Het gefossiliseerde exemplaar behoort waarschijnlijk tot de kruidachtige barinofyten, een ongebruikelijke uitgestorven plantengroep die verwant kan zijn aan clubmossen, en is een van de meest uitgebreide voorbeelden van een schijnbaar tussenstadium in de voortplantingsbiologie van planten. De nieuwe soort, die ongeveer 400 miljoen jaar oud is en uit het Vroeg-Devoon stamt, produceerde een spectrum van sporengroottes — een voorloper van de gespecialiseerde strategieën van landplanten die de habitats van de wereld omspannen. Het onderzoek werd gepubliceerd in Current Biology van 4 mei.
“Gewoonlijk wanneer we heterosporeuze planten zien verschijnen in het fossielenbestand, ontstaan ze zomaar,” zei de senior auteur van de studie, Andrew Leslie, een assistent-professor in de geologische wetenschappen aan Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). “We denken dat dit een soort momentopname kan zijn van deze zeer zelden waargenomen overgangsperiode in de evolutionaire geschiedenis waarin je een grote variatie ziet onder sporen in de voortplantingsstructuur.”
Een van de belangrijkste tijdsperioden voor de evolutie van landplanten, het Devoon was getuige van diversificatie van kleine mossen tot torenhoge complexe bossen. De ontwikkeling van verschillende maten sporen, of heterospory, vertegenwoordigt een belangrijke wijziging om de voortplanting te controleren — een kenmerk dat later evolueerde in kleine en grote versies van deze voortplantingseenheden.
“Denk aan alle verschillende soorten seksuele systemen die in bloemen voorkomen — dat alles is gebaseerd op het hebben van afzonderlijke kleine sporen, of stuifmeel, en grote sporen, die zich in de zaden bevinden,” zei Leslie. “Met twee afzonderlijke grootteklassen is het een efficiëntere manier om hulpbronnen te verpakken, omdat de grote sporen zich niet zo gemakkelijk kunnen verplaatsen als de kleine, maar wel de nakomelingen beter kunnen voeden.”
De vroegste planten, van 475 miljoen tot 400 miljoen jaar geleden, hadden geen reproductieve specialisatie in de zin dat ze dezelfde soorten sporen maakten, die dan uitgroeiden tot kleine plantjes die feitelijk voortplantingscellen overdroegen. Door de reproductieve hulpbronnen te verdelen, namen de planten meer controle over de voortplanting op zich, aldus de onderzoekers.
De nieuwe soort vormt, samen met de eerder beschreven plantengroep Chaleuria van dezelfde ouderdom, het eerste bewijs van meer geavanceerde voortplantingsbiologie bij landplanten. Het volgende voorbeeld duikt pas zo’n 20 miljoen jaar later in het fossielenbestand op.
“Dit soort fossielen helpt ons te lokaliseren wanneer en hoe precies planten dat soort verdeling van hun voortplantingsbronnen bereikten,” zei Leslie. “Het uiterste eindpunt van die evolutionaire geschiedenis van specialisatie is zoiets als een bloem.”
Een toevallige vondst
De onderzoekers begonnen met de analyse van de fossielen nadat ze tientallen jaren in de collecties van het Smithsonian National Museum of Natural History waren opgeslagen. Uit ongeveer 30 kleine stukjes gesteente, oorspronkelijk opgegraven uit de Campbellton Formatie van New Brunswick in Canada door wijlen paleobotanicus en mede-auteur van de studie Francis Hueber, identificeerden zij meer dan 80 voortplantingsstructuren, of sporangia. De sporen zelf variëren van ongeveer 70 tot 200 micron in diameter — ongeveer een streng tot twee strengen haar. Terwijl sommige van de structuren uitsluitend grote of kleine sporen bevatten, bevatten andere slechts sporen van gemiddelde grootte en andere bevatten het hele scala van sporengroottes — mogelijk met sommige die sperma produceren en andere eicellen.
“Het is zeldzaam om zoveel sporangia te krijgen met goed bewaarde sporen die je kunt meten,” zei Leslie. “
Fossiele en moderne heterosporeuze planten leven voornamelijk in waterrijke omgevingen, zoals uiterwaarden en moerassen, waar de bevruchting van grote sporen het meest effectief is. De oude soort, die formeel zal worden beschreven in een vervolgartikel, heeft een mengelmoes van sporen die niet lijkt op iets dat vandaag de dag leeft, aldus Leslie.
“Het overkoepelende verhaal in de voortplanting van landplanten is er een van toegenomen arbeidsdeling en specialisatie en complexiteit, maar dat moet ergens beginnen — en het begon met het simpelweg produceren van kleine sporen en grote sporen,” zei Leslie. “Met dit soort fossielen kunnen we enkele manieren identificeren waarop de planten dat konden doen.”
Co-auteurs van de studie zijn van de Brown University, de University of North Carolina — Chapel Hill en de University of Sheffield.