Jagung, tanaman yang ditanam di setiap benua kecuali Antartika, terlihat sangat sedikit seperti leluhurnya, rumput liar dengan biji-biji keras yang tumbuh hari ini di Meksiko barat daya dan disebut teosinte.
Ahli botani telah berdebat selama hampir seabad tentang asal jagung, percaya pada satu titik bahwa tanaman modern diturunkan dari jagung liar yang punah, atau sesuatu yang belum ditemukan. Akan tetapi, para ahli genetika akhirnya menentukan pada tahun 1990 bahwa jagung berhubungan dengan teosinte hard-kernelled, dan menyimpulkan bahwa tanaman yang gemuk dan berair yang kita kenal sekarang adalah bentuk rumput liar yang dijinakkan. Antara 10.000 dan 13.000 tahun yang lalu, para ilmuwan beralasan, para petani telah memilih dan menanam benih dengan sifat-sifat yang menguntungkan dan seiring waktu tanaman itu berubah.
Tetapi dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pekan lalu di jurnal Quaternary International, peneliti Smithsonian Dolores Piperno, seorang arkeobotan yang bekerja di stasiun lapangan Smithsonian Tropical Research Institute di Gamboa, Panama, berbagi hipotesis "mesin waktu" baru. Di bawah kondisi lingkungan masa lalu, dia dan rekan-rekannya mengatakan, teosinte terlihat jauh berbeda dari yang ada sekarang dan lebih mirip jagung modern daripada sekarang. Ini mungkin menjelaskan mengapa petani awal memilih untuk mengolahnya.
Di bawah kondisi lingkungan masa lalu, Piperno (membawa teosinte modern) dan rekan-rekannya mengatakan nenek moyang tanaman zaman Pleistosen tampak jauh berbeda dari yang ada sekarang dan lebih mirip jagung zaman modern. (Matthew Lachniet) “Kita tahu bahwa antara 10.000 dan 13.000 tahun yang lalu, ” kata Piperno, “ketika pemburu-pengumpul pertama kali mulai mengeksploitasi nenek moyang liar tanaman [hari ini] dan ketika petani pertama benar-benar mulai menanam tanaman, suhu dan CO2 atmosfer sangat berbeda. ”
Piperno bekerja dengan Klaus Winter, yang mendesain rumah kaca berkaca kaca — mesin waktu — dipertahankan dengan kadar CO2 yang lebih rendah dan dijaga pada suhu yang lebih rendah yang serupa dengan periode Pleistosen akhir dan awal Holosen. Untuk tujuan kontrol, rumah kaca lain yang meniru lingkungan saat ini disiapkan di dekatnya. Piperno dan rekan-rekannya kemudian menanam teosinte di kedua kamar.
Saat mempelajari sejarah fosil jagung dan kondisi lingkungan masa lalu, Piperno mulai bertanya-tanya seperti apa rupa nenek moyang tanaman itu selama akhir Pleistosen dan Holosen awal, ketika mereka pertama kali dipanen dan kemudian dibudidayakan. Saat itu, suhu 3, 5 hingga 5, 4 derajat lebih dingin daripada hari ini, dan CO2 atmosfer melayang pada tingkat sekitar 260 bagian per juta. Kemudian, selama Revolusi Industri, CO2 akan meningkat hingga 405 bagian per miliar saat ini, tingkat di mana tanaman teosinte tinggi dan bercabang panjang sekarang tumbuh.
Pabrik fenotip seperti jagung dari ruang "mesin waktu" (A) memiliki rumbai tunggal yang mengakhiri batang utama dan telinga wanita muncul di sepanjang batang utama (panah). Inset di kanan atas adalah close-up dari salah satu telinga wanita. Teosinte modern yang tumbuh di ruang kontrol (B) memiliki banyak cabang lateral primer yang panjang (misalnya, panah putih atas) yang diakhiri oleh jumbai (panah hitam). Telinga betina yang belum berkembang dapat dilihat pada cabang lateral sekunder (panah putih). (Irene Holst, STRI) Piperno tertarik pada penelitian yang meneliti bagaimana peningkatan CO2 dan suhu di masa depan dapat menginduksi sesuatu yang disebut "plastisitas fenotipik, " atau perubahan penampilan di pabrik sebagai respons terhadap lingkungannya. Plastisitas fenotipik dapat menyebabkan dua organisme yang identik secara genetik terlihat berbeda jika tumbuh dalam kondisi terpisah.
Dalam "mesin waktu, " Piperno dan Klaus tertarik untuk menemukan bahwa tanaman teosinte tumbuh lebih mirip jagung yang kita tanam dan makan hari ini. Sementara teosinte saat ini memiliki banyak cabang berumbai dengan telinga tumbuh di cabang sekunder, tanaman rumah kaca memiliki batang utama tunggal di atasnya oleh rumbai tunggal, serta beberapa cabang pendek dengan telinga. Dan bijinya juga berbeda: tidak seperti biji teosinte liar, yang matang secara berurutan, semua biji dalam tanaman percobaan matang semua pada saat yang sama, mirip dengan biji jagung, atau biji. Biji teosinte saat ini tertutup oleh tanaman vegetatif yang rapat, tetapi mesin waktu menghasilkan tanaman dengan biji biji yang terbuka.
Menurut Piperno, lebih sedikit cabang, bersama dengan biji yang mudah terlihat, akan membuat tanaman teh lebih mudah dipanen. Karakteristik ini - yang sebelumnya dianggap berasal dari seleksi manusia dan domestikasi - mungkin didorong oleh perubahan lingkungan yang menyebabkan plastisitas fenotipik.
Di dalam ruang mesin waktu, teosinte tumbuh dalam kondisi yang mungkin ditemui 10.000 tahun yang lalu. (Irene Holst, STRI) Sepertinya lingkungan memainkan peran "signifikan, jika kebetulan" dalam fokus pada teosinte untuk budidaya, kata Piperno. Fitur seperti jagung "memberi awal bagi para petani awal."
Daniel Sandweiss, seorang profesor Antropologi dan Studi Kuarter dan Iklim di Universitas Maine, telah melakukan penelitian ekstensif tentang perubahan iklim awal di Amerika Latin. Dia menyebut eksperimen Piperno sebagai "terobosan, " dan mengatakan dia yakin itu akan "menjadi model untuk seluruh rangkaian studi."
Piperno, Klaus dan tim mereka juga tertarik untuk melihat bagaimana lonjakan suhu dan CO2 yang terjadi antara era Pleistosen dan Holosen akhir mungkin telah memengaruhi produktivitas tanaman, dan dapat membantu menjelaskan kemungkinan alasan mengapa pertanian dimulai pada masa itu dan tidak sebelum.
Selama masa Pleistosen, level CO2 atmosfer bahkan lebih rendah daripada saat Holosen - setidaknya sepertiga - dan suhu 5 hingga 7 derajat lebih dingin. Era Pleistosen tingkat CO2 dan suhu merupakan faktor pembatas pada pertumbuhan tanaman, simpul Piperno, yang telah melihat penelitian sebelumnya yang menyarankan bahwa menanam tanaman dalam CO2 yang rendah, lingkungan bersuhu rendah menghambat fotosintesis dan menurunkan hasil biji.
Leluhur liar Jagung, teosinte, ditunjukkan tumbuh di bawah kondisi iklim modern (ruang di sebelah kiri) dan di bawah (ruang di sebelah kanan). Ilmuwan Smithsonian Dolores Piperno (kanan) dengan Irene Holst. (Sean Mattson) Hasil Piperno sendiri menggemakan studi sebelumnya; teosinte juga membentuk lebih banyak biji di dalam ruangan dengan suhu lebih hangat dan meningkatkan C02. Fenomena ini mungkin menjadikan pertanian, untuk pertama kalinya, praktik berkelanjutan untuk memberi makan keluarga. Peningkatan produktivitas tanaman, kata Piperno, mengubah pertanian menjadi "strategi adaptif yang baik."
"Hasilnya mengejutkan, " kata Sandweiss, yang mencatat bahwa penampilan teosinte telah lama menghalangi para ilmuwan. Setelah melihat seperti apa teosinte dalam kondisi pertumbuhan Pleistosen, hubungannya dengan jagung mulai "lebih masuk akal."
Eksperimen Piperno mungkin juga membantu para ilmuwan dan arkeolog memahami proses dan waktu domestikasi tanaman di seluruh dunia, kata Sandweiss. Gandum, gandum, dan beras mungkin juga mengalami perubahan fenotipik dan peningkatan produktivitas di era Pleistosen akhir dan Holosen awal. Menelusuri proses ini mungkin menjelaskan, "seperti halnya jagung, mengapa orang memilih spesies tertentu dan bukan yang lain, dan mengapa proses domestikasi terjadi ketika itu terjadi."
Piperno berencana untuk melanjutkan penelitiannya dengan melakukan studi seleksi buatan, menumbuhkan beberapa generasi tanaman untuk mengamati pewarisan fenotipe yang diinduksi seperti jagung. Dia mengatakan bahwa plastisitas fenotipik menjadi bagian penting dari apa yang oleh para ilmuwan disebut "sintesis modern baru" - memperluas cara para ilmuwan melihat efek lingkungan pada perubahan evolusioner.
“Kami pada dasarnya membuka jendela, ” kata Piperno.
