Путешествие к истокам многоклеточной жизни: долгосрочная экспериментальная эволюция в лаборатории

Чтобы понять, как многоклеточная жизнь эволюционирует с нуля, исследователи из Технологического института Джорджии начали первый долгосрочный эксперимент по эволюции новых видов многоклеточных организмов из одноклеточных предков в лаборатории. Эксперимент возглавляет Уильям Рэтклифф.

За 3000 поколений лабораторной эволюции модельный организм «дрожжи-снежинки» начал адаптироваться как многоклеточная особь. В исследовании, опубликованном в Nature, команда показывает, как дрожжи-снежинки эволюционировали, став физически прочнее и более чем в 20 000 раз крупнее своего предка.

Этот тип биологической эволюции — предпосылка для появления крупной многоклеточной жизни, видимой невооруженным глазом. Исследование является первым крупным отчетом о продолжающемся долгосрочном эксперименте по эволюции многоклеточности (MuLTEE), который команда надеется вести десятилетиями.

Долгосрочный эксперимент по эволюции многоклеточности

Эксперимент MuLTEE был начат в 2018 году Озаном Боздагом с одноклеточных дрожжей-снежинок. Дрожжи выращивали в встряхиваемых инкубаторах, ежедневно отбирая по более быстрому росту и большему размеру группы.

За 3000 поколений эволюции дрожжи сформировали группы, которые стали более чем в 20 000 раз крупнее предка — от невидимых невооруженным глазом до размеров плодовой мушки, содержащих более полумиллиона клеток. Отдельные дрожжи-снежинки приобрели новые механические свойства: от более слабых, чем желатин, они эволюционировали до прочности и жесткости дерева.

Новые биофизические адаптации

Исследователи обнаружили, что клетки дрожжей стали удлиненными, что снизило плотность их упаковки в группе и замедлило накопление межклеточного напряжения.

Чтобы выяснить механизмы, позволившие достичь макроскопических размеров, ученые использовали сканирующий электронный микроскоп. Они обнаружили новый физический механизм: ветви дрожжей переплелись. Клетки кластеров эволюционировали, демонстрируя «лианоподобное» поведение, обвивая друг друга и укрепляя всю структуру.

Простой отбор по размеру организма позволил задействовать биомеханический механизм переплетения, который сделал дрожжи примерно в 10 000 раз более жестким материалом.

Наблюдение за переплетением стало переломным моментом в понимании эволюции простых многоклеточных групп. Будучи совершенно новым многоклеточным организмом, дрожжи-снежинки лишены сложных механизмов развития, характерных для современных многоклеточных организмов. Но всего за 3000 поколений лабораторной эволюции дрожжи «научились» использовать клеточное переплетение как механизм развития.

Предварительные исследования других многоклеточных грибов показывают, что они также образуют сильно переплетенные многоклеточные тела, что позволяет предположить, что переплетение — широко распространенная и важная черта в этой ветви многоклеточной жизни.