøksplantene alle samtidig, likt kornkjerner eller frø. Dagens teosintefrø er innelukket i tette vegetative bracts, men tidsmaskinen produserte planter med frøkjerner som ble utsatt.
I følge Piperno ville færre grener, sammen med lett synlige frø, gjort teosinte til en enklere avling å høste. Disse egenskapene - tidligere antatt å ha stammet fra menneskelig seleksjon og domestisering - kan ha blitt ansporet gjennom miljøendringer som induserte fenotypisk plastisitet.
Inne i tidsmaskinkammeret ble teosinte dyrket under forhold som det kan ha møtt for 10.000 år siden. (Irene Holst, STRI) Det ser ut som miljøet spilte en "betydelig, hvis serendipitøs" rolle i fokuset på teosinte for dyrking, sier Piperno. Maislignende funksjoner “ga tidlige bønder et forsprang.”
Daniel Sandweiss, professor i antropologi og kvartær- og klimastudier ved University of Maine, har forsket på omfattende klimaendringer i Latin-Amerika. Han kalte Pipernos eksperiment “banebrytende”, og sa at han trodde det ville “bli en modell for en hel serie studier.”
Piperno, Klaus og teamet deres var også interessert i å se hvordan en merkbar økning i temperatur og CO2 som skjedde mellom de sene Pleistocene- og Holocene-epoker, kan ha påvirket planteproduktiviteten, og kunne bidra til å forklare en mulig årsak til at jordbruket startet i løpet av den tiden og ikke før.
Under Pleistocene var CO2-nivåene i atmosfæren enda lavere enn de var under Holocene - minst med en tredjedel - og temperaturen var 5 til 7 grader kjøligere. Pleistocene-tidens CO2-nivåer og temperaturer var begrensende faktorer for planteveksten, konkluderte Piperno, som hadde sett tidligere forskning antydet at voksende planter i et miljø med lavt CO2, lav temperatur, hemmet fotosyntesen og senket frøutbyttet.
Corn's wild stamfar, teosinte, vises vokser under moderne (kammer til venstre) og under fortid (kammer til høyre) klimaforhold. Smithsonian-forskere Dolores Piperno (til høyre) med Irene Holst. (Sean Mattson) Pipernos egne resultater gjentok tidligere studier; teosinte dannet også flere frø i kammeret med varmere temperatur og økte C02. Dette fenomenet gjorde kanskje jordbruket for første gang til en bærekraftig praksis for å mate familier. Anleggets økte produktivitet, sier Piperno, gjorde jordbruk til "en god tilpasningsstrategi."
"Resultatene er oppsiktsvekkende, " sier Sandweiss, som bemerket at teosinte utseende lenge hadde forskjøvet forskere. Etter å ha sett hvordan teosinte så ut i vekstforholdene i Pleistocene, begynte forholdet til mais å være "mye mer fornuftig."
Pipernos eksperiment kan også hjelpe forskere og arkeologer til å forstå prosessen og tidspunktet for avlingstømming over hele kloden, bemerket Sandweiss. Hvete, bygg og ris kan også ha opplevd fenotypiske forandringer og økt produktivitet i de sene Pleistocene og tidlige Holocene epoker. Å spore denne prosessen kan forklare, "som det ser ut til med mais, hvorfor folk valgte den spesielle arten og ikke andre, og hvorfor prosessen med domestisering fant sted da den gjorde det."
Piperno planlegger å fortsette forskningen sin ved å gjennomføre kunstige seleksjonsstudier og dyrke flere generasjoner med planter for å observere arven etter de induserte, maislignende fenotypene. Hun sier at fenotypisk plastisitet er i ferd med å bli en viktig del av det forskerne kaller "den nye moderne syntesen" - noe som utvider hvordan forskere ser på miljøets effekt på evolusjonsendring.
"Vi har i utgangspunktet åpnet et vindu, " sier Piperno.
