Mais, põllukultuur, mida kasvatatakse igal mandril, välja arvatud Antarktika, näeb väga vähe välja nagu tema esivanem - kõva tuumaga metsmuru, mis kasvab täna Mehhiko edelaosas ja mida nimetatakse teosinteks.
Botaanikud on ligi sajandi vältel arutanud maisi päritolu üle, uskudes ühel hetkel, et tänapäevane taim pärines väljasurnud metsmaisist või millestki veel avastamata. Geneetikud tegid 1990. aastal siiski järelduse, et mais oli seotud kõva teraga teoseintega, ja jõudsid järeldusele, et tänapäeval teada olev lihav, mahlane taim on loodusliku rohu kodustatud vorm. Teadlased põhjendasid ajavahemikku 10 000–13 000 aastat tagasi põllumeestega seemnete valimist ja istutamist soodsate tunnustega ning aja jooksul taim muudeti.
Kuid ajakirjas Quaternary International eelmisel nädalal avaldatud uuringus jagas Smithsoniani uurija Dolores Piperno, Smithsoniani troopiliste uuringute instituudi põllu jaamas Panamas Gamboas töötav arheobotaanik uut ajamasina hüpoteesi. Tema ja tema kolleegide sõnul on teosinte varasemates keskkonnatingimustes palju teistsugune kui praegu ja sarnanes tänapäevase maisiga rohkem kui praegu. See võib heita valgust sellele, miks varased põllumehed otsustasid seda harida.
Varasemates keskkonnatingimustes nägid Piperno (kaasaegset teosinte) ja tema kolleegid, et taime pleistotseeni ajastul esivanem nägi välja palju teistsugune kui praegu ja sarnaneb lähemalt tänapäevase maisiga. (Matthew Lachniet) „Me teame, et 10 000–13 000 aastat tagasi, ” ütles Piperno, „kui jahimehed-koristajad hakkasid [tänaste] põllukultuuride looduslikke esivanemaid ekspluateerima ja kui esimesed põllumehed tegelikult põllukultuure kasvatama hakkasid, olid temperatuur ja atmosfääri süsinikdioksiidi temperatuur väga erinevad. ”
Piperno tegi koostööd Klaus Winteriga, kes kavandas klaasist kambrilise kasvuhoone - ajamasina -, mida hoiti madalama CO2 tasemega ja hoiti madalamal temperatuuril, mis oli sarnane hilise pleistotseeni ja varase holotseeni perioodidega. Kontrollimise eesmärgil valmistati läheduses läheduses veel ühte kasvuhoonet, mis jäljendas tänapäeva keskkonda. Seejärel istutasid Piperno ja tema kolleegid mõlemasse kambrisse teosinte.
Just maisi fossiilsete ajalugude ja varasemate keskkonnatingimuste uurimisel hakkas Piperno mõtlema, millised võisid taime esivanemad välja näha hilis-pleistotseeni ja varajase holotseeni ajal, kui neid esimest korda koristati ja seejärel kasvatati. Toona oli temperatuur 3, 5–5, 4 kraadi jahedam kui praegu, ja atmosfääri süsinikdioksiidi sisaldus oli umbes 260 osa miljoni kohta. Hiljem, tööstusrevolutsiooni ajal, tõuseks süsinikdioksiid tänapäeval 405 osi miljardini, tasemeni, kus kasvab nüüd pikk pika hargnenud teosintetaim.
Kambrist "ajamasin" (A) pärineval maisitaolisel fenotüübil taimel on üks tutt, mis lõpetab põhivarre ja emane kõrv ilmub piki põhivarre (nooled). Paremal ülaosas asuv sisestus on ühe emase kõrva lähivõte. Kontrollkambris (B) kasvatatud kaasaegsel teosinteel on palju pikki primaarseid külgharusid (näiteks ülemine valge nool), mille lõpevad tutid (must nool). Teisese külgmise harudel (valged nooled) võib näha arenemata naiskõrvu. (Irene Holst, STRI) Piperno huvitas uuringutest, kus uuriti, kuidas CO2 ja temperatuuri tõus tulevikus võib kutsuda esile nn fenotüüpse plastilisuse või muutused taime välimuses vastusena keskkonnale. Fenotüüpse plastilisuse tõttu võivad kaks geneetiliselt identset organismi välja näha erinevad, kui neid kasvatada eraldi tingimustes.
Ajamasinas olid Piperno ja Klaus huvitatud sellest, et teosinte taimed kasvasid rohkem sarnaseks maisele, mida me täna kasvatame ja sööme. Kui tänapäeval on teosintellil arvukalt rohtunud oksi, mille kõrvad kasvavad sekundaarsetel okstel, siis kasvuhoonetaimedel oli üks peavars, mille peal oli üks tutt, ja mitu lühikest, kõrvadega oksa. Ja ka seemned olid erinevad: erinevalt metsikutest teosinte seemnetest, mis küpsesid järjest, küpsesid katsepuu taimedes kõik seemned korraga, sarnaselt maisituumadele või seemnetele. Tänapäevased teosinte seemned on ümbritsetud tihedate vegetatiivsete kandelehtedega, kuid ajamasinas toodeti paljastatud seemnetuumadega taimi.
Piperno sõnul oleks vähem oksi koos hästi nähtavate seemnetega teinud teosinte lihtsamaks saagiks. Need omadused - mida varem arvati olevat tulenenud inimese valimisest ja kodustamisest - võisid olla tingitud keskkonnamuutustest, mis põhjustasid fenotüüpse plastilisuse.
Ajamasinakambris kasvatati teosinte sellistes tingimustes, nagu ta võis kohata 10 000 aastat tagasi. (Irene Holst, STRI) Paistab, et keskkond mängis kasvatatavale teosintellektile keskendumisel olulist, isegi kui suundumust omavat rolli, ütles Piperno. Maisitaolised omadused andsid varajastele põllumeestele edumaa.
Maine'i ülikooli antropoloogia ning kvaternaari- ja kliimauuringute professor Daniel Sandweiss on viinud läbi ulatuslikke uuringuid varajase kliimamuutuse kohta Ladina-Ameerikas. Ta nimetas Piperno eksperimenti murranguliseks ja ütles, et usub, et sellest saab "terve rea uuringute eeskuju".
Piperno, Klaus ja nende meeskond olid huvitatud ka sellest, kuidas hilinenud pleistotseeni ja holotseeni ajastute vahel toimunud märgatav temperatuuri ja süsiniku tõus võis mõjutada taimede produktiivsust ning aitaks selgitada võimalikku põhjust, miks sel ajal põllumajandusega alustati ja mitte varem.
Pleistotseeni ajal oli atmosfääri süsinikdioksiidi tase isegi madalam kui holotseeni ajal - vähemalt kolmandiku võrra - ja temperatuur oli 5–7 kraadi jahedam. Pleistotseeni ajastu CO2 tase ja temperatuurid olid taime kasvu piiravaks teguriks, järeldas Piperno, kes nägi varasemate uuringute põhjal, et madala süsinikdioksiidi ja madala temperatuuriga keskkonnas kasvavad taimed pidurdavad fotosünteesi ja vähendavad seemnesaaki.
On näidatud, et maisi metsik esivanem teosinte kasvab tänapäevastes (vasakul asuv koda) ja varasemates (parempoolses kambris) kliimatingimustes. Smithsoniani teadlased Dolores Piperno (paremal) koos Irene Holstiga. (Sean Mattson) Piperno enda tulemused kajastasid eelnevaid uuringuid; teosinte moodustas kambris ka soojema temperatuuriga rohkem seemneid ja suurendas C02. See nähtus muutis põllumajanduse esmakordselt jätkusuutlikuks perede toitmise praktikaks. Piperno sõnul muutis taime suurenenud tootlikkus põllumajanduse „heaks kohanemisstrateegiaks”.
"Tulemused on jahmatavad, " ütleb Sandweiss, kes märkis, et teosinte välimus oli teadlasi juba pikka aega tüüdanud. Pärast seda, kui teosinte nägi välja pleistotseeni kasvutingimustes, hakkas selle suhe maisi suhtes olema "palju mõistlikum".
Piperno eksperiment võib aidata ka teadlastel ja arheoloogidel mõista põllukultuuride kodustamise protsessi ja ajakava kogu maailmas, märkis Sandweiss. Nisu, oder ja riis võisid ka fenotüübilisi muutusi ja suurenenud produktiivsust hilises pleistotseeni ja varase holotseeni ajastute jooksul. Selle protsessi jälgimine võib selgitada ", nagu maisile tundub, miks inimesed valisid just need konkreetsed liigid ja mitte teised ning miks just siis kodustamine toimus."
Piperno kavatseb oma teadusuuringuid jätkata kunstliku selektsiooni uuringute abil, kasvatades mitu põlvkonda taimi, et jälgida indutseeritud maisilaadsete fenotüüpide pärimist. Ta ütles, et fenotüübilisest plastilisusest on saamas oluline osa selles, mida teadlased nimetavad uueks moodsaks sünteesiks - laiendades seda, kuidas teadlased suhtuvad keskkonnamõju evolutsioonilistesse muutustesse.
“Oleme põhimõtteliselt akna avanud, ” ütleb Piperno.
