Столкнувшись с хищником, отдельные клетки иногда объединяются, чтобы защитить себя, прокладывая путь для развития более сложных многоклеточных форм жизни.
Ключевые выводы
- Новое исследование изучало эволюцию видов одноклеточных водорослей на протяжении 500 поколений, примерно за шесть месяцев.
- Исследователи подвергли одну из двух групп водорослей хищнику.
- Результаты показали, что водоросли, подвергшиеся воздействию хищника, гораздо чаще приобретали приспособления к многоклеточности.
Переход от одноклеточной к многоклеточной жизни был одним из самых важных событий в эволюции жизни. По оценкам, впервые произошедший более 1,5 миллиарда лет назад, переход к многоклеточности привел к возникновению все более сложных форм жизни на Земле, от древних водорослеобразных организмов до динозавров и людей. Тем не менее, многие процессы, лежащие в основе этого биологического сдвига, остались неясными.
Одна из теорий утверждает, что одноклеточные организмы развили многоклеточность посредством определенного ряда приспособлений. Во-первых, клетки начали прилипать друг к другу, создавая группы клеток с более высокой выживаемостью, отчасти потому, что хищникам труднее убить группу клеток, чем одну клетку. Но за эту защитную адаптацию приходится платить снижением скорости размножения; только благодаря адаптации, приобретаемой в течение поколений, группы клеток лучше размножаются, чем отдельные клетки.
Вместе крепче
Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, подвергло эту теорию проверке. Исследователи разделили десять штаммов одноклеточной зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii на две группы. Одна группа подверглась воздействию микроскопического хищника по имени Brachionus calyciflorus, разновидности коловратки. Другая группа эволюционировала без хищников.
Через шесть месяцев все штаммы водорослей, столкнувшиеся с хищником, эволюционировали в группы клеток. Между тем, только четыре из 10 штаммов водорослей без хищников превратились в группы. Удивительно, но этот переход к простой многоклеточности произошел относительно быстро, всего за 500 поколений или шесть месяцев. (Водоросли размножались примерно раз в 9 часов.) Видео ниже показывает, как хищнику было гораздо труднее поедать клетки, когда они группировались вместе.
После того, как группы клеток усилили свою защиту от хищников, они смогли увеличить свою репродуктивную способность. Исследователи отметили, что эти адаптации происходили на уровне генома и передавались по наследству, предполагая, что при достаточном воздействии давления отбора, такого как хищничество, эволюция в сторону многоклеточности может быть неизбежной.
«Эволюционировавшие группы клеток имели уникальные варианты, участвующие в удержании клеток вместе после клеточного деления, что свидетельствует о последовательном избирательном ответе на уровне генома», - пишут исследователи. «Эта довольно высокая степень повторяемости и небольшое количество поколений предполагают некоторую степень детерминизма фенотипической и геномной реакции C. reinhardtii на давление хищников».
Разделение труда
Согласно теории, как только клеточные группы установлены, клетки могут начать выполнять специализированные функции. Это происходит посредством дифференциации соматических и зародышевых клеток, при этом соматические клетки выполняют нерепродуктивные функции (избегание хищников, способность перемещаться и находить ресурсы и т. д.), а зародышевые клетки - те, которые производят следующее поколение.
Но этот процесс специализации имеет свою цену. Результаты команды показали, что переход к многоклеточности требует, чтобы клеточные группы сначала повысили свою выживаемость, что в краткосрочной перспективе снижает репродуктивную способность групп. Несколько причин снижения репродуктивной способности включают более низкое поглощение ресурсов, ограниченную подвижность и сниженную скорость фотосинтеза.
Исследователи отметили, что другие факторы давления отбора, помимо хищничества, также могли привести клетки к формированию групп, включая стресс окружающей среды, более эффективное использование питательных веществ или солевой стресс, которые могли случайно присутствовать в эксперименте. Новое исследование также не было первым, показывающим, что хищничество может вызвать быструю эволюцию в сторону многоклеточности. Но это пролило свет на то, как даже простейшие формы жизни могут адаптироваться за счет стратегических компромиссов в трудные времена.