От одной клетки к множеству: как эволюционировала многоклеточность?

В начале были одноклеточные организмы. Сегодня, спустя миллионы лет, большинство растений, животных, грибов и водорослей состоят из множества клеток, работающих совместно как единое целое. Несмотря на разные пути достижения многоклеточности, их совокупности клеток действуют сообща, чтобы потреблять энергию, выживать и размножаться. Но как эволюционировала многоклеточность? Возникла ли она один раз или многократно? Как клетки перешли от одиночного существования к ассоциации и кооперации, чтобы работать как единое целое?

Карл Никлас (Корнеллский университет, Итака, Нью-Йорк), эволюционный биолог растений, изучает, как растения менялись за последние миллионы лет, особенно их размер, форма, структура и размножение. В обзоре, приуроченном к 100-летию American Journal of Botany, Никлас рассматривает историю многоклеточности и изменения, через которые должны были пройти клетки — в форме, функции, структуре и развитии — чтобы функционально объединиться с другими клетками. Он также исследует движущие силы и ограничения (от естественного отбора до генетики и физических законов), влияющие на эту эволюцию.

Многократное возникновение

Учёные сходятся во мнении, что многоклеточность возникала многократно в разных эволюционных ветвях. В самом широком смысле, как агрегация клеток, она эволюционировала как минимум в 25 линиях. При более строгом определении — требующем, чтобы клетки были соединены, общались и кооперировались, — она всё равно заметно эволюционировала: один раз у животных, трижды у грибов, шесть раз у водорослей и многократно у бактерий.

Естественный отбор действует на фенотипы. Поэтому многоклеточность могла возникать много раз через разные механизмы и пути развития, если результат — кооперативные агрегации клеток — функционирует лучше и производит больше потомства, чем одноклеточные конкуренты.

Ключевые требования и этапы

Для эволюции многоклеточности должны быть выполнены определённые требования:

• Клетки должны прилипать, общаться и кооперировать друг с другом.
• Клетки должны специализироваться по функциям (иначе это просто группа клеток или колония).

Чтобы это произошло, клетки не должны отторгать друг друга, то есть быть в какой-то степени генетически совместимыми. Этот первый шаг называется «согласованием приспособленности» (alignment-of-fitness). Он требует «бутылочного горлышка» или одноклеточной стадии (споры, зиготы), чтобы все последующие клетки имели сходный генетический материал.

Второй необходимый шаг — «экспорт приспособленности» (export-of-fitness). Он требует, чтобы клетки работали вместе для общей цели — воспроизводства новых целостных особей, тем самым согласованно повышая свою приспособленность. После этого возникает distinct фенотип многоклеточного организма.

Разные пути к одной цели

Конкретные механизмы, такие как адгезия или коммуникация клеток, различаются у растений, животных, грибов и водорослей. Однако все эти организмы прошли схожую последовательность шагов на пути к многоклеточности. Это конвергентная эволюция.

Эти этапы можно сопоставить с теоретически возможными планами строения тела, иллюстрируя наиболее вероятную последовательность: одноклеточная → колониальная → многоклеточная форма (наблюдается у водорослей, наземных растений и животных). Никлас также предлагает правдоподобный альтернативный путь: от одной клетки с множеством ядер (сифонная организация) к многоклеточной форме, что находит поддержку в строении некоторых грибов и водорослей.

Заключение

«Этот обзор литературы теперь привлёк моё внимание к «кооперации», — заключает Никлас, — потому что многоклеточность требует от клеток совместной работы. Клетки-«обманщики» не могут терпимо существовать в долгосрочной перспективе, потому что, подобно раку, они могут получить преимущество и убить многоклеточный организм».