Wie haben sich Pflanzen überhaupt in allen möglichen Formen und Größen entwickelt? Um das herauszufinden, haben wir eine Milliarde Jahre Pflanzengeschichte kartiert

Die Pflanzenvielfalt reicht von einfachen Algen und einzelligem Teichschlamm bis hin zu Moosen, Farnen und riesigen Bäumen. Paläontologen wie wir diskutieren seit langem genau, wie diese Vielfalt an Formen und Größen entstanden ist und ob Pflanzen in einer allmählichen Blüte oder in einem einzigen Urknall aus Algen in vielzellige und dreidimensionale Formen übergegangen sind.

Um diese Frage zu beantworten, wandten sich Wissenschaftler dem Fossilienbestand zu. Aus den am besten erhaltenen Exemplaren wie Trilobiten, Ammoniten und Seeigeln kamen sie stets zu dem Schluss, dass die biologischen Gestaltungsmöglichkeiten einer Gruppe in den frühesten Perioden ihrer Evolutionsgeschichte erreicht wurden.

Dies hat wiederum zu Hypothesen geführt, dass evolutionäre Abstammungslinien eine haben frühzeitig höhere Innovationsfähigkeit und nach dieser ersten Phase des Überschwangs bleiben sie bei dem, was sie wissen. Das gilt sogar für uns: Alle verschiedenen Plazenta-Säugetiere haben sich überraschend schnell aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt. Gilt das Gleiche auch für das Pflanzenreich?

In unserer neue Studie, versuchten wir, diese Frage zu beantworten, indem wir in jeder großen Pflanzengruppe nach bestimmten Merkmalen suchten. Diese Merkmale reichten von den grundlegenden Merkmalen von Pflanzen – dem Vorhandensein von Wurzeln, Blättern oder Blüten – bis hin zu feinen Details, die die Variation und Verzierung jedes Pollenkörnchens beschreiben. Insgesamt haben wir Daten zu 548 Merkmalen von mehr als 400 lebenden und fossilen Pflanzen gesammelt, was mehr als 130.000 Einzelbeobachtungen entspricht.

Anschließend analysierten wir alle diese Daten und gruppierten Pflanzen auf der Grundlage ihrer allgemeinen Ähnlichkeiten und Unterschiede, die alle innerhalb eines sogenannten „Designraums“ dargestellt wurden. Da wir die evolutionären Beziehungen zwischen den Arten kennen, können wir auch die Merkmale ihrer ausgestorbenen gemeinsamen Vorfahren vorhersagen und diese hypothetischen Vorfahren ebenfalls in den Designraum einbeziehen.

Beispielsweise werden wir niemals Fossilien der Blütenpflanze unserer Vorfahren finden, aber wir wissen von ihren nächsten lebenden Nachkommen, dass sie zweigeschlechtlich und radiärsymmetrisch war und mehr als fünf Exemplare hatte spiralförmig angeordnete Fruchtblätter (der anlagetragende weibliche Fortpflanzungsteil einer Blüte). Zusammengenommen zeigen Datenpunkte von lebenden Arten, Fossilien und vorhergesagten Vorfahren, wie sich das Pflanzenleben im Laufe der Evolutionsgeschichte und im Laufe der geologischen Zeit durch den Gestaltungsraum navigiert hat.

Wir hatten erwartet, dass Blütenpflanzen den Gestaltungsraum dominieren würden, da sie mehr als 80 % der Pflanzenarten ausmachen, aber das ist nicht der Fall. Tatsächlich erreichen die lebenden Moose – Moose, Lebermoose und Hornmoose – eine fast ebenso große Vielfalt in ihren Körperformen.

Dies ist möglicherweise nicht ganz überraschend, da die drei Abstammungslinien der Bryophyten schon mehr als dreimal so lange ihr eigenes Ding machen wie Blütenpflanzen. Und trotz ihrer winzigen Natur sind selbst die bescheidenen Moose außerordentlich komplex und vielfältig, wenn man sie durch ein Mikroskop betrachtet.

Die evolutionären Beziehungen, die durch die verzweigte Genealogie in der obigen Handlung vermittelt werden, zeigen, dass es im Allgemeinen eine Struktur bei der Besetzung des Designraums gibt – wenn neue Gruppen entstanden, haben sie sich in neue Regionen ausgeweitet. Es gibt jedoch auch Hinweise auf eine Konvergenz, da einige Gruppen wie die lebenden Gymnospermen (Nadelbäume und verwandte Arten) und Blütenpflanzen näher beieinander liegen als bei ihren gemeinsamen Vorfahren.

Dennoch ist ein Teil der Besonderheiten der verschiedenen Gruppierungen im Designraum eindeutig das Ergebnis des Aussterbens. Dies wird deutlich, wenn wir die Verteilung der fossilen Arten (schwarze Punkte) betrachten, die häufig zwischen den Ansammlungen lebender Arten (farbige Punkte) vorkommen.

Wie hat sich die Vielfalt der Pflanzenkörperpläne entwickelt?

Insgesamt handelt es sich bei dem allgemeinen Muster um die fortschreitende Erforschung neuer Designs als Ergebnis von Innovationen, die normalerweise mit der Fortpflanzung verbunden sind, wie Embryo, Spore, Samen und Blüte. Diese stellen die evolutionären Lösungen für die Umweltherausforderungen dar, mit denen Pflanzen bei ihrer fortschreitenden Besetzung immer trockenerer und schwieriger werdender Nischen auf der Landoberfläche konfrontiert sind. Beispielsweise ermöglichte die Innovation der Samen den Pflanzen, die sie tragen, die Fortpflanzung auch ohne Wasser.

Im Laufe der geologischen Zeit treten diese Expansionen als episodische Impulse auf, die mit der Entstehung dieser reproduktiven Innovationen verbunden sind. Die Treiber der anatomischen Evolution der Pflanzen scheinen eine Kombination aus genomischem Potenzial und Umweltchancen zu sein.

Die Pflanzendisparität deutet darauf hin, dass der Urknall ein Scheitern ist

Nichts davon entspricht der Erwartung, dass evolutionäre Abstammungslinien zunächst innovativ sind, bevor sie erschöpft sind. Stattdessen scheint es so, als seien grundlegende Formen von Pflanzen im Laufe der Evolutionsgeschichte hierarchisch entstanden und weiterentwickelten sich auf dem anatomischen Grundgerüst, das sie von ihren Vorfahren geerbt hatten. Sie haben ihre Fähigkeit zur Innovation in den Milliarden oder mehr Jahren ihrer evolutionären Langlebigkeit nicht verloren.

Unterscheiden sich Pflanzen dadurch von Tieren, deren Studien die Grundlage für die Erwartung einer frühen evolutionären Innovation und Erschöpfung bilden? Gar nicht. Vergleichbare Studien, die wir an Tieren und Pilzen durchgeführt haben, zeigen, dass, wenn man diese Vielzellerreiche in ihrer Gesamtheit untersucht, sie alle ein Muster episodisch zunehmender anatomischer Vielfalt aufweisen. Einzelne Abstammungslinien mögen sich bald erschöpfen, aber insgesamt sind die Königreiche weiterhin innovativ.

Dies deutet auf ein allgemeines Muster für evolutionäre Innovationen in vielzelligen Reichen hin und auch darauf, dass Tiere, Pilze und Pflanzen noch viel Evolutionssaft in ihren Tanks haben. Hoffen wir, dass wir noch da sind, um zu sehen, welche Innovation als nächstes entsteht.

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