Um þróun örvera til trjáa

Vitur maður sagði: „Tré er hávaxin lífvera með stóran trjákenndan stofn í miðjunni sem heldur uppi krónu.“ Það er ansi hreint löng leið frá því að líf kviknaði á jörðinni og þar til að til urðu tré. Allmargar milljónir kynslóða hið minnsta. Hér verður gerð tilraun til að stikla á mjög stóru í þeirri vegferð. Rétt er að taka það fram að sumt í þeirri þróun liggur ekki endanlega fyrir og nýjar upplýsingar geta breytt þekkingu manna. Að auki ber heimildum ekki alltaf saman um ýmiss atriði. Samt er heildarmyndin nokkuð vel þekkt.

Fyrstu lífverurnar

Aldur jarðarinnar er talinn vera um 4500 milljónir ára. Leifar einfaldra og afar frumstæðra lífvera hafa fundist í bergi sem er að minnsta kosti 3100 milljón ára gamalt og vísbendingar hafa fundist í enn eldra bergi jafnvel allt að 3500 milljónum ára. Það hefur því tekið um þúsund milljón ára að þróa einhverskonar líf. Jafnvel meira. Þessar lífverur hafa verið svokallaðir dreifkjörnungar. Það merkir að þær höfðu ekki afmarkaðan kjarna eins og flestar frumur sem við þekkjum. Engu að síður lítur út fyrir að þessar lífverur hafi byggt á sama kerfi og við þekkjum enn í dag. Einhverskonar erfðaefni (DNA eða RNA) og ensím sem geta hvatað einhver efnahvörf.

Einhver dreifkjörnungur eða gerill (baktería) virðist hafa þróað með sér eða tekið í þjónustu sína einhvers konar grænukorn sem gerði henni kleift að ljóstillífa. Með ljóstillífun geta lífverur unnið kolefni beint úr andrúmsloftinu með aðstoð sólarljóss, eins og þekkt er. Slíkar lífverur eru sagðar frumbjarga. Við þetta ferli verður til súrefni. Áður en dreifkjörnungar tóku upp á því að ljóstillífa voru til aðrar frumbjarga lífverur. Þær notuðu ekki sólarljósið sem orkugjafa heldur efnatillífuðu. Enn eru til bakteríur sem gera það, einkum þar sem jarðhiti er mikill.

Blágrænir og grænir þörungar og gerlar á Íslandi ljóstillífa þótt hitinn fari upp í 64°C. Þá taka við aðrir gerlar sem ljóstillífa upp í allt að 74°C. Myndin sýnir heitan hver og skilin sjást vel á myndinni og eru auðgreind á litnum. Í Yellowstone eru til grænþörungar sem ljóstillífa þótt hitinn fari upp í 74°C og því er þar ekkert pláss fyrir hina gerlana. Þeir finnast ekki þar. Gerlar og fyrnur (fornbakteríur) geta lifað við meiri hita og treysta þar á efnatillífun.

Sennilega eru 74°C mörk ljóstillífunnar.

Hér má sjá að gerlar stunda efnatillífun í meiri hita en þörungar geta ljóstillífað í. Þarna er það járn sem er nýtt til tillífunar. Báðar myndirnar eru teknar í Reykjadal fyrir ofan Hveragerði.

Þörungar

Þessi ljóstillífandi gerill er formóðir allra plantna á jörðinni. Það voru því alls ekki plöntur eða þörungar sem fyrst ljóstillífuðu heldur gerlar. Aftur á móti eru frá þessum gerlum komnir þörungar. Það gerðist samt löngu síðar. Þörungar eru að jafnaði einfaldar frumbjarga lífverur án róta, stönguls eða blaða. Þeir hafa frumur sem hver um sig hefur kjarna. Við þekkjum þessar lífverur meðal annars sem grænt slý í tjörnum og skurðum. Giskað hefur verið á að fyrstu einfruma þörungarnir hafi fyrst litið dagsins ljós (ef svo má að orði komast um lífverur sem ekki hafa skynfæri til að líta eitt eða neitt) fyrir um 1,3 milljónum ára. Það tók því um 2200 milljón ár að þróast frá fyrstu lífverunum í einfalda þörunga. Næsta skref hjá þessum einfruma þörungum var að mynda einhverskonar fjölfruma lífveru. Millistigin sjáum við einmitt í svona slýi. Hver fruma er sjálfstæð lífvera en þær geta tengst saman. Þegar svo háttar geta þeir myndað allskonar himnur eða þræði og myndað einhverskonar sambýli eða heild. Einhvern tímann var þörungur sem hafði hæfileika til að tengjast og starfa með annarri frumu. Það gerði honumi lífið á einhvern hátt auðveldara svo hann átti auðveldara með að fjölga sér. Smám saman urðu tengingarnar flóknari og fjölfruma lífverur urðu til. Á okkar tímum eru til allskonar þörungar. Bæði einfrumungar og fjölfrumungar. Þeir eru samt dálítið langt frá því að vera tré.

Grænþörungar

Grænþörungar (Chlorophyta) er aðein ein fylking þörunga. Til eru aðrar fylkingar þörunga, meðal annars í sjónum í kringum Ísland. Má þar nefna brúnþörunga og rauðþörunga. Litarefni þeirra er annað en í grænþörungum. Aftur á móti má finna sama litarefni í grænþörungum og er að finna í landplöntum. Það er ein aðal vísbending þess að það séu einmitt grænþörungar sem eru forfeður og -mæður allra plantna. Hefðu það verið rauðþörungar eða brúnþörungar sem námu land (í stað grænþörunga) væri gróðurfarið án efa verulega frábrugðið því sem við þekkjum.

Það þarf samt ekki að koma á óvart að það voru einmitt grænþörungarnir sem námu land. Litarefni rauð- og brúnþörunga gerir það að verkum að þeir geta ljóstillífað á öðrum bylgjulengjum en grænþörungar. Það leiðir til þess að þeir finnast oftast dýpra í sjó en grænþörungar. Að auki (eða ef til vill einmitt þess vegna) eru grænþörungar algengir í ferskvatni og í rökum jarðvegi. Það eru aðrir þörungar ekki. Því hefur e.t.v. verið styttra skref fyrir grænþörunga að nema land en fyrir aðra þörunga. Annað atriði er enn ónefnt sem kann að hafa hjálpað til við að það urðu grænþörungar en ekki aðrir þörungar sem lögðu undir sig þurrlendið. Það er sambýli þeirra og sveppa. Enn í dag er þetta sambýli mjög mikilvægt í gróðurríkinu og líklegt að þessi samvinna sé ákaflega gömul í þróunarsögunni. Þetta sambýli þekkist allt frá fléttum og skófum sem víða sjást á klettum upp í svepprót trjáa. Ekki verður farið nánar út í þessa þætti að þessu sinni, enda tilheyra sveppir ekki plönturíkinu.

Nú finnast grænþörungar ekki bara í ferskvatni og sjó heldur einnig þar sem raki er nægur í jarðvegi og á skuggsælum stöðum á klettum. Svokallaðir kransþörungar eru oftast taldir til grænþörunga. Þeir eru alltaf botnfastir og taldir vera þeir þörungar sem skyldastir eru landplöntum. Ólíkt öðrum grænþörungum hafa þeir stilka sem minna um margt á elftingar (sjá síðar) Á Íslandi hafa verið skráðar um 450 tegundir af grænþörungum. Það er sami fjöldi og til eru af blómplöntum.

Það mun hafa verið fyrir um það bil hálfum milljarði ára eða tæplega það sem fjölfruma grænþörungar námu land og fyrstu landplönturnar urðu til. Samkvæmt sköpunarsögu Biblíunnar var það á öðrum degi, rétt eftir að Guð hafði skapað höf og lönd á Jörðinni. Þótt tímaskalinn hjá vísindamönnum sé annar er röðin ekki ósvipuð.

Vandamál plantna á landi

Þegar plöntur hófu að nema land á jörðinni stóðu þær frammi fyrir ýmsum vandamálum. Að segja að þær hafi staðið frammi fyrir þeim er ef til vill of djúpt í árinni tekið, enda var þyngdaraflið eitt af því sem þurfti að sigrast á. Fyrst hafa þær því legið frammi fyrir vandamálunum. Annar vandi var þó enn meira krefjandi í byrjun. Það var að magn vatns og tímasetning úrkomu er ekki alveg áreiðanleg á þurrlendi. Plöntur sem lifa í sjó og vatni eiga, eðli málsins samkvæmt, ekki langt að sækja vatn. Á þurrlendi gegnir öðru máli. Vatn gufar stöðugt út um laufblöðin og plöntur þurfa því á einhvern hátt að ná í vatn og viðhalda vatnsjafnvægi sínu. Næsta skref í átt að því að verða tré var því að þróa einhverja tækni til að taka upp vatn og flytja það um plöntuna. Lausnin varð sú að taka upp vatn með rótum og flytja það, ásamt uppleystum næringarefnum, með æðvefjum. Það er þó ekki eins og það hafi gerst á einni nóttu. Það sést meðal annars á því að sumar frumstæðar plöntur hafa hvorki rætur né æðvefi.

Skógarbotn í Skotlandi. Dautt tré hefur hlýtt lögmálum þyngdaraflsins og fallið. Á honum vex mosi sem er án æðakerfis. Aftan við hann má sjá burkna sem ekki mynda fræ heldur gró. Fremst má sjá bergfléttu sem vex gjarnan á trjám.

Frumstæðar plöntur án róta og æðvefja

Enn má víða finna frumstæðar plöntur án róta og æðvefja. Má nefna mosa sem dæmi um slíkt. Þeir hafa rætlinga til að halda sér föstum en geta hvorki flutt vatn né næringarefni með æðum um plöntuna. Vatnið taka þeir beint upp í gegnum frumurnar rétt eins og þörungar hafsins og þörungar í vatni. Mosar og fleiri frumstæðar plöntur tilheyra hópi plantna sem kallast Bryophytes á fræðimáli. Það eru æðlausar plöntur. Þær eru afkomendur grænþörungana og hljóta að hafa komið fram á undan æðplöntum (Vascular plants) Þessar frumstæðu plöntur hafa aldrei almennilega náð að takast á við þyngdarlögmálið né heldur tekist að takast á við þurrka nema að litlu leyti.

Mosar eru smávaxnir og bundnar við rök svæði. Sem betur fer, fyrir þessar plöntur, er enginn hörgull á slíkum svæðum. Sumar eru reyndar svo öflugar að þeim er alveg sama þótt þær þorni upp. Þá bara leggjast þær í einskonar dvala og spretta svo sem aldrei fyrr ef þær komast í vatn. Til eru meira en 20.000 tegundir af þeim í heiminum og af þeim vaxa um 600 á Íslandi en aðeins rúmlega 450 tegundir villtra blómplantna.

Þessi mosi vex á trjádrumbi undir Eyjafjöllum. Þar er ekki hörgull á raka. Sjá má gróhirslurnar.

Æðplöntur (háplöntur)

Mosar og skyldar plöntur geta aldrei orðið tré. Til þess eru þeir of einfaldir af allri gerð. Næsta skref var því að mynda æðplöntur eins og að framan greinir. Talið er að fyrstu æðplönturnar hafi komið fram fyrir um 420 milljónum ára. Þá gátu plöntur tekist á við það verkefni að verða stórar. Hjá þeim mynduðu frumur einskonar æðakerfi. Þessar fyrstu æðplöntur köllum við byrkninga. Byrkningar eru gróbærar eins og mosar en mynda hvorki blóm né þroska fræ. Þeir mynda gróhirslur á grólið sínum sem framleiða mikið magn af gróum. Þeim tilheyra burknar (Pterophyta), elftingar (Sphenophyta) og jafnar (Lycophyta), ásamt tungljurtum og álftalaukum. Enn má finna tæpa fjóra tugi tegunda af byrkningum á Íslandi. Hinn meginhópur æðplantna kallast fræplöntur og verður fjallað síðar um þær.

Bæði byrkningar og mosar eru mun háðari vatni en fræplöntur að því leiti að kynæxlun þeirra þarf að fara fram í vatni. Þegar gróin spíra myndast fyrst kynliður sem kallast forkím. Á því myndast kynfrumur og sáðfrumurnar verða að synda að eggfrumunum til að frjóvgun geti átt sér stað. Fræplönturnar þurfa ekki að búa til sáðfrumur sem geta synt.

Þegar burknar hefja vöxt vaxa þeir á annan hátt en allar aðrar plöntur. Hér er það körfuburkni.

Gróhirslur klóelftingar kallast skollafætur eða góubeitlar. Þeir sjást snemma á vorinn, jafnvel á góu. Í kjölfarið vex elftingin upp. Ef góubeitlum er gefinn selbiti má sjá gróin þyrlast upp.

Skollafingur er einn af þeim jöfnum sem finna má á Íslandi.

Hávaxnar, frumstæðar plöntur

Þegar byrkningar komu fram á sjónarsviðið gátu plöntur farið að taka á þeim vanda sem þyngdaraflið veldur á þurrlendinu. Í vatni eiga plöntur auðvelt með að vaxa upp á við enda heldur vatnið (eða sjórinn) við þær svo þær geta flotið. Á landi þurfti æðplöntur til að plöntur gætu vaxið upp á við.

Fyrstu plönturnar sem náðu trjástærð voru byrkningar. Þeir mynda samt ekki við og geta því tæpast talist til trjáa. Jafnar voru farnir að mynda einhvers konar tré eða trjálíkar jurtir fyrir um 270 milljónum ára. Steingervingar benda til þess að þeir hafi myndað allt að 40 metra háa skóga. Samt er það svo að jafnar hafa hvorki raunveruleg laufblöð né við. Þetta hafa því verið nokkuð ólíkir þeim skógum sem við þekkjum í dag. Áður en þessir jafnaskógar (og reyndar einnig elftinga- og burknaskógar) urðu til, eða fyrir um 400 til 360 milljónum ára urðu blómplöntur til. Fyrstu blómplönturnar voru einhvers konar berfrævingar. Berfrævinga þekkjum við best í dag sem ýmsar gerðir barrtrjáa. Dulfrævingar og blóm urðu til löngu síðar. Það er svo stutt síðan að líklega hefur engin risaeðla nokkurn tíman séð blóm. Aðeins gróplöntur og berfrævinga. Svo er að sjá sem margir þessara fornu flokka og ættbálka hafi, jafnvel oftar en einu sinni, náð að vaxa upp í þá hæð að plönturnar gætu talist til einhvers konar trjáa. Jafnar, elftingar, burknar og frumstæðir berfrævingar uxu öll upp í einhverskonar trjástærð. Enn eru til burknar í heiminum sem ná stærð trjáa og geta jafnvel orðið um 25 metra háir. Það eru einu plönturnar sem mynda gró en ekki fræ en ná samt stærð trjáa á okkar tímum. Jafnar og elftingar sem áður gerðu það hafa horfið af sjónarsviðinu. Þessir stóru burkanar lifa flestir í heitum löndum en stundum má sjá slíka burkna í grasagörðum Evrópu. Meðfylgjandi mynd er úr gróðurhúsunum í Konunglega grasagarðinum í Edinborg. Hún gefur ákveðnar hugmyndir um það hvernig skógar litu út áður en fræplöntur spruttu fram.

Fræplöntur

Fræplöntur sem mynda tré reyndust vera sérlega ágengar tegundir. Því létu aðrir skógar smám saman undan síga. Þeir skyldu þó eftir sig áberandi minjar í jarðlögum. Þannig er t.d. öll hráolía sem notuð er talin innihalda þau kolefni sem elftinga- og burknaskógar ásamt sambærilegum gróðri bundu á sínum tíma. Það kolefni hefur verið bundið í jarðlögunum allan þennan tíma. Ljóst er að með því að losa það allt saman í andrúmsloftið aftur (með brennslu kola og olíu) erum við að breyta loftslagi jarðarinnar með ófyrirsjáanlegum afleiðingum fyrir lífríkið í heild.

Eftir að fræplöntur tóku að myndast varð merkileg lausn til á þeim vanda sem þyngdaraflið veldur. Lausnin var að framleiða beðmi (cellulose) og lignin . sem eru aðal byggingarefni plantna og gerir trjám kleift að berjast við þyngdarlögmálið með því að mynda það sem við köllum við. Þá geta þær vaxið nánast lóðbeint upp í loftið. Þær plöntur sem framleiða beðmi en ekki lignín, eða mjög lítið af því, geta ekki myndað við. Þær kölllum við jurtir. Þær geta vaxið töluvert upp í loftið og staðið uppréttar ef frumurnar eru fylltar af vatni undir þrýstingi. Kallast það turgorþrýstingur. En ef vatn fer að skorta þá leggjast þær niður eða hanga. Plöntur sem framleiða við hafa því ákveðið forskot þegar kemur að því að vaxa upp á við.

Af þessum frumstæðu hávöxnu jurtum voru það aðeins fræplöntur sem myndaðieiginlegan við. Það tókst gróplöntunum aldrei að gera. Frumstæðar fræplöntur hafa því myndað hin fyrstu eiginlegu tré.

Lerkiskógur að hausti. Lerkið (Larix sp.) er berfrævingur en í skógarbotninum er vallelfting (Equisetum pratense) sem er byrkningur mest áberandi.

Fræplöntur eru fjölbreyttur hópur plantna sem á okkar tímum innihalda blómplöntur (dulfrævinga) og berfrævinga. Margir ættbálkar og mismunandi ættir fræplantna (bæði berfrævinga og dulfrævinga) hafa orðið til frá því þær komu fyrst fram. Flestar þeirra eru horfnar af sjónarsviðinu en fimm ættbálkar eru enn til. Tveir þeirra; barrviðir og blómplöntur (eða berfrævingar og dulfrævingar), eru lang stærstu ættbálkar trjáa í heiminum í dag. Sennilega tilheyra yfir 99% þeirra skóga sem til eru þeim. Hinir þrír eru nánast lifandi steingervingar. Þeir eru eiginlega hvorki berfrævingar eins og barrtrén eða dulfrævingar eins og blómplöntur. Sennilega eru þeir þó skyldari berfrævingunum og stundum taldar með þeim. Þetta eru musterisviður, Gingko (aðeins ein tegund), köngulpálmar, Cycad (um 130 tegundir) og gnetlur, Gnetales, um 70 ólíkar tegundir. Jafn áhugaverðir og þeir annars eru er plássins vegna ekki hægt að fjalla um þær en ég get ekki stillt mig um að setja inn eina mynd. Vakin er athygli á að latnesku heitin eru heiti ættbálka. Þess vegna eru þau ekki rituð með hallandi stöfum eins og þegar um ættkvíslir er að ræða.

Musterisviður (Ginkgo biloba) er skyldara barrtrjám en lauftrjám. Ættkvíslin var til fyrir 270 milljón árum svo líta má á þetta tré sem lifandi steingerving. Viðbót: Umfjöllun um musterisvið.

Berfrævingar og dulfrævingar

Af berfrævingum eru fyrstu dulfrævingarnir komnir. Sumir þeirra geta einnig myndað við en jurtir gera það almennt ekki. Vissulega er munur á viðargerðum einstakra trjátegunda en í raun er enginn eðlismunur á þeim við sem berfrævingar (eins og barrtré) og dulfrævingar (eins og lauftré) mynda. Það getur aðeins merkt tvennt. Annað hvort hafa bæði dulfrævingar og berfrævingar þróað með sér sömu lausnina svo úr varð viður eða að fyrstu dulfrævingarnir hafa verið tré sem eru beinir afkomendur berfrævinga. Það er mun líklegri tilgáta. Vissulega er það samt svo að margir dulfrævingar mynda alls engan við (nánast allar blómplöntur sem við þekkjum) en það er seinni tíma þróun. Fyrstu dulfrævingarnir hljóta að hafa verið tré. Vísindamenn hafa vellt því fyrir sér hvernig þessar fyrstu blómplöntur hafi litið út. Nú er talið líklegast að þau hafi lýkst þeim magnolíutrjám sem enn eru til í heiminum.

Lerkitré í Leyningshólum.

Það má halda því fram að síðasta stóra stökkið á vegferð plantna sé myndun dulfrævinga sem stundum eru kallaðar blómplöntur. Auðvitað má vel vera að enn eigi plöntur eftir að taka stór stökk, en þau eru ófyrirsjáanleg með öllu. Það gæti jafnvel hafa gerst nú þegar án þess að við höfum áttað okkur á mikilvæginu. TIl þess er mannsævin of stutt. En semsagt; Dulfrævingarr mynda blóm og fræ og sum þroska aldin. Fyrir hverja tegund berfrævinga (barrtrjá) eru til um fimm tegundir dulfrævinga. Þá eru blóm og runnar ekki meðtalin. Að auki má geta þess að allir berfrævingar mynda við, þótt sumir þeirra þurfi ekki endilega að verða tré heldur aðeins lágvaxnir runnar. Innan þeirra finnast engar sníkjuplöntur og aðeins ein sem kallast getur ásæta. Meðal dulfrævinga er hellingur af plöntum sem sníkja á öðrum og aðrar sem vaxa sem ásætur. Frægastar eru sennilega hin stóra ætt brönugrasa (Orchidaceae). Langflestar tegundir þeirrar stóru ætta eru ásætur í trjátoppum.

Augnfró (Euphrasia frigida) er hálfsníkjuplanta sem víða sníkir á hvítsmára (Trifolium repenseins) og hér. Báðar eru tegundirnar tvíkímblaða dulfrævingar sem glatað hafa hæfni sinni til að mynda við og þar með tré.

Þegar dulfrævingar mynduðust út frá berfrævingum tóku barrskógarnir (barrtré og fleiri ættbálkar) að láta undan síga fyrir afkomendum sínum sem einnig mynduðu tré. Dulfrævingarnir eiga núna sviðið víðast hvar. Tegundafjöldi þeirra er miklu meiri en tegundafjöldi núlifandi forfeðra. Þeir eru þó hreint ekki horfnir af sviðinu. Þar sem skilyrði fyrir skóga eru lakari, t.d. hátt til fjalla og nær norðurheimskautinu, hafa barrtrén enn yfirhöndina og mynda tilkomumikla barrskóga. Hinir þrír ættbálkar einskonar berfrævinga (sem nefndir eru hér að framan) eru allir í heitum löndum en þekja hvergi stór, samfelld svæði.

Dulfrævingar

Blómplöntum (dulfrævingum) er yngsti hópur plantna og lang stærstur. Þeim er gjarnan skipt í tvo megin flokka. Anarsvegar í tvíkímblöðunga (Magnoliopsida) sem hafa vaxtarbroddinn efst og hins vegar einkímblöðunga (Lilipsoida) sem hafa vaxtarbroddinn neðst. Gróflega má segja að flestar plöntur sem í daglegu tali kallast blóm og tré tilheyra tvíkímblaða hópnum. Einkímblöðungar eru grös, starir, liljur, brönugrös, pálmar og fleiri jurtir.

Brönugrös á Íslandi eru ekki ásætur í trjám eins og margar frænkur þeirra. Þau teljast til einkímblöðunga.Einkímblöðungar geta ekki myndað við. Á myndinni má einnig sjá aðra einkímblöðunga (grastegundir) og mosa sem er miklu, miklu eldri í þróunarsögunni.

Líklegt verður að telja að einkímblöðungarnir séu yngri í þróunarsögunni en tvíkímblöðungarnir. Að sumu leiti hefur þeim vegnað alveg sérlega vel. Að jafnaði þola þeir beit betur en tvíkímblöðungar. Stafar það af því að vaxtarbroddur þeirra er betur varinn. Allar gresjur heimsins eru fyrst og fremst þaktar einkímblöðungum. Eitt hefur þeim þó ekki tekist. Það er að mynda almennilegan við eins og barrtré og lauftré hafa. Það hefur samt ekki stöðvað þá í að vaxa upp í trjáhæð. Bæði bambusar og pálmar vaxa upp í trjáhæð þótt þær myndi ekki eiginlegan við. Stórir pálmar eru meira að segja kallaðir pálmatré, þótt þau myndi ekki við. Þar með má deila um það hvort pálmatré séu í raun tré.

Elfting (byrkningur) og einir (berfrævingur) í birkiskógi (dulfrævingur). Byrkningar komu fram á undan hinum og uxu eitt sinn í trjáhæð. Berfrævingarnnir ruddu þeim úr vegi en dulfrævingarnir eru yngstir.

Af ofansögðu má ljóst vera að þróunin frá fyrstu lífverunum að ljóstillífandi gerlum og þörungum til trjáa er æði löng og skrykkjótt. Náttúran hefur gert margar vel heppnaðar tilraunir til að mynda einhverskonar tré og er enn að. Allar myndirnar tók Sigurður Arnarson