Dlaczego róża ma ciernie? Odpowiedź wydaje się oczywista: ciernie służą roślinom do obrony, gdyż czynią ich drogocenne kwiaty niejadalnymi lub wręcz nietykalnymi dla dużych istot roślinożernych w rodzaju jeleni czy innych ssaków.

Przez dziesięciolecia badacze zajmujący się interakcjami między roślinami a zwierzętami przyjmowali to właśnie założenie. Ogromna większość prac poświęconych ekologicznym i ewolucyjnym funkcjom cierni brała za punkt wyjścia hipotezę, że roślinożerne ssaki są głównym celem.

Mógł to być jednak błąd. Na przestrzeni lat badania dotyczące tego, na ile ostre wypustki sprawdzają się w odstraszaniu głodnych zwierząt, przynosiły niejednoznaczne wyniki. Ponadto paleontolodzy odkryli, że ciernie mogły powstać, zanim jeszcze na ziemi pojawiły się roślinożerne zwierzęta lądowe. Niedawno zaś w „Biology Letters” ukazał się artykuł, z którego wynika, że niektórym roślinom ciernie służą do obrony przed owadami. Hipotezę tę dotąd ignorowano lub odrzucano. Nieintuicyjne odkrycie obnaża zatem pułapki, w jakie czasami wpadamy, gdy za bardzo ufamy ludzkiemu doświadczeniu i intuicji zamiast porządnie zastanowić się nad ewolucyjną dynamiką prehistorycznych gatunków.

Rupesh Kariyat, ekolog badający interakcje między roślinami a insektami w zespole biokomunikacji w ETH Zurich nie spodziewał się, że przyjdzie mu zakwestionować utarte przekonania na temat cierni. Jako doktorant na Pennsylvania State University współpracował z Markiem Mescherem (obecnie także zatrudnionym w Zurychu). Wspólnie zajmowali się genetycznymi konsekwencjami chowu wsobnego i roślinożerstwa dla psianki karolińskiej (Solanum carolinense). Pewnego dnia zauważyli osobliwą rzecz. Ilekroć roślinę zjadały gąsienice motyla o nazwie zawisak tytoniowy (Manduca sexta), tylekroć na nowych pędach wyrastało więcej cierni. „Zaczęliśmy się zastanawiać, czy ciernie nie pełnią innych funkcji prócz tych, o których zawsze nas uczono” – mówi Kariyat.

Badacze dawno już opisali gatunki roślin reagujące w taki sposób na ssaki. Gdy jednak okazało się, że podobny efekt potrafi wywołać gąsienica, Kariyat i Mescher bardzo się tym zainteresowali. Z ekologicznego punktu widzenia trwonienie energii na wykształcanie cierni jest dla rośliny bezużyteczne, o ile ciernie nie pomagają w odparciu napastnika. Tymczasem intuicja podpowiadała, że maleńki zawisak zdoła po prostu prześlizgnąć się między ostrymi wypustkami psianki.

By sprawdzić, czy faktycznie tak się dzieje, zespół naukowców zaprojektował trzyczęściowy eksperyment. Najpierw zbadano, jak gęstość rozmieszczenia ostrych wypustek wpływa na możliwości poruszania się gąsienicy. Badacze wykorzystali odmianę psianki powstałą na skutek chowu wsobnego, mającą mniej cierni niż odmiany normalne pod względem genetycznym. Usunęli wszystkie liście z wyjątkiem najświeższych i najsmaczniejszych na samej górze, po czym umieścili zawisaka na ziemi koło łodygi i zmierzyli, ile czasu będzie potrzebował, by dotrzeć do upragnionego pożywienia. Porównali też ów czas dla roślin normalnych i tych z chowu wsobnego. Następnie poszli krok dalej i zaczęli manipulować gęstością rozmieszczenia cierni. Poobcinali je specjalnym ostrzem, by wszystkie rośliny miały ich tyle samo, i powtórzyli doświadczenie. Na koniec włączyli do eksperymentu dwa inne gatunki psianki: bakłażana etiopskiego (Solanum aethiopicum) i Solanum atropurpureum. Wszystkie one różnią się pod względem ilości cierni: bakłażan etiopski ma ich najmniej, S. atropurpureum najwięcej. Raz jeszcze porównano rośliny z nietkniętymi i z usuniętymi cierniami. Tym razem pomiar dotyczył tego, jak szybko gąsienica zje wszystkie liście, a nie jak szybko do nich dotrze. Jeśli zawisak spadł przypadkiem na ziemię, badacze umieszczali go z powrotem na liściu, by dokończył posiłek.

Kariyat, Mescher i ich współpracownicy odkryli tę samą prawidłowość na każdym etapie eksperymentu: ciernie zawsze okazały się przeszkodą dla głodnej gąsienicy. Kiedy je obcinano, zawisak mógł szybciej dorwać się do liści. Ponadto S. atropurpureum z pozostawionymi cierniami stanowił największe wyzwanie. Ciernie nie tylko spowalniały gąsienicę, ale też utrudniały jej zachowanie przyczepności i zmuszały do coraz trudniejszych akrobacji, toteż jeśli rosły gęściej, zawisak częściej spadał lub wręcz nadziewał się na co większe wypustki. Kariyat twierdzi, że tego rodzaju utrudnienia „mają w długiej perspektywie ogromny wpływ na przystosowanie zawisaka”. Naukowcy uznali więc, że ciernie roślin z rodzaju psianek są skuteczną barierą dla gąsienic.

Zespół badawczy unika jednak stawiania tezy, że główną przyczyną wykształcenia się cierni i kolców były owady. Przeciwnie, Kariyat mówi: „Naszym zdaniem ciernie wyewoluowały jako mechanizm obronny przeciwko roślinożernym ssakom”. Potem jednak pewnego razu psianki i inne rośliny znalazły skuteczniejszą broń: toksyczne alkaloidy i ssaki przestały je zjadać. Wtedy większym zagrożeniem stały się gąsienice, którym alkaloidy nie robiły istotnej krzywdy. Ewolucja wykorzystała więc ciernie w nowym celu. Zjawisko to określa się mianem kooptacji. „Z czasem ciernie zaczęły dawać inną korzyść i pomogły roślinom w wyścigu zbrojeń [przeciwko owadom]” – przekonuje Kariyat.

Zaskakujące wyniki były z początku trudne do przyjęcia dla innych specjalistów. „Kiedy przeczytałam ten artykuł, w pierwszej chwili pomyślałam: »Och, to przecież nonsens – w tej teorii jest mnóstwo luk« – opowiada Angela Moles, badaczka z University of New South Wales w Australii, zajmująca się ekologicznymi strategiami roślin. – Ale po kolejnej lekturze zaczęłam dochodzić do wniosku, że »W sumie to by się zgadzało«”. W podobnym tonie wypowiadał się Mick Hanley, profesor Plymouth University w Wielkiej Brytanii, główny autor opublikowanego w 2007 r. artykułu przeglądowego na temat mechanizmów obronnych u roślin. „Najpierw pomyślałem: »Hmm«. Potem przeczytałem znowu i uznałem, że to się trzyma kupy”.

Inni nie są przekonani. „Nie jestem pewien, czy możemy na tej podstawie wyciągać wniosek, że wykształcanie cierni to mechanizm adaptacji przeciwko roślinożernym owadom” – mówi Tristan Charles-Dominique, ekspert z zakresu ewolucji roślin z Xishuangbanna Tropical Botanical Garden w Chinach. Charles-Dominique i William Bond, emerytowany profesor z University of Cape Town w RPA, przeprowadzili w 2016 r. badania filogenetyczne i wykazali, że wzrost zróżnicowania ciernistych roślin w Afryce zbiegł się w czasie z rozwojem populacji ssaków w rodzaju antylop gnu i gazeli. Odkrycie to jest zgodne z tradycyjnym poglądem, że ciernie chronią przed dużymi ssakami.

„Udało im się dobrze wykazać, że tempo zjadania liści przez gąsienice spada, a ruchy są utrudnione – przyznaje Charles-Dominique – ale trzeba jeszcze zebrać dużo więcej informacji, nim będzie można przystąpić do testowania hipotezy o potencjalnej współewolucji ciernistych roślin i owadów”.

Kariyat nie zamierza się kłócić. „Planujemy sprawdzić, czy odkryty przez nas efekt dotyczy tylko gąsienic”. Tłumaczy też, że należy staranniej oszacować wpływ utrudnień w poruszaniu się na sytuację owadów. „Jak bardzo odbija się to na ich rozwoju i na procesach przepoczwarzania się? Jakie są długofalowe skutki?”.

Kariyat i Mescher nie są pierwszymi, którzy sugerują, że ciernie mogą przyczyniać się do powstrzymywania owadów. Moles zauważa, że nowe wyniki są zgodne z ustaleniami paleontologów, jakoby ciernie powstały, zanim jeszcze wyewoluowały duże ssaki roślinożerne. Można sięgnąć choćby do opublikowanego w 1970 r. artykułu przekrojowego autorstwa nieżyjącego już paleobotanika Williama Gilberta Chalonera. Pisał on, że wiele roślin sprzed ponad 400 mln lat zdaje się mieć „drobne wypustki na łodydze, najpewniej pozbawione tkanek przewodzących, rozmieszczone mniej lub bardziej losowo […] oraz różnego rodzaju ciernie, wypustki, zęby lub narośle”.

„Mamy więc mnóstwo gatunków z dziwnymi kolcami, które nie wiadomo, do czego służą – podkreśla Moles. – I to jakieś 10, 20 mln lat przed pojawieniem się pierwszych lądowych kręgowców roślinożernych”.

Wyniki przypominają o kłopotliwym problemie, z którym muszą mierzyć się badacze ewolucji i procesów przystosowania. Z powodu takich zjawisk, jak kooptacja, poznanie obecnej funkcji danej cechy nie pozwala wyciągać wniosków na temat ewolucyjnych czynników, za sprawą których owa cecha się pierwotnie wykształciła. „Niepodobna ustalić, dlaczego przed milionami lat wyewoluował obserwowany obecnie mechanizm obronny – podkreśla Hanley. – Ciernie mogły powstać z zupełnie innego powodu, w ogóle niezwiązanego z roślinożercami”.

Hipotezy dotyczące pierwotnej funkcji cierni często zupełnie pomijają roślinożerne zwierzęta. Niektórzy zastanawiają się, czy ciernie sprzyjały fotosyntezie, pomagały kierować wodę do korzeni rośliny. Może dzięki nim rośliny sprawniej pięły się do góry? „Nie możemy zrobić ewolucyjnego replaya i cofnąć filmu o miliony lat, toteż nie ma jak się tego dowiedzieć” – powiada Hanley.

Jednak mimo wiarygodnych alternatywnych hipotez badacze postrzegają ciernie głównie jako mechanizm obronny. „Jeżeli prześledzić literaturę na ten temat, znajdziemy jakieś 150, może 200 artykułów o ssakach roślinożernych i najwyżej dwa lub trzy artykuły o owadach” – mówi Kariyat.

Kto wie, czy nie jest to skutkiem opublikowania w 1988 r. głośnego artykułu o wpływie cierni na roślinożerne owady. Autorzy ustalili wówczas, że usunięcie cierni z liści ostrokrzewu nie przekłada się na większą łatwość dla gąsienic. (Jak na ironię, to samo badanie podważyło rolę cierni w zniechęcaniu ssaków, okazało się bowiem, że zwierzęta wcale nie wybierają częściej mniej ciernistych liści). Przez ostatnie 29 lat wniosek, że ciernie nie stanowią mechanizmu obronnego przed owadami, odnoszono automatycznie do wszystkich gatunków roślin.

Kariyat ma nadzieję, że ustalenia jego i jego współpracowników staną się bodźcem dla innych zespołów. Sam co prawda skupił się na gąsienicach, ale, zauważa, ciernie mogą również stanowić przeszkodę dla drobnych istot roślinożernych, np. ślimaków. Niewykluczone, że wpłynęły na ich ewolucję. Wiele czeka tu odkryć „bo przecież roślin ciernistych jest całe mnóstwo”.

W fakcie, że dotąd nie przeprowadzono odpowiednich badań, trudno nie dostrzec ilustracji ograniczeń poznawczych naszego gatunku. „Człowiek idzie do ogrodu, kaleczy się cierniem róży i dochodzi do wniosku, że cierń musi stanowić mechanizm obronny przeciwko ssakom – mówi Hanley. – Ilekroć próbujemy zrozumieć zjawiska przyrodnicze, tylekroć naszą własną perspektywę przedkładamy nad wszystkie inne”.

Artykuł przedrukowano za zgodą QuantaMagazine.org, redakcyjnie niezależnej publikacji Simons Foundation, której misją jest popularyzowanie wiedzy na temat rozwoju badań w dziedzinie matematyki i fizyki oraz nauk przyrodniczych.