תירס, יבול שחווה בכל יבשת פרט לאנטארקטיקה, נראה מעט מאוד כמו אבותיו, עשב בר עם גרעינים קשים שגדל כיום בדרום מערב מקסיקו ונקרא teosinte.
בוטניקים התווכחו במשך כמעט מאה על מקור התירס, ובסביבה מסוימת האמינו כי הצמח המודרני נצר מתירס בר שנכחד, או משהו שעדיין לא התגלה. עם זאת, גנטיקאים קבעו בסופו של דבר בשנת 1990 כי התירס היה קשור לטאוסינט גרעינים קשים, והגיעו למסקנה כי הצמח השמנמן והעסיסי שאנו מכירים כיום הוא הצורה המבויתת של העשב הבר. לפני 10, 000 לבין 13, 000 שנה, כך טענו מדענים, החקלאים בחרו ושתלו את הזרעים בתכונות חיוביות ועם הזמן הפך הצמח.
אולם במחקר שפורסם בשבוע שעבר בכתב העת Quaternary International, החוקרת הסמית'סוניאנית דולורס פפרנו, ארכיאו-בוטאניסט שעבדה בתחנת השדה של מכון המחקר הטרופי סמיתסוניאן בגמובה, פנמה, חלקה השערה חדשה של "מכונת זמן". בתנאים סביבתיים של פעם, היא ועמיתיה אומרים, teosinte נראתה שונה בהרבה מכפי שהיא נראית כיום ודומה יותר לתירס של ימינו מאשר כעת. זה עשוי לשפוך אור מדוע בחרו החקלאים המוקדמים לטפח אותו.
בתנאים סביבתיים של פעם, פפרנו (הנושאת טוסינט מודרנית) ועמיתיה אומרים כי האב הקדמון מהתקופה הפליסטוקן של הצמח נראה שונה בהרבה מכפי שהוא נראה כיום ודומה יותר לתירס של ימינו. (מתיו לכניאט) "אנחנו יודעים שלפני 10, 000 עד 13, 000 שנה, " אומר פיפרנו, "כאשר הציידים-לקטים התחילו לנצל את אבות אבותיו הגידולים [של ימינו] וכאשר החקלאים הראשונים החלו לעבד את הגידולים, הטמפרטורה וה- CO2 האטמוספרי היו שונים מאוד. "
פפרנו עבד עם קלאוס ווינטר, שתכנן חממה עם תא זכוכית - מכונת הזמן - שמרה על רמות CO2 נמוכות ושמרה על טמפרטורות נמוכות יותר שהיו דומות לאלה של תקופת הפליסטוקן המאוחרת וראשית הולוקן. למטרות בקרה הוכרז בקרבת מקום חממה נוספת שחיקתה את הסביבה של ימינו. פפרנו ועמיתיה שתלו אז teosinte בשני התאים.
זה היה בזמן שבחן את ההיסטוריה המאובנת של תירס ותנאי הסביבה בעבר, החל פיפרנו לתהות כיצד נראו אבות אבותיו של הצמח בתקופת הפליסטוקן המאוחרת ועם ההולוקן המוקדם, כאשר הם נקצרו לראשונה ואז עיבדו אותם. באותה תקופה, הטמפרטורה הייתה קרירה יותר מ- 3.5 עד 5.4 מעלות מכפי שהיא כיום, וה- CO2 האטמוספרי ריחף ברמות סביב 260 חלקים למיליון. מאוחר יותר, במהלך המהפכה התעשייתית, CO2 יעלה ל 405 חלקים למיליארד של ימינו, הרמה שבה גדל כעת מפעל הטוסיננט הגבוה והענף.
לצמח הפנוטיפ דמוי התירס מחדר "מכונת הזמן" (A) יש ציצית אחת המסיימת את הגבעול הראשי והאוזניים הנשיות מופיעות לאורך הגבעול הראשי (חיצים). הכניסה בחלק הימני העליון היא תקריב של אחת האוזניים הנשיות. Teosinte מודרני שגדל בתא הבקרה (B) יש ענפים לרוחב ראשוניים רבים (דוגמה, חץ לבן עליון) שמסתיימים על ידי גדילים (חץ שחור). ניתן לראות אוזניים נקבות לא מפותחות על ענפי הרוחב המשניים (חיצים לבנים). (אירן הולסט, STRI) פפרנו התעניין במחקרים שבדקו כיצד עלויות עתידיות של CO2 וטמפרטורה עשויות לגרום למשהו המכונה "פלסטיות פנוטיפית", או שינויים במראה החיצוני בצמח כתגובה לסביבתו. פלסטיות פנוטיפית יכולה לגרום לשני אורגניזמים זהים גנטיים להיראות שונים אם מגדלים אותם בתנאים נפרדים.
ב"מכונת הזמן ", הסתקרנו פפרנו וקלוס כי צמחי הטוסינט צמחו כך שדומים יותר לתירס שאנו מגדלים ואוכלים כיום. בעוד שבטוסיננט של ימינו יש מספר רב של ענפים גדילים עם אוזניים הצומחות על ענפים משניים, לצמחי החממה היה גבעול עיקרי אחד שבראשו גדל יחיד, כמו גם כמה ענפים קצרים עם אוזניים. וגם הזרעים היו שונים: בניגוד לזרעי טהוסינט בר, שהתבגרו ברצף, כל הזרעים בצמחי הניסוי הבשילו כולם באותו זמן, בדומה לגרעיני תירס, או זרעים. זרעי ה- Teosinte של ימינו כלולים בחלילים צמחיים צמודים, אך מכונת הזמן יצרה צמחים עם גרעיני זרע שנחשפו.
על פי פיפרנו, פחות ענפים, יחד עם זרעים נראים לעין, היו הופכים את הטרוסיננט ליבול קל יותר לקציר. מאפיינים אלו - שנחשבו בעבר שנבעו מהברירה האנושית והביות - עשויים להיות מונעים באמצעות שינויים סביבתיים שגרמו לפלסטיות פנוטיפית.
בתוך תא המכונות הזמן, גידול הטאוסיננטה בתנאים שהיו עשויים להיתקל בו לפני 10, 000 שנה. (אירן הולסט, STRI) נראה כי הסביבה מילאה תפקיד "משמעותי, אם סרנדיפיטי" בהתמקדות בתהליכי טיפוח, אומר פפרנו. תכונות דמויות תירס "העניקו לחקלאים המוקדמים התחלה ראשונה."
דניאל סנדוויס, פרופסור לאנתרופולוגיה וללימודי רבעון ואקלים באוניברסיטת מיין, ערך מחקר נרחב בנושא שינויי אקלים מוקדמים באמריקה הלטינית. הוא כינה את הניסוי של פפרנו "פורץ דרך", ואמר כי הוא מאמין שזה "יהפוך למודל לסדרת מחקרים שלמה."
פפרנו, קלאוס וצוותם התעניינו גם לראות כיצד עלייה בטמפרטורה וב- CO2 שהתרחשה בין תקופות פליסטוקן והולוקן המאוחרת עשויה להשפיע על תפוקת הצומח, ויכולה לעזור להסביר סיבה אפשרית לכך שהחקלאות החלה במהלך אותה תקופה לא לפני.
במהלך הפליסטוקן, רמות ה- CO2 האטמוספירה היו אפילו נמוכות יותר ממה שהייתה במהלך ההולוקן - לפחות בשליש - והטמפרטורה הייתה קרירה יותר מ- 5 עד 7 מעלות. פיפרנו, רמות הטמפרטורה של CO2 בעידן הפליסטוקן היו גורמים מגבילים את צמיחת הצומח, סיכם פיפרנו, שראה כי מחקרים קודמים מצביעים על כך שגידול צמחים בסביבה נמוכה של טמפרטורה נמוכה בטמפרטורה נמוכה מעכב פוטוסינתזה והוריד את תפוקת הזרעים.
אב הקדמון הפרוע של התירס, teosinte, מוצג וגדל תחת תנאי אקלים מודרניים (תא משמאל) ותחת אקלים מימין. המדענים הסמיתסוניאניים דולורס פיפערנו (מימין) עם אירן הולסט. (שון מטסון) תוצאותיו של פפרנו הדהדו מחקרים קודמים; teosinte גם יצר יותר זרעים בתא עם טמפרטורה חמה יותר ועלתה C02. תופעות אלה הפכו אולי את החקלאות לראשונה למנהג בר-קיימא להזנת משפחות. עלייה בפריון של הצמח, אומר פיפרנו, הפכה את החקלאות ל"אסטרטגיה אדפטיבית טובה. "
"התוצאות מבהילות", אומר סנדוויס, שציין כי הופעתו של טאוטינט מדעית מזמן. לאחר שראה איך נראה טוסינט בתנאי גידול של פליסטוקן, הקשר שלה לתירס החל "להיות הרבה יותר הגיוני".
ניסויו של פפרנו עשוי לסייע גם למדענים וארכיאולוגים להבין את התהליך והתזמון של ביות היבולים ברחבי העולם, ציין סנדוויס. חיטה, שעורה ואורז עשויים לחוות גם שינויים פנוטיפיים והגדילה את הפרודוקטיביות בתקופות הפליסטוקן המאוחרות ובתקופות ההולוקן המוקדמות. התחקות אחר תהליך זה עשויה להסביר, "כמו שזה נראה עם תירס, מדוע אנשים בחרו במינים הספציפיים האלה ולא באחרים, ומדוע תהליך הביות התרחש כשזה קרה."
פפרנו מתכננת להמשיך במחקר שלה על ידי עריכת מחקרי סלקציה מלאכותית, גידול מספר דורות של צמחים בכדי להתבונן בירושה של הפנוטיפים הנגרמים דמויי התירס. היא אומרת שהפלסטיות הפנוטיפית הופכת לחלק חשוב ממה שמדענים מכנים "הסינתזה המודרנית החדשה" - מה שמרחיב את האופן בו מדענים רואים את השפעת הסביבה על שינוי אבולוציוני.
"בעצם פתחנו חלון", אומר פייפרנו.
