Ученым удалось показать, как в первых многоклеточных организмах клетки жертвовали собой ради воспроизведения потомства. То же происходит и у людей: все клетки нашего тела живут только для того, чтобы сперматозоиды и яйцеклетки могли передать ДНК потомству, замечают авторы работы.
Около 3,8 млрд лет назад на Земле существовал так называемый общий предок — одноклеточный бактериальный организм, который является прародителем всего живого на Земле. В суровых условиях древней Земли (метеоритная бомбардировка, высокие температуры, ураганные ветра, приливные волны до 300 м в высоту) он активно эволюционировал: около 3,5 млрд лет назад произошло разделение на бактерии и археи, около 3 млрд лет назад появились первые фотосинтезирующие бактерии, которые создали кислородную атмосферу Земли. Однако «кооперация» одноклеточных шла гораздо дольше: лишь 1,2 млрд — 500 млн лет назад на нашей планете появились первые многоклеточные организмы.
Теперь ученым удалось смоделировать, как это произошло.
Процесс появления многоклеточных организмов, растянувшийся на миллионы лет, смоделировали в лаборатории на пивных дрожжах за 60 дней.
Статья, посвященная этому открытию, опубликована исследователями из Университета Миннесоты в журнале Proceedings of the Natonal Academy of Sciences.
Дрожжи «эволюционировали» в многоклеточные кластеры, которые кооперируются в работе, совместно производят потомство и адаптируются к окружающей среде. Именно эти признаки определяют развитие всей современной нам жизни на Земле, исходным «материалом» для которой стали первые бактериальные сообщества.
«То, что «разделение труда» эволюционирует так быстро и хорошо воспроизводится в этих «снежных» скоплениях бактерий, — большой сюрприз. Первый шаг к формированию сложных многоклеточных организмов, кажется, не был таким уж сложным препятствием на пути эволюции, как предсказывает теория. Эта работа дает ответы, но и одновременно ставит массу новых важных научных вопросов», — отметил Джордж Джилкрист, заместитель директора подразделения Национального научного фонда США, финансировавшего исследование.
Работа началась два года назад с обычного замечания во время перерыва на чашку кофе о том, что
наведение «моста» между одноклеточными и многоклеточными организмами — «это почти самое крутое из того, что мы можем сделать»,
— вспоминают Уильям Ретклифф и Майкл Травизано, авторы работы.
Дальнейшее стало большим сюрпризом: осуществить задуманное оказалось не так и сложно: проведенный на клетках дрожжей в питательной среде с помощью центрифуги эксперимент занял всего около 60 дней.
«Я думаю, что раньше это просто никто не пытался сделать. Не так много ученых занимаются экспериментальной эволюцией, и обычно они пытаются объяснить ее, а не воссоздать», — считает Рэтклифф.
Ученые выбрали пивные дрожжи, или Saccharomyces cerevisiae — вид дрожжей, которые с древности используются в изготовлении хлеба и пива. В природе они встречаются очень часто и растут быстро и неприхотливо. Дрожжи поместили в богатую питательную среду и на день оставили расти и размножаться в пробирке. Затем с помощью центрифуги содержимое среды разделили по весу. Так связанные кластеры клеток оказались на дне пробирки, так как они тяжелее. Сформировавшиеся «сообщества» отделили и вновь смешали с питательной средой.
После 60 таких циклов клеточные кластеры — уже из сотен клеток — были похожи на снежные хлопья круглой формы. Их исследование показало, что
это не просто группа «слипшихся» клеток, а постоянно связанные «родственники», сохраняющие «узы» в процессе деления.
Это наблюдение чрезвычайно важно: кооперация возможна только при генетическом сходстве. Когда кластеры достигали критического размера, часть клеток умирала в процессе апоптоза — управляемой клеточной смерти. Так они давали возможность размножаться своему собственному потомству, которое, в свою очередь, размножалось, только достигнув размера «родителей». Авторам работы удалось показать пути независимой эволюции многоклеточности на 25 тестовых группах бактерий.
«Просто скопление клеток — это еще не многоклеточный организм. Но то, что клетки действуют совместно, «жертвуют собой» ради общей цели и адаптируются к изменениям среды, вполне можно считать эволюционным переходом к многоклеточным формам жизни», — считает Рэтклифф.
Важнейшее свойство клеток в многоклеточных организмах — «альтруизм» в пользу общих, а не личных интересов: например,
все клетки человеческого тела живут только для того, чтобы позволить сперматозоидам и яйцеклеткам передать ДНК новому поколению,
подытожил автор работы.
