Первые виды хвойных деревьев, которые дали семена, которые кружатся при падении, использовали различные конструкции с одним и двумя крыльями. Вихревой или вертолетный режим удерживает семена в воздухе дольше, увеличивая вероятность того, что порыв ветра перенесет семена на поляну, где они могут прорасти и беспрепятственно расти.«Крылатые семена, возможно, способствовали успеху этих хвойных пород», — сказала палеоботаник Синди Лой, доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли, член Берклиской инициативы по глобальным изменениям в биологии (BiGCB) и куратор Музея биологических исследований Калифорнийского университета в Беркли. Палеонтология.
Сегодня, однако, все виды хвойных, семена которых кружатся при падении, похоже, остановились только на одном типе дизайна: асимметричном и одинарном. Несколько разных линий хвойных пород независимо друг от друга пришли к этой конструкции с одним крылом после экспериментов с вертолетными крылатыми семенами в течение миллионов лет эволюции.Чтобы убедить себя в том, что более поздние хвойные деревья выбрали наиболее эффективный дизайн для распространения семян ветром, Лой и ее коллеги создали модели семян, вдохновленные разнообразием конструкций семян, найденных в уникальной коллекции из ископаемых семян из Техаса, возраст которых составляет 270 миллионов лет.Сбрасывая эти модельные семена и снимая их падение с помощью высокоскоростных камер, они продемонстрировали, что вращающиеся однокрылые семена являются наиболее эффективными при воздушном распространении.
Симметричные двукрылые семена часто не запускали вращение, замедляющее спуск, но даже если это и происходило, они оставались в воздухе вдвое короче, чем однокрылые.
Кроме того, разница в летных характеристиках однокорпусных вихревых семян и асимметричных или симметричных двустворчатых семян увеличивалась с увеличением веса семян или в турбулентном воздухе.Лой, бывший научный сотрудник Роберт Стивенсон и бывший аспирант Деннис Евангелиста, ныне работающий в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл, опубликует свои экспериментальные результаты в специальной статье в мартовском номере журнала Paleobiology за 2015 год.Луй изучал окаменелости ранних групп хвойных пород из отложений в Техасе, относящихся к пермскому периоду, около 270 миллионов лет назад.
Ее поразил тот факт, что один из видов хвойных дает семена различной формы, от одинарных до асимметричных и симметричных двукрылых семян.Это необычно, сказала она, потому что у одностворчатых семян явное преимущество повышенной эффективности рассеивания, особенно в пермский период, когда распространение семян животными практически отсутствовало. Еще более необычным было то, что различные виды хвойных, которые независимо развили вихревые или авторотационные семена, в итоге получили только одну оптимальную форму семян у современных видов хвойных. То же самое верно и для других деревьев, у которых появились похожие семена или плоды, например, клен и ясень.
Пермское хвойное дерево, которое она и Стивенсон официально описали в прошлом году и назвали Manifera talaris, дало самые старые известные самовращающиеся семена хвойных пород примерно за 40 миллионов лет до появления динозавров.«Вращающиеся семена у живых хвойных деревьев, как правило, асимметричны и одинарны, поэтому я задалась вопросом, сильно ли отличается функция двукрылых семян», — сказала она. «Пока вы на самом деле не увидите их в действии и не сравните их, у вас нет никаких доказательств».Бумажные крылышки и пластиковые семечки
Лой знал, что люди тестировали аэродинамику одностворчатых самовращающихся семян, но никто никогда не изучал другие конструкции, потому что их сегодня нет. Используя специальную папиросную бумагу для крыльев и полиэтиленовую пленку для тяжелых семян, она и ее коллеги построили модели однокрылых семян живого хвойного дерева, которые напоминали таковые из ископаемых хвойных деревьев. Фактические семена этого дерева, новозеландского каури (Agathis australis), были использованы для подтверждения того, что изготовленные модели вели себя как настоящие.Затем они изменили дизайн моделей, чтобы они соответствовали симметричным и асимметричным двукрылым, а также одинарным семенам, распространенным среди окаменелостей Техаса.
Исследователи сбросили семена с высоты 3 метра (9 футов) и засняли их падение на высокоскоростную камеру. Это позволило им наблюдать за летными характеристиками и измерить ряд летных характеристик и аэродинамических свойств различных форм. Они привлекли полдюжины студентов Калифорнийского университета в Беркли, чтобы помочь определить, какой тип крылатых семян лучше всего подходит для рассеивания ветром, и оцифровать поведение семян, снятых на камеру, в полете.Они обнаружили, что, в отличие от одностворчатых семян, симметричные и асимметричные двустворчатые семена вращаются не так эффективно; вместо медленного спуска вертолета они обычно порхали или просто падали на землю.
Но даже когда семенам с двойными крыльями удавалось авторотацию, эксперименты убедительно продемонстрировали, что одностворчатые семена остаются в воздухе почти в два раза дольше.Раннее рассеяние семянСемена, переносимые воздухом и водой, стали более распространенными в период между концом карбона — 320 миллионов лет назад — и ранней перми, начавшейся около 300 миллионов лет назад.
В то время большая часть растений состояла из ликопод, папоротников, хвощей и семенных папоротников, и появились некоторые из первых шишковидных деревьев, таких как хвойные деревья и саговники.«В то время были очень разные растения», — сказал Лой. «Некоторые из этих групп производили семена, но им не хватало большинства уловок, которые мы видим сегодня для их распространения».Позвоночные животные, лишь некоторые из которых были травоядными, обычно были крупными и не лазили по деревьям. «Единственными летающими животными были насекомые, и, насколько нам известно, они не рассеивали семена», — сказал Лой.
«Для семени в то время наличие крыльев было фактически одним из немногих способов широкого распространения», — сказала она.Окаменелости хвойных пород, найденные в северо-центральной части Техаса, датируются тем временем, когда Техас располагался недалеко от экватора, а Северная Америка была частью огромного континента Пангея.
Луй изучала эти окаменелости, когда она работала докторантом в Смитсоновском институте с 2004 по 2008 год, и была поражена разнообразием семян одного вида по сравнению с сегодняшним днем.«В этих хвойных деревьях вы можете увидеть этапы от создания крылатых семян до создания самовращающихся семян. Кажется, пермская хвойная Manifera впервые придумала, как производить различные формы крылатых семян, включая высокофункциональные авторотационные семена», — сказала она. «Однако окаменелости близкородственных хвойных пород конца пермского периода предполагают, что лишь намного позже они обнаружили, как не производить менее функциональные типы.
Примерно в то же время мы также видим первые слегка сочные семена хвойных пород, появляющиеся в летописи окаменелостей. , которые привлекательны для животных и потенциально могут указывать на расселение животных. Постепенно семена начинают превращаться во все различные типы, которые есть у нас в настоящее время ».