Эволюция многоклеточной жизни

Ученые исследуют

механизмы, с помощью которых отдельные клетки могли бы эволюционировать и закрепить свое групповое поведение, проложив путь к возникновению многоклеточной жизни . Эти открытия могут пролить свет на то, какими путями сложная внеземная жизнь может эволюционировать в инопланетных мирах.

Первые известные одноклеточные организмы появились на Земле около 3,5 миллиардов лет назад, примерно через миллиард лет после образования Земли. Возникновение более сложных форм жизни заняло гораздо больше времени, и первые многоклеточные животные появились примерно до 600 миллионов лет назад.

Эволюция многоклеточных из простых, одноклеточных микробов была поворотным моментом в истории биологии  Земли. И резко изменила экологию планеты.  Одна из загадок о многоклеточных организмах заключается в том, почему клетки не вернулись обратно с состояние с одной клеткой.

«Одноклеточность явно успешна – одноклеточные организмы гораздо более многочисленны, чем многоклеточные организмы, и существовали как минимум 2 еще миллиарда лет», – сказал автор исследования исследования Эрик Либби, математический биолог из Института Санта-Фе в Нью-Мексико. «Так в чем же преимущество быть многоклеточным и оставаться таким?»

Ответ на этот вопрос

– вероятно клетки больше выигрывают от совместной работы, чем от одиночества.  При этом в сценариях сотрудничества постоянно появляются заманчивые возможности «для того, чтобы некоторые клетки уклонялись от своих обязанностей, то есть “ленились”», – сказал Либби.

Когда социальная амеба Dictyostelium discoideum голодает, она образует многоклеточное тело. Кредит: Скотт Соломон

 

 

 

 

 

 

 

Когда социальная амеба Dictyostelium discoideum голодает, она образует многоклеточное тело. Источник: Скотт Соломон

«В качестве примера рассмотрим колонию муравьев, где только королева кладет яйца, а рабочие, которые не могут размножаться, должны пожертвовать собой ради колонии», – сказал Либби. «Что мешает муравьям покинуть колонию и создать новую колонию? Очевидно то, что муравей не может сам себя воспроизвести, поэтому он не может основать свою собственную колонию. Но если у него есть мутация, которая позволила бы ему это сделать, тогда это было бы настоящей проблемой для колонии. Такая борьба распространена в эволюции многоклеточных, потому что первые многоклеточные организмы были всего лишь мутацией от строго одноклеточных ».

Эксперименты показали

что группа микробов, которая выделяет полезные молекулы, которые могут извлечь все члены группы, будет расти быстрее, чем группы, которые этого не делают. Но в пределах этой группы быстрее всего выигрывают “халявщики”, которые не расходуют ресурсы или энергию для секреции этих молекул. Другим примером клеток, которые растут таким образом, что вредят другим членам их групп, являются раковые клетки, которые являются потенциальной проблемой для всех многоклеточных организмов.

Действительно, многие примитивные многоклеточные организмы, вероятно, испытывали как одноклеточные, так и многоклеточные состояния, предоставляя возможности отказаться от группового образа жизни. Например, бактерия Pseudomonas fluorescens быстро развивается, чтобы генерировать многоклеточные области на поверхностях, чтобы получить лучший доступ к кислороду. Однако, как только коврик сформировался, одноклеточные “лентяи” перестают производить материалы, ответственные за формирование пленки, в конечном счете приводя к разрушению всего образования.

Группы дрожжевых клеток. Если ключевые клетки умирают запрограммированной смертью, эти группы могут разделиться. Авторы: Е. Либби и др., PLOS Вычислительная биология

 

 

 

 

 

 

 

Группы дрожжевых клеток. Если ключевые клетки умирают запрограммированной смертью, эти группы могут разделиться. Авторы: Е. Либби и др., PLOS Вычислительная биология

Чтобы решить тайну того, как сохраняется многоклеточная жизнь, ученые предлагают то, что они называют «храповыми механизмами». “Храповики – это устройства, которые позволяют двигаться только в одном направлении. По аналогии, храповые механизмы обеспечивают преимущества группового существования, но наносят ущерб одиночкам, что в конечном итоге предотвращает возвращение в одноклеточное состояние” – заявил Либби и соавтор исследования Уильям Ратклифф в Технологическом институте Джорджии в Атланте.

В целом, чем больше  клеток в группе становятся взаимодополняющими, тем больше они служит храповым механизмом. Например, группы клеток могут разделить труд так, что некоторые клетки вырастут в  одну жизненно важную молекулу, в то время как другие клетки вырабатывают другое существенное соединение. Поэтому эти клетки лучше взаимодействуют друг с другом, что подтверждается недавними экспериментами с бактериями.

Это также может объяснить симбиоз между древними микробами, которые привели к симбионтам, живущим внутри клеток, таким как митохондрии и хлоропласты, которые соответственно помогают их хозяевам использовать кислород и солнечный свет. Одноцепочечные организмы, известные как Paramecia , плохо развиваются , когда как экспериментально полученные фотосинтетические симбионты, обычно теряют гены, которые необходимы для жизни вне их хозяев.

Эти храповые механизмы могут привести к результатам, кажущимся бессмысленным . Например, апоптоз или запрограммированная гибель клеток – это процесс, при котором клетка по существу подвергается самоубийству. Однако эксперименты показывают, что более высокие показатели апоптоза могут действительно иметь преимущества. В больших кластерах дрожжевых клеток апоптотические клетки действуют как слабые звенья, смерть которых позволяет небольшим скоплениям дрожжевых клеток вырваться на свободу и продолжать распространяться в другом месте, где у них может быть больше места и питательных веществ для роста.

Окаменелость многомиллионного организма в 600 миллионов лет демонстрирует неожиданное доказательство сложности. Кредит: Virginia Tech

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окаменелость многомиллионного организма в 600 миллионов лет демонстрирует неожиданное доказательство многоклеточности. Источник: Virginia Tech

«Это преимущество не работает для отдельных ячеек, а это означает, что любая ячейка, покинувшая группу, будет иметь недостаток», – сказал Либби. «Эта работа показывает, что клетка, живущая в группе, может жить принципиально другой жизнью, чем клетка, живущая сама по себе. Окружающая среда может быть настолько различной, что черты, пагубные для одиночного организма, такие как повышенная смертность, могут стать выгодными для клеток в группе ».

Что же эти результаты означают в поисках чужой жизни?  Либби заявляет, что это исследование показывает, что поведение внеземных организмов может показаться странным, пока мы поймем, что организм может быть членом группы.

«Организмы в сообществах могут демонстрировать поведение, которое казалось бы странным или противоречивым, без надлежащего рассмотрения его общего контекста», – сказал Либби. «По сути, это напоминание о том, что головоломка представляет собой загадку, пока вы не узнаете, как она вписывается в более широкий контекст».

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: