Почему сложная многоклеточность эволюционировала у эукариот, а не у бактерий
Прокариоты (бактерии и археи) — древнейшая форма жизни, появившаяся около 3.5 млрд лет назад. Эукариоты возникли на 1–1.5 млрд лет позже, но именно они дали начало всем сложным многоклеточным организмам (грибам, растениям, животным), в то время как прокариоты остались преимущественно одноклеточными.
Многоклеточные морфологии независимо возникали в истории жизни более 50 раз, как у прокариот, так и у эукариот. Некоторые прокариоты, например, цианобактерии или миксобактерии, демонстрируют простые формы многоклеточности с разделением труда или сложным жизненным циклом. Однако сложная многоклеточность (с несколькими типами клеток, организованными в единый организм) эволюционировала всего пять раз, и всегда — только у эукариот.
Генетический ключ к многоклеточности
Одна из теорий гласит, что только эукариоты развили свойства, необходимые для сложной многоклеточности. Эукариотические клетки более разнообразны по форме и функциям (растительные клетки, нейроны, реснитчатые клетки). Для создания этого разнообразия требуются сложные механизмы генетической регуляции.
У эукариот ДНК упакована в хроматин с помощью белков-гистонов. Модификации гистонов регулируют экспрессию генов в процессе развития. Например, у древнейших животных — губок (Amphimedon queenslandica) — уже присутствует Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), система белков, модифицирующая гистоны для "выключения" участков хроматина. Это помогает клеткам сохранять специализацию после деления, что могло облегчить эволюцию сложных многоклеточных форм.
Расширь геном — расширь морфологию
Новое исследование указывает на роль генетического дрейфа — случайного изменения частот генетических вариантов в популяции. Его эффекты сильнее в малых популяциях. При переходе к многоклеточности эффективный размер популяции (число особей, дающих потомство) уменьшается, усиливая дрейф.
Ключевое различие в реакции на дрейф:
- У прокариот дрейф часто ведёт к уменьшению генома (из-за врождённого смещения в пользу делеции генов) или накоплению псевдогенов (нефункциональных последовательностей ДНК).
- У эукариот дрейф часто приводит к расширению генома (добавлению целых участков ДНК).
Расширение генома создаёт больше "материала" для эволюционных инноваций. Исследование почти 200 видов цианобактерий показало:
- Сильную положительную корреляцию между количеством адаптаций к многоклеточности и размером генома.
- У многоклеточных цианобактерий вдвое больше псевдогенов, чем у одноклеточных, что указывает на эрозию генома под действием дрейфа как на следствие перехода к многоклеточности.
Остаётся не до конца ясным, почему только эукариоты развили сложную многоклеточность, и является ли геномная эрозия из-за дрейфа непреодолимым препятствием для прокариот. Поиск ответов на эти вопросы помогает понять события, приведшие к нашему собственному происхождению сотни миллионов лет назад.