Mikroskooppinen meripihkan löytö muuttaa kasvien kemiaa

Pieni fossiilisen pihkan piste, ei suurempi kuin neulanpää, on pakottanut paleontologit miettimään uudelleen, milloin kasvit ensimmäisenä oppivat valmistamaan monimutkaisia puolustavia kemikaaleja. Tämä ei ole se kimalteleva, jalokivenomainen meripihka, jota keräilijät himoitsevat. Sen sijaan kyse on mikroskooppisten jyvästen sirottelusta, piilossa muinaisessa kivihiilikerrostumassa, joka osoittaa biologisen taidon kehittyneen paljon aikaisemmin kuin kukaan odotti.

Kun pihka edelsi dinosauruksia 150 miljoonalla vuodella

Fragmentit olivat peräisin Hujiersite-formationista Luoteis-Kiinasta. Isäntäkivi on ajoitettu keski-devonikaudelle, noin 385 miljoonaa vuotta sitten. Ajoitus tekee näistä jyvistä suunnilleen 65 miljoonaa vuotta varhaisempia kuin aiempi vahvistettu meripihkan esiintymä myöhäisestä hiilikaudesta, ja noin 150 miljoonaa vuotta ennen kuin ensimmäiset dinosaurukset vaelsivat maapallolla.

Löytö on kooltaan pieni mutta merkitykseltään valtava. Tutkijat erottelivat 241 pihkanomaista hiukkasta 10 kilosta kivihiiltä. Sirpaleet olivat 0,1–1,5 millimetriä leveitä. Useimmat olivat paljain silmin näkymättömiä, kunnes ne nähtiin ultraviolettivalossa, joka sai ne fluoresoimaan tummassa matriisissa.

Kivihiilikerrostuma, josta meripihka löydettiin.

Miten tutkijat todistivat, että kyseessä olivat aitoja meripihkan jyviä

Alkuhuuma muuttui tiukaksi skeptisisyydeksi. Meripihkan tunnistus näin varhaisesta kerrostumasta olisi poikkeuksellinen, muisteli pääkirjoittaja Cihang Luo Kiinan tiedeakatemiasta. Tiimi siksi käsitteli jäänteitä 'pihkanomaisena' orgaanisena aineksena, kunnes laboratoriokokeet pystyivät varmistamaan niiden luonteen.

• Optinen mikroskopia paljasti tunnusomaisia rakenteita ja fyysisiä ominaisuuksia.
• Infrapunaspektroskopia havaitsi kemiallisia sidoksia, jotka vastaavat neulaspuutyypisten pihkojen terpenoidiyhdisteitä.
• Massaspektrometria ja orgaaninen geokemiallinen analyysi tukivat kypsymishistoriaa, joka on yhteensopiva fossiloituneen kasvipihkan kanssa.

Vasta kun useat riippumattomat todisteketjut oli koottu, kirjoittajat päättelivät, että hiukkaset olivat aitoa kasvipihkasta muodostunutta meripihkaa. Kemialliset piirteet vastasivat läheisesti sitä, mitä tutkijat odottaisivat neulaspuutyypisiltä pihkoilta, vaikka varsinaiset neulaspuiden ryhmät eivät vielä olleet kehittyneet devonikaudella.

Joitakin meripihkapalasia. Suurin oli vain 1,5 millimetriä (0,059 tuumaa) leveä. 

Mitä tämä kertoo varhaisista maaekosysteemeistä

Usein kuvittelemme pihkan olevan evolutiivinen vastaus hyönteisten kasvinsyöntiin. Mutta 385 miljoonaa vuotta sitten hyönteiset eivät vielä olleet kehittyneet myöhemmän ajan vallitseviksi kasvinsyöjiksi. Miksi siis ylipäätään tuottaa pihkaa? Tutkimus viittaa siihen, että muut valintapaineet saattoivat ajaa tämän innovaation kehittymistä.

Tulipalot ja taudinaiheuttajat sienimuodossa olivat maalla läsnä. Samoin olivat varhaiset maa-artropodit ja mikrobihyökkääjät. Tutkijat ehdottavat, että pihka, jota rikastivat terpenoidit ja muut monimutkaiset molekyylit, olisi voinut toimia monikäyttöisenä suojana: sulkea haavat, torjua loisia ja hidastaa hajotusta vaurion jälkeen.

"Tärkeää ei ole pelkästään se, että aineisto on vanhempi," Luo kertoi ScienceAlertille. "Aiemmin vahvistettu meripihkan esiintymä oli peräisin myöhäisestä hiilikaudesta ja liittyi todennäköisesti siemenkasveihin. Meidän meripihkamme on peräisin keski-devonikaudelta, ennen kuin siemenkasvit olivat ilmaantuneet ja monipuolistuneet. Tämä tarkoittaa, että siemenetön johtojärjestelmällinen kasvi oli jo kykenevä tuottamaan kemiallisesti monimutkaista terpenoidipihkaa."

Hujiersiten ympäristö oli kostea ja orgaanisesti rikas, sopiva kivihiilen muodostumiselle, ja siellä kasvoi paikoin varhaista johtojärjestelmällistä kasvillisuutta. Vaikka maaekosysteemien ravintoverkot olivat yksinkertaisempia kuin myöhemmissä metsissä, devonikausi oli silti merkittävän biomin muokkaamisen aikaa: kasvit kasvoivat korkeammiksi, kehittyivät puumaisiksi kudoksiltaan ja muodostivat syvempiä juuristoja, jotka muuttivat maisemia.

Sama meripihkan pala kuin yllä olevassa kuvassa, fluoresoimassa ultraviolettivalossa. 

Vaikutukset kasvikemian evoluutiolle

Pihkan biosynteesi perustuu aineenvaihduntareitteihin, jotka tuottavat terpeenejä, kemiallisesti monimuotoista molekyyliperhettä. Molekyylikelloanalyysit ovat vihjanneet, että terpeenien tuotannosta vastaavat geenit saattoivat olla olemassa ennen keski-devonikauden aikaa, mutta fyysistä fossiilista näyttöä on puuttunut. Nämä jyvät tarjoavat sen fossiilisen vertailukohdan.

Tällä on merkitystä, koska sekundaarimetaboliitit kuten terpeenit ovat enemmän kuin kemiallisia kuriositeetteja. Ne muovaavat ekologisia vuorovaikutuksia: säätelevät kasvi-tauti-suhteita, torjuvat syöjiä ja vaikuttavat hajoamisnopeuksiin. Jos siemenettömät johtokasvit tuottivat jo tällaisia yhdisteitä, kemialliset puolustuskeinot auttoivat siltaamaan tietä kasvien leviämiselle ja hallitsevuudelle maaekosysteemeissä.

Kuinka monta muinaista meripihkaa on jäänyt huomaamatta?

On todellinen mahdollisuus, että tämä löytö ei ole ainutlaatuinen. Varhainen meripihka oli todennäköisesti mikroskooppista, paikallista ja helposti sekoitettavissa muuhun orgaaniseen aineeseen kivihiilen ja hienojakoisten sedimenttien joukossa. Paleoarkisto suosii suurempia, ilmeisempiä fossiileja. Pienemmät jyvät voidaan ohittaa, elleivät tutkijat aktiivisesti etsi niitä oikeilla menetelmillä.

"Varhainen meripihka oli todennäköisesti mikroskooppista, voimakkaasti paikallistunutta ja helposti sekoitettavissa muuhun orgaaniseen aineeseen, mikä saattaa selittää, miksi se on jäänyt huomaamatta," kirjoittivat Luo ja kollegat. He suosittelevat seulomaan varhaisen devonikauden orgaanisesti rikkaat kivihiilet, hiilimäiset liuskeet ja hienosti laminoituneet sedimentit, jotka säilyttävät kasvien kuorikerroksia ja ovat kokeneet suhteellisen pientä termistä muutosta. Kun näitä yhdistetään, ultraviolettiseulonta, huolellinen mikroskooppinen erotus, infrapunaspektroskopia ja orgaaninen geokemiallinen analyysi voivat paljastaa vielä vanhempia esiintymiä.

Joitakin Hujiersite-formationista aiemmin löydettyjä fossiloituneita kasveja. 

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Elena Márquez, paleobotanisti Cambridgen yliopistosta, joka ei osallistunut tutkimukseen, kutsui löytöä vaikuttavaksi esimerkiksi siitä, miten pienet fossiilit voivat muuttaa suuria kertomuksia. "Tendenssi on etsiä suuria fossiileja, kuten kokonaisia runkoja tai kuuluisia lehtiesiintymiä, ja jättää huomiotta mikrofossiilit, jotka kantavat molekulaarisia tarinoita," hän sanoi. "Nämä jyvät osoittavat, että kemiallinen innovaatio voi edeltää laajamittaista rakenteellista evoluutiota kasveissa. Se muuttaa tapaa, jolla mallinnamme varhaisia maaekosysteemejä ja kasvi-hyönteis-koevoluutiota."

Johtopäätös

Hujiersite-formationin mikroskooppinen meripihka lisää uuden luvun elämän maalla tarinaan. Se osoittaa, että monimutkaiset kemialliset puolustuskeinot olivat jo käytössä ennen siemenkasveja ja kauan ennen dinosauruksia. Löytö laajentaa etsintää muinaisille pihkoille ja kutsuu uudelleen arvioimaan, miten kemialliset piirteet vaikuttivat maaekosysteemien nousuun. Vaikka jyvät ovat pieniä, niiden viesti on suuri: evolutiivinen innovaatio on usein piilossa pienimmissä jäljissä.