Nur höhere Pflanzen haben es! Warum können Phytolithen Aufschluss über die Geschichte des Reisanbaus geben?

Geschrieben von Shi Jun

Das Team von Professor Yu Lupeng von der Fakultät für Ressourcen und Umwelt der Universität Linyi und Forscher von 13 weiteren Institutionen, darunter das Institut für Geologie und Geophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und das Institut für Kulturdenkmäler und Archäologie der Provinz Zhejiang, veröffentlichten einen Artikel in der internationalen Fachzeitschrift Science, in dem sie die Evolutionsgeschichte des Reises von der Wildform bis zur Domestizierung über einen Zeitraum von 100.000 Jahren enthüllen. Der Schlüssel zum Öffnen dieser mysteriösen Blackbox sind tatsächlich Phytolithen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind.

Was sind Phytolithen? Phytolithen sind mikroskopische Strukturen, die innerhalb und zwischen den Zellen vieler höherer Pflanzen vorkommen. Ihr Hauptbestandteil ist Siliziumdioxid, derselbe Hauptbestandteil wie der Sand, den wir normalerweise sehen. Es ist nur so, dass diese Kieselsäuren die Lücken zwischen den Zellen und das Innere einiger Zellen füllen und so einige spezielle Strukturen bilden.

Beachten Sie, dass nicht alle Pflanzen Phytolithen haben. Nur höhere Pflanzen, also Pflanzen mit Leitbündeln, besitzen Phytolithen, darunter Farne, Gymnospermen und Angiospermen, während Moose und Grünalgen keine Phytolithen besitzen.

Warum haben Pflanzen Phytolithen entwickelt?

Für Pflanzen haben Phytolithen zwei Hauptanwendungen: Zum einen erhöhen sie die mechanische Festigkeit der Pflanze und machen ihren Körper härter; Die andere besteht darin, sich gegen das Beißen von Tieren zu schützen und eine Rüstung anzulegen.

Die Hauptfunktion von Phytolithen besteht darin, der Pflanze Härte zu verleihen und den Pflanzenkörper zu stützen. Die in den Geweben enthaltenen Phytolithen können dem Pflanzengewebe Festigkeit verleihen, sodass es Wind und Regen standhält. Einfach ausgedrückt sind Phytolithen wie der Beton, der beim Bau eines Hochhauses zwischen die Stahlrahmen gefüllt wird.

Eine weitere Funktion der Phytolithen besteht im Schutz vor Tierfraß. Stellen Sie sich vor, Sie würden viel Sand und Glas in einen Teller Gemüsesalat mischen. Gäste müssen sorgfältig darüber nachdenken, ob es Auswirkungen auf ihre Zähne hat. Selbst wenn einige Pflanzenfresser versuchen, es mit Gewalt zu fressen, wird es ihre Zähne stark belasten und für das Überleben der Tiere schädlich sein.

Zusätzlich zu den beiden oben genannten Hauptanwendungen spielen Phytolithen in Pflanzen auch eine Rolle bei der Abwehr des Eindringens externer Mikroorganismen. Gleichzeitig können Phytolithen auch bestimmte Metallelemente wie Aluminium absorbieren und anreichern, um zu verhindern, dass diese Elemente Pflanzen schädigen.

Ich muss sagen, dass Phytolithen wirklich vielseitig sind.

Phytolithen traten erstmals im späten Devon auf, als auf der Erde erstmals üppige Wälder entstanden. Phytolithen gaben den frühen Bärlappen die nötige Unterstützung und Waffen zum Kampf gegen Pflanzen. Im weiteren Verlauf der Pflanzenentwicklung erbten Farne, Gymnospermen und Bedecktsamer die Fähigkeit, Phytolithen zu produzieren.

Obwohl Phytolithen Waffen sind, die Pflanzen gegen Tiere einsetzen, haben sie für uns Menschen viele besondere Nutzen. Zunächst einmal sind Phytolithen kleine Helfer in der landwirtschaftlichen Produktion. Die Phytolithen an den Stängeln und Blättern von Reis und Weizen können ihnen helfen, Angriffen pflanzenfressender Insekten wirksam zu widerstehen. In diesem Fall haben wir tatsächlich eine besondere kooperative Beziehung zu den winzigen Phytolithen. Natürlich können wir Phytolithen auch heute noch für zahlreiche paläobotanische, paläoökologische und archäologische Forschungen verwenden.

Bei der Untersuchung urzeitlicher Pflanzen hoffen Archäologen und Paläontologen natürlich, in den Schichten Überreste von Blüten und Früchten zu finden. Allerdings sind die Bedingungen für die Bildung von Fossilien von Blüten und Früchten zu hart, und selbst die Bildung von Fossilien von Blättern ist nicht einfach. Daher konzentrieren sich viele Wissenschaftler bis heute auf pflanzliche Mikrofossilien wie Pollen und Phytolithen.

Nach der Analyse der Phytolithen im Magenfossil von Jehol Bird stellten die Forscher fest, dass sich darin einige Phytolithen von Magnoliengewächsen befanden. Das heißt, der Vogel Jehol ernährte sich tatsächlich von den Blättern der Magnoliengewächse und seine Ernährungsweise ähnelte der des heutigen Hoatzin.

Wissenschaftler haben außerdem im Zahnstein eines Dinosauriers namens Pomacea einige Phytolithen entdeckt, die die phytolithischen Eigenschaften der Familie Poaceae aufweisen. Diese Studie bereichert unser Verständnis der Ernährung von Dinosauriern. Früher dachten wir alle, dass Dinosaurier sich von Nacktsamern und Farnen ernährten. Die Hauptnahrung der Poaceae bestand jedoch tatsächlich aus Gräsern. Das bedeutet, dass Gräser in der Dinosaurierära zu einer relativ häufigen Graslandpflanze geworden waren und auch die Grundnahrungsmittel vieler Dinosaurier darstellten.

Wie können wir bei menschlichen Überresten feststellen, ob es sich bei einem Reisrelikt um Kulturreis oder Wildreis handelt? Wenn wir nur nach der Größe der Reiskörner urteilen, können wir keine überzeugenden Beweise liefern. Dies liegt daran, dass die Größe der Reiskörner sehr unterschiedlich ist und die Wahrscheinlichkeit, dass Reiskörner intakt bleiben, nicht hoch ist.

Neben der Korngröße ist als weiteres Beurteilungskriterium die Struktur des Reisährchens entscheidend, also ob es gebrochene und verstreute Strukturen darauf gibt. Verschwindet diese Bruchstruktur, bedeutet das, dass die Reiskörner auch bei der Reife noch im Kolben verbleiben. Aus dieser Perspektive können wir auch zu dem Urteil kommen, dass Reis künstlich ausgewählt und domestiziert wurde. Es ist jedoch schwierig, die Struktur der Reisährchen intakt zu erhalten. Was soll ich dann tun? Wir müssen auch bei Phytolithen nach Antworten suchen.

Im Reis gibt es drei verschiedene Arten von Phytolithen. Es handelt sich um hantelförmige Phytolithen, die sowohl an Stängeln als auch an Blättern vorkommen. die bimodalen papillären Phytolithen, die auf der Spelze von Reis verteilt sind; und die fächerförmig auf den Blättern verteilten Phytolithen.

Unter ihnen gibt es fast keinen Unterschied zwischen den hantelförmigen Phytolithen von Kulturreis und Wildreis, sodass sie unbrauchbar sind; Es gibt einen großen Unterschied zwischen den bimodalen papillären Phytolithen von Kulturreis und Wildreis, aber es ist ziemlich schwierig, gut erhaltene Schalen zu finden, sodass diese ebenfalls unbrauchbar sind.

Der Durchbruch zeigt sich bei den fächerförmigen Phytolithen, die an ihren Rändern zahlreiche Fischschuppenmuster aufweisen. Dies ist ein ganz typisches Merkmal zur Unterscheidung von Wildreis von Kulturreis. Im Allgemeinen beträgt die Anzahl der Fischschuppen auf Wildreis weniger als 9, während die Anzahl der Fischschuppen auf Kulturreis normalerweise 8 bis 14 beträgt. Obwohl es bei den Zahlen eine gewisse Überschneidung gibt, sind die Schuppen auf Kulturreis dennoch zahlreicher. Diese Eigenschaft ist das entscheidende Kriterium für die Bestimmung, ob Reis domestiziert wurde.

Reisphytolithen können nicht nur Aufschluss darüber geben, ob Reis domestiziert wurde, sondern uns auch dabei helfen, den zeitlichen Ablauf des Reisdomestizierungsprozesses zu rekonstruieren. In der traditionellen Forschung stellt die Bestimmung des genauen Alters von Reisresten an menschlichen Fundstätten ein großes Problem dar. Denn über einen langen geologischen Zeitraum hinweg führt die Bewegung der Schichten dazu, dass sich die Vergrabungsorte der Pflanzenkörper verändern, was wiederum die Beurteilung der wissenschaftlichen Forscher beeinflusst. Zu diesem Zeitpunkt kommt die Rolle der Phytolithen zum Tragen.

Die Kieselsäure in Phytolithen kann die umgebende Strahlungsenergie absorbieren und speichern. Nach Anregung durch eine bestimmte Strahlung wird die gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt. Dieses Phänomen wird Photolumineszenz genannt. Die Intensität des freigesetzten Lichts hängt mit der Gesamtmenge der zuvor gespeicherten Energie zusammen. Durch die Analyse der Strahlungsbedingungen, die die Umgebung der Grabstätte den Phytolithen bieten kann, können Forscher die jährliche Dosis der in den Phytolithen gespeicherten Energie ableiten. Indem wir die Gesamtenergie der Phytolithen durch die Jahresdosis teilen, können wir die entsprechende Vergrabungszeit ermitteln.

In dieser Studie weist der Quarz in den archäologischen Stätten eine gute Lumineszenzleistung auf und kann bei Absorption der gleichen Strahlungsdosis mehr Lichtsignale aussenden, was bedeutet, dass die Forscher genaue Alterstests an einzelnen Partikeln oder wenigen Quarzpartikeln durchführen können. Mithilfe der Einzelpartikeltechnologie gelang es den Forschern, vermischte Quarzpartikel unterschiedlichen Alters zu unterscheiden, die durch stratigraphische Störungen verursachten Probleme wirksam zu lösen, das Alter wichtiger Schichten genau zu bestimmen und so das wahre „Alter“ des Reises zu messen.

Die Verwendung von Phytolithen verschiedener Reisarten aus den letzten 100.000 Jahren zur Ermittlung einer Evolutionssequenz kann uns helfen, den Prozess der Reisdomestizierung besser zu verstehen.

Hinter den winzigen Phytolithen verbirgt sich eine gewaltige Evolutionsgeschichte, an die wir vorher nie gedacht haben. Wenn die Forschung zu Phytolithen in Zukunft intensiver wird, wird sie uns sicherlich noch mehr Überraschungen bescheren.