I en tid, hvor klimaændringer gør mange områder af planeten varmere og tørrere, er det nøgternt at tænke på, at ørkener er relativt nye biomer, der er vokset betydeligt i løbet af de sidste 30 millioner år. Udbredte tørre områder, som de ørkener, der i dag dækker store dele af det vestlige Nordamerika, begyndte først at dukke op inden for de sidste 5 til 7 millioner år.
At forstå, hvordan planter, der invaderede disse barske ørkenbiomer, var i stand til at overleve, kunne hjælpe med at forudsige, hvordan økosystemer vil klare sig i en mere tør fremtid.
En intensiv undersøgelse af en gruppe planter, der først invaderede nye ørkener for millioner af år siden konkluderer, at disse pionerer – margueritter – ikke kom uudrustet til at håndtere varme, brændende sol og mangel på vand. De havde udviklet tilpasninger til sådanne belastninger, mens de levede på tørre, udsatte klippefremspring i ældre, mere fugtige områder og endda tropiske skove, hvilket alt sammen gjorde det lettere for dem at invadere ekspanderende tørre områder.
University of California, Berkeley-forsker Isaac Lichter-Marck og Bruce Baldwin, UC Berkeley-professor i integrativ biologi, kurator for Jepson Herbarium og chefredaktør for "The Jepson Desert Manual: Vascular Plants of Southeastern California" (2002), offentliggjorde deres undersøgelse om udviklingen af klippemargueritter i nordamerikanske ørkener i denne uge i tidsskriftet Proceedings of National Academy of Sciences.
Undersøgelsen er den første, der giver bevis for at løse en langvarig evolutionær debat: Gjorde ikonisk ørkenplanterligesom de statelige saguaro-kaktusser tilpasser de flammende ocotillos og de seussiske agaver sig til tørre forhold først efter at de invaderede ørkener, eller kom de på forhånd tilpasset ørkenlivets stress?
Spørgsmålet har relevans i dag, sagde Lichter-Marck, fordi accelererende tørhed på grund af klimaændringer udfordrer planter til at tilpasse sig meget hurtigere, end de har gjort tidligere. I forvejen er omkring en femtedel af Jordens landoverflade ørken. Hvis tilpasning til tørre forhold kun var mulig for planter, der allerede havde udviklet sig til at håndtere sådanne belastninger, så er mange i dag måske ikke udstyret med et passende genetisk værktøj til at overleve.
"Hvis du kun tænker på tørhed som en stimulans til planteudvikling, så kunne folk i mange tilfælde sige, at disse planter er overlevende, de er tilpasningsdygtige, og de vil være fine. De vil drage fordel af disse nye forhold, og de vil trives,” sagde Lichter-Marck, som også er National Science Foundation-postdoktor ved UCLA.
Men historien om klippemargueritter antyder, at "da ørkenerne dukkede op, var de planter, der havde de nødvendige forudtilpasninger til at drage fordel af nye forhold, dem, der trivedes," sagde han. "At tilføje mere tørring til systemet betyder ikke nødvendigvis, at der vil ske en hurtigere adaptiv udvikling. Der er en begrænset kilde til afstamninger, der kan drage fordel af nye niveauer af tørhed, og det er vigtigt for at forstå effekten af klimaændringer på biodiversiteten."
Syv år rundt i ørkenen
Botanikere indså for længe siden, at når planter invaderede ørkenområder, diversificerede de sig hurtigt for at udfylde de mange nicher skabt af denne nye type habitat.
"Selv så sent som for 1 million til 1.5 millioner år siden ville det have været svært at finde udbredte ørkenhabitater, som vi ser i dag i Nordamerika, hvilket er lidt overraskende, fordi nu er ørkener og tørre levesteder den mest udbredte biom på jorden, " sagde Lichter-Marck. "Men under den sene miocæne epoke spredte tørre levesteder sig, og verdens slægter af ørkenplanter, især de sukkulente slægter som kaktusserne, agaverne og isplanterne - såvel som mange andre tørketolerante slægter - gennemgik en synkron hurtig diversificering. ”
Palæontologer påpegede imidlertid, at forstenede planter, der trivedes i titusinder af år før ørkenernes udbredelse, havde egenskaber svarende til dem, som ørkenplanter har i dag. Nogle videnskabsmænd, som den afdøde palæøkolog Daniel Axelrod fra UCLA og UC Davis, hævdede, at dette betød, at de planter, der trivedes i ørkenen i dag, udviklede sig tidligere og var forhåndstilpasset – eller ekspanderet – til at overleve ørkenforhold ved at vokse i tørre mikrosteder, som f.eks. klippefremspring, regnskygger eller bjergtoppe. Andre, som UC Berkeleys Ledyard Stebbins, en evolutionær biolog, der hjalp med at grundlægge UC Davis Department of Genetics, hævdede, at tørhed i sig selv ansporede planter til at diversificere og udvikle egenskaber til at modstå tørhed, varme, intenst sollys og stærke vinde.
På trods af lighederne mellem klippefremspring og ørkener, har det været svært at bevise, at ørkenplanter stammer fra planter, der allerede er tilpasset tørhedens stress, til dels fordi fossiler sjældent dannes i tørre levesteder og ikke kan fortælle os meget om det levested, hvor disse gamle planter voksede.
For Lichter-Marck og Baldwin virkede klippemargueritter, som er klassificeret i stammen Perityleae i solsikkefamilien, som en god gruppe at udforske sammenhængen i. Nogle arter lever på tørre, blottede klipper i tropiske områder i Mexico - hvad der kan betragtes som "mikroørkener" - mens andre har tilpasset sig fuldt ud til ørkenområder, såsom Mojave i Californien og Great Basin, Chihuahuan og Sonoran ørkener, der dækker det meste af det vestlige Nordamerika.
"Planter, der lever på klippefremspring står over for mange af de samme udfordringer som dem, der lever i et tørt, ørkenhabitat," sagde Lichter-Marck. "Stenfremspring har en tendens til at blive udsat for UV-lys, vind og tørre, udtørrende forhold samt varme og frost. De har også en tendens til at være mere udsatte for planteædere.
"Måden planterne håndterer dem på er forskelligartede, men de involverer normalt en form for specialiseret rodmorfologi, der hjælper dem med at forankre i klippefremspring samt håndtere de øgede tørre forhold. Og de har tendens til at have mindre blade, eller blade med en tæt belægning af hår, der hjælper med at buffere dem mod tørke og blokere sollys, inklusive UV-lys. De har også en tendens til at have øget kemisk forsvar mod planteædere, fordi det kræver meget energi at regenerere efter at være blevet gumlet.”
For sin ph.d. afhandling i Institut for Integrativ Biologi og ved Jepson Herbarium, Lichter-Marck, en indfødt i det sydlige Californien, strejfede rundt i ørkenerne i Arizona, Californien, Texas og Mexico i flere måneder ad gangen i en pickup truck, ledsaget af sin blå hæler, Rio , for at indsamle hundredvis af eksemplarer af klippetaiser. Nogle klippemargueritter er blandt de mest dramatiske blomstrende om foråret, der dækker ørkenen med farverige blomster. Mange er dog begrænset til små geografiske områder, hvor de kun vokser på lodrette klippeflader eller himmelø-bjergkæder, hvilket gør dem farlige at samle. Lichter-Marck er en erfaren bjergbestiger, en vigtig færdighed for feltarbejde i ujævnt terræn.
Han sekventerede senere DNA'et fra disse eksemplarer – 73 af de 84 anerkendte arter af stenmargueritter – og katalogiserede deres livshistorier, såsom hvor de voksede, hvilken type rodsystem de havde, og om de var enårige eller flerårige, en urt eller en busk. Han sammenlignede dem derefter med forstenede tusindfryd for at udvikle en grov tidslinje for udviklingen af disse egenskaber og slægtens eventuelle skift til ørkener.
Dette gjorde det muligt for ham at konkludere, at de fleste stenmargueritter - især slægten Laphamia, som var den første til at flytte ind i ørkener og er den største margueritterslægt - havde tilpasset sig stressen fra varme, tørhed, vind og sol i kraft af deres vækst på klipper før invadering af ørkener.
"Dette er en klar empirisk demonstration af, hvad der oprindeligt var Axelrods hypotese - om en ørkenplantegruppe med oprindelse i tørre mikroklimaer forud for den udbredte fremkomst af ørkenhabitater," sagde Lichter-Marck. "Det betyder, at de strategier for tørketolerance, der er så karakteristiske for ørkenvegetation, måske ikke repræsenterer svar på de tørre forhold, der findes i ørkener. I stedet kunne de være egenskaber, der udviklede sig tidligere i forbindelse med meget ældre og mere stabile tørre mikroklimaer, såsom klippefremspring i tropiske omgivelser."
Fortilpasning kan være nøglen til succesen for mange ørkenplanter, herunder kaktusser, som er kendt for at leve i klippefremspring eller vokse som epifytter i træernes kronekroner i tropiske områder, selvom disse store afstamninger ville kræve en meget mere udvidet analyse, sagde han .
Rock margueritter, hvoraf mange lever i specialiserede levesteder, der gør dem sårbare over for udryddelse, fremhæver vigtigheden af at bevare tilsyneladende nichearter.
"Mange af klippemargueritterne er meget specialiserede og har en tendens til at være meget snævre i deres udbredelse og kan ses som mindre betydningsfulde for økosystemets overlevelse som helhed. I evolutionær biologi og i bevaringsbiologi bliver specialiserede organismer med snævre geografiske områder ofte betragtet som sårbare slægter og er nogle gange endda blevet kaldt evolutionære blindgyder," sagde han. "En vigtig implikation her er, at en gruppe af økologiske specialister, der voksede på spredte klipper i tropiske habitater, startede denne store stråling i ørkenen. Så det viser faktisk, at specialister ikke kun er disse sårbare slægter på randen af udryddelse. De kan faktisk være virkelig vigtige kilder til innovation i evolutionen."
Lichter-Marck udvider i øjeblikket sit studie af planter der vokser på klippefremspring til Hawai'i, hvor mange sjældne endemiske arter kun lever på siderne af stejle bjerge. I stedet for at skalere usikre klippesider for at nå sjældne eksemplarer, håber han dog at bruge droner.