Чим усіяний шлях одноклітинних до того, щоб стати многоклеточными
Многоклеточность — універсальна властивість, незалежно виникало в історії життя на цій планеті безліч разів. Як же саме вона з’явилася і чи можна це подія відтворити? Наскільки ми близькі до того, щоб дати остаточний і вичерпну відповідь на одне з головних питань еволюційної біології?
Читати оригінальний текст chrdk.ru
Клітини. Абсолютно всі помітні оку істоти пов’язані. Клітини. Ця універсальна риса будови пов’язує величних синіх китів з ледь помітними оці нематодами, що складаються всього з пари сотень клітин. Клітини. Ставлять на одну клітку царствені секвої і канарку в клітці.
Клітини. Якщо порівняти многоклеточное істота з хоч і не дуже простий, але все ж єдиною кліткою інфузорії, то усвідомлення складності багатоклітинних структур може налякати до остраху. Клітини. Організм людини — 70 кг біомаси — складається з приблизно 38 трильйонів (3,8 cross times1013) клітин. Всі вони — клітини — глибоко специализированны, різноманітні, а долі їх жорстко пов’язані. Багатоклітинний організм — це трильйони клітин, що синхронізовані один з одним. Клітини, які об’єдналися в органи і тканини наших тіл, діляться, ростуть і вмирають, пов’язані жорсткими правилами.
Як виникла така складна система клітин, пов’язаних всередині нас? Для того щоб розібратися в цьому сплетінні, нам доведеться відмотати час на кілька мільярдів років тому.
Звичка рости
Якщо прикинути, як змінювалися розміри живих істот в ході еволюції, то виявиться, що за останні 3,5 млрд років максимальні розміри (маса/об’єм) живих організмів помітно збільшилися аж на цілих 16 порядків! Поглянувши на графік їх зростання, ми виявимо на кривій дві добре помітні ступені.
Перший вибух нестримного зростання трапляється в палеопротерозое, приблизно 1,9 млрд років тому. Він пов’язаний з появою эукариотической клітини. Друга сходинка на нашому графіку трапляється 600-450 млн років тому (кінець эдиакария — початок ордовику), її початок збігається з появою загадкових комплексів викопних організмів — вендской біоти, а її середина припадає на знаменитий Кембрійський вибух. За цей період життя буквально розцвітає у всьому своєму розмаїтті, а максимальні розміри організмів збільшуються ще в мільйон разів. Запускається цей різке зростання розмірів і різноманітності життя появою многоклеточности. Та й в цілому здається, що збільшення розмірів стає одним з важливих напрямів еволюції і на якомусь етапі його може підтримати тільки многоклеточность.
Ще трохи про розмір
Хто б що не говорив, але розмір, безсумнівно, має значення. Хижакові значно легше впоратися з видобутком, коли він більше її, а найпростіший спосіб не бути з’їденим — бути більший того, хто намагається тебе проковтнути (прости, Екзюпері, удав не зможе проковтнути слона). Так що розмір тіла є важливим фактором відбору.
Але от невдача: вперті закони фізики створюють проблеми для дуже великих клітин. При збільшенні розміру клітини обсяг зростає швидше, ніж площа поверхні, через яку здійснюється весь обмін речовин. Особливо це критично для сферичних клітин з їх мінімальним співвідношенням площі та об’єму. Для них труднощі з дифузією речовин починаються вже після 50 мкм.
Крім того, геному в ядрі клітини-переростка вкрай проблематично впоратися з гігантським об’ємом цитоплазми. Ні, звичайно, природа знайшла безліч шляхів вирішення цих проблем: гігантські клітини протистовпринимают найхимерніші форми, щоб захоплювати своєю мембраною купу бульбашок-везикул, підселюють всередину себе домашніх тварин-эндосимбионтов, насичують мембрану білками-транспортерами, обзаводяться купою ядер і складними системами транспорту мРНК по цитоплазмі. Так що для вільноживучих розмір клітин в 1 мм (типова амеба-фораминифера) далеко не межа. Так, водорість ацетабулярия, що має цілком відчутні розміри 6-12 см, складається всього лише з однієї клітини. А вимерлі нині форамініфери взагалі доростали до 20 см в діаметрі! Але чи потрібні всі ці хитрування, коли можна збільшити свої розміри набагато більш легким способом — просто сплести свої долі в одну, об’єднавшись в колонію?
Кілька клітин, скупчені в клітинний грудку, стають набагато більш складною жертвою для пожирачів. Особливо, якщо клітини надійно зчеплені один з одним і покриті загальним слизовим чохлом. Та й плавати, загрібаючи джгутиками в одну сторону, виявляється набагато більш зручно — це ж зрозуміли багато мільйонів років тому і люди, створивши веслові галери. А якщо потрібно, навпаки, триматися на місці, щоб не віднесло течією, то вкрай зручно хапатися одного за дружку, а після всім разом — за що-небудь стійке. Загалом, плюсів достатньо. Є, звичайно, і мінуси: наприклад, у колоніях легше поширюється інфекція, так і витрати енергії та ресурсів на будівництво комунальної власності начебто слизового чохла або цементуючих речовин ніхто не відміняв. Але раз вже природний відбір почав сприяти розміром, то колонія у багатьох випадках виявляється успішніше одиночної клітини-гіганта (що, звичайно, залишає свою, досить широку нішу і для найпростіших-гігантів на зразок радіолярій).
РадиолярииDr. Norbert Lange
Одним з таких колоніальних організмів є добре знайомі нам зі шкільної лави представники роду вольвокс. Їх колонія може налічувати до 50 000 клітин. Всередині — жителі двох видів: перші, з джгутиками, що забезпечують рух, знаходяться зовні кулі-колонії, а позбавлені джгутиків генеративні клітини занурені в слизуваті вміст його центру. У відповідних умовах ці клітини легко міняються ролями і замінюють один одного, але, тим не менш, поділ за функціями тут вже очевидний. Подібна колоніальна організація відома в 36 таксонах водоростей, причому у багатьох з них вона з’явилася незалежно. У загальній складності таких незалежних появ колониальности налічується не менше 22. Тобто клітини еукаріотів, еволюціонуючи, вже неодноразово приймали рішення, що разом їм жити зручніше.
Колоніальні найпростіші — ідеальна модель для вивчення розвитку многоклеточности. Вони зробили перший крок на шляху в бік світлого многоклеточного майбутнього. І, судячи з усього, саме через цю стадію колись пощастило пройти і нашим предкам.
Що ж, якщо цей етап так багаторазово повторювався, можливо, нам вдасться відтворити процес становлення хоча б цієї, самої простої многоклеточности в лабораторних умовах?
Як спроектувати комуну
Взагалі, в еволюційної біології існують три основних прийоми, що дозволяють реконструювати давні еволюційні події. По-перше, можна порівнювати характерні риси (наприклад, послідовності нуклеїнових кислот або білків) нині живучих організмів, знаходити серед них загальні і робити висновки про спорідненість цих організмів, реконструюючи геном/особливості будови їх спільного предка. По-друге, можна спробувати знайти викопні рештки організмів з цієї епохи. І нарешті можна поставити експеримент і відтворити потрібний нам етап розвитку життя прямо в лабораторії. Третій варіант ідеально підходить для нашої задачі: еволюційні експерименти на порівняно легко культивованих і швидко розмножуються одноклітинних давно стали одним з найулюбленіших занять еволюційних біологів.
