Il mais, una coltura che viene coltivata in tutti i continenti ad eccezione dell'Antartide, assomiglia molto al suo antenato, un'erba selvatica con chicchi duri che cresce oggi nel Messico sudoccidentale e si chiama teosinte.
I botanici hanno discusso per quasi un secolo sull'origine del mais, credendo ad un certo punto che la pianta moderna fosse discendente da un mais selvatico estinto, o qualcosa di ancora da scoprire. I genetisti, tuttavia, alla fine hanno determinato nel 1990 che il mais era legato al teosinte duro, e hanno concluso che la pianta succosa e succosa che conosciamo oggi è la forma addomesticata dell'erba selvatica. Tra 10.000 e 13.000 anni fa, ragionavano gli scienziati, gli agricoltori avevano selezionato e piantato i semi con tratti favorevoli e nel tempo la pianta si è trasformata.
Ma in uno studio pubblicato la scorsa settimana sulla rivista Quaternary International, il ricercatore Smithsonian Dolores Piperno, un archeobotanico che lavora presso la stazione di campo del Smithsonian Tropical Research Institute a Gamboa, Panama, ha condiviso una nuova ipotesi sulla "macchina del tempo". In condizioni ambientali passate, affermano lei e i suoi colleghi, il teosinte sembrava molto diverso da come appare oggi e assomigliava molto di più ai mais moderni di quanto non faccia oggi. Questo può far luce sul perché i primi agricoltori hanno scelto di coltivarlo.
In condizioni ambientali passate, Piperno (che trasportava teosinte moderne) e i suoi colleghi affermano che l'antenato della pianta in epoca pleistocenica appariva molto diverso da come appare oggi e assomigliava più al mais dei giorni nostri. (Matthew Lachniet) "Sappiamo che tra 10.000 e 13.000 anni fa", afferma Piperno, "quando i cacciatori-raccoglitori hanno iniziato a sfruttare gli antenati selvaggi delle colture [di oggi] e quando i primi agricoltori hanno effettivamente iniziato a coltivare le colture, la temperatura e la CO2 atmosferica erano molto diverse. ”
Piperno lavorò con Klaus Winter, che progettò una serra a camera di vetro - la macchina del tempo - mantenuta con livelli di CO2 più bassi e mantenuta a temperature più basse simili a quelle del tardo Pleistocene e dei primi periodi dell'Olocene. A fini di controllo, un'altra serra che imitava l'ambiente di oggi è stata preparata nelle vicinanze. Piperno e i suoi colleghi hanno quindi piantato teosinte in entrambe le camere.
Fu mentre studiava la storia fossile del mais e le condizioni ambientali passate che Piperno iniziò a chiedersi che aspetto avrebbero avuto gli antenati durante il tardo Pleistocene e l'inizio dell'Olocene, quando furono prima raccolti e poi coltivati. All'epoca, la temperatura era da 3, 5 a 5, 4 gradi più fredda di quanto non sia oggi e la CO2 atmosferica è rimasta a livelli intorno a 260 parti per milione. Più tardi, durante la Rivoluzione Industriale, la CO2 saliva alle attuali 405 parti per miliardo, il livello in cui ora cresce la pianta alta e ramificata di teosinte.
La pianta fenotipica simile al mais della camera della "macchina del tempo" (A) ha una singola nappa che termina lo stelo principale e le orecchie femminili appaiono lungo lo stelo principale (frecce). L'inserto in alto a destra è un primo piano di una delle orecchie femminili. I teosinte moderni coltivati nella camera di controllo (B) hanno molti rami laterali primari lunghi (esempio, freccia bianca superiore) terminati da nappe (freccia nera). Orecchie femminili non sviluppate sono visibili sui rami laterali secondari (frecce bianche). (Irene Holst, STRI) Piperno era interessato a studi che esaminano come i futuri aumenti di CO2 e temperatura potrebbero indurre qualcosa chiamato "plasticità fenotipica", o cambiamenti nelle apparenze nella pianta in risposta al suo ambiente. La plasticità fenotipica può far apparire diversi due organismi geneticamente identici se cresciuti in condizioni separate.
Nella "macchina del tempo", Piperno e Klaus erano incuriositi nello scoprire che le piante di teosinte crescevano per assomigliare più da vicino al mais che coltiviamo e mangiamo oggi. Mentre il teosinte di oggi ha numerosi rami nappati con orecchie che crescono su rami secondari, le piante in serra avevano un unico gambo principale sormontato da una singola nappa, oltre a diversi rami corti con orecchie. E anche i semi erano diversi: a differenza dei semi di teosinte selvatici, che maturavano sequenzialmente, tutti i semi nelle piante sperimentali maturavano tutti allo stesso tempo, simili ai chicchi di mais o ai semi. I semi di teosinte di oggi sono racchiusi in strette brattee vegetative, ma la macchina del tempo produceva piante con semi di semi che venivano esposti.
Secondo Piperno, un minor numero di rami, insieme a semi facilmente visibili, avrebbero reso il teosinte un raccolto più facile da raccogliere. Queste caratteristiche - precedentemente ritenute derivate dalla selezione umana e dall'addomesticamento - avrebbero potuto essere stimolate da cambiamenti ambientali che hanno indotto la plasticità fenotipica.
All'interno della camera della macchina del tempo, il teosinte era cresciuto in condizioni che avrebbe potuto incontrare 10.000 anni fa. (Irene Holst, STRI) Sembra che l'ambiente abbia avuto un ruolo "significativo, seppure fortuito" nell'attenzione al teosinte per la coltivazione, dice Piperno. Caratteristiche simili al mais "hanno dato un vantaggio ai primi agricoltori".
Daniel Sandweiss, professore di antropologia e studi quaternari e climatici all'Università del Maine, ha condotto ricerche approfondite sui primi cambiamenti climatici in America Latina. Ha definito l'esperimento di Piperno "rivoluzionario" e ha dichiarato di ritenere che "sarebbe diventato un modello per un'intera serie di studi".
Piperno, Klaus e il loro team erano anche interessati a vedere come un notevole picco di temperatura e CO2 che si è verificato tra il tardo Pleistocene e l'olocene possa aver influenzato la produttività delle piante e potrebbe aiutare a spiegare un possibile motivo per cui l'agricoltura è iniziata in quel periodo e non prima.
Durante il Pleistocene, i livelli di CO2 atmosferica erano persino più bassi di quanto lo fossero durante l'Olocene - almeno per un terzo - e la temperatura era da 5 a 7 gradi più fredda. I livelli e le temperature di CO2 nell'era del pleistocene erano fattori limitanti per la crescita delle piante, ha concluso Piperno, che aveva visto ricerche precedenti suggerire che la coltivazione di piante in un ambiente a bassa CO2, a bassa temperatura inibiva la fotosintesi e riduceva la resa dei semi.
L'antenato selvaggio di mais, il teosinte, viene mostrato in crescita in condizioni climatiche moderne (camera a sinistra) e passate (camera a destra). Scienziati Smithsonian Dolores Piperno (a destra) con Irene Holst. (Sean Mattson) I risultati di Piperno hanno fatto eco a precedenti studi; anche teosinte formava più semi nella camera con temperatura più calda e aumento del C02. Questo fenomeno forse rese l'agricoltura, per la prima volta, una pratica sostenibile per nutrire le famiglie. La maggiore produttività dello stabilimento, afferma Piperno, ha trasformato l'agricoltura in "una buona strategia adattiva".
"I risultati sono sorprendenti", afferma Sandweiss, che ha notato che l'aspetto di Teosinte aveva a lungo ostacolato gli scienziati. Dopo aver visto come appariva il teosinte nelle condizioni di crescita del pleistocene, la sua relazione con il mais ha iniziato a "avere molto più senso".
L'esperimento di Piperno potrebbe anche aiutare gli scienziati e gli archeologi a comprendere il processo e i tempi della domesticazione delle colture in tutto il mondo, ha osservato Sandweiss. Anche grano, orzo e riso potrebbero aver subito cambiamenti fenotipici e una maggiore produttività nel tardo Pleistocene e nelle prime epoche dell'Olocene. Tracciare questo processo potrebbe spiegare, "come sembra con il mais, perché le persone hanno scelto quelle specie particolari e non altre, e perché il processo di addomesticamento ha avuto luogo quando lo ha fatto."
Piperno intende continuare le sue ricerche conducendo studi di selezione artificiale, facendo crescere diverse generazioni di piante per osservare l'eredità dei fenotipi indotti, simili al mais. Dice che la plasticità fenotipica sta diventando una parte importante di ciò che gli scienziati chiamano "la nuova sintesi moderna", ampliando il modo in cui gli scienziati vedono l'effetto dell'ambiente sul cambiamento evolutivo.
"Abbiamo praticamente aperto una finestra", afferma Piperno.
