Mais, eine Ernte, die außer in der Antarktis auf allen Kontinenten angebaut wird, ähnelt kaum ihrem Vorfahren, einem wilden Gras mit harten Körnern, das heute im Südwesten Mexikos wächst und als Teosinte bezeichnet wird.
Seit fast einem Jahrhundert diskutieren Botaniker über die Herkunft von Mais und glauben, dass die moderne Pflanze von einem ausgestorbenen Wildmais abstammt oder noch unentdeckt ist. Die Genetiker stellten jedoch schließlich 1990 fest, dass Mais mit hartkernigem Teosinte verwandt war, und kamen zu dem Schluss, dass es sich bei der molligen, saftigen Pflanze, die wir heute kennen, um die domestizierte Form des wilden Grases handelt. Vor 10.000 bis 13.000 Jahren, so argumentierten Wissenschaftler, hatten die Landwirte die Samen mit günstigen Merkmalen ausgewählt und gepflanzt, und im Laufe der Zeit wurde die Pflanze transformiert.
In einer Studie, die letzte Woche in der Zeitschrift Quaternary International veröffentlicht wurde, teilte der Smithsonian-Forscher Dolores Piperno, ein Archäobotaniker der Feldstation des Smithsonian Tropical Research Institute in Gamboa, Panama, eine neue Hypothese mit. Unter den Umweltbedingungen der Vergangenheit, so sagen sie und ihre Kollegen, sah Teosinte anders aus als heute und ähnelte Mais heute eher als heute. Dies mag Aufschluss darüber geben, warum frühe Landwirte sich für den Anbau entschieden haben.
Piperno (mit modernem Teosinte) und ihre Kollegen gaben an, dass der Vorfahr der Pflanze aus dem Pleistozän unter früheren Umweltbedingungen weitaus anders ausgesehen habe als heute und dem heutigen Mais ähnlicher gewesen sei. (Matthew Lachniet) „Wir wissen, dass vor 10.000 bis 13.000 Jahren, als die Jäger und Sammler begannen, die wilden Vorfahren der heutigen Kultur auszubeuten, und als die ersten Bauern tatsächlich mit dem Anbau der Kultur begannen, Temperatur und atmosphärisches CO2 sehr unterschiedlich waren“, sagt Piperno. "
Piperno arbeitete mit Klaus Winter zusammen, der ein Gewächshaus mit Glaskammern entwarf - die Zeitmaschine -, das bei niedrigeren CO2-Werten und ähnlichen Temperaturen wie im späten Pleistozän und im frühen Holozän gehalten wurde. Zu Kontrollzwecken wurde in der Nähe ein anderes Gewächshaus vorbereitet, das die heutige Umgebung nachahmte. Piperno und ihre Kollegen pflanzten dann Teosinte in beide Kammern.
Piperno fragte sich, wie die Vorfahren der Pflanze während des späten Pleistozäns und des frühen Holozäns ausgesehen haben, als sie zuerst geerntet und dann kultiviert wurden. Damals war die Temperatur 3, 5 bis 5, 4 Grad kühler als heute, und das atmosphärische CO2 lag bei 260 ppm. Später, während der Industriellen Revolution, würde das CO2 auf die heutigen 405 Teile pro Milliarde ansteigen, auf das Niveau, auf dem die große, langverzweigte Teosinte-Pflanze jetzt wächst.
Die maisähnliche Phänotyp-Pflanze aus der "Zeitmaschinen" -Kammer (A) hat eine einzelne Quaste, die den Hauptstiel abschließt, und weibliche Ohren erscheinen entlang des Hauptstiels (Pfeile). Der Einsatz oben rechts ist eine Nahaufnahme eines der weiblichen Ohren. Moderner Teosinte, der in der Kontrollkammer (B) gezüchtet wird, hat viele lange primäre Seitenäste (Beispiel: oberer weißer Pfeil), die mit Quasten (schwarzer Pfeil) abgeschlossen sind. Unentwickelte weibliche Ohren sind an den sekundären Seitenästen zu sehen (weiße Pfeile). (Irene Holst, STRI) Piperno war an Studien interessiert, in denen untersucht wurde, wie zukünftige CO2- und Temperaturerhöhungen eine sogenannte „phänotypische Plastizität“ oder Veränderungen im Erscheinungsbild der Pflanze als Reaktion auf ihre Umgebung hervorrufen könnten. Die phänotypische Plastizität kann dazu führen, dass zwei genetisch identische Organismen unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich aussehen.
In der „Zeitmaschine“ waren Piperno und Klaus fasziniert, dass die Teosinte-Pflanzen dem Mais, den wir heute anbauen und essen, ähnlicher wurden. Während der heutige Teosinte zahlreiche Zweige mit Quasten hat, deren Ohren auf Nebenästen wachsen, hatten die Gewächshauspflanzen einen einzigen Hauptstamm, der von einer einzigen Quaste gekrönt war, sowie mehrere kurze Zweige mit Ohren. Auch die Samen waren unterschiedlich: Im Gegensatz zu wilden Teosinten-Samen, die nacheinander reiften, reiften alle Samen der Versuchspflanzen zur gleichen Zeit, ähnlich wie Maiskörner oder Samen. Die heutigen Teosinte-Samen sind in dichten vegetativen Deckblättern eingeschlossen, aber die Zeitmaschine produzierte Pflanzen mit freigelegten Samenkörnern.
Laut Piperno hätten weniger Äste und gut sichtbare Samen die Ernte von Teosinte erleichtert. Diese Charakteristika - von denen früher angenommen wurde, dass sie von der menschlichen Selektion und Domestikation herrühren - könnten durch Umweltveränderungen hervorgerufen worden sein, die eine phänotypische Plastizität induzierten.
In der Zeitmaschinenkammer wurde der Teosinte unter Bedingungen gezüchtet, denen er vor 10.000 Jahren begegnet sein könnte. (Irene Holst, STRI) Es sieht so aus, als ob die Umwelt eine "bedeutende, wenn auch zufällige" Rolle bei der Fokussierung auf Teosinte für den Anbau gespielt hat, sagt Piperno. Maisähnliche Merkmale „verschafften den frühen Landwirten einen Vorsprung“.
Daniel Sandweiss, Professor für Anthropologie und Quartär- und Klimastudien an der University of Maine, hat umfangreiche Forschungen zum frühen Klimawandel in Lateinamerika durchgeführt. Er nannte Pipernos Experiment "wegweisend" und glaubte, es würde "ein Modell für eine ganze Reihe von Studien werden".
Piperno, Klaus und ihr Team interessierten sich auch dafür, wie ein merklicher Temperatur- und CO2-Anstieg zwischen der späten Pleistozän- und Holozän-Ära die Pflanzenproduktivität beeinflusst hat, und konnten einen möglichen Grund für den Beginn der Landwirtschaft in dieser Zeit erklären nicht bevor.
Während des Pleistozäns war der atmosphärische CO2-Gehalt sogar um ein Drittel niedriger als während des Holozäns, und die Temperatur war um 5 bis 7 Grad niedriger. Die CO2-Werte und -Temperaturen der Pleistozän-Ära waren limitierende Faktoren für das Pflanzenwachstum, schloss Piperno, dem frühere Untersuchungen zufolge der Anbau von Pflanzen in einer Umgebung mit niedrigem CO2-Ausstoß und niedriger Temperatur die Photosynthese hemmt und den Samenertrag senkt.
Der wilde Vorfahr von Mais, Teosinte, wächst unter modernen (Kammer links) und unter vergangenen (Kammer rechts) Klimabedingungen. Die Smithsonian Wissenschaftler Dolores Piperno (rechts) mit Irene Holst. (Sean Mattson) Pipernos eigene Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein. teosinte bildete auch mehr Samen in der Kammer mit wärmerer Temperatur und erhöhtem C02. Dieses Phänomen machte die Landwirtschaft vielleicht zum ersten Mal zu einer nachhaltigen Praxis, um Familien zu ernähren. Die gesteigerte Produktivität der Anlage, so Piperno, habe die Landwirtschaft zu einer „guten Anpassungsstrategie“ gemacht.
"Die Ergebnisse sind verblüffend", sagt Sandweiss. Nachdem man gesehen hatte, wie Teosinte unter pleistozänen Wachstumsbedingungen aussah, begann seine Beziehung zu Mais "viel sinnvoller" zu werden.
Pipernos Experiment könnte Wissenschaftlern und Archäologen auch helfen, den Prozess und den Zeitpunkt der Domestizierung von Nutzpflanzen auf der ganzen Welt zu verstehen, stellte Sandweiss fest. Weizen, Gerste und Reis haben möglicherweise auch phänotypische Veränderungen erfahren und die Produktivität im späten Pleistozän und im frühen Holozän gesteigert. Die Verfolgung dieses Prozesses könnte erklären, "wie es bei Mais scheint, warum die Menschen diese und nicht andere Arten auswählten und warum der Prozess der Domestizierung dann stattfand".
Piperno plant, ihre Forschung fortzusetzen, indem sie künstliche Selektionsstudien durchführt und mehrere Generationen von Pflanzen züchtet, um die Vererbung der induzierten, maisartigen Phänotypen zu beobachten. Sie sagt, dass die phänotypische Plastizität ein wichtiger Teil dessen wird, was Wissenschaftler als "die neue moderne Synthese" bezeichnen - und die Art und Weise erweitert, wie Wissenschaftler die Auswirkungen der Umwelt auf den evolutionären Wandel sehen.
"Wir haben im Grunde genommen ein Fenster geöffnet", sagt Piperno.
