Всю свою жизнь Чарльз Дарвин обожал цветы. В детстве он делал в дневнике подробные записи каждый раз, когда в отцовском саду распускался очередной пион. Сад собственного дома естествоиспытатель превратил в ботаническую станцию.

Чарльз Дарвин знал о цветах очень много, но однажды он написал, что их эволюция представляет собой «чудовищную загадку». Он прекрасно видел, насколько успешно развивались цветковые растения, составлявшие большую часть растений на нашей планете. Понимал Дарвин и то, что цветковые доминируют в большинстве экосистем, начиная от тропических лесов и кончая тундрами. Они занимают главное место и на обрабатываемых человеком землях. Большую часть пищи человек получает, используя плоды именно цветковых растений. Цветы поражают своим гигантским разнообразием форм и видов.

Ученые пытались разгадать загадку эволюции цветов, исследуя окаменелости. Во времена Дарвина самые старые окаменелости цветковых растений датировались 66--100 млн лет, т.е. меловым периодом. Палеонтологи обнаружили, что уже в тот период у цветов было большое разнообразие видов, т.е. цветковые были уже достаточно развиты.

Как это произошло, откуда появились цветы в таком количестве, Дарвин так и не смог ответить. Только в наши дни ученые приблизились к ответам на эти вопросы. Одним из источников знаний для них послужили находки новых окаменелостей растений. За несколько последних лет цветы значительно «состарились». Найденные окаменелости датируются примерно 136 млн лет. Но еще больше информации ученым дало изучение генов современных цветов.

Палеобиологи расшифровывают геномы цветов и разбирают их на «кирпичики», которыми и отличаются разные виды цветов. Информация, полученная в последнее время, позволяет сделать вывод, что своего удивительного многообразия цветы достигли примерно так же, как и мы, -- при помощи старых генов, перепрограммированных на выполнение новых задач.

До самого последнего времени ученые спорили, в каких отношениях состоят цветы с другими растениями. Анализ ДНК растений позволил значительно рассеять туман в этом вопросе. Сейчас, например, ясно, что самыми близкими родственниками цветов являются сосны и гинкго.

В вопросе раннего этапа эволюции цветов сейчас, как ни странно, царит удивительное единодушие. Изучая ДНК многих цветковых растений, ученые с удивлением обнаружили, что ряд видов, представляющих самые древние родословные, живы и сейчас. Самым ранним цветковым растением является кустарник амборелла, который сейчас можно найти только в южной части Тихого океана, на острове Новая Каледония. Наиболее близки по возрасту к амборелле кувшинки и иллициумы настоящие.

Конечно, цветы, которые существовали 130 млн лет назад, были мало похожи на современные цветы. Они были намного меньше по размерам, и росли они в тени бесцветковых растений, наиболее распространенных в то время. Для того чтобы завоевать планету, цветам понадобились многие миллионы лет. Примерно 120 млн лет назад появилась новая линия цветов, которые стали доминировать в лесах. Именно в это время произошел резкий скачок в количестве видов. Эта линия цветов включает в себя 99% видов цветковых растений, произрастающих сегодня на земле.

Все цветы, начиная с амбореллы, имеют одинаковое строение. Наверху располагаются лепестки или лепестковидные структуры, которые окружают мужские и женские половые органы. Первые цветы скорее всего были такими же маленькими и простыми, как и цветки современной амбореллы.

Позднее появились шесть линий цветов, которые были намного сложнее по строению. У них уже есть внутреннее кольцо лепестков, большое и красивое; и внешнее, чаще всего состоящее из зеленых, похожих на листья отростков, которые называются чашелистиками и которые защищают более нежную внутреннюю часть молодых цветов во время бутонизации.

В конце 80-х годов прошлого столетия ученые нашли первые гены, которые контролируют развитие цветов. Во время изучения маленького растения резуховидки Таля, она же арабидопсис (используется в качестве модельного организма для изучения генетики и биологии развития растений), ученые обнаружили, что мутации могут приводить к удивительным изменениям в цветах. Одни мутации, например, позволяли выращивать лепестки на месте тычинок, другие превращали чашелистики в листья.

Это открытие подтверждало идеи немецкого поэта Иоганна Гете, который не только сочинил «Фауста», но и очень внимательно наблюдал за цветами. В 1790 году он написал эссе под названием «Морфология растений», в котором доказывал, что все органы растений, включая цветы, первоначально были... листьями.

«С самого начала и до конца, -- писал великий немецкий поэт, -- растение представляет собой не что иное, как лист».

Со времен Гете прошло два века. Сейчас биологи уверены, что мутации генов могут вызывать очень радикальные изменения в растениях вроде тех, что наблюдал немецкий поэт. Последние два десятилетия ученые были заняты выяснением того, как гены, обнаруженные благодаря таким мутациям, работают в нормальных цветах. Оказалось, что в них есть белки, которые могут «включать» другие гены, а те в свою очередь включают или выключают третьи гены. Это сложное взаимодействие и вызывало развитие лепестков и других органов арабидопсисов.

Ученые нашли версии генов, которые превращают арабидопсисы в другие цветы, включая амбореллы. Оказалось, что во многих случаях эти гены были продублированы в разных линиях цветов.

Однако находка генов, которые фактически «строили» новые виды цветов, ничего не сказала ученым об их функциях в растущих растениях. Чтобы ответить на этот вопрос, пришлось изрядно повозиться с их генами.

Большую работу в этом направлении проделала Вивия Айриш, эволюционный биолог из Йельского университета. Она изучала гены маков, у которых лепестки эволюционировали независимо. «Гены-строители» Айриш искала, по очереди отключая гены и наблюдая за изменениями, к которым это приводило в цветах.

Американские ученые установили, что эти гены связаны с генами, которые помогали эволюционировать арабидопсисам. За рост лепестков и тычинок в арабидопсисе, например, отвечает ген AP3. У маков имеются две версии похожих на него генов, которые называются палеоAP3. Профессор Айриш с коллегами доказала, что каждый из этих генов имеет свои функции. Отключение одного меняет лепестки, а другого -- тычинки.

Вивия Айриш полагает, что ранние цветы имели базовый набор генов, которые отвечали за развитие разных участков стебля. Эти гены, которые она называет «географическими», вырабатывали определенные белки. Они могли включать другие гены, которые вызывали появление у арабидопсисов новых структур. Со временем эти гены могли передавать контроль над отдельными органами от одной группы генов к другой, что в конечном результате приводило к появлению новых видов цветов.

Таким образом, лепестки маков эволюционировали независимо от лепестков арабидопсиса, хотя у обоих цветков за рост отвечают одни и те же гены.

Если профессор Айриш права, то цветы развивались почти по тому же пути, как и... человек. Наши ноги, например, развивались независимо от лапок мух, но в эволюции их участвовала одна группа очень древних генов, отвечающих за рост конечностей.

«По-моему, -- говорит Вивия Айриш, -- тот факт, что растения и животные использовали в ходе эволюции одинаковые стратегии, хотя и при помощи разных генов, говорит о многом».

Айриш подчеркивает, что изучение лепестков -- это только начало долгого пути исследований генов цветов. Еще больше интересных метаморфоз происходит во время роста растений. Взять хотя бы появление новых наборов половых органов. У сосен, например, имеются мужские и женские шишки, но у цветов мужские и женские половые органы находятся уже на одном стебле.

Как только половые органы собираются вместе, в них происходят изменения. Они незаметны невооруженным глазом, но именно они могут помочь цветам занять доминирующее положение в мире растений.

Когда пыльцевые зерна оплодотворяют яйцеклетки, возникают два набора ДНК. Один оплодотворяет яйцеклетку, а другой предназначен для создания зародышевого мешка, который окружает яйцеклетку. В нем содержится эндосперм -- крахмаловидное вещество, за счет энергии которого и происходит превращение яйцеклетки в семя. Когда мы едим кукурузу, рис и другие злаковые, оно также обеспечивает энергией и наш рост.

В первых цветах эндосперм имел два набора генов: один от мужского родителя, другой -- от женского. Но после отделения ранних цветов (амбореллы, кувшинки и т.д.) в эндосперме возникло преобладание женского начала -- к уже существовавшим прибавился еще один набор генов от матери.

Палеобиологи утверждают, что диверсификационный взрыв у цветов произошел после того, как в эндосперме у них стало два набора женских генов. Едва ли это было случайное совпадение. Если провести современную аналогию, то «мотор» цветов стал как минимум на треть мощнее. Это существенно расширило их возможности, например позволило им получать больше белков, чем раньше.

Цветы с одним набором женских ДНК в эндосперме (кувшинки) растут с одним ядром, расположенным в конце зародышевого мешка. После деления одно ядро остается на месте, а второе передвигается в центр мешка и становится частью эндосперма.

Со временем в этом сценарии начали появляться варианты с незначительными (но это только на первый взгляд) изменениями. У роз и маков, например, одинокое ядро тоже начинает расти в конце зародышевого мешка, но после деления одно ядро перемещается не в центр, а в противоположный конец мешка. И только после повторного деления по одному новому ядру из каждого родительского ядра движутся к центру мешка.

Дупликация -- процесс простой, но он приводит к большой сложности и главным переменам в мире цветов.

«Природа ничего не создает на новом месте из ничего, -- утверждает Уильям Фридман, эволюционный биолог из университета Колорадо в Боулдере. -- Появление всего нового происходит очень просто и обыденно. В этом нет ничего особенно радикального или таинственного. Гете об этом, кстати, писал еще 200 лет назад».