Модель эволюции многоклеточности опровергает классическую теорию

Клетки могут эволюционировать в сторону специализации при гораздо более широком спектре условий, чем считалось ранее, согласно исследованию, опубликованному в eLife.

Результаты, первоначально размещённые на bioRxiv, дают новое представление о естественном отборе и помогают понять, как и почему многоклеточная жизнь так часто возникала на Земле.

Долгое время предполагалось, что специализация клеток будет развиваться только тогда, когда она приносит пользу. Например, если, специализируясь, клетки могут производить два продукта A и B, то эволюция будет благоприятствовать специализации только в том случае, если общий выход A и B больше, чем у клетки-генералиста.

«Специализированные клетки должны уметь обмениваться продуктами друг с другом. Предыдущие работы предполагают, что это происходит только до тех пор, пока общая продуктивность группы продолжает расти», — объясняет ведущий автор Дэвид Янни, аспирант Технологического института Джорджии.

Чтобы изучить это, команда использовала теорию сетей для создания математической модели, позволяющей исследовать, как различные характеристики клеточной сети влияют на эволюцию специализации. Они разделили два ключевых показателя приспособленности группы клеток:

• Жизнеспособность (способность клеток выживать)
• Плодовитость (способность клеток размножаться)

В модели клетки могут делиться с другими клетками частью результатов своих инвестиций в жизнеспособность, но не могут делиться результатами усилий по размножению. Таким образом, жизнеспособность каждой клетки в многоклеточной группе зависит от её собственных инвестиций и инвестиций других клеток группы.

Изучив влияние различных структур сетей на приспособленность группы, команда пришла к неожиданному выводу: специализация клеток может быть выгодна, даже если она снижает общую продуктивность группы.

Для этого клетки в сети должны быть слабо связаны, и они не могут в равной степени делиться всеми продуктами своего труда. Эти условия соответствуют тем, что распространены на ранних этапах эволюции многоклеточных организмов.

«Наши результаты показывают, что эволюция сложной многоклеточности, на которую указывает появление специализированных клеток, проще, чем считалось ранее, но только при соблюдении нескольких определённых критериев, — заключает старший автор Питер Юнкер. — Это прямо противоречит преобладающему мнению, что для того, чтобы естественный отбор благоприятствовал усилению специализации, необходима возрастающая отдача».