В современной теории эволюции для выяснения направлений развития филогенетических групп, структуры и функций применяют разнообразные методы: палеонтологический, онтогенетический (эмбриологический) и морфологический (сравнительно-анатомический).
Заметим, что в классической филогенетике методы изучения функциональной эволюции все еще остаются слабо разработанными. Они были предложены позже и отражены в следующей классификации методов филогенетических исследований живой природы (Л. П. Татаринов, 1976).
I. Генетические методы:
1. Выявление различий в составе ДНК (молекулярная гибридизация, определение состава и последовательности пуриновых и пиримидиновых оснований в ДНК).
2. Выявление генного состава (гибридологический, электрофоретический, иммунохимический).
II. Фенотипические методы:
1. Сравнительный (сравнение структурных типов, реконструкция предковых форм и т. д.).
2. Палеонтологический.
3. Эмбриологический.
III. Экстрасоматические методы:
1. Биогеографический.
2. Паразитологический.
3. Тектологический (изучение способов построения жилищ и гнезд).
4. Этологический.
Не все из перечисленных методов одинаково «работают» при изучении особенностей функциональной эволюции. Сложность изучения эволюции функций связана с ограниченными возможностями применения палеонтологического метода, являющегося наиболее надежным в эволюционных построениях. В тех случаях, когда он применяется для оценки значения формы листовой пластинки, формы ветвления побега и т. д., чаще прибегают к экстраполяциям фактов из жизни современных растений. Искусственность таких экстраполяций несомненна, хотя они имеют объективные основы и значимы для науки.
Для решения вопросов функциональной и биохимической эволюции растений используют комплекс методов: минералогический (выявление возраста породы), палеонтологический (установление состава видов и реконструкция ископаемых остатков) и сравнительно-физиолого-биохимический (сравнение особенностей современных растений). В частности, биохимическими сравнениями ныне живущих растений показано, что ранние метаболические звенья синтеза стеринов, каротиноидов, вторичных метаболитов, реакций гликолиза и дыхания у многих растений и животных сходны и не нуждаются в участии кислорода (Дж. Шопф, 1981). Завершающие же стадии многих метаболических путей, особенно у высокоорганизованных существ, протекают только с участием O2. Это свидетельствует об их эволюционной молодости и сложении в аэробной фазе истории Земли. Эукариотная клетка по величине больше прокариотной. В связи с этим о времени возникновения эукариотности судят косвенно по размерам ископаемых одноклеточных и ее возраст исчисляют в 1,5 млрд. лет.
Большие надежды возлагали на возможности молекулярной палеонтологии — изучение ископаемых органических веществ биогенного происхождения и построение филогенетических древ белков и геномов современных растений. Н. Г. Холодный (1943) указывал на необходимость использования данных о химическом составе ископаемых организмов для выявления родственных связей между видами растений. Так, по содержанию в органическом веществе ископаемых организмов «правых» аминокислот представляется возможным датировать время их образования: чем ближе к современности, тем больше их концентрация в биогенном веществе. Изучение физиолого-биохимических особенностей современных растений важно для оценки «расхождения признаков, связанных у различных организмов общностью происхождения» (Н. Г. Холодный, 1943), что ярче всего проявляется в действии естественного отбора. Сказанное делает понятной необходимость применения сравнительного метода для выяснения особенностей эволюции как отдельно взятой функции, так и всей жизнедеятельности растений.
Несмотря на успехи молекулярной палеонтологии, следует признать, что здесь нас ожидают еще большие разочарования, связанные с «неполнотой геологической летописи» и отсутствием надежных критериев для определения истинного происхождения и принадлежности найденных в породах биогенных веществ. Конечно, ископаемые биогенные вещества (хорошо сохранившиеся хемофоссилии) несут реальную информацию о былой структуре. В то же время Многие из них могли измениться и изменились после их отложения и первичного синтеза. Направление таких изменений определялось также трофической ценностью отложений для микроорганизмов. Так, многие белки и углеводы, важные для метаболизма микроорганизмов, плохо сохранились в ископаемом состоянии.
Чаще всего наука располагает хемофоссилиями типа отбросов или ВВМ.
Анализ изотопного состава углерода в ископаемых отложениях организмов, существовавших на заре жизни, показал, что до появления свободного кислорода в атмосфере мир прокариот был более разнообразным, чем в последующем. Если успехи молекулярной палеонтологии в какой-то мере и обозримы в будущем, то достижения палеофизиологии растений пока крайне ограничены. Было бы важно знать о величине компенсационной точки фотосинтеза вымерших водорослей, о реакции на качество света и длину дня растений в пермском периоде, дневном ходе фотосинтеза и транспирации, ритмике развития уже вымерших растений. По-видимому, мы никогда с точностью об этом не узнаем даже в отношении растений, вымерших в кайнозое. На этом пути не приходится ожидать принципиальных решений. Вряд ли удастся определить картину жизнедеятельности ископаемых растений по их скудным морфологическим остаткам.
Интересными и перспективными следует признать попытки перенесения тенденций изменения современных растений на ископаемые формы. На примере современных деревьев показана зависимость камбиальной активности, размера и формы клеток древесины, ширины годичного ее кольца и прироста от внешних (влажность, температура, освещенность, длина дня, наличие питательных веществ в субстрате) и внутренних (наличие регуляторов роста, возраст, сезонная ритмика) условий. Форма и размер клеток, толщина кольца древесины различны у одного и того же растения на разных сторонах кроны.
Поэтому, переходя от наблюдений на материале современных деревьев к вымершим, можно сделать вывод, что сезонная активность камбия и роста древесины отчетливо проявляется начиная с карбона. Она сильнее оказывается выражена в мезозое. В то же время уже в палеозое (карбон и пермь) у древесных прослежена зональность роста, коррелирующаяся с их географическим распространением (G. Т. Greber, W. G. Chaloner, 1984). В этой связи интересны также наблюдения над зарастанием техногенных субстратов, являющихся практически стерильными. Их обычно начинают обживать цианобактерии из-за своей способности выдерживать экстремальные условия влажности и температуры, устойчивости к химическим агентам, развивать симбиотические отношения с другими видами и фиксировать атмосферный азот. По-видимому, исторически они служили пионерами освоения суши, как и в современных условиях.
Более или менее достоверно судят о форме и размерах листьев, величине открытости, расположении устьиц и о внутривидовом разнообразии у хорошо сохранившихся ископаемых видов Metasequoia distica и др. (В. А. Самылина и Н. В. Лузина, 1993). Показано, например, что в конце палеогена (в олигоцене) у метасеквой кутикула утолщается, устьица укрупняются, ширина устьичных и межустьичных полос уменьшается. В миоцене замечены обратные процессы. Такие же изменения в конце палеогена отмечены у Ginkgo onentalis (А. С. Кудышев, 1983).
Описаны изменения, в анатомии древесины у многочисленных ископаемых растений, например у ископаемых елей Восточной Сибири. В частности, в миоцене или плиоцене наблюдаются тангентальная поровость трахеид, спиральное утолщение разных типов трахеид, утрата древесной паренхимы, изменение мест локализации горизонтальных смоляных ходов и т. п. (Н. И. Блохина, 1983).
Подобные наблюдения, несмотря на их косвенный характер, важны для углубления представлений о палеоэкологии и палеофизиологии растений. В целом же изучение отпечатков листьев, древесины, плодов и т. п. дает ценный материал о палеоэкологии (следовательно, и о палеофизиологии) растений. Так, мы лучше сейчас представляем физиологию ископаемых водорослей (К. Б. Корда, 1973). Если о докембрийской жизни мы знаем по органогенным остаткам цианобактерий, то в последующем появляются многочисленные карбонатные сооружения водорослей (А. Ю. Розанов, 1985).
В связи с ограниченными возможностями палеонтологического метода в изучении функциональной эволюции растений особое значение приобретает использование сравнительного метода — анализ жизнедеятельности современных видов, включая и древние организмы. Так, мембраны архебактерий состоят из изопреновых эфиров глицерина, способных образовывать самопроизвольно мембраноподобные структуры. Они содержат крупные молекулы кодирующих белков, отличающихся полифункциональностью. Сравнивая 5S рРНК, РБФК у древних фототрофов, можно обнаружить наличие нескольких ветвей в их эволюции. Линия хлоропластов дивергировалась рано; она берет свое начало от Clostridium pasteurianum в сторону фотосинтезирующих прокариот. Затем параллельно отходят три линии, ведущие к митохондриям: Pseudomonas и Mycobacterium, архебактерий и эукариот. От последних происходят Thermus, aquaticus, Bacillus, Mycoplasma. Примитивные эукариоты разделяются на восемь ветвей.
Биохимические сравнения растений показали, что у древних форм в белках доминируют аминокислоты глицин и аланин, тогда как у филогенетически молодых — глутамин и аспарагиновая кислота (Е. Г. Судьина, Г. И. Лозовая, 1982). В эволюционном продвижении растений отмечена тенденция нарастания разнообразия белков и их аминокислотного состава. По этой причине не все белки могут служить маркерами для генетического анализа современных растений. У растений выделены три группы белков по степени консервативности молекул (В. Г. Конарев, 1983). Различают белки древние — консервативные (гистоны ядра), молодые и функционально-активные (ферменты и запасные белки) и полиморфные (изозимы). Первые характеризуют общность крупных таксонов, вторые — видов, третьи — внутривидовых групп.
Использованием методов молекулярной генетики показано, что растительные леггемоглобины (Лг) и животные глобины (Гл) дивергировали 0,9—1,4 млрд. лет назад, степень их сходства составляет 30%. В то же время обнаружено сходство последовательностей некодирующих и кодирующих участков генов Лг и Гл у животных и растений. Основной локус Лг сформировался у растений путем ряда дупликаций и, возможно, серии неравных кроссинговеров. Для установления родства начали широко применять и рестрикционный анализ хлоропластного генома (Хг). При этом показано наличие большей идентичности Хг у Beta vulgaris и В. maritima (Mikami Т. et al, 1984). Другие виды (В. trigyna, В. lomatogona, В. patellaris, В. procumlens) отличались от В. vulgaris по набору фрагментов рестрикции.
Из приведенных выборочных данных видна перспективность применения сравнительного метода для изучения функциональной и биохимической эволюции растений. Однако возможности его все еще слабо используются. Очевидно и другое, о чем в свое время писал К. А. Тимирязев: «…ни морфология со своим блестящим и плодотворным сравнительным методом, ни физиология со своим еще более могущественным экспериментальным методом не покрывают всей области биологии, не исчерпывают ее задачи; и та, и другая ищет дополнения в методе историческом». Поэтому чрезвычайно важно при изучении проблем эволюционной физиологии растений использовать комплекс методов, в том числе и методы количественного анализа, применяемые в эволюционной биохимии и популяционной генетике при учете изменчивости (генетические методы), а также обычные экспериментальные методы для сравнения особенностей жизнедеятельности растений разных видов в онтогенезе. Следующая задача состоит в анализе экспериментальных данных с точки зрения истории развития растений. К сожалению, до сих пор сравнительный и исторический методы все еще недостаточно применяются в физиологии растений. Этим объясняется отсутствие или неполнота данных об эволюции физиологических особенностей.